基于不停航施工要求的機場道面環氧瀝青混合料性能分析*

寸江峰，王淑紅

（陜西交通職業技術學院建筑與測繪工程學院，陜西西安 710018）

機場道面作為飛機起飛滑行和降落滑跑的載體，其性能優劣直接影響著飛機運行安全及乘坐體驗，而目前，機場道面鋪裝材料多以水泥混凝土和瀝青混凝土為主，而瀝青混凝土無拼縫、平整度高，且易于施工，有效彌補了水泥混凝土的不足，是國內外機場道面新建及養護中的主流發展趨勢，且在應用過程中隨著普通瀝青向改性瀝青的發展，機場道面的結構和使用性能進一步提升。而環氧瀝青混合料作為一種改性瀝青，其以環氧材料與固化劑為改性材料進行固化反應，可形成交聯結構，使得改性瀝青的強度、抗疲勞及耐蝕性更優，被逐漸應用于機場道面的鋪裝和養護之中。

目前，隨著航空運量及飛機體量的快速增長，機場道面承載負荷更大，且復雜、多變的飛行及氣候條件下，對于修補材料提出了更高的要求；而且，機場道面具備“一場一地”的特性，要在不停航的要求下，保質保量的完成修補工作至關重要。但因為環氧樹脂與瀝青分屬極性、非極性物質，需增加相容劑促使兩者產生膠凝作用，并進行固化反應以達到既定路用強度要求。而研究表明，瀝青路面強度受瀝青與礦料粘聚力及礦料之間的內摩阻力影響，但在不停航條件下，固化反應過快或過慢，均會影響加長道面的初始強度與穩定性；且從環氧瀝青混合料的級配結構看，集料之間的嵌擠性能影響內摩阻力，對于初始及最終路用性能均有影響。故而，本文從固化反應速度、級配的視角，分析不停航要求下環氧瀝青混合料的性能，以尋求最優設計方案，促進其在機場道面中的優化應用。

1 實驗原料與參數

實驗選用岳陽巴陵石化生產的E-51環氧樹脂、90#基質瀝青、固化劑制備環氧瀝青。因環氧樹脂與瀝青相容性較差，為此，實驗將極性較低的基團引入分子主鏈，弱化環氧樹脂的極性[1]，并增添自制固化劑在60℃下將其與改性環氧樹脂充分攪拌，而后，再與加熱至120℃的基質瀝青攪拌5min即可得環氧瀝青[2]。同時，參照《民用機場瀝青道面設計規范（MH/T 5010-2007）》[3]機場道面環氧瀝青混合料所用集料的指標要求，實驗選用的粗集料、細集料均為玄武巖，顆粒級配、干凈整潔、無風化雜質，且強硬度、熱穩定性較優，礦料選自茅迪集團有限公司經過篩料機篩選后的礦粉，且因礦粉與環氧瀝青的膠漿對環氧瀝青混合料的固化反應有關鍵影響，故而，其力學性能配設見表1。

表1 礦粉的力學性能參數Table 1 Mechanical property parameters of mineral powder

同時，不停航要求下為在短期達到環氧瀝青混合料的快速投用，其初始強度應該較高，而設計密度可表征混合料中骨架嵌擠程度，是影響混合料初始強度的關鍵要素，故而，本文選用貝雷法級配設計，根據如下步驟獲取80%、85%、90%、95%、100%、105%不同設計密度條件下混合料的級配曲線：

步驟1：因剩余孔隙率可表征粗集料骨架嵌擠結構，為此，需通過測定不同粒徑顆粒不同摻配比條件下的剩余孔隙率，以確定各檔粗細集料的最佳摻配比；

步驟2：確定粗細集料內部各檔集料的摻配比例后，在最佳摻配比下測定粗細集料的密度參數；

步驟3：根據環氧瀝青混合料的體積關系，也即粗集料自然堆積狀態下的體積與細集料干搗實狀態填充的體積之和，可得特定設計密度下粗集料擬達到的體積，計算公式為[4]：

式（1）中，ρ1、ρ2、ρ3分別為細集料干搗密度、粗集料堆積體積密度及設計密度，Ppcs為該公稱最大粒徑下篩孔的通過率，P0.075為篩孔為0.075的通過率。結合上式，即可得出不同設計密度下PCS篩孔（粗細集料分解篩孔）的通過率，而后在可結合粗細集料各自的摻配比例，即可得級配曲線。EA -13級配中，13.2～16、9.5～13.2、4.75～9.5、2.36～4.75、1.18～2.36、0.6～1.18、0.3～0.6、0.15～0.3及0.075～0.159(mm)中各篩孔中，最趨近于NMPS 的0.22倍的篩孔為2.36mm，此時，通過控制關鍵篩孔的通過率，及計算其他篩孔通過率，即可獲得不同設計密度下各篩孔尺寸的通過率，也即級配曲線,如圖1所示。且通過環氧瀝青混合料的粗集料骨架間隙率VCAmix與松裝狀態下粗集料骨架間隙率VCADLC的大小對比，95%、100%、105%設計密度下VCAmix

