曾麗霞，石繼峰

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

隨著我國(guó)民航事業(yè)的飛速發(fā)展，為了使飛行區(qū)適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的飛機(jī)起降架次的需求，國(guó)內(nèi)各種大型機(jī)場(chǎng)掀起了一股飛行區(qū)改擴(kuò)建、跑道修復(fù)的熱潮。由于不停航施工的原因，改建及跑道修復(fù)大都選擇了對(duì)原有水泥混凝土道面實(shí)施瀝青混凝土柔性加蓋的方式。瀝青混凝土面層具良好的力學(xué)性能、較好的耐久性及行駛舒適性，并具有堅(jiān)實(shí)、平整、良好的抗滑、防滲、耐疲勞等性能。其缺點(diǎn)是溫度敏感性較高，夏季強(qiáng)度下降，若控制不好會(huì)使路面發(fā)軟泛油或推移剪裂，低溫時(shí)瀝青材料變脆可能引起路面開(kāi)裂等。

1 依托工程概況

長(zhǎng)沙黃花國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于長(zhǎng)沙市黃花鎮(zhèn)，在長(zhǎng)沙市以東，距市區(qū)24.2 km，機(jī)場(chǎng)參考點(diǎn)的座標(biāo)為東經(jīng)11°31'09″，北緯 28°11'20″。原有的第一跑道長(zhǎng)3 200 m，全部為水泥混凝土面層。2007年11月5日，第一跑道瀝青混合料柔性蓋被加鋪工程正式開(kāi)工，工期為一個(gè)半月。跑道蓋被加厚工程施工過(guò)程不能影響機(jī)場(chǎng)安全和正常運(yùn)營(yíng)，因此只能進(jìn)行不停航施工，即在每日24:00 至次日05:00 時(shí)間段進(jìn)行施工。完工后，黃花國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道道面由鋼筋混凝土的剛性道面改造成瀝青混凝土柔性道面，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)等級(jí)達(dá)到4E 類(lèi)。

蓋被加鋪工程設(shè)計(jì)中，跑道瀝青混合料面層分三層，上面層為6 cm 厚SMA－16 型改性瀝青混合料，設(shè)計(jì)油石比為6%，中面層為7 cm 厚AC－20 型改性瀝青混合料，設(shè)計(jì)油石比為4.3%，下面層為8 cm 厚AC－20 型改性瀝青混合料，設(shè)計(jì)油石比為4.3%。道面結(jié)構(gòu)圖及混合料配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1及表1、表2。

表1 AC－20 型瀝青混合料生產(chǎn)配合比匯總表

表2 SMA－16 型瀝青混合料生產(chǎn)配合比匯總表

2 病害產(chǎn)生的情況介紹

長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)第一跑道蓋被加鋪于2007年12月份完工，至2010年4月，機(jī)場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的輪轍、沉陷、松散等病害。到2013年夏季，病害顯著加劇。期間，長(zhǎng)沙經(jīng)歷了2008年百年不遇的冰災(zāi)，機(jī)場(chǎng)道面使用了大量的除冰液，以及進(jìn)行了吹、烤、掃等工作，到2013年夏季又遇極端高溫天氣，地表溫度超過(guò)60 ℃。盡管表面層采用了SMA－16 瀝青馬蹄脂混合料，但由于飛機(jī)輪跡比較固定集中，荷載非常大(在黃花機(jī)場(chǎng)通航的最大的波音747 飛機(jī)最大的起飛重量將近400 t)。飛機(jī)在滑行道上行駛速度較慢，水平剪切應(yīng)力較高，加之每年的通航量不斷上升，根據(jù)機(jī)場(chǎng)通航量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)到2013年航班起降量達(dá)13.7 萬(wàn)架次，高峰期每小時(shí)飛機(jī)起降達(dá)40 架次。起降高峰時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)飛機(jī)在道面上停機(jī)等侯的現(xiàn)象。在持續(xù)高溫天氣中，飛機(jī)的慢速滑行，等待和制動(dòng)轉(zhuǎn)彎等不利荷載的綜合作用下加速了車(chē)轍等病害的出現(xiàn)，且面層的推移應(yīng)力導(dǎo)致滑行道輪轍深度較大，平均輪轍超過(guò)了25 mm，到2013年夏季，最深輪轍達(dá)60 mm。病害的發(fā)展情況有如下規(guī)律:平滑道嚴(yán)重于跑道;夏季嚴(yán)重于春、秋、冬季;飛行區(qū)主降方向嚴(yán)重于候等區(qū)。

