冉武平，李 玲，谷志峰

(1. 新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047；2. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

基于Superpave的機(jī)場(chǎng)環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)*

冉武平1,2，李 玲1，谷志峰2

(1. 新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047；2. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

通過(guò)對(duì)Superpave配合比設(shè)計(jì)方法原理及特點(diǎn)分析，結(jié)合機(jī)場(chǎng)特殊荷載條件，展開(kāi)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的研究。結(jié)果表明：考慮到飛機(jī)荷載的特殊性，推薦選用設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為80次，設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)下的空隙率和礦料間隙率為確定環(huán)氧瀝青用量的體積設(shè)計(jì)指標(biāo)，并以初始旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的壓實(shí)度和最大旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的壓實(shí)度作為最佳環(huán)氧瀝青用量的驗(yàn)證指標(biāo)。最后通過(guò)選擇兩種集料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比分析選擇最優(yōu)級(jí)配，并確定最佳瀝青用量為5.12%。

道路工程；機(jī)場(chǎng)道面；環(huán)氧瀝青混合料；配合比設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)

0 引 言

環(huán)氧瀝青混合料由于優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)和耐候性[1]，已成為新型結(jié)構(gòu)鋪裝材料。作為機(jī)場(chǎng)道面鋪裝材料，于1959年首次應(yīng)用于美國(guó)空軍基地，主要是為提高道面的耐腐蝕性和耐高溫尾噴。隨后由于其技術(shù)不成熟和成本高昂，推廣應(yīng)用受到限制。然而近些年，隨著環(huán)氧瀝青性能的不斷改進(jìn)和技術(shù)的不斷成熟，在高等級(jí)公路和鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中得以廣泛應(yīng)用。

環(huán)氧瀝青混合料應(yīng)用于道面鋪裝，其物理和力學(xué)性質(zhì)受交通荷載大小、軸載次數(shù)、環(huán)境因素等影響。由于飛機(jī)荷載胎壓大，滑行速度快，對(duì)道面面層鋪裝混合料的性能要求更高。就混合料設(shè)計(jì)而言，一方面要求有優(yōu)質(zhì)的原材料，另一方面更要有適用于機(jī)場(chǎng)道面性能的混合料設(shè)計(jì)方法，滿(mǎn)足特殊荷載作用的要求并確保道面鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能和耐久性要求。

瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法最早且最具代表性的方法是馬歇爾法[2]，該方法由M. BRUCE在二戰(zhàn)期間發(fā)明，采用體積參數(shù)，并由美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)改進(jìn)和完善。但該方法從試件成型方式、控制指標(biāo)等方面存在缺陷。W. VAVRIK[3]首先提出三參數(shù)的貝雷法，不僅可以用于級(jí)配的檢驗(yàn)，還可用于級(jí)配的設(shè)計(jì)。美國(guó)在1987—1993年開(kāi)展的公路發(fā)展計(jì)劃SHAP，研究出一套高性能瀝青路面的設(shè)計(jì)體系Superpave。該設(shè)計(jì)方法把空隙率Va、礦料間隙率VMA、瀝青飽和度VFA、粉膠比DP、壓實(shí)度作為混合料設(shè)計(jì)的控制標(biāo)準(zhǔn)[4]。在國(guó)內(nèi)林繡賢[5]提出i法、k法等級(jí)配計(jì)算方法，張肖寧等[6]提出體積設(shè)計(jì)法，王林等[7]提出多級(jí)嵌擠密級(jí)配設(shè)計(jì)方法等。

鑒于此，筆者采用Superpave設(shè)計(jì)方法，針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面飛機(jī)荷載的特殊性以及對(duì)混合料的性能要求，全面展開(kāi)適用于機(jī)場(chǎng)道面的環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)研究。

