熱帶海洋氣候機場跑道瀝青混合料配合比設(shè)計探析

張繼偉 ，李松 （中交一航局安裝工程有限公司，天津 300456）

1 概述

本文介紹的該機場跑道采用750mm厚級配碎石基層，14mm下封層和75mm厚DG14等級瀝青混合料結(jié)構(gòu)設(shè)計。DG14等級瀝青混合料是采用澳大利亞標準規(guī)范設(shè)計的瀝青混合料，通過與國標JTG F40進行比對，DG14等級與國標AC-13等級瀝青混合料相近，骨料最大粒徑均為13.2mm。DG14等級瀝青混合料因其有著良好的路用性能而被廣泛用于路面面層。而機場跑道采用DG14等級瀝青混合料有著更為嚴苛技術(shù)要求，已超出標準規(guī)范要求，其設(shè)計關(guān)鍵一方面在于原材料選擇，另一方面還在于配合比設(shè)計及壓實度等。

該機場跑道升級改造工程位于巴布亞新幾內(nèi)亞國家某海島東側(cè)海岸，地處赤道帶，南緯8。，熱帶雨林島嶼，氣溫年較差和日較差均較小，終年高溫多雨，年平均氣溫在30℃～33℃，年平均降雨量4096mm。另外瀝青面層還嚴重受到海風海蝕影響，太陽直射嚴重，瀝青路面溫度日最高溫度可達70℃。為此，項目試驗室對DG14等級瀝青混合料配合比設(shè)計展開研究。本文將詳細介紹機場跑道DG14等級瀝青混合料配合比設(shè)計的研究過程和試驗段所取得的成功經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上提出在熱帶海洋氣候地區(qū)機場跑道瀝青面層配合比設(shè)計時一些注意事項和建議，意在為類似地區(qū)的機場跑道面層瀝青配合比設(shè)計積累經(jīng)驗，為今后相關(guān)工程配合比設(shè)計提供參考。

2 機場跑道DG14等級瀝青混合料及原材料技術(shù)要求

2.1 瀝青技術(shù)要求

表1 瀝青技術(shù)要求

2.2 集料技術(shù)要求（見表2）

2.3 DG14瀝青混合料技術(shù)要求（見表3、表4）

2.4 其他技術(shù)要求

①壓實度要求：接縫以外位置壓實度至少為98%且不超過100%，接縫位置壓實度至少為97%且不超過100%；

②浸水馬歇爾（48h）試驗結(jié)果大于等于90%；

③凍融抗劈裂殘留強度比不小于80%；

④刻槽工藝：

瀝青混合料攤鋪壓實結(jié)束六周后，在瀝青混合料表面進行刻槽工藝，以增大飛機輪與跑道之間的摩擦力，同時利于跑道面不行成水膜。槽與槽間距為38mm，槽深槽寬均為6mm。

3 原材料準備

集料：石灰?guī)r類破碎碎石和機制砂。如使用天然砂，天然砂用量不超過總混合集料的20%。

好果產(chǎn)自好苗。說到枸杞，人們自然就想到了寧夏枸杞。說來也巧，當天，寧夏中寧縣杞鑫枸杞苗木專業(yè)合作社董事長朱金忠正好來到姬勝利的種植基地回訪。他介紹說，合作社形成了一套種植技術(shù)服務(wù)體系，為種植戶提供管理技術(shù)、病蟲害防治、整形修剪、水肥一體化等一系列技術(shù)服務(wù)。河西農(nóng)場枸杞苗主要用的是他們的寧杞10號、7號和5號，抗逆性強。種植枸杞關(guān)鍵是管理，尤其開春整形修剪很重要，要能分清果條和非果條，修剪不好，苗會瘋長影響產(chǎn)量。

表2 集料技術(shù)要求

表3 瀝青混合料混合料集料篩分和技術(shù)要求

瀝青：采購自新加披GSI Energy Corporation企業(yè)的C320等級瀝青，符合澳標AS 2008規(guī)范要求。

瀝青抗剝落劑：采購自新加坡AkzoNobel企業(yè)的DIAMINE HBG系列固態(tài)抗剝落劑，通過骨料抗剝落性試驗確定最小摻量為瀝青用量的0.5%。

表4 瀝青混合料馬歇爾技術(shù)要求

填料：考慮到運輸?shù)纫蛩兀盍线x擇當?shù)厣a(chǎn)的水泥，替換機場跑道技術(shù)要求的消石灰。

各種規(guī)格集料、水泥和瀝青的技術(shù)指標，對應(yīng)的材料密度試驗結(jié)果見表5、表6。

表5 集料密度試驗結(jié)果

表6 瀝青密度試驗結(jié)果

4 目標和生產(chǎn)配合比設(shè)計研究

4.1 目標配合比設(shè)計-冷料，Cold Bin

計算DG14等級瀝青混合集料的級配，通過計算2.36mm和4.75mm篩孔通過率，控制其接近技術(shù)要求級配的中值，合成級配見表4和圖1，由于技術(shù)要求的級配范圍極窄，同時參考以往工程經(jīng)驗，合成該條級配曲線。根據(jù)確定好的混合級配和技術(shù)要求，按照初試瀝青含量為5.7%雙面各擊實75次制作馬歇爾試件，測定VV、VMA、VFA等馬歇爾體積指標，在瀝青混合料指標滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上驗證此級配，測試結(jié)果見表7。