瀝青混凝土道面車(chē)轍是路面結(jié)構(gòu)各層永久變形的積累，由兩部分組成:一部分是由路面結(jié)構(gòu)層在荷載反復(fù)作用下進(jìn)一步壓密產(chǎn)生的，即壓密形變:另一部分是因?yàn)r青混凝土在高溫時(shí)的強(qiáng)度不足以抵抗重荷載的反復(fù)作用，輪下的部分瀝青混合料產(chǎn)生剪切變形逐步被壓到兩側(cè)。使兩側(cè)的瀝青面層鼓起，產(chǎn)生的側(cè)向移動(dòng)。見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)場(chǎng)道面輪轍圖

3 病害產(chǎn)生的原因分析

3.1 瀝青混合料中原材料AB－90#改性瀝青的影響

道面瀝青混凝土配合比報(bào)告中采用的AB－90#改性瀝青是由AB －90#基質(zhì)瀝青加6%SBS 改性劑進(jìn)行改性后形成的。AB－90#改性瀝青原材料技術(shù)要求及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3～表5。

表3 AB －90#改性瀝青原材料性能技術(shù)要求表(MH 5011 －1999)

表4 各氣候分區(qū)瀝青標(biāo)號(hào)選用表(MH5011 －1999)

表5 改性瀝青原材料性能檢測(cè)結(jié)果

瀝青軟化點(diǎn)是瀝青試樣在規(guī)定尺寸的金屬環(huán)內(nèi)上置規(guī)定尺寸和質(zhì)量的鋼球，放于水或甘油中，以規(guī)定的升溫速度加熱，至鋼球下沉達(dá)規(guī)定距離時(shí)的溫度，即瀝青由固態(tài)變軟化的溫度。原設(shè)計(jì)中，長(zhǎng)沙氣候分區(qū)屬溫區(qū)，選用AB－90#瀝青，改性后軟化點(diǎn)要求是大于45 ℃。長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)7～8月最高氣溫最高氣溫達(dá)到40 ℃以上，而道面地表溫度可達(dá)60 ℃以上，改性瀝青原材料性能檢測(cè)結(jié)果中軟化點(diǎn)試驗(yàn)值是57.5 ℃，雖然滿(mǎn)足技術(shù)要求(大于45 ℃)，但不能滿(mǎn)足長(zhǎng)沙地區(qū)高溫天氣的地表溫度(60 ℃以上)要求。瀝青混凝土道面受超過(guò)瀝青軟化點(diǎn)環(huán)境溫度的影響，其高溫穩(wěn)定性就會(huì)明顯降低，特別是當(dāng)路面溫度達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)附近時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度將出現(xiàn)大幅度下降，無(wú)論普通重交瀝青混合料還是改性瀝青混合料，在其動(dòng)穩(wěn)定度與溫度之間的關(guān)系曲線(xiàn)上都存在一個(gè)動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)保持不變的溫度區(qū)域，這個(gè)溫度區(qū)域可稱(chēng)為高溫抗變形的臨界溫度區(qū)，當(dāng)溫度超過(guò)瀝青混合料高溫抗變形的臨界溫度后，其抗變形能力急劇下降。據(jù)此，瀝青混凝土將出現(xiàn)嚴(yán)重流變變型，在交通荷載作用下，表面產(chǎn)生車(chē)轍病害。