1 Superpave設(shè)計(jì)方法基本原理

1.1 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)原理和特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的基本原理為：旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀是美國(guó)SHRP計(jì)劃中高性能瀝青路面(Superpave)技術(shù)研究的一個(gè)重大研究成果之一。通過(guò)調(diào)整壓頭值進(jìn)而來(lái)模擬道面的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)；在恒定的垂直壓強(qiáng)、恒定的壓實(shí)角度和規(guī)定的壓實(shí)轉(zhuǎn)速3個(gè)主要技術(shù)條件下，通過(guò)揉擠的方法使試件循偏心角做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，壓實(shí)后再去偏心角壓實(shí)整平。通過(guò)施加垂直壓力和水平剪力來(lái)模擬道面所受的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。

Superpave設(shè)計(jì)方法在進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)還有與工程實(shí)踐更緊密結(jié)合，具有以下特點(diǎn)：Superpave法在選擇瀝青膠結(jié)料時(shí)采用SHRP的PG分級(jí)法直接與路面性能結(jié)合起來(lái)，考慮溫度穩(wěn)定性、疲勞特性以及交通特點(diǎn)；Superpave規(guī)范體系明確了各體積參數(shù)的特性及定義；采用有效瀝青用量和集料有效相對(duì)密度計(jì)算混合料體積參數(shù)，反映油石作用的機(jī)理；采用具有揉搓擠壓效果的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法，充分體現(xiàn)混合料的嵌擠作用，與道面實(shí)際壓實(shí)過(guò)程效果較接近，提高結(jié)構(gòu)抗車(chē)轍能力；Superpave方法通過(guò)設(shè)計(jì)交通量確定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)，并采用不同的壓實(shí)次數(shù)針對(duì)不同壓實(shí)階段的壓實(shí)性要求，可充分反映瀝青混合料的壓實(shí)特性。

1.2 壓實(shí)參數(shù)選取

為準(zhǔn)確把握和全面分析壓實(shí)次數(shù)，Superpave確定了3個(gè)壓實(shí)次數(shù)參數(shù)：初始?jí)簩?shí)次數(shù)Nini、設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)Ndes和最大壓實(shí)次數(shù)Nmax。其中用Nini評(píng)價(jià)瀝青混合料的可壓實(shí)性；用Ndes表征達(dá)到目標(biāo)空隙率所需的壓實(shí)次數(shù)，也即設(shè)計(jì)交通荷載作用下現(xiàn)場(chǎng)期望壓實(shí)密度；用Nmax評(píng)價(jià)在交通荷載作用后的混合料是否發(fā)生塑性破壞。道面混合料應(yīng)以道面飛機(jī)荷載水平及交通量決定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)。機(jī)場(chǎng)道面旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)應(yīng)結(jié)合飛機(jī)胎壓大小設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)。為此，Cooley[8]通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)并結(jié)合FAA標(biāo)準(zhǔn)，提出了適用于機(jī)場(chǎng)道面旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)和壓實(shí)度

注：@表示50名條件下前者的數(shù)值。

結(jié)合本研究的荷載特點(diǎn)，選定設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)Ndes為80次。其中初始?jí)簩?shí)次數(shù)Nini、設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)Ndes、最大壓實(shí)次數(shù)Nmax三者之間關(guān)系如式(1)、式(2)：

logNmax=1.10logNdes

(1)

logNini=0.45logNdes

(2)

1.3 體積參數(shù)

壓實(shí)的環(huán)氧瀝青混合料介質(zhì)包括瀝青體積、集料體積和空氣體積3部分。由于集料表面有開(kāi)孔空隙，致使瀝青膠結(jié)料存在有效瀝青(膠結(jié)集料)和吸收瀝青(填充集料開(kāi)口空隙)。環(huán)氧瀝青混合料性能受體積參數(shù)影響顯著，通過(guò)對(duì)體積參數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)試件性能的總體把控，體積參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 壓實(shí)試件的體積組成結(jié)構(gòu)Fig. 1 Volume composition structure of the compacted specimen

其中：Vmb是壓實(shí)試件的總體積；Vmm是集料和瀝青實(shí)體的體積；Va是壓實(shí)試件的空隙體積；Vb是壓實(shí)試件所用瀝青的總體積；Vbe是有效瀝青體積；Vse是有效集料體積；Vma是礦料間隙體積；Vsb是集料毛體積；Vba是被集料空隙吸收的瀝青體積。在Superpave設(shè)計(jì)中，通常采用有效密度Gse作為混合料的計(jì)算密度，除此還包括合成集料的毛體積密度Gsb、表觀密度Gsa，見(jiàn)式(3)～式(7)。