由表7可知，空隙率VV等于4%，礦料間隙率VMA等于15%，大于等于JTG F40國標最小14%的要求，滿足澳標AS 2150最小15%的要求，瀝青混合料體積指標滿足要求，因此本次設(shè)計選擇該級配為設(shè)計級配。

表7 混合級配的設(shè)計結(jié)果

圖1 合成級配

表8 混合級配初試級配試驗結(jié)果

4.2 最佳瀝青含量的確定-冷料，Cold Bin

按確定的級配稱取集料，采用不同種瀝青含量，雙面各擊實75次成型馬歇爾試件，然后將成型的試件進行試驗，試驗結(jié)果見表8。

根據(jù)機場跑道瀝青混合料體積指標的設(shè)計要求，空隙率應(yīng)控制在3.8～4.2%，瀝青含量為5.9%時空隙率為3.8%，其它指標穩(wěn)定度、飽和度、流值和瀝青薄膜厚度均滿足機場跑道技術(shù)指標的要求。

表9 瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

4.3 生產(chǎn)配合比設(shè)計-熱料，Hot Bin

根據(jù)冷料篩分合成配比的比例，對瀝青拌合站冷料倉皮帶速率進行率定，并出熱料，確定熱料篩分和熱料混合料級配。通過計算2.36mm和4.75mm篩孔通過率，控制其接近冷料目標配合比級配，合成級配及對應(yīng)的集料密度試驗結(jié)果見表10，表11和圖2。

表10 混合級配的設(shè)計結(jié)果

表11 集料密度試驗結(jié)果

4.4 最佳瀝青含量的確定-熱料，Hot Bin

按確定的級配稱取熱料集料，采用不同種瀝青含量，雙面各擊實75次成型馬歇爾試件，然后將成型的試件進行馬歇爾試驗，試驗結(jié)果見表12。

根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果，分別繪制穩(wěn)定度、流值、空隙率、飽和度與瀝青含量的關(guān)系曲線，見圖3和圖4。當瀝青含量在5.9%～6.0%之間均滿足機場跑道DG14等級瀝青混合料技術(shù)設(shè)計要求 (技術(shù)設(shè)計要求理想瀝青含量6.0%)，且該范圍值與目標配合比設(shè)計階段OAC1相差不超過±0.2%，結(jié)合當?shù)氐臍夂蛱攸c和實際情況論證，選擇6.0%為最終得出最佳瀝青含量。

4.5 混合料性能試驗

針對上述DG14等級瀝青混合料各項指標的試驗研究結(jié)果，分別對瀝青混合料試件進行抗水損害試驗、和低溫抗裂性性能試驗，具體試驗結(jié)果見表13所示。從表中的試驗數(shù)據(jù)分析可知，熱料生產(chǎn)配合比所設(shè)計的瀝青混合料的抗水損害性能、高溫穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能均能滿足技術(shù)要求。

圖2 合成級配

表12 瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

圖3 馬歇爾性能與瀝青含量關(guān)系曲線

5 生產(chǎn)配合比調(diào)試及試生產(chǎn)拌合

根據(jù)上述的生產(chǎn)配合比研究結(jié)果進行了瀝青混合料試拌。從DG14等級瀝青混合料外觀來看，整體混合料較為均勻，所檢指標均能滿足技術(shù)要求，具體檢測結(jié)果見表14表15。

圖4 最佳瀝青含量范圍

表13 混合料性能研究結(jié)果

表14 混合料級配檢測結(jié)果

6 施工試驗段

試驗段基層和下封層全部檢測合格，試驗段施工當日天氣多云，瀝青混合料的出料溫度基本在150℃～165℃之間，到場檢測溫度基本在145℃～164℃之間，攤鋪時現(xiàn)場的大氣溫度為30℃，地表溫度為56℃，具體碾壓工藝及試驗段實體檢測結(jié)果如下所述。

6.1 碾壓工藝

攤鋪過程中采用一臺中交西筑LTUY900C型履帶式攤鋪機進行5m寬攤鋪，松鋪系數(shù)采用1.20，攤鋪速度設(shè)定為3.0m/min，整體鋪面均勻性良好。碾壓環(huán)節(jié)采用2臺雙鋼輪壓路機和一臺膠輪壓路機，碾壓段落長度控制在30m以內(nèi)。碾壓方式見表16。

