機場繞滑道工程高性能瀝青混合料研究與應用

馮冰天

[1.上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200433；2.上海綠色路面材料工程技術研究中心，上海市201901]

0 引言

我國民航事業的不斷發展給機場基礎設施的建設帶來了越來越多新的挑戰。機場道面作為機場基礎設施的重要組成部分，其使用性能的好壞直接影響到乘客是否能得到安全與舒適的體驗[1]。

目前，我國機場道面結構主要可分為兩種類型。一種為水泥混凝土剛性道面，具有結構強度高、承載能力強、使用壽命長等特點，且在材料要求、工程造價、維護成本等方面具有一定的優勢。另一種為瀝青混凝土柔性道面，具有表面平整、抗滑性強等特點，飛機運行時平穩、舒適且噪聲低，表面使用性能良好，同時施工速度快、養護時間短，工期節省且適應性強，較適合現有的關鍵飛行區域保障不停航施工的需要。未來我國將會有越來越多的機場新建道面采用瀝青混凝土柔性道面形式或加鋪瀝青混凝土道面的形式[2-3]。

相較于城市道路路面，機場道面對瀝青混合料的高溫穩定性、耐疲勞性能和平整抗滑等方面的使用性能具有更高的要求，以適應機場道面重載、高速、頻繁加減速的行駛特征[4]。除此之外，道面結構設計時還應考慮不停航、快速施工條件下的工程需要，以盡可能降低對機場日常運營的影響。本文依托虹橋機場繞滑道系統安全改造工程中的瀝青道面工程，分析了虹橋機場繞滑道道面應用需求，按照不同工況條件摻加不同品種與比例的高模量添加劑，研究高模量劑對瀝青混合料的動穩定度的影響規律，并從原材料性能試驗的角度對本文所提的高性能瀝青混合料的適用性進行驗證分析。

1 道面施工方案研究

1.1 工程概況

上海虹橋國際機場是我國重要的航空客貨運樞紐之一，初建時間早，拓建次數多[5]。實施虹橋機場繞滑道系統安全改造工程的目的是進一步增強虹橋機場飛行區安全保障能力，提升機場運行效率和品質[6]。實施內容包括建設南北中間繞滑道，并與現有南北繞滑道西半部分形成小環遠端繞滑模式。本文著重依托此次繞滑道道面結構工程中的瀝青道面面層工程，針對機場繞滑道使用特點，對瀝青面層所采用的瀝青混合料性能開展研究。

1.2 道面使用需求分析

（1）重載。如大型遠程寬體客機波音747-400，其起飛全重量近400 t，輪胎接地壓力高達1.44 MPa。機場道面在如此高的荷載作用下將產生很大的應力和應變，使機場道面很容易產生失穩性車轍和剪切流動變形。同時，在高應力作用下，容易發生有限次數大荷載作用下的疲勞破壞[7-8]。

（2）高速。飛機滑行速度往往達到200 km/h 以上。因此，要求道面具有良好的平整、抗滑性能，以保證飛機起落的安全性[7]。

（3）作用次數少。機場交通量很小，一般國內小型機場一天起落十個架次到幾十個架次。即使繁忙的機場，也不過一天三五百架次。而一般高速公路一天的交通量可達幾萬次。因此，機場道面一般呈現出有限次數大荷載作用下的疲勞特征。

（4）加減速頻繁。飛機在起落過程中一直處于加減速狀態，因此機場道面瀝青混合料將受到巨大的水平剪切應力。這就要求瀝青道面面層材料自身具有良好的抗剪切變形能力，同時要求瀝青面層與基層之間具有良好的層間黏結性能[9]。

1.3 結構設計方案

基于機場道面對瀝青混合料性能的要求與SMA-13 瀝青混凝土優越的性能，根據瀝青混合料厚度設置和不停航條件下施工的需要，新建道面瀝青混合料結構層采用四層結構形式。其中，下部面層為過渡層，采用摻加高模量劑的AC-20 改性瀝青混凝土，主要協調瀝青面層與下部半剛性基層，以充分保證密水性和耐久性，兼顧抗裂（防反）性。中部面層為摻加高模量劑的AC-20 改性瀝青混合料和SMA-13 改性瀝青混合料，共同承擔抗剪和持力層作用，以保障結構承載能力和抗輪轍能力。上部面層主要為磨耗層，采用SMA-13 改性瀝青混合料，以保證抗滑性、抗松散性和抗水損壞能力，兼顧高溫性能。考慮到與道面的統一，用于道肩面層的瀝青混合料也采用了相同的SMA-13 改性瀝青混合料。

2 材料性能分析

2.1 瀝青

考慮到機場道面高溫穩定性、耐疲勞性能、抗松散、抗水害性能和平整抗滑的技術特點，在滿足規范要求的基礎上，本次瀝青道面工程選用符合上述條件的高彈改性瀝青作為上面層SMA-13 膠結料，重載交通專用改性瀝青作為下承層AC-20 的瀝青膠結料。高彈性改性瀝青和重載交通專用改性瀝青性能指標和實測結果見表1、表2。

表1 高彈性改性瀝青性能指標與實測值一覽表

表2 重載改性瀝青性能指標與實測值一覽表

相較于一般改性瀝青，本次選用的高彈改性瀝青具有更好的恢復變形能力，抗變形疲勞性能較好；老化后指標滿足相關規范對改性瀝青的要求，且優于一般SBS 改性瀝青，具有較好的抗老化性能[10]。