(3)

(4)

(5)

Gse=C×Gsa+(1-C)×Gsb

(6)

(7)

1.3.1 空隙率(Va)

Va是混合料重要的體積特征參數(shù)并影響混合料的穩(wěn)定性和耐久性?？砂凑帐?8)計(jì)算。

Va=100-%Gmm@Ndes

(8)

式中：%Gmm@Ndes為混合料在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)次數(shù)Ndes下的密度和理論最大密度的百分比。

1.3.2 礦料間隙率(VMA)

礦料間隙率主要影響集料表面瀝青的包裹特性和集料嵌鎖特性，由式(9)計(jì)算。

(9)

Superpave法中對(duì)公路路面混合料的VMA的要求見(jiàn)表2。在機(jī)場(chǎng)瀝青混合料設(shè)計(jì)中，混合料配合比設(shè)計(jì)中根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法對(duì)礦料間隙率VMA做出了規(guī)定見(jiàn)表3。

表2 公路Superpave中混合料對(duì)VMA的要求

注：設(shè)計(jì)軸次為20年設(shè)計(jì)期限內(nèi)累計(jì)的軸載次數(shù)。

表3 瀝青混合料VMA要求

由表2可知，在Superpave法中，每檔礦料間隙率在公路工程中累計(jì)軸載作用次數(shù)30×104次為界限，而機(jī)場(chǎng)工程中不考慮軸載作用次的規(guī)范要求，兩者在VMA最小值的規(guī)定上幾乎一致。鑒于此，考慮環(huán)氧瀝青黏結(jié)力強(qiáng)及熱固性的特點(diǎn)，結(jié)合公路Superpave法和機(jī)場(chǎng)馬歇爾設(shè)計(jì)方法，提出機(jī)場(chǎng)環(huán)氧瀝青混合料的VMA要求，見(jiàn)表4。

表4 機(jī)場(chǎng)環(huán)氧瀝青混合料對(duì)VMA的要求

1.3.3 瀝青含量

瀝青混合料中的瀝青分為兩部分：有效瀝青和集料吸收瀝青。其中集料空隙吸收瀝青體積Vba、有效瀝青體積Vbe可以用式(10)和式(11)表示：

(10)

(11)

式中：Dn為集料的最大公稱(chēng)粒徑。

有效瀝青含量Pbe則是總瀝青量與被集料吸收的部分的質(zhì)量差，Pba可以根據(jù)礦料瀝青的吸附性試驗(yàn)確定，或者利用式(12)和式(13)估算。

(12)

(13)

在Superpave設(shè)計(jì)中，初始瀝青用量Pbi通過(guò)計(jì)算所得，見(jiàn)式(14)。

(14)

式中：Ws為集料的質(zhì)量，可由式(15)計(jì)算。

(15)

1.3.4 粉膠比(DP)

粉膠比是通過(guò)0.075 mm篩孔的集料質(zhì)量百分率和有效瀝青含量(混合料質(zhì)量百分率)的比例，見(jiàn)式(16)：

(16)

式中：P0.075為通過(guò)0.075 mm篩孔集料質(zhì)量百分率。

礦粉含量影響混合料的溫度穩(wěn)定性和疲勞特性，故環(huán)氧瀝青混合料將低溫性能作為粉膠比的控制因素。在Superpave設(shè)計(jì)規(guī)范中，當(dāng)設(shè)計(jì)級(jí)配在最大密實(shí)度曲線下方時(shí)，要求DP的含量控制在0.8～1.6。

1.3.5 瀝青飽和度VFA

在Superpave混合料設(shè)計(jì)中，瀝青填隙率主要是確保足夠的空隙率確保瀝青可以遷移，從而使混合料滿(mǎn)足高溫穩(wěn)定性要求；交通荷載越大，瀝青填隙率越小。針對(duì)于環(huán)氧瀝青材料本身熱固性的特點(diǎn)，環(huán)氧瀝青在高溫條件下不會(huì)遷移并且具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，因此，在機(jī)場(chǎng)環(huán)氧瀝青混合料Superpave設(shè)計(jì)中可不考慮該體積參數(shù)。