因此筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)使用AB－90#改性瀝青的軟化點(diǎn)技術(shù)要求太低，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用軟化點(diǎn)技術(shù)要求相對(duì)較高的瀝青等級(jí)。

3.2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中的局限性

3.2.1 瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)未涉及高溫彎拉勁度模量的控制

瀝青混合料的原材料性能對(duì)混合料的質(zhì)量和使用性能影響至關(guān)重要，機(jī)場(chǎng)跑道瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中，瀝青是采用的是遼河歡喜嶺AB－90#瀝青，改性劑采用岳化4303 型SBS。粗集料為瀏陽(yáng)龍伏鎮(zhèn)玄武巖，細(xì)集料為瀏陽(yáng)高坪生產(chǎn)的石灰?guī)r石屑，礦粉為明輝礦粉，沒(méi)有摻配車(chē)轍劑。

瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可看作是建立一個(gè)多層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每層的結(jié)構(gòu)性能由表示這層材料特性的各種參數(shù)決定，也就是各層的厚度、勁度模量、泊松比及疲勞性能曲線(xiàn)等。除力學(xué)性能外，層間的內(nèi)摩擦力也很重要，如兩層之間粘結(jié)充分，層間不會(huì)在連接面產(chǎn)生滑動(dòng)，則路面結(jié)構(gòu)的張力相對(duì)要小很多。

瀝青混合料是一種粘彈性材料，在荷載的作用下，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系。它不可能像金屬、混凝土那樣，在通常情況下具有一個(gè)接近常數(shù)的彈性模量，為了充分表示瀝青材料的這種特性，采用彎拉勁度模量來(lái)表示。它是溫度的函數(shù)，在同荷載作用下，溫度越高，彎拉勁度模量越小。采用荷載時(shí)間t 和溫度T 為函數(shù)的應(yīng)力應(yīng)變之比來(lái)表示粘彈性瀝青抵抗變形的性能，彎拉勁度模量由下式表示:

式中:S 為瀝青混合料彎拉勁度模量，Pa;δ 為應(yīng)力，Pa;ε 為應(yīng)變;t 為載荷時(shí)間，s;T 為溫度，℃。

應(yīng)變水平較高時(shí)，瀝青混合料彎拉勁度模量隨荷載作用次數(shù)的增加而急劇減小，隨著應(yīng)變水平的降低，彎拉勁度模量可以用于表征應(yīng)變疲勞過(guò)程中瀝青混合料力學(xué)狀態(tài)變化，并由此推算混合料的疲勞壽命。由此可見(jiàn)，瀝青混合料面層設(shè)計(jì)時(shí)，彎拉勁度模量對(duì)于混合料的疲勞壽命有非常大的影響，應(yīng)作為設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)。

3.2.2 設(shè)計(jì)依據(jù)中動(dòng)穩(wěn)定度檢測(cè)的不合理性

原設(shè)計(jì)中，跑道瀝青混凝土上、中、下面層所采用的瀝青動(dòng)穩(wěn)度試驗(yàn)依據(jù)方法采用是JTGE20 －2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0719 －2011 瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)。其設(shè)計(jì)要求如表6。

