機場瀝青道面混合料使用性能的演變規律分析

孫忠金、郝友詩、苗健

（民航機場規劃設計研究總院有限公司東北分公司，遼寧沈陽 110041）

0 引言

得益于平整度高、抗滑性好、減震效果優異等使用性能和機械化程度高、養護快速便捷等施工特點[1-3]，瀝青道面逐步廣泛應用于我國機場的新建或改擴建工程中。然而，在高速、重載的飛機荷載和溫濕度等環境因素的長期耦合作用下，瀝青混合料的水穩定性、抗高溫和抗剝落性能易發生衰減，造成道面產生裂縫、輪轍和坑槽等病害，不僅威脅飛行安全，而且嚴重影響道面使用壽命。因此，全面了解并掌握服役跑道瀝青道面混合料使用性能的演變規律，對于機場作出科學的運維決策、提升道面服務水平具有極為重要的意義。

在公路領域，眾多學者[4-5]已從性能評價、劣化規律分析等角度對瀝青混合料路用性能開展了持續深入的研究，但由于機場嚴格的安全制度和封閉性特征，導致現場大面積檢測受限，造成瀝青道面混合料實測數據缺乏，以致當前鮮有機場瀝青道面混合料使用性能方面的研究。王顯祎等[6]，馮磊[7]，譚悅等[8]，分別從損壞成因分析、混合料性能評價、施工質量控制等方面對機場瀝青道面混合料使用性能進行了研究，但由于瀝青道面多年持續性的系統性檢測數據極為匱乏，以上學者僅針對瀝青道面混合料某一時間的各項性能指標進行分析，無法研究其使用性能的演變規律。

對此，本文以華東某機場跑道瀝青道面為研究對象，在2015 年、2016 年和2017 年進行連續3 年的現場取樣和室內試驗，并依據實測結果，從水穩定性能、高溫穩定性能和抗松散性能三個方面，系統分析了瀝青道面混合料使用性能的演變規律。研究成果可為機場維護決策提供可靠依據，為后續研究提供數據支持。

1 試驗方法

1.1 現場取樣

選用HZ-20 型鉆芯取樣機獲取瀝青道面芯樣，如圖1 所示。根據《民用機場道面現場測試規程》（MH/T 5110—2015）的規定，采用隨機抽樣的原則，在不影響跑道道面正常運行的飛機輪跡帶以外區域，進行道面全厚度鉆芯取樣，每年的取芯數量均滿足相關試驗要求。

圖1 現場鉆芯取樣示意圖

1.2 室內試驗

根據《民用機場道面評價管理技術規范》（MH/T 5024—2019），分別采用凍融劈裂試驗、肯塔堡飛散試驗評價混合料水穩定性能、抗松散性能；依據陸嘉珉等的研究，采用劈裂試驗作為混合料高溫穩定性能評價方法[9]。

1.2.1 水穩定性能試驗方法

采用凍融劈裂試驗作為混合料水穩定性能測定方法。將測定試件的高度與直徑后將試件隨機分為兩組，第一組試件在室溫下保存；第二組試件在真空度97.3kPa 條件下真空保水15min 后恢復常壓并于常溫水中靜置30min，接著放入塑料袋中，并在加入10mL 水后放進-18℃的恒溫冰箱中冷凍16h，取出后立刻將試件放入60℃的恒溫水槽中保溫24h。完成上述步驟后，將兩組試件在25℃的恒溫水槽中養生2h后，采用SYD-0716 型劈裂試驗儀以50mm/min 的加載速率進行劈裂試驗，得到試驗的最大荷載。通過計算試件水損害前后劈裂破壞的強度比TSR，評價瀝青混合料的水穩定性

1.2.2 高溫穩定性能試驗方法

采用劈裂試驗作為混合料高溫穩定性能測定方法，通過SYD-0716 型劈裂試驗儀，以50mm/min 的速率加載至試件劈裂破壞。將數據采集系統記錄的數據繪制成荷載-變形曲線，選取曲線上的最大荷載，計算可得劈裂抗拉強度RT。

式（2）中：a為系數，取0.006287/0.00425（根據試件尺寸）；PT為試驗荷載最大值；h為試驗高度。

1.2.3 抗松散性能試驗方法

采用肯塔堡飛散試驗作為混合料抗松散性能測定方法。首先，將試件放入20℃的恒溫水槽中養生20h；其次，取出后用毛巾擦去試件表面水，逐個稱取試件質量并迅速將試件放入DM-Ⅱ型洛杉磯試驗機中，蓋緊蓋子；再次，開啟試驗機，以30～33r/min 的速度旋轉300 轉；最后，取出試件及碎塊，稱取試件殘留質量。通過測定試件旋轉撞擊規定的次數后，散落質量的百分率ΔS，評價飛機荷載作用下道面集料剝落散失的程度。