2 混合料的材料特性

試驗(yàn)采用HLJ-2910型環(huán)氧瀝青，包含AB雙組份，其中A組分為環(huán)氧樹(shù)脂，B組分為基質(zhì)瀝青與固化劑的混合物，見(jiàn)表5。

表5 HLJ-2009型環(huán)氧瀝青的主要性能

本次試驗(yàn)選用4檔集料，按JTG F42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)該集料進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 集料性能試驗(yàn)結(jié)果

3 混合料配合比設(shè)計(jì)

3.1 初始級(jí)配的設(shè)計(jì)

Superpave級(jí)配設(shè)計(jì)初始階段主要任務(wù)有：確定初始級(jí)配，根據(jù)機(jī)場(chǎng)交通量確定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)成型試件，測(cè)試瀝青混合料的理論最大密度，確定壓實(shí)試件體積參數(shù)，確定最終級(jí)配與初始瀝青用量。

在Superpave設(shè)計(jì)中，引入了禁區(qū)和控制點(diǎn)[9]的概念?？刂泣c(diǎn)分上、下限，用3個(gè)粒徑控制：即最小粒徑P0.075、中等粒徑P2.36、公稱(chēng)最大粒徑的通過(guò)率；禁區(qū)是由最大密度曲線在粒徑0.3 mm和2.36 mm圍成的一個(gè)限制級(jí)配曲線通過(guò)的區(qū)域帶。該區(qū)域設(shè)置主要是為控制砂的用量和提供足夠的VMA。故級(jí)配的設(shè)計(jì)曲線須以最大密度曲線、禁區(qū)和控制點(diǎn)去共同控制設(shè)計(jì)級(jí)配，通過(guò)控制點(diǎn)避開(kāi)禁區(qū)滿(mǎn)足Superpave的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)面層厚度與集料公稱(chēng)粒徑規(guī)定，道面上面層單層厚度4～6 cm，環(huán)氧瀝青混合料最大公稱(chēng)粒徑采用13.2 mm的級(jí)配，Sup-13的控制點(diǎn)和禁區(qū)范圍如圖2。對(duì)機(jī)場(chǎng)道面，由于機(jī)場(chǎng)荷載較大，為了形成更粗的級(jí)配和最大強(qiáng)度的集料結(jié)構(gòu)，并嚴(yán)格按照Superpave的設(shè)計(jì)要求，初步選取通過(guò)禁區(qū)下方的級(jí)配曲線，使整個(gè)集料的級(jí)配滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，初步設(shè)計(jì)級(jí)配1和級(jí)配2曲線見(jiàn)圖2。

圖2 初步設(shè)計(jì)級(jí)配Fig. 2 Preliminary design of gradation

通過(guò)對(duì)選取的4種集料進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)，并按級(jí)配1和級(jí)配2的累計(jì)篩孔通過(guò)率來(lái)設(shè)計(jì)級(jí)配，通過(guò)調(diào)節(jié)各檔集料的用量，初步設(shè)計(jì)級(jí)配1和級(jí)配2的4檔集料和礦粉的用量滿(mǎn)足級(jí)配設(shè)計(jì)曲線，級(jí)配合成見(jiàn)表7。

表7 各檔集料的用量

在Superpave中，根據(jù)混合料的密度、設(shè)計(jì)空隙率以及級(jí)配通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證初始瀝青含量Pbi。通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算混合料的物理參數(shù)見(jiàn)表8。

表8 混合料的油石比估算

3.2 瀝青用量計(jì)算

采集旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中試件的高度變化數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)毛體積密度以及試件的理論最大密度可以計(jì)算出試件在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的過(guò)程中的壓實(shí)度變化，具體見(jiàn)式(17)：

(17)