表6 動(dòng)穩(wěn)定度設(shè)計(jì)要求

原設(shè)計(jì)動(dòng)穩(wěn)定度要求是以T0719 －2011 方法常規(guī)條件檢測(cè)的數(shù)據(jù)依據(jù)，即車(chē)轍試驗(yàn)的溫度為60℃，輪壓(試驗(yàn)輪與試件的接觸壓強(qiáng))為0.7 MPa。而長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)7～8月最高氣溫達(dá)到40 ℃以上，道面地表溫度可達(dá)60 ℃以上。實(shí)測(cè)2013年7月31日長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土路道道面的溫度為62.4 ℃，已超過(guò)試驗(yàn)條件的溫度。數(shù)十噸的飛機(jī)以幾百公里的時(shí)速著陸，飛機(jī)重量加上對(duì)地面的撞擊力，每平方毫米的輪胎膠面就要承受近百牛頓的壓力，即著陸輪壓可達(dá)10 MPa，而飛機(jī)著陸后勻速滑行的輪壓達(dá)1.5 MPa，遠(yuǎn)超過(guò)試驗(yàn)條件的要求輪壓0.7 MPa?？梢?jiàn)，原設(shè)計(jì)中動(dòng)穩(wěn)定度檢測(cè)的“試驗(yàn)溫度”和“輪壓”兩項(xiàng)指標(biāo)要求遠(yuǎn)低于機(jī)場(chǎng)跑道道面實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程當(dāng)中的情況。動(dòng)穩(wěn)定度參數(shù)直接反映瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，從機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度設(shè)計(jì)要求來(lái)看，正是低指標(biāo)設(shè)計(jì)，高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)營(yíng)，那么現(xiàn)有瀝青混凝土實(shí)際的高溫穩(wěn)定性就不能滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)營(yíng)的需要，導(dǎo)致車(chē)轍等病害。

3.3 從配合比實(shí)施方面分析，后期試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)中的油石比超過(guò)設(shè)計(jì)要求

圖3為湖南路橋集團(tuán)通達(dá)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司于2013年7月31日在黃花機(jī)場(chǎng)病害位置處取回的代表性芯樣。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出，上面層油石比為6.23%(原設(shè)計(jì)SMA－16，油石比為6%)，中面層油石比為5.29%(原設(shè)計(jì)AC－20，4.3%)，下面層油石比為5.18%(AC－20，4.3%)。礦料級(jí)配均發(fā)生改變。由此看出，瀝青混合料上、中、下面層的油石比均超過(guò)設(shè)計(jì)要求。油石比對(duì)混凝土的高溫性能有極為明顯的影響，瀝青用量太低，瀝青混合料難以壓實(shí)，瀝青用量過(guò)多，瀝青混合料中的自由瀝青增多，混凝土的柔量增加，勁度減小，永久變形增大，高溫抗變形能力降低，嚴(yán)重影響混凝土的高溫穩(wěn)定性。

圖3 病害處芯樣

3.4 “蓋被子”設(shè)計(jì)理念的疑問(wèn)

原設(shè)計(jì)中，機(jī)場(chǎng)跑道加鋪采用是“蓋被子”的方法，即直接在原有的水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土道面，原有的水泥混凝土道面作為基層使用。瀝青混凝土道面屬柔性結(jié)構(gòu)，而基層是剛性結(jié)構(gòu)。當(dāng)飛機(jī)在跑道上起降、滑行的作用力需經(jīng)過(guò)柔性結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土道面?zhèn)鞯絼傂越Y(jié)構(gòu)的水泥混凝土基層，再傳到半剛性結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定砂礫底基層，到土基地面層。從面層和基層承受荷載的設(shè)計(jì)角度來(lái)分析，柔性路面設(shè)計(jì)是采用雙圓垂直均布荷載作用下的彈性層體系主理論基礎(chǔ)，以路表彎沉值作為路面整體剛度的控制指標(biāo)，剛性路面是采用彈性地基板理論，以混凝土彎拉強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。柔性路面剛度較小，抗彎拉強(qiáng)度較低，主要靠抗壓、抗剪強(qiáng)度來(lái)承受荷載作用，而剛性路面，面層板體剛度較大，抗彎拉強(qiáng)度較高。機(jī)場(chǎng)跑道“蓋被子”施工方法，在水泥混凝土道面上直接加鋪瀝青混凝土道面，兩種路面的受力原理完全不同，兩層之間不能形成較好的整體受力，作為瀝青混凝土路面在承受飛機(jī)起降、滑行的直接荷載時(shí)，形成一種基層剛強(qiáng)面層薄弱的局面，作用力就不能均勻地傳給水泥混凝土基層，而是集中在瀝青混凝土面層上，瀝青混凝土道面成了名副其實(shí)的軟弱“夾心層”。長(zhǎng)期荷載作用會(huì)使瀝青混凝土疲勞受損，然后出現(xiàn)車(chē)轍、鼓包、推移病害。

