高模量劑對機場瀝青道面高溫性能的影響

程德金，楊 凱，戴 征，王建黨，張曉輝

(西北民航機場建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075)

1 概述

高模量瀝青混合料起源于法國，具有模量高、抗車轍能力強、耐久性好等特點，被許多國家吸收并應用于解決重載交通條件下瀝青路面的車轍問題[1-4]。機場道面所承受的荷載遠遠大于公路路面，尤其是飛機在端滑行聯絡道道口、飛機等待區、跑道掉頭坪等速度較慢甚至處于靜止狀態時，瀝青道面長時間處于飛機渦輪噴出的高溫氣流和飛機本身高荷載作用下易出現道面軟化、推移壅包、輪轍等剪切破壞，甚至產生機輪下陷現象，嚴重危及飛機行駛安全，因此需要提高瀝青混合料的高溫抗剪切性能。

國內外學者對瀝青混合料抗剪切性能的研究主要從混合料的高溫穩定性方面入手，研究認為[5-7]瀝青混合料高溫穩定性不足，自身產生塑性變形是混合料產生剪切破壞，出現車轍的主要原因。目前常用的改善思路主要有提高瀝青性能、改善礦料級配和添加外加劑等措施[8-11]，機場常用的方式是在混合料中添加外加劑，本文依托國內南方某4C機場跑道“蓋被”工程，使用PR高模量劑，選取端滑行聯絡道道口作為試驗段，采用不停航施工，在原水泥道面上加蓋兩層瀝青混凝土，根據施工過程中的車轍試驗和施工完成后道面取芯單軸貫入剪切試驗評價瀝青混合料的高溫抗剪切性能，并結合馬歇爾試驗、低溫小梁彎曲試驗和水穩定性試驗，綜合評價高模量劑對混合料路用性能的影響。

2 試驗原材料與配合比設計

2.1 試驗原材料

1)瀝青。

本工程選用中石油SBS改性瀝青，其技術指標符合規范和設計要求，如表1所示。

表1 SBS改性瀝青技術指標

2)集料。

本工程下面層采用石灰巖，規格為10 mm～20 mm，5 mm～10 mm；上面層采用輝綠巖，規格為10 mm～15 mm，5 mm～10 mm；細集料規格均為0 mm～5 mm，填料為磨細的石灰巖礦粉，粗細集料技術指標均符合規范和設計要求。

3)高模量劑。

試驗段采用法國PR高模量劑，該模量劑由多種聚合物經特殊工藝加工而成，外觀為黑色顆粒狀物質，直徑2 mm～4 mm，如圖1所示，技術要求如表2所示。

表2 高模量劑技術指標

2.2 生產配合比設計

在目標配合比設計基礎上，采用熱料分別對AC-20和SMA-13進行生產配合比設計，級配曲線如圖2,圖3所示，4個熱料倉規格分別為1號倉(0 mm～5 mm),2號倉(5 mm～11 mm),3號倉(11 mm～16 mm),4號倉(16 mm～22 mm)，依據目標設計級配及熱料倉篩分結果，通過馬歇爾試驗法確定AC-20生產配合比為：4號倉∶3號倉∶2號倉∶1號倉∶礦粉 =29∶10∶16∶40∶5，油石比(質量比)4.4%；SMA-13生產配合比為3號倉∶2號倉∶1號倉∶礦粉=42∶30∶18∶10，油石比(質量比)6.2%。

3 試驗段方案

本次選取端滑行聯絡道道口為試驗段，鋪筑面積4 000 m2，在試驗段下面層AC-20和上面層SMA-13混合料中分別摻加0.5%的PR MODULE高模量劑，對比段不摻加高模量劑；分別進行混合料馬歇爾試驗、車轍試驗、小梁低溫彎曲試驗、水穩定性試驗，并在現場取芯進行單軸貫入強度試驗，芯樣如圖4所示，綜合分析試驗段和對比段的混合料路用性能。

4 高模量劑對瀝青混合料路用性能的影響

4.1 馬歇爾穩定性

根據JTG E20—2011公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程分別對試驗段和對比段瀝青混合料進行馬歇爾試驗，試驗結果如表3，表4所示。

表3 AC-20瀝青混合料馬歇爾試驗結果

表4 SMA-13瀝青混合料馬歇爾試驗結果

根據表3,表4可知，加入高模量劑后，AC-20和SMA-13兩種瀝青混合料的馬歇爾體積指標基本沒有變化，因為外加劑的質量相對混合料的質量占比非常小；兩種試驗段混合料試件的馬歇爾穩定度分別較對比段提高了16.9%和13.5%，原因在于高模量劑在高溫干拌、壓實過程中軟化變形，被集料擠壓嵌擠于顆粒之間，起到加筋約束作用，增強混合料的強度；同時高模量劑加入增加了瀝青的黏度，增大了混合料的黏聚力，從而提高混合料強度。

4.2 高溫性能

4.2.1 車轍試驗

通常車轍表征混合料抗剪切變形的能力，為評價高模量瀝青混合料的抗車轍能力，根據JTG E20—2011規范要求進行車轍試驗，試驗段和對比段的試驗結果如圖5所示。

根據圖5可知，試驗段AC-20混合料的動穩定度達12 353次/mm，較對比段提高了20.9%，SMA-13動穩定度達9 693次/mm，較對比段提高了14.3%，說明高模量劑的加入提升了混合料的抗車轍能力，因為高模量劑在混合料內部具有嵌擠加筋作用，相當于在混合料內部形成一個加筋網，從而提升混合料的抗剪切變形能力。