式中：%Gmm@Nx為試件在壓實(shí)次數(shù)Nx下的壓實(shí)度；Gmb@Ndes為試件在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的毛體積密度；Hdes@Ndes為試件在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的高度，mm；Hx@Nx為試件在任意旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的高度，mm。該設(shè)計(jì)方法通常用%Gmm@Nini評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混合料的可壓實(shí)性，通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)測(cè)試兩種級(jí)配壓實(shí)次數(shù)與密實(shí)度及試件高度關(guān)系見(jiàn)圖3～圖6。由圖可知，試件的高度Hx和壓實(shí)度Gmm在壓實(shí)初期變化幅度較大。隨著旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的增加，試件的高度和壓實(shí)度變化曲線比較平緩；當(dāng)壓實(shí)次數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)80次時(shí)，高度和壓實(shí)度曲線的斜率變化十分緩和，且壓實(shí)度接近96%，說(shuō)明試件在該壓實(shí)次數(shù)下，已被充分壓實(shí)，此時(shí)空隙率接近4%。壓實(shí)達(dá)到80次時(shí)體積參數(shù)見(jiàn)表9。

圖3 級(jí)配1在Pbest=5.0%下高度變化Fig. 3 Height change of gradation 1 in Pbest=5.0%

圖5 級(jí)配2在Pbest=5.0%下高度變化Fig. 5 Height change of gradation 2 in Pbest=5.0%

圖6 級(jí)配2在Pbest=5.0%下壓實(shí)度變化Fig. 6 Compaction change of gradation 2 in Pbest=5.0%

%

由表9可知，初步估計(jì)的環(huán)氧瀝青用量5%時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料在Ndes=80次下的空隙率為：級(jí)配1Va=4.3%，級(jí)配2Va=3.2%。由前分析可知，Superpave設(shè)計(jì)法中要求空隙率為4%，故初步設(shè)計(jì)的環(huán)氧瀝青含量并非最佳瀝青含量，需重新估算瀝青用量Pbest確保達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)時(shí)，空隙率為4%，估算見(jiàn)式(18)。而礦料間隙率利用式(19)預(yù)估：

Pbest=Pbi-0.4×(4-Va)

(18)

VMAest=VMAini+C×(4-Va)

(19)

式中：Pbi為初始瀝青用量；VMAini為初始瀝青用量下的礦料間隙率；C為常量系數(shù)，%Va@Ndes<4.0時(shí)取0.1，當(dāng)%Va@Nde>4.0時(shí)取0.2。

級(jí)配1和級(jí)配2估算瀝青用量Pbest以及在該瀝青用量下體積參數(shù)Va和VMAest見(jiàn)表10：

表10 估算瀝青用量體積參數(shù)

分別對(duì)兩種級(jí)配下不同的環(huán)氧瀝青用量的混合料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)，壓實(shí)次數(shù)分別設(shè)置為Ndes=80次和Nmax=124次，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7～圖10。

圖7 級(jí)配1在Pbest=5.12%下高度變化Fig. 7 Height change of gradation 1 in Pbest=5.12%

圖8 級(jí)配1在Pbest=5.12%下壓實(shí)度變化Fig. 8 Compaction change of gradation 1 in Pbest=5.12%

圖9 級(jí)配2在Pbest=4.68%下高度變化Fig. 9 Height change of gradation 2 in Pbest=4.68%

圖10 級(jí)配2在Pbest=4.68%下壓實(shí)度變化Fig. 10 Compaction change of gradation 2 in Pbest=4.68%

3.3 級(jí)配和最佳瀝青用量的確定

通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后的環(huán)氧瀝青混合料試件的理論最大密度和毛體積密度實(shí)驗(yàn)壓實(shí)數(shù)據(jù)分析，對(duì)級(jí)配1和級(jí)配2在各自估算瀝青用量下的體積參數(shù)和壓實(shí)特性進(jìn)行計(jì)算，檢驗(yàn)兩種級(jí)配下的體積參數(shù)和壓實(shí)特性能否滿(mǎn)足機(jī)場(chǎng)Superpave方法中混合料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選出最合適的級(jí)配。如果級(jí)配都不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求，則要重新選擇級(jí)配，重復(fù)上述的過(guò)程，直到級(jí)配都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求為止。級(jí)配1和級(jí)配2在估算瀝青用量下的體積參數(shù)特性見(jiàn)表11。