圖1 不同設計密度的級配曲線Fig. 1 Grading curves of different design densities

此外，環氧樹脂、固化劑與瀝青的初始固化反應過快，則無法在短時間內完成混合料的攪拌、鋪碾，過慢則影響不停航要求下的快速投用性，故而，本文預設環氧瀝青混合料粘度達到既定值1Pa·s的時間作為標準，通過測定40%、50%、60%等不同環氧樹脂體系（環氧樹脂和固化劑）摻量，在150、160 ℃溫度下，隨著固化反應時間的推移，其粘度變化如圖2所示。

圖2 環氧樹脂體系隨固化反應時間推進的粘度變化Fig. 2 Variation of viscosity of resin system with curing reaction time

由圖2可知，環氧瀝青混合料的粘度隨著環氧樹脂體系摻量的增加而上升，在初始固化反應階段粘度增長較緩慢，且160℃較150℃的增長速度更快，可見，溫度較高時，因環氧樹脂體系的固化反應速度更快，粘度增長也快，尤其在環氧樹脂體系摻量較高時，該種差異更為明顯。但是，綜合對比，40%、50%、60% 3種摻量下環氧瀝青混合料的粘度增加至1Pa·s的固化反應時間均在50～80 min之間，在不停航要求下有充足時間進行攪拌、鋪攤、碾壓，且隨后固化反應速度加快，環氧瀝青混合料的粘度增長加速，可形成初始路用強度，達到不停航要求下的快速投用性。

2 實驗方法

利用上述材料制備成環氧瀝青混合料試樣后，根據《民用機場瀝青道面設計規范（MH/T 5010-2017）》的相關要求進行馬歇爾試驗、車轍試驗、小梁低溫試驗、浸水馬歇爾試驗測定不停航要求下環氧瀝青混合料的初始強度、穩定性等初始路用性能，及高溫穩定性、低溫穩定性、水穩定性等最終路用性能。

3 試驗結果與分析

3.1 快速投用性

為達到不停航下的快速投用性，本文以初始強度、動穩定性作為環氧瀝青混合料未固化條件下的強度指標。首先，針對初始強度的馬歇爾實驗時，將環氧瀝青混合料在室溫內靜置24h，并對其從混合、攪拌、成型等全過程進行多組平行實驗，以精準測定初始強度各項指標，結果見表2。

表2 各設計密度下環氧瀝青混合料的馬歇爾試驗結果Table 2 Marshall test results of epoxy asphalt mixture under different design densities

參照《民用機場瀝青道面設計規范（MH/T 5010-2017）》的相關要求，環氧瀝青混合料不停航下初始強度應在9.0kN以上[6]，而由表2可知，馬歇爾實驗測定的80%、105%設計密度下，未達標。從整體上看，環氧瀝青混合料的初始強度呈現先增后降的趨勢，95%、100%、105%設計密度的松排骨架結構的初始強度優于80%、85%、90%設計密度下的懸浮密實結構，這源于初期環氧瀝青未完全固化，導致混合料初始強度受限，此時，礦料的嵌擠力與內摩阻力對初始強度的影響更強，因此松排骨架結構混合料的初始強度更優，但80%設計密度下混合料的骨架密實度較弱，加之固化反應不完全，環氧瀝青的粘結作用較弱，故初始強度未達標。而在105%設計密度時，混合料的骨架密實度進一步增強，在設計密度持續增加時，其粗集料增加、細集料減少，細集料無法充分填充粗集料骨架形成的空隙，使得混合料骨架結構更為松散[7]，因此初始強度也下降，使得105%設計密度的環氧瀝青混合料初始強度未達標。

同時，使用車轍試驗來測評未完全固化下環氧瀝青混合料的初始動穩定性，將測得的試驗數據根據下式計算環氧瀝青混合料的動穩定性[8]：

式（2）中，d1、d2各 為 對 應 時 間t1(45min)、t2(60min)的變形量(mm)，C1、C2分別為試驗機類型系數、試件系數，此處均取值1.0，N為試驗輪往返碾壓速度，一般為42次/min。據此，可得各設計密度下環氧瀝青混合料的初始動穩定性如圖3所示。

圖3 各設計密度下環氧瀝青混合料的初始動穩定性Fig. 3 Initial dynamic stability of epoxy asphalt mixture under different design densities

由圖3可知，僅80%設計密度下的級配曲線未達到2000次/mm的初始動穩定性標準要求[9]，其余設計密度下的環氧瀝青混合料均達到了要求，滿足機場道面快速投用需求；且隨著設計密度增加環氧瀝青混合料的初始穩定性先增后減，松排骨結構優于懸浮密實結構，這源于初期未完全固化條件下，環氧瀝青的交聯結構尚不足以支撐高溫下大型飛機多輪高胎壓，此時，將松排骨架結構的粗集料嵌擠下，混合料抗剪強度較強，表現出的初始動穩定性更優。