4.2.2 單軸貫入剪切試驗

為了評價鋪筑完成的瀝青道面抗剪切能力，依據MH/T 5010—2017民用機場瀝青道面設計規范采用SANS電子萬能試驗機對現場取的芯樣進行單軸貫入剪切試驗，如圖6所示，加載速率1 mm/min，試驗溫度60 ℃，試驗結果如表5，表6所示。

表5 AC-20單軸貫入剪切試驗結果

表6 SMA-13單軸貫入剪切試驗結果

從表5，表6可知，添加高模量劑后，試驗段AC-20和SMA-13瀝青混合料的單軸貫入抗剪切強度分別為1.30 MPa和0.90 MPa，相較于對比段貫入強度分別提高了20.4%和15.4%。研究發現，高模量劑的加入使混合料的動穩定度和單軸貫入剪切強度均有較大幅度的提高，且高模量劑對AC-20抗剪切性能的增強作用大于SMA-13，因為SMA-13粗集料骨架結構對混合料抗剪切變形能力的貢獻大于AC-20這種懸浮密實型瀝青混合料，加入高模量劑對SMA骨架的改善作用較小，主要通過改善瀝青的性能來提高抗剪能力。

進一步分析可知，高模量劑對混合料的作用機理主要有兩個方面[12-14]：一方面與瀝青作用，吸收瀝青中的輕質油分，增大瀝青的黏度，從而增強混合料抗變形能力；另一方面與集料作用，在高溫拌和、壓實作用下，高模量劑軟化、變形被擠壓成不同形狀的變形體嵌擠于集料之間，限制了礦料顆粒的相對移動，增強骨架結構的穩定性，改善混合料高溫性能，此外，在高溫作用下高模量劑部分融化拉絲，相互纏繞搭接，形成空間纖維網絡結構，穿插于粗集料骨架空隙之中，將集料骨架體系約束為一個有機整體，增強了混合料的整體強度。

4.3 低溫抗裂性能

為了評價高模量劑對AC-20和SMA-13低溫性能的影響，按照規范(JTG E20—2011)要求分別對試驗段和對比段瀝青混合料進行小梁低溫彎曲試驗，試驗結果如表7所示。

表7 小梁低溫彎曲試驗結果

從表7可知，試驗段和對比段的兩種瀝青混合料抗彎拉強度無明顯提高，最大彎拉應變均能滿足MH/T 5011—2019民用機場瀝青道面施工技術規范冬冷區和冬溫區不小于2 500 με的要求，符合南方地區使用條件，試驗段AC-20和SMA-13最大彎拉應變較對比段降低了1.9%和1.6%，說明摻加高模量劑對AC-20和SMA-13低溫抗裂性能的影響很小，降幅仍在規范要求之內。

4.4 水穩定性能

根據規范(JTG E20—2011)分別對AC-20和SMA-13 瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，試驗結果如圖7所示。

由圖7可知，試驗段AC-20殘留穩定度為93.8%，凍融劈裂強度比TSR為87.3%，試驗段SMA-13殘留穩定度為95.7%，TSR為89.6%，兩種試驗段混合料水穩定性較對比段提高了2%～4%，說明高模量劑混合料對水穩定性有一定的改善作用，但不及混合料高溫穩定性改善明顯，因為在高模量劑的作用下，瀝青的黏度增大，增強了瀝青抗水分子置換的能力，從而提高瀝青與礦料的黏結力，進一步防止水對瀝青與礦料界面的損害，從而改善混合料的水穩定性。

5 結語

本文通過對試驗段與對比段兩種高模量瀝青混合料分別進行室內馬歇爾試驗、車轍試驗、低溫彎曲試驗、水穩定性試驗和現場取芯單軸貫入剪切試驗，得出結論如下：

1)高模量劑的加入增強了瀝青混合料的高溫抗剪切性能，試驗段AC-20與SMA-13混合料的動穩定度分別為12 353次/mm和9 693次/mm，較對比段混合料分別提高了20.9%和14.3%；試驗段AC-20與SMA-13混合料的抗剪切強度分別為1.30 MPa和1.08 MPa，較對比段混合料分別提高了20.4%和15.4%。高模量劑加入混合料中通過吸收、嵌擠和纖維網約束作用，顯著改善混合料的抗剪切變形能力，提升混合料的整體強度。

2)混合料添加高模量劑后，試驗段AC-20和SMA-13馬歇爾體積指標基本無變化，最大彎拉應變降幅不超過2%，水穩定性指標提高2%～4%，說明高模量劑對混合料低溫性能有一定影響，但對水穩定性也有一定的改善作用。

3)室內試驗與現場取芯檢測結果表明使用高模量瀝青混合料鋪筑的試驗段具有較強的高溫抗剪切能力，綜合使用效果良好，針對機場端滑行聯絡道道口、跑道掉頭坪、快滑道口等這些易發生剪切破壞的區域，高模量瀝青混合料具有一定的推廣應用價值。