表11 兩種級(jí)配在估算瀝青用量下的體積和壓實(shí)參數(shù)

由表11可知，在設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)下級(jí)配2的礦料間隙率和最大壓實(shí)次數(shù)的壓實(shí)度不滿(mǎn)足要求；同時(shí)從級(jí)配組成上來(lái)看，粗集料含量也較級(jí)配1少，使用中會(huì)影響到高溫穩(wěn)定性；級(jí)配1在估算的瀝青用量為5.12%，其對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的空隙率、礦料間隙率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。此外用%Gmm@Nmax驗(yàn)證環(huán)氧瀝青最佳用量時(shí)也可滿(mǎn)足壓實(shí)度的要求，在級(jí)配1的級(jí)配設(shè)計(jì)下，環(huán)氧瀝青的最佳用量設(shè)計(jì)為5.12%。綜合分析，在面向起落架構(gòu)型復(fù)雜、軸載重、胎壓高的飛機(jī)荷載時(shí)，初步可選擇級(jí)配1，且最佳油石比為5.12%。除此之外，在Superpave混合料設(shè)計(jì)與分析體系中，充分考慮集料特性和混合料的體積特性(空隙率和礦料間隙率)選擇瀝青用量的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)行一系列溫度范圍內(nèi)環(huán)氧瀝青混合料的性能試驗(yàn)，驗(yàn)證配合比設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，從而保證環(huán)氧瀝青混道面優(yōu)良的使用性能。

4 環(huán)氧瀝青混合料溫度穩(wěn)定性

瀝青類(lèi)材料的溫度穩(wěn)定性主要是指低溫抗裂和高溫抗變形能力，而該性能一直以來(lái)都作為瀝青道面重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。

4.1 環(huán)氧瀝青道面高溫抗變形能力

瀝青類(lèi)材料的高溫穩(wěn)定性通常是通過(guò)高溫抗變形能力來(lái)反應(yīng)，因此需車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)高溫穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)輪碾法成型標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試件：300 mm×300 mm×50 mm。由于飛機(jī)胎壓較汽車(chē)胎壓高，故本次試驗(yàn)輪壓選用1.2 MPa；試驗(yàn)溫度為60 ℃，加載速率為42次/min。試驗(yàn)結(jié)果如表12。

表12 環(huán)氧瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由表可知，在環(huán)氧瀝青混合料輪轍試驗(yàn)中，動(dòng)穩(wěn)定度幾乎為0，在1 h的加載過(guò)程中產(chǎn)生的累積變形環(huán)氧瀝青混合料幾乎不產(chǎn)生輪轍。

4.2 環(huán)氧瀝青道面低溫劈裂強(qiáng)度

試驗(yàn)試件為直徑為100 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型。成型后置于120 ℃的烘箱中養(yǎng)生，直至固化；試驗(yàn)前將試件按試驗(yàn)溫度保溫6 h；以1 mm/min的加載速率在MTS810萬(wàn)能材料機(jī)上加載；試驗(yàn)溫度以5 ℃為一個(gè)溫度梯度，分別測(cè)得-20～15 ℃的劈裂強(qiáng)度。試件的劈裂試驗(yàn)過(guò)程如圖11，試驗(yàn)結(jié)果如表13。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸，建立劈裂強(qiáng)度和溫度的關(guān)系，如圖11。

圖11 劈裂試驗(yàn)加載破壞過(guò)程Fig. 11 Loading and failure process of splitting test

圖12 劈裂強(qiáng)度和溫度的關(guān)系Fig. 12 The relationship between splitting strength and temperature

項(xiàng)目試驗(yàn)溫度/℃151050-5-10-15-20-25破壞荷載/kN51．056．164．683．3102．0114．8127．5134．3136．9劈裂強(qiáng)度/MPa5．25．76．68．510．511．813．113．714．0