3.2 長期耐用性

環氧瀝青混合料經過充足的固化反應后，能否達到最終的強度，需從高低溫及水穩定性來評測，這是衡量其長期耐用性的關鍵指標。故將混合料試件在60℃烘箱中保溫4d[10]，使其完全固化，通過車轍試驗測得環氧瀝青混合料的高溫穩定性如圖4所示。

圖4 各設計密度下環氧瀝青混合料的高溫穩定性Fig. 4 High temperature stability of epoxy asphalt mixture under different design densities

由圖4可知，環氧瀝青混合料經過完全固化反應后，形成了較好的高溫穩定性，各設計密度條件下混合料均達到了12000次/mm的標準要求，且隨著設計密度的增加其高溫穩定性下降，這是因為80%、85%、 90%設計密度下的懸浮密實結構，細集料比例增加，可更好地促成環氧瀝青的交聯，故高溫穩定性更優。

同時，采用小梁低溫試驗來測定環氧瀝青混合料的低溫穩定性，將試件靜置于-10℃的低溫箱中4h，在50mm/min加載速率下，測定各設計密度混合料的破壞荷載PB、破壞中撓度d，根據式（3）～（5）計算出低溫穩定性指標[11]，結果見表3。

表3 各設計密度下環氧瀝青混合料的低溫穩定性指標Table 3 Low temperature stability index of epoxy asphalt mixture under different design densities

式（3）～（5）中，B、h、L分別為跨中斷面的高、寬及混合料的跨徑。

由表3可知，各設計密度下的環氧瀝青混合料的低溫穩定性均可達到2000με以上標準要求，且隨著設計密度的增加，彎拉應變先降后增，且松排骨架結構的環氧瀝青混合料的彎拉應變更大，低溫穩定性更好，這源于松排骨架結構向懸浮密實結構轉換時，在未到達最佳密實點之前，混合料的結構比較松散且模量比較小，低溫下不易產生脆性破壞，故低溫穩定性較高。

最后，通過浸水馬歇爾實驗測定環氧瀝青混合料完全固化后，在長期使用中的抗水損害性。試驗中，將試樣置于60℃下養生4h進行充分固化反應，根據式（6）計算各設計密度下混合料的殘留穩定性[12]：

式（6）中，Ms、Md各為混合料浸水48h、30～40 min后的穩定度。據此，可得水穩定性測試結果,見表4。

表4 各設計密度下環氧瀝青混合料的水穩定性Table 4 Water stability of epoxy asphalt mixture under different design densities

由表4可知，僅105%設計密度下環氧瀝青混合料的浸水殘留穩定度未達到85%以上的標準要求，且隨著設計密度下降，浸水殘留穩定度逐漸上升，也即水穩定性增強，這是因為松排骨結構向懸浮密實結構轉換時，細集料填充量上升，可更好地填充粗集料孔隙，進而增強環氧瀝青與礦料之間的粘結作用，讓環氧瀝青更好地包裹礦料表層，進而提升混合料的水穩定性。

4 結論

（1）綜合來看，在既定的環氧樹脂體系摻量下，不同設計密度的環氧瀝青混合料的初始強度、動穩定性，及高低溫及水穩定性均可以滿足《民用機場瀝青道面設計規范（MH/T 5010-2017）》的標準要求，達到了不停航條件下短期快速投用、長期耐用的雙重需求。

（2）通過對比發現，不同設計密度的環氧瀝青混合料的短期、長期的路用性能存在既定差異，均隨著設計密度的變化呈現一定的規律性，且在松排骨架結構與懸浮密實結構之間存在顯著差異。短期快速投用性能測試中，初期強度、動穩定性隨著設計密度的增加均呈現先增后減的變化趨勢，且松排骨結構的環氧瀝青混合料的兩項性能均優于懸浮密實結構，但值得注意的是，80%、105%設計密度的混合料未達到初始強度下限要求，且80%設計密度的混合料也未達到初始動穩定性，在不停航要求下將環氧瀝青混合料用于機場道面時，應予以充分關注。同時，長期的路用性能測試中，環氧瀝青混合料在完全固化反應后，各設計密度混合料的高低溫穩定性、水穩定性基本可達到《民用機場瀝青道面設計規范（MH/T 5010-2017）》的標準要求，但是，隨著設計密度的變化呈現出不同的變化特征，高溫穩定性、低溫穩定性、水穩定性隨著設計密度的增加而下降，懸浮密實結構的混合料表現出更優的長期耐用性，區別在于低溫穩定性隨設計密度增加先降后增，105%設計密度混合料水穩定性未達標。故而，在不停航條件下要達到環氧瀝青混合料長期耐用性的優化，應趨利避害。