4 結(jié)論及建議

受特殊氣候條件和近年來(lái)機(jī)場(chǎng)D、E 類(lèi)飛機(jī)的快速增長(zhǎng)的影響，長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)原有跑道道面瀝青混合料上、中、下面層的性能，尤其是抗變形和抗剪切性能已不能滿(mǎn)足機(jī)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境和飛機(jī)荷載的要求，跑道道面存在嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)性、功能性損壞的病害，顯著影響道面的使用性能，存在明顯的安全隱患。因此，對(duì)相關(guān)道面實(shí)施病害整治是必要的、迫切的。據(jù)筆者現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解，長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)已從2013年8月后對(duì)部分瀝青混合料道面進(jìn)行了維修整治，并預(yù)計(jì)今年8～9月對(duì)原有病害道面全部進(jìn)行整治。在原來(lái)平行滑道北延600 m 段部分維修整治過(guò)程中，采取的方法是對(duì)道面瀝青混合料面層三層進(jìn)行大面積的銑刨鏟除并重新進(jìn)行瀝青混合料分層鋪設(shè)。

本文針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道瀝青混凝合料產(chǎn)生病害之后，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯檢測(cè)和室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從瀝青混凝料原材料，配合比，動(dòng)穩(wěn)定度車(chē)轍試驗(yàn)，及“蓋被子”工藝幾個(gè)方面進(jìn)行剖析。筆者就瀝青混料病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，在機(jī)場(chǎng)跑道瀝青混凝土的后續(xù)整治過(guò)程中提出幾點(diǎn)個(gè)人的看法:

1)原設(shè)計(jì)中采用的AB－90#改性瀝青不宜用于長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)跑道瀝青合料，瀝青軟化點(diǎn)控制指標(biāo)過(guò)低，設(shè)計(jì)軟化點(diǎn)控制指標(biāo)應(yīng)考慮長(zhǎng)沙夏季最高氣溫時(shí)跑道道面高溫情況。應(yīng)考慮采用軟化點(diǎn)較高的瀝青70#號(hào)優(yōu)質(zhì)基質(zhì)瀝青，加SBS 改性劑，瀝青混合料加入抗車(chē)轍劑，重點(diǎn)提升道面抗車(chē)轍能力。

2)瀝青混合料設(shè)計(jì)中應(yīng)將彎拉勁度模量納入重要的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。

3)機(jī)場(chǎng)跑道瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度檢測(cè)不宜直接套用JTGE20 －2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0719 －2011 瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)方法，應(yīng)以機(jī)場(chǎng)所在地區(qū)的氣候和飛機(jī)實(shí)際輪壓為依據(jù)，提高混合料車(chē)轍試驗(yàn)時(shí)的輪壓和溫度。

4)瀝青混合料設(shè)計(jì)和施工過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和試驗(yàn)室內(nèi)檢測(cè)，以試驗(yàn)路段確定的最佳油石比來(lái)指導(dǎo)施工。

希望能在機(jī)場(chǎng)后續(xù)瀝青混合料道面維修和整治的過(guò)程中，給業(yè)內(nèi)人士提供參考價(jià)值?？梢詮母纳茷r青混合料的瀝青選材、石料選材、油石比控制、集料的級(jí)配和通過(guò)加抗車(chē)轍劑來(lái)提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性等諸多方面的考慮，選擇適合于長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)跑道的瀝青混合料及合理的施工方案。從根本上解決病害現(xiàn)象、延長(zhǎng)道面壽命，保證機(jī)場(chǎng)跑道道面營(yíng)運(yùn)的舒適性和安全性。

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