6.2 試驗段檢測數(shù)據(jù)

從試驗段的施工現(xiàn)場來看：整體鋪面均勻，表面平整，無花白，符合DG14（國標AC-13F）路面的鋪面特點。從試驗段的試驗室瀝青混合料檢測結(jié)果來看：混合料級配與生產(chǎn)配合比設(shè)計的級配較為吻合，瀝青含量和混合料的馬歇爾性能指標均滿足機場跑道技術(shù)指標控制要求；從試驗段的現(xiàn)場檢測結(jié)果來看：正常鋪面所有檢測點的壓實度均大于98%，接縫點的壓實度均大于97%，滿足機場跑道技術(shù)指標控制要求。

試驗段的各項檢測結(jié)果表明：DG14等級瀝青混合料的施工配合比、碾壓工藝、碾壓溫度和碾壓段落長度等參數(shù)設(shè)置是合理的，達到了鋪筑試驗段的預(yù)期目的，可指導(dǎo)后續(xù)DG14等級瀝青混合料施工。

表15 混合料馬歇爾試驗結(jié)果

7 DG14等級瀝青混合料配合比設(shè)計中遇到問題和解決過程

①抗剝落劑對比選擇

瀝青抗剝落劑選用新加坡AkzoNobel企業(yè)的DIAMINE HBG系列固態(tài)抗剝落劑，和GSI企業(yè)的MEGAMINE液態(tài)抗剝落劑，通過骨料抗剝離率試驗，最小摻量均為瀝青用量的0.5%。通過馬歇爾試驗對比發(fā)現(xiàn)，加入了MEGAMINE液態(tài)抗剝落劑的馬歇爾試件流值結(jié)果普遍在4.0～6.0mm，不滿足機場跑道≤3mm的技術(shù)要求。

②瀝青對比

瀝青選用新加披GSI企業(yè)的C320等級瀝青和馬來西亞VKING ASPHALT SDN.BHD同等級的瀝青進行配合比設(shè)計，通過多次試驗和驗證，馬來西亞VKING的C320等級瀝青滿足配合比設(shè)計技術(shù)要求，可用于替代GSI C320等級瀝青。

③添加絮狀木質(zhì)纖維素對比

配合比設(shè)計初期，馬歇爾穩(wěn)定度一直很低。從澳大利亞某企業(yè)采購了絮狀木質(zhì)纖維素樣品，通過馬歇爾試驗發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定度并無明顯改善，同時流值大幅增加，超出3mm，不滿足機場跑道DG14等級瀝青配合比設(shè)計技術(shù)要求。

8 總結(jié)

通過本次DG14等級瀝青混合料配合比設(shè)計，總結(jié)設(shè)計過程經(jīng)驗，提出如下幾點建議供配合比設(shè)計和施工時參考：

①此配合比設(shè)計關(guān)鍵在集料混合料級配，對比機場跑道技術(shù)要求，現(xiàn)行澳標和國標，不難發(fā)現(xiàn)，機場跑道技術(shù)要求區(qū)間極度狹窄，中值曲線是澳標標準和國標標準要求級配區(qū)間的級配上線，也就意味著，機場跑道技術(shù)要求的集料混合料細度偏細，這樣瀝青混凝料面層相對光滑細膩，所以在合成集料混合料級配上務(wù)必保證貼近技術(shù)級配要求區(qū)間的中值。取瀝青混合料進行集料篩分試驗，檢驗標準配合比集料合成級配中，至少應(yīng)包括0.075mm、2.36mm、4.75mm及公稱最大粒徑篩孔的通過率接近目標配合比級配值，避免在0.3mm～0.6mm處出現(xiàn)“駝峰”。

表16 碾壓組合方式

表17 混合料級配檢測結(jié)果

表18 混合料馬歇爾試驗結(jié)果

②使用原材料中瀝青選擇優(yōu)質(zhì)C320等級瀝青，且確保瀝青在12個月內(nèi)，并無任何污染。

③瀝青用抗剝落劑要進行骨料抗剝離率試驗，從而確認最小抗剝落劑用量，且抗剝落劑與瀝青匹配性要良好，建議不使用MEGAMINE作為瀝青混合料抗剝落劑。

④為滿足飛機著陸和瀝青薄膜厚度指標要求，在不降低瀝青含量的情況下，建議增加施工壓實度。

⑤瀝青混合料出料溫度：嚴禁超出165℃出料溫度的上限，否則廢棄。瀝青混合料控制在145℃～165℃。

⑥瀝青混合料攤鋪溫度：瀝青混合料攤鋪到跑道上溫度不低于110℃。

⑦瀝青混合料碾壓溫度：瀝青混合料全部碾壓結(jié)束溫度不低于80℃。