由圖12可知，環(huán)氧瀝青混合料試件劈裂破壞面不僅是環(huán)氧瀝青拉裂，同時(shí)有許多粗集料被拉斷的新鮮破壞面。由此表明，一方面環(huán)氧瀝青有極強(qiáng)的黏結(jié)力，另一方面環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度同時(shí)受環(huán)氧瀝青的抗拉強(qiáng)度和集料力學(xué)性質(zhì)影響，故隨著溫度降低，環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。由圖12可知，隨著溫度降低環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)溫度低于-15 ℃時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，且劈裂強(qiáng)度接近于14 MPa；而在溫度高于5 ℃時(shí)，劈裂強(qiáng)度減小趨勢(shì)明顯變緩且高劈裂強(qiáng)度最小值趨近5 MPa。而由文獻(xiàn)[10]可知，同樣采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型的不同瀝青品種的AC-13普通瀝青混合料，其低溫劈裂強(qiáng)度在5 ℃時(shí)為1.5～2 MPa； -10 ℃時(shí)為3～4 MPa；而-15 ℃時(shí)為3.5～4.5 MPa。通過(guò)低溫劈裂強(qiáng)度對(duì)比可知，環(huán)氧瀝青混合料遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料。也再次說(shuō)明環(huán)氧瀝青混合料優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

1)考慮到機(jī)場(chǎng)荷載條件的特殊性，進(jìn)行環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，宜采用Superpave設(shè)計(jì)方法。

2)考慮到飛機(jī)荷載的特殊性，建議機(jī)場(chǎng)道面Superpave方法中的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)Ndes按飛機(jī)輪胎壓力來(lái)劃分3個(gè)等級(jí)，并選取80次做為設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)

3)由于環(huán)氧瀝青的熱固性，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可不考慮瀝青飽和度這一體積參數(shù)，選取設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)下的空隙率、礦料間隙率作為確定環(huán)氧瀝青用量的體積設(shè)計(jì)指標(biāo)；把初始旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的壓實(shí)度和最大旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的壓實(shí)度作為最佳環(huán)氧瀝青用量的驗(yàn)證指標(biāo)。相關(guān)驗(yàn)證體積參數(shù)和級(jí)配組成特性的對(duì)比分析

4)設(shè)計(jì)兩種不同級(jí)配曲線，且兩者均避開(kāi)禁區(qū)且在控制點(diǎn)允許的范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)選擇在最大密實(shí)度曲線下方的級(jí)配曲線1，及其對(duì)應(yīng)的最佳瀝青用量為5.12%。

5)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)氧瀝青混合料優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性，主要體現(xiàn)在：高溫動(dòng)穩(wěn)定度幾乎為0，低溫劈裂強(qiáng)度明顯優(yōu)于普通瀝青混合料。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Mixture Proportion Design of Epoxy Asphalt Mixture for Airport Based on Superpave

RAN Wuping1,2，LI Ling1，GU Zhifeng2

(1. School of Civil Engineering & Architecture, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, P. R. China; 2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, P. R. China)

Through the analysis of the principle and characteristics of Superpave mixture proportion design method and combining with the special aircraft load conditions, epoxy asphalt mixture proportion design of airport pavement was studied. The results show that design rotating compaction times are recommended to be 80 times by considering the particularity of the plane load. VA and VMA of design compaction times are selected as volume design indexes of epoxy asphalt mixture. The compaction degree of the initial rotation compaction times and the maximum rotating compaction times are selected as verification indexes of the optimal epoxy asphalt dosage. Finally, two aggregates were selected to carry out mixture proportion design and the optimal gradation was determined by comparison analysis. The optimum asphalt-aggregate proportion was determined to be 5.12%.

highway engineering; airport pavement; epoxy asphalt mixture; mixture proportion design; design rotating compaction

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.06

2016-02-23；

2016-04-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1433201)

冉武平(1977—)，男，甘肅鎮(zhèn)原人，副教授，博士，主要從事鋪面結(jié)構(gòu)理論方面的研究。E-mail：rwpxju@163.com。

U414

A

1674-0696(2017)04-030-08