程德金，楊 凱，戴 征，王建黨，張曉輝

(西北民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)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(qiáng)、耐久性好等特點，被許多國家吸收并應(yīng)用于解決重載交通條件下瀝青路面的車轍問題[1-4]。機(jī)場道面所承受的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于公路路面，尤其是飛機(jī)在端滑行聯(lián)絡(luò)道道口、飛機(jī)等待區(qū)、跑道掉頭坪等速度較慢甚至處于靜止?fàn)顟B(tài)時，瀝青道面長時間處于飛機(jī)渦輪噴出的高溫氣流和飛機(jī)本身高荷載作用下易出現(xiàn)道面軟化、推移壅包、輪轍等剪切破壞，甚至產(chǎn)生機(jī)輪下陷現(xiàn)象，嚴(yán)重危及飛機(jī)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(nèi)外學(xué)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(wěn)定性方面入手，研究認(rèn)為[5-7]瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足，自身產(chǎn)生塑性變形是混合料產(chǎn)生剪切破壞，出現(xiàn)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(jī)場常用的方式是在混合料中添加外加劑，本文依托國內(nèi)南方某4C機(jī)場跑道“蓋被”工程，使用PR高模量劑，選取端滑行聯(lián)絡(luò)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(jù)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(jié)合馬歇爾試驗、低溫小梁彎曲試驗和水穩(wěn)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(shè)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(shù)指標(biāo)符合規(guī)范和設(shè)計要求，如表1所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

2)集料。

本工程下面層采用石灰?guī)r，規(guī)格為10 mm～20 mm，5 mm～10 mm；上面層采用輝綠巖，規(guī)格為10 mm～15 mm，5 mm～10 mm；細(xì)集料規(guī)格均為0 mm～5 mm，填料為磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉，粗細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范和設(shè)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(jīng)特殊工藝加工而成，外觀為黑色顆粒狀物質(zhì)，直徑2 mm～4 mm，如圖1所示，技術(shù)要求如表2所示。

表2 高模量劑技術(shù)指標(biāo)

2.2 生產(chǎn)配合比設(shè)計

在目標(biāo)配合比設(shè)計基礎(chǔ)上，采用熱料分別對AC-20和SMA-13進(jìn)行生產(chǎn)配合比設(shè)計，級配曲線如圖2,圖3所示，4個熱料倉規(guī)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(jù)目標(biāo)設(shè)計級配及熱料倉篩分結(jié)果，通過馬歇爾試驗法確定AC-20生產(chǎn)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(zhì)量比)4.4%；SMA-13生產(chǎn)配合比為3號倉∶2號倉∶1號倉∶礦粉=42∶30∶18∶10，油石比(質(zhì)量比)6.2%。

3 試驗段方案

本次選取端滑行聯(lián)絡(luò)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(jìn)行混合料馬歇爾試驗、車轍試驗、小梁低溫彎曲試驗、水穩(wěn)定性試驗，并在現(xiàn)場取芯進(jìn)行單軸貫入強(qiáng)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(wěn)定性

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

表3 AC-20瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

表4 SMA-13瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

根據(jù)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(biāo)基本沒有變化，因為外加劑的質(zhì)量相對混合料的質(zhì)量占比非常?。粌煞N試驗段混合料試件的馬歇爾穩(wěn)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(qiáng)混合料的強(qiáng)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(qiáng)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(jù)JTG E20—2011規(guī)范要求進(jìn)行車轍試驗，試驗段和對比段的試驗結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，試驗段AC-20混合料的動穩(wěn)定度達(dá)12 353次/mm，較對比段提高了20.9%，SMA-13動穩(wěn)定度達(dá)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(nèi)部具有嵌擠加筋作用，相當(dāng)于在混合料內(nèi)部形成一個加筋網(wǎng)，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(jù)MH/T 5010—2017民用機(jī)場瀝青道面設(shè)計規(guī)范采用SANS電子萬能試驗機(jī)對現(xiàn)場取的芯樣進(jìn)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(jié)果如表5，表6所示。

表5 AC-20單軸貫入剪切試驗結(jié)果

表6 SMA-13單軸貫入剪切試驗結(jié)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(qiáng)度分別為1.30 MPa和0.90 MPa，相較于對比段貫入強(qiáng)度分別提高了20.4%和15.4%。研究發(fā)現(xiàn)，高模量劑的加入使混合料的動穩(wěn)定度和單軸貫入剪切強(qiáng)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(qiáng)作用大于SMA-13，因為SMA-13粗集料骨架結(jié)構(gòu)對混合料抗剪切變形能力的貢獻(xiàn)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(jìn)一步分析可知，高模量劑對混合料的作用機(jī)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(zhì)油分，增大瀝青的黏度，從而增強(qiáng)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(qiáng)骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(jī)整體，增強(qiáng)了混合料的整體強(qiáng)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(guī)范(JTG E20—2011)要求分別對試驗段和對比段瀝青混合料進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 小梁低溫彎曲試驗結(jié)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(qiáng)度無明顯提高，最大彎拉應(yīng)變均能滿足MH/T 5011—2019民用機(jī)場瀝青道面施工技術(shù)規(guī)范冬冷區(qū)和冬溫區(qū)不小于2 500 με的要求，符合南方地區(qū)使用條件，試驗段AC-20和SMA-13最大彎拉應(yīng)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(guī)范要求之內(nèi)。

4.4 水穩(wěn)定性能

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

由圖7可知，試驗段AC-20殘留穩(wěn)定度為93.8%，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR為87.3%，試驗段SMA-13殘留穩(wěn)定度為95.7%，TSR為89.6%，兩種試驗段混合料水穩(wěn)定性較對比段提高了2%～4%，說明高模量劑混合料對水穩(wěn)定性有一定的改善作用，但不及混合料高溫穩(wěn)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(qiáng)了瀝青抗水分子置換的能力，從而提高瀝青與礦料的黏結(jié)力，進(jìn)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(wěn)定性。

5 結(jié)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(jìn)行室內(nèi)馬歇爾試驗、車轍試驗、低溫彎曲試驗、水穩(wěn)定性試驗和現(xiàn)場取芯單軸貫入剪切試驗，得出結(jié)論如下：

1)高模量劑的加入增強(qiáng)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(wěn)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(qiáng)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(wǎng)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(qiáng)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(biāo)基本無變化，最大彎拉應(yīng)變降幅不超過2%，水穩(wěn)定性指標(biāo)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(wěn)定性也有一定的改善作用。

3)室內(nèi)試驗與現(xiàn)場取芯檢測結(jié)果表明使用高模量瀝青混合料鋪筑的試驗段具有較強(qiáng)的高溫抗剪切能力，綜合使用效果良好，針對機(jī)場端滑行聯(lián)絡(luò)道道口、跑道掉頭坪、快滑道口等這些易發(fā)生剪切破壞的區(qū)域，高模量瀝青混合料具有一定的推廣應(yīng)用價值。