選用的重載交通專用改性瀝青具有較好的軟化點和低溫延度。根據相關混合料試驗，其動穩定度是規范改性瀝青混合料要求的2～3 倍，疲勞壽命是普通改性瀝青的4 倍左右。因此，能有效提高混合料的高溫抗車轍性能和低溫抗裂性能[11]。

2.2 高模量劑的影響分析

為進一步驗證高模量劑對瀝青混合料的整體性能的影響，本文通過室內車轍試驗，研究不同品牌、不同摻量的高模量劑對兩種瀝青制備的SMA-13 瀝青混合料和AC-20 瀝青混合料的動穩定度的影響規律。其中，瀝青混合料均按已經確定的生產配合比制備。

3 種不同品牌高模量劑進行車轍試驗對比如圖1 所示。動穩定度越大，表示高溫穩定性越好。從中可以看出，A 品牌高模量劑相較于其他高模量劑能提高10%～12%的動穩定度，因此選擇高模量劑A 作為本次工程所用的摻加劑。

圖1 不同品牌高模量劑對AC-20 瀝青混合料動穩定度影響

從圖2 的車轍試驗可以看出，摻加0.2%的高模量劑后，SMA-13 瀝青混合料的動穩定度與未摻加時增幅不明顯；隨著高模量劑摻量的增加，動穩定度有顯著提升。這主要是因為，高模量劑會對瀝青混合料產生加勁和膠結作用，使瀝青和集料之間的黏結力增大，高模量劑摻量越多，加勁作用和膠結作用越明顯，動穩定度越大[12]。

圖2 不同摻量高模量劑對S MA-13 瀝青混合料動穩定度影響

從表3 中可以看出，摻加0.6%的高模量劑后，AC-20 瀝青混合料的動穩定度提升38%，低溫最大彎拉應變提升了14%，而凍融劈裂強度比的變化不明顯。高模量劑能有效增加瀝青黏度，使混合料黏結力相應變大。因此，在一定范圍內增大高模量劑的摻量，可以提高混合料的水穩定性。

表3 不同摻量高模量劑對AC-20 瀝青混合料性能指標

根據以上試驗結果，結合設計文件要求與經濟效益角度考慮，決定采用0.6%和0.4%分別作為本瀝青道面工程AC-20 級配和SMA-13 級配的瀝青混合料的高模量劑摻量。

2.3 瀝青混合料與性能分析

按照已經確定的生產配合比和高模量劑摻量生產瀝青混合料，高彈改性瀝青混合料和重載改性瀝青混合料性能指標和實測結果見表4、表5。從表4、表5 可以看出，本次瀝青道面所使用的SMA-13 和AC-20 瀝青混合料具有良好的高溫穩定性，60℃的動穩定度均能達到11000 次以上，且低溫極限破壞應變能達到3000 με 以上，具有良好的高低溫性能。從凍融劈裂試驗和肯塔堡飛散試驗結果來看，兩種高性能瀝青混合料凍融劈裂強度比和肯塔堡飛散損失均能滿足規范要求，能夠保證機場道面在重載、高速、頻繁加減速行駛特征下具有良好的抗水損害性能和抗剝落性能。

表4 高彈性改性S MA-13 混合料性能指標與實測值一覽表

表5 重載改性AC20 混合料性能指標與實測值一覽表

3 工程應用效果分析

為了驗證所選用瀝青混合料實際應用效果，采用現場檢測方法，對虹橋機場道面試驗段進行瀝青上面層SMA-13 的攤鋪與工后性能檢測評價。

機場滑道道面攤鋪寬度為23 m，因此采用4 臺攤鋪機以聯機形式進行攤鋪。考慮安檢和航后施工等因素，拌和均提前至少4h 進行，拌合能力保證可以滿足攤鋪要求。壓路機碾壓路面時遵循“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的原則，即壓路機緊跟在攤鋪機后面碾壓，碾壓速度慢且均勻，采取高頻率、低振幅的方式碾壓。道面試驗段SMA-13 上面層工后檢測結果見表6。

由表6 可以看出：由滲水系數試驗結果，虹橋機場繞滑道試驗段道面抗滲水性能優異，能有效防止雨水對道面造成的水損害；道面平整狀況良好，能夠有效改善飛機滑行時的舒適性；道面壓實度良好，現階段瀝青SMA-13 施工工藝滿足設計與規范要求。

表6 試驗段使用性能檢測結果

4 結語

經過理論分析和試驗驗證，本文主要得到以下結論：

（1）采用高溫性能與抗疲勞性能優異的高彈改性瀝青作為磨耗層SMA-13 膠結料，重載改性瀝青作為下面層膠結料，具有優異的高溫抗車轍能力和良好的水穩定性，提升了混合料的各項性能，滿足了機場道面高溫穩定和平整抗滑的要求。

（2）通過研究不同品牌與摻量的高模量劑對瀝青混合料的性能指標影響，確定以0.6%和0.4%作為本工程AC-20 級配和SMA-13 級配的瀝青混合料的高模量劑摻量。

（3）材料性能試驗結果表明：兩種瀝青混合料動穩定度均大于11000 次/mm，浸水馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂比較高，其他各項指標也滿足規范要求。這說明，此次瀝青道面所設計的混合料路用性能良好。

（4）施工現場檢測結果表明：機場滑道道面壓實度、平整度與滲水系數均滿足規范要求，具有良好的抗松散、抗水害性能和平整抗滑性能。