錢振東 孟凡奇 曾 靖

(東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心,南京 210096)

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高性能瀝青混凝土機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)

錢振東 孟凡奇 曾 靖

(東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心,南京 210096)

為增強(qiáng)機(jī)場(chǎng)瀝青道面的抗輪轍性能,提出了一種基于新型環(huán)氧瀝青混凝土的高性能機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu).將新型環(huán)氧瀝青混凝土EAC20作為機(jī)場(chǎng)道面的中面層,SMA13型瀝青混凝土作為上面層,AC20型瀝青混凝土作為下面層,由此構(gòu)成SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu).分析了新一代大型客機(jī)A380荷載作用下SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面各層瀝青混凝土進(jìn)行永久變形試驗(yàn),并采用多元線性回歸得到各層材料的蠕變參數(shù),以模擬SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的永久變形.研究結(jié)果表明,將新型環(huán)氧瀝青混凝土作為中面層應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面,可以減小機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變,瀝青面層底部最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變分別約為傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)的68%和72%.在1×105次荷載作用下,SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的永久變形僅為6 mm,約為傳統(tǒng)SAA機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)的42.9%.

機(jī)場(chǎng)道面;環(huán)氧瀝青混凝土;配合比設(shè)計(jì);力學(xué)響應(yīng);永久變形

機(jī)場(chǎng)道面是最主要的機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施之一,世界各國(guó)的機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)主要可分為水泥混凝土道面和瀝青混凝土道面2種類型.相對(duì)于水泥混凝土道面,瀝青混凝土道面具有平整、舒適、抗滑、減震等優(yōu)點(diǎn),并且其機(jī)械化施工程度高,養(yǎng)護(hù)方便,故已被應(yīng)用于國(guó)際上很多大型民用機(jī)場(chǎng)中[1-2].中國(guó)機(jī)場(chǎng)道面主要采用水泥混凝土道面結(jié)構(gòu),使用瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)的機(jī)場(chǎng)數(shù)量?jī)H占機(jī)場(chǎng)總數(shù)的10%左右[3].傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)道面瀝青面層多采用一定級(jí)配的瀝青混凝土.在夏季持續(xù)高溫和飛機(jī)荷載的作用下,瀝青混凝土機(jī)場(chǎng)道面容易產(chǎn)生輪轍等病害.

環(huán)氧瀝青混凝土由環(huán)氧瀝青結(jié)合料和集料拌和而成,具有良好的耐腐蝕性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞特性[4].美國(guó)最早將環(huán)氧瀝青混凝土應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面,之后逐漸將其應(yīng)用于鋼橋橋面鋪裝中.國(guó)內(nèi)將環(huán)氧瀝青混凝土應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究鮮有報(bào)道.新型環(huán)氧瀝青為液態(tài)雙環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑與基質(zhì)瀝青在一定條件下經(jīng)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)而生成的聚合物,其主要性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)成本有別于鋼橋面用環(huán)氧瀝青,適用于道路及水泥混凝土橋面鋪裝工程.本文使用新型環(huán)氧瀝青混凝土替換傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)道面中面層的普通瀝青混凝土,以增強(qiáng)傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)的高溫抗輪轍能力,研究在新一代大型飛機(jī)荷載作用下機(jī)場(chǎng)道面的力學(xué)響應(yīng)以及永久變形發(fā)展規(guī)律.

1 SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)擬定

將SMA13型瀝青混凝土作為機(jī)場(chǎng)道面的上面層,可保證機(jī)場(chǎng)道面具有良好的耐磨性和易修復(fù)性.傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程中,一般采用AC20型瀝青混凝土作為機(jī)場(chǎng)道面的中面層和下面層,從而構(gòu)成SAA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu).機(jī)場(chǎng)使用狀況調(diào)研結(jié)果[5]顯示,輪轍是當(dāng)前急需解決的瀝青道面病害.研究表明,車轍主要發(fā)生在路面結(jié)構(gòu)的中面層,中面層材料對(duì)瀝青路面抗車轍能力有較大影響,其變形占車轍總量的42%～60%[6-10].環(huán)氧瀝青材料具有抗車轍、耐疲勞和抗水損等優(yōu)點(diǎn),故而考慮將新型環(huán)氧瀝青混凝土EAC20作為機(jī)場(chǎng)道面的中面層,取代傳統(tǒng)SAA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)中的AC20型瀝青混凝土,以增強(qiáng)道面的抗輪轍性能,由此便可構(gòu)成SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1).

圖1 SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)(單位:cm)

1.2 瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)

將適用于道路的5210型國(guó)產(chǎn)環(huán)氧瀝青作為瀝青結(jié)合料.5210型國(guó)產(chǎn)環(huán)氧瀝青結(jié)合料由A，B組分按照質(zhì)量比1∶2.8配合而成,其主要技術(shù)性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)成本有別于鋼橋面用環(huán)氧瀝青(見(jiàn)表1).集料選用石灰?guī)r,礦粉選用石灰石礦粉.集料和礦粉的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均滿足《民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面施工技術(shù)規(guī)范》(MH5011—1999)[11]的要求.