式（3）中：m0為試驗前試件質量；m1為試驗后試件質量。

2 數據分析

2.1 水穩定性能

瀝青道面混合料連續3 年的凍融劈裂試驗結果，如圖2 所示。2015 年、2016 年、2017 年的凍融劈裂比TSR 分別為86.5%、82.1%、65.3%，呈明顯的下降趨勢，表明這3 年間瀝青道面混合料水穩定性能逐年降低。

圖2 凍融劈裂試驗結果

混合料的TSR 在2015 年仍滿足《民用機場瀝青道面設計規范》（MH/T 5010—2017）的要求（≮85%），2015—2016 年TSR 下降比例為5.1%，2016 年TSR 略小于規范要求；而2016—2017 年TSR 下降比例上升至20.1%，大幅度超越2015—2016 年，以至2017 年TSR遠遠低于規范要求。分析這3 年的TSR 演變過程可以發現，該瀝青道面服役10 年后，其水穩定性能在2016 年出現拐點，TSR 降至規范規定的閾值以下，水穩定性能不再滿足使用要求，且性能衰減速度顯著增大，這從瀝青道面混合料自身性質角度解釋了國內瀝青道面普遍在服役10 年左右出現嚴重水損害的原因。

2.2 高溫穩定性能

瀝青道面混合料連續3 年的劈裂試驗結果，如圖3所示。2015 年、2016 年、2017 年的劈裂強度RT分別為0.89MPa、0.84MPa、0.75MPa，隨服役時間的增加而不斷減小，表明2015—2017 年間瀝青道面混合料高溫穩定性能不斷衰減。

圖3 劈裂試驗結果

《民用機場瀝青道面設計規范》（MH/T 5010—2017）未對瀝青混合料劈裂強度進行明確規定，故該節緊扣本文研究目的，僅對瀝青道面混合料高溫穩定性能的演變過程進行分析。2015—2016 年混合料RT減少比例為5.6%，2016—2017 年RT減少比例為10.7%，2016—2017 年減少比例仍大于2015—2016 年，但相較于TSR 兩者相差不大。這表明瀝青道面服役10 年后，其高溫穩定性能在2016 年雖出現了拐點，但并不明顯，性能衰減趨勢比較穩定。

2.3 抗松散性能

瀝青道面混合料連續3 年的肯塔堡飛散試驗結果，如圖4 所示。2015 年、2016 年和2017 年的飛散損失率ΔS分別為6.2%、8.7%、15.0%，呈明顯的增大趨勢，表明該瀝青道面混合料抗松散性能在本文研究時間范圍內逐年衰減[10]。

圖4 肯塔堡飛散試驗結果

混合料的ΔS在2015 年滿足《民用機場瀝青道面設計規范》（MH/T 5010—2017）的要求（≯10%），2015—2016 年ΔS增大比例為40.3%，2016 年ΔS仍在規范規定范圍內，但已接近閾值；而2016—2017 年ΔS增大比例劇增至72.4%，遠大于2015—2016 年，2017 年ΔS高于規范限值。研究這3 年的ΔS演變過程可以發現，該瀝青道面服役10 年后，其抗松散性能在2016 年出現明顯拐點，ΔS雖仍滿足規范要求但已逼近閾值，且性能衰減速度大幅度升高，這也從混合料自身性質角度解釋了國內瀝青道面往往在運行10 年左右出現大面積坑槽、粒料脫落現象的原因。

橫向對比來看，混合料水穩定性能、高溫穩定性能、抗松散性能均在2016 年出現拐點，各項性能均趨向于加速衰減。這表明在飛機荷載和環境因素持續作用下，瀝青道面服役10 年后，在其設計年限后期，混合料使用性能總體為加速衰減的發展趨勢。

3 結論

本文采用現場取樣和室內試驗的方法分析我國華東某機場瀝青道面混合料2015—2017 年間的使用性能演變規律，得到以下幾點主要結論：

第一，混合料水穩定性能逐年降低，具有顯著的加速衰減特征，如2015—2016 年TSR 下降比例為5.1%，而2016—2017 年TSR 下降比例大幅度上升至20.1%。

第二，混合料高溫穩定性能保持平穩的衰減趨勢，衰減速度未出現明顯差異。

第三，混合料抗松散性能逐年衰減，且趨向于持續大幅度劣化，如2015—2016 年ΔS增大比例為40.3%，而2016—2017 年ΔS增大比例劇增至72.4%。

第四，瀝青道面服役10 年后，其水穩定性能、高溫穩定性能、抗松散性能均出現了拐點，各項性能衰減速度均表現出增大的特征。說明在瀝青道面設計年限后期，混合料使用性能總體為加速衰減的演變規律。