表1 道路用環(huán)氧瀝青結(jié)合料技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)已有道路工程經(jīng)驗(yàn)[12],環(huán)氧瀝青混合料EAC20級(jí)配組成如表2所示.根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面施工技術(shù)規(guī)范》(MH5011—1999)中的機(jī)場(chǎng)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法,確定SMA13,AC20C,AC20F型瀝青混合料的級(jí)配組成(見(jiàn)表2).然后,按照馬歇爾試驗(yàn)方法,確定EAC20,SMA13,AC20C,AC20F型瀝青混合料的最佳油石比分別為5.4%,6.3%,4.3%,4.4%.

表2 EAC20,SMA13,AC20C,AC20F的級(jí)配 %

2 數(shù)值計(jì)算模型

為構(gòu)建機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)受力分析的數(shù)值計(jì)算模型,選用大型客機(jī)A380為計(jì)算飛機(jī)機(jī)型,飛機(jī)最大起飛質(zhì)量為5 488 kN,主起落架荷載分配系數(shù)為0.95,主起落架單輪荷載為260.95 kN,飛機(jī)輪胎胎壓為1.50 MPa,輪印簡(jiǎn)化為矩形荷載圖式[13],輪印面積為0.177 m2,方形輪印長(zhǎng)度為50.3 cm,方形輪印寬度為34.6 cm,有限元模型尺寸為30 m×20 m×10 m.其荷載簡(jiǎn)化圖見(jiàn)圖2,圖中,X表示垂直飛機(jī)滑行方向,Z表示飛機(jī)滑行方向.假設(shè)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)各層材料均為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性材料,層間接觸為完全接觸,接觸面上各向位移和應(yīng)力完全連續(xù).SEA機(jī)場(chǎng)道面各結(jié)構(gòu)層厚度以及材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3[14-15].傳統(tǒng)SAA機(jī)場(chǎng)道面的中面層抗壓回彈模量為752 MPa,泊松比為0.3,厚度為6.5 cm,密度為2 400 kg/m3,其余各層材料參數(shù)均與SEA機(jī)場(chǎng)道面相同.

圖2 A380荷載簡(jiǎn)化圖 (單位:cm)

層位材料類型抗壓回彈模量/MPa泊松比厚度/cm密度/(kg·m-3)上面層SMA136200．35．02400中面層EAC2012500．36．52400下面層AC20F7170．36．52400上基層ATB2510000．310．02300中基層CTB15000．220．02200底基層CTB15000．220．02200土基SG400．41800

3 力學(xué)響應(yīng)分析

采用第2節(jié)所建立的數(shù)值計(jì)算模型,計(jì)算在大型客機(jī)A380靜態(tài)荷載作用下,SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),并與傳統(tǒng)SAA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析.2種機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的表面彎沉、面層底部水平應(yīng)變以及底基層底部水平應(yīng)變?nèi)鐖D3所示.

(a) 機(jī)場(chǎng)道面表面彎沉

(b) 面層底部橫向應(yīng)變

(c) 面層底部縱向應(yīng)變

(d) 底基層底部橫向應(yīng)變

(e) 底基層底部縱向應(yīng)變

由圖3可知,2種道面結(jié)構(gòu)在A380靜態(tài)荷載作用下,SEA和SAA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)表面彎沉值的變化規(guī)律基本一致,彎沉值相差不大.但2種道面結(jié)構(gòu)的面層底部應(yīng)變有較大差異,SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)面層底部的最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變分別約為SAA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的68%和72%.對(duì)于機(jī)場(chǎng)道面底基層底部水平應(yīng)變,2種道面結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)一致,應(yīng)變相差不大.這說(shuō)明SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)能夠減小機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)面層底部的水平應(yīng)變,其表面彎沉值以及底基層底部水平應(yīng)變則變化不大,將環(huán)氧瀝青混凝土作為中面層應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面可改善結(jié)構(gòu)層的受力.

4 永久變形

在SEA機(jī)場(chǎng)道面瀝青混合料三軸重復(fù)加載永久變形試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用多元線性回歸獲得機(jī)場(chǎng)道面各層瀝青混合料的蠕變參數(shù),建立SEA機(jī)場(chǎng)道面有限元模型,數(shù)值模擬在客機(jī)A380荷載作用下機(jī)場(chǎng)道面永久變形的發(fā)展規(guī)律.

4.1 蠕變模型

在ABAQUS有限元軟件中,常采用時(shí)間硬化蠕變模型和應(yīng)變硬化蠕變模型來(lái)描述各向同性材料的蠕變特性.研究表明,時(shí)間硬化蠕變模型適于描述瀝青混合料初始階段和第2階段的蠕變行為,可以較好地模擬瀝青混合料在荷載作用下的蠕變特性[16-17].因此,本文采用時(shí)間硬化蠕變模型,其表達(dá)式為

εcr=C1qC2tC3

(1)

式中,q為應(yīng)力;t為時(shí)間;C1,C2,C3為依賴于溫度的模型參數(shù).

若假定q不隨時(shí)間變化,則

(2)

令A(yù)=C1C3,n=C2,m=C3-1為反映材料性質(zhì)的蠕變參數(shù),則

(3)

4.2 三軸重復(fù)加載永久變形試驗(yàn)

采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制備直徑為150 mm、高度不低于165 mm的圓柱體試件,并鉆心取樣成直徑為100 mm、高度為150 mm的圓柱體芯樣.采用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)儀(SPT)對(duì)芯樣進(jìn)行三軸重復(fù)加載永久變形試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為30 ℃.考慮到客機(jī)A380的胎壓可達(dá)到1.5 MPa,故確定圍壓水平為207 kPa,初始接觸壓力為50 kPa,偏應(yīng)力水平p=1.3,1.4,1.5 MPa.試驗(yàn)采用正弦曲線進(jìn)行加載,加載時(shí)間為0.1 s,間歇時(shí)間為0.9 s.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.然后,采用DataFit處理軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行非線性回歸處理,得到瀝青混合料蠕變參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4.

(b) EAC20

(c) AC20F

(d) AC20C

瀝青混合料類型A/10-9nmSMA1344．600．707-0．346EAC200．01841．202-0．683AC20F5．110．865-0．445AC20C3．570．863-0．426

4.3 數(shù)值仿真

采用第2節(jié)建立的三維有限元計(jì)算模型和材料參數(shù)以及4.2節(jié)中瀝青混合料的蠕變參數(shù),對(duì)SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)永久變形進(jìn)行數(shù)值模擬.在模型中施加持續(xù)恒定荷載,以模擬荷載的重復(fù)作用[18].假設(shè)飛機(jī)滑行速度為100 km/h,單點(diǎn)一次加載作用時(shí)間為0.018 10 s.為反映機(jī)場(chǎng)道面變形與荷載作用次數(shù)的關(guān)系,假定荷載累計(jì)作用次數(shù)為1×105次,結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 永久變形-時(shí)間關(guān)系曲線

由圖10可知,隨荷載作用時(shí)間的增加,道面結(jié)構(gòu)的永久變形逐漸增大,經(jīng)過(guò)1×105次荷載作用后,SAA結(jié)構(gòu)永久變形達(dá)到14 mm,SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的永久變形僅為6 mm,約為AC結(jié)構(gòu)的42.9%.此外,經(jīng)過(guò)1×105次荷載作用后,SAA結(jié)構(gòu)永久變形上升趨勢(shì)明顯,而SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)上升趨勢(shì)相對(duì)平緩.由此說(shuō)明,將環(huán)氧瀝青混凝土作為中面層應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面,可以有效提高機(jī)場(chǎng)瀝青道面的抗輪轍能力.

5 結(jié)論

1) 提出了一種基于新型環(huán)氧瀝青混凝土的高性能SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)型式,其中上面層為SMA13型瀝青混合料,中面層為EAC20型環(huán)氧瀝青混凝土,下面層AC20型為瀝青混合料.

2) 相對(duì)于傳統(tǒng)SAA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu),SEA機(jī)場(chǎng)道面能夠減小面層底部的水平應(yīng)變.SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)面層底部的最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變分別約為SAA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的68%和72%.

3) 通過(guò)瀝青混合料三軸重復(fù)加載永久變形試驗(yàn),得到SEA機(jī)場(chǎng)道面各層瀝青混合料的蠕變參數(shù).

4) SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)具有良好的抗車轍能力.在1×105次荷載作用下,SEA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)永久變形僅為6 mm,約為傳統(tǒng)SAA機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的42.9%.

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Airfield pavement with high performance asphalt concrete

Qian Zhendong Meng Fanqi Zeng Jing

(Intelligent Transportation System Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To improve the anti-rutting performance of airfield pavement, a high performance airfield pavement based on a new type of epoxy asphalt concrete was proposed. With the new type of epoxy asphalt concrete EAC20 as the middle surface course, SMA13 asphalt concrete as the first surface course, and AC20 asphalt concrete as the base surface course, the SEA airfield pavement was built up. The mechanical responses of the SEA airfield pavement under the static loads of the aircraft A380 were analyzed. The permanent deformation tests of the asphalt concrete in different airfield pavement layers were carried out. The creep parameters of the asphalt concrete in each layer were obtained by using the multiple linear regression method to simulate the permanent deformation of the SEA airfield pavement. The results demonstrate that taking the new type of epoxy asphalt concrete as the middle surface course can reduce the strain of the airfield pavement. The maximum tensile strain and the maximum compressive strain on the bottom of the asphalt surface course are respectively about 68% and 72% those of the traditional airfield pavement. Under 1×105loads, the permanent deformation of the SEA airfield pavement is only 6 mm, which is about 42.9% that of the traditional SAA airfield pavement.

airfield pavement; epoxy asphalt concrete; mix design; mechanical response; permanent deformation

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.028

2014-12-10. 作者簡(jiǎn)介: 錢振東(1969—)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，qianzd@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178114，51378122).

錢振東,孟凡奇,曾靖.高性能瀝青混凝土機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(3):575-580.

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U416.217

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