浅谈机场跑道面层沥青混凝土病害分析

曾丽霞，石继峰

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

随着我国民航事业的飞速发展，为了使飞行区适应不断增长的飞机起降架次的需求，国内各种大型机场掀起了一股飞行区改扩建、跑道修复的热潮。由于不停航施工的原因，改建及跑道修复大都选择了对原有水泥混凝土道面实施沥青混凝土柔性加盖的方式。沥青混凝土面层具良好的力学性能、较好的耐久性及行驶舒适性，并具有坚实、平整、良好的抗滑、防渗、耐疲劳等性能。其缺点是温度敏感性较高，夏季强度下降，若控制不好会使路面发软泛油或推移剪裂，低温时沥青材料变脆可能引起路面开裂等。

1 依托工程概况

长沙黄花国际机场位于长沙市黄花镇，在长沙市以东，距市区24.2 km，机场参考点的座标为东经11°31'09″，北纬 28°11'20″。原有的第一跑道长3 200 m，全部为水泥混凝土面层。2007年11月5日，第一跑道沥青混合料柔性盖被加铺工程正式开工，工期为一个半月。跑道盖被加厚工程施工过程不能影响机场安全和正常运营，因此只能进行不停航施工，即在每日24:00 至次日05:00 时间段进行施工。完工后，黄花国际机场跑道道面由钢筋混凝土的刚性道面改造成沥青混凝土柔性道面，机场飞行区等级达到4E 类。

盖被加铺工程设计中，跑道沥青混合料面层分三层，上面层为6 cm 厚SMA－16 型改性沥青混合料，设计油石比为6%，中面层为7 cm 厚AC－20 型改性沥青混合料，设计油石比为4.3%，下面层为8 cm 厚AC－20 型改性沥青混合料，设计油石比为4.3%。道面结构图及混合料配合比设计见图1及表1、表2。

表1 AC－20 型沥青混合料生产配合比汇总表

表2 SMA－16 型沥青混合料生产配合比汇总表

2 病害产生的情况介绍

长沙黄花机场第一跑道盖被加铺于2007年12月份完工，至2010年4月，机场开始出现不同程度的轮辙、沉陷、松散等病害。到2013年夏季，病害显著加剧。期间，长沙经历了2008年百年不遇的冰灾，机场道面使用了大量的除冰液，以及进行了吹、烤、扫等工作，到2013年夏季又遇极端高温天气，地表温度超过60 ℃。尽管表面层采用了SMA－16 沥青马蹄脂混合料，但由于飞机轮迹比较固定集中，荷载非常大(在黄花机场通航的最大的波音747 飞机最大的起飞重量将近400 t)。飞机在滑行道上行驶速度较慢，水平剪切应力较高，加之每年的通航量不断上升，根据机场通航量数据统计，长沙黄花机场到2013年航班起降量达13.7 万架次，高峰期每小时飞机起降达40 架次。起降高峰时经常出现飞机在道面上停机等侯的现象。在持续高温天气中，飞机的慢速滑行，等待和制动转弯等不利荷载的综合作用下加速了车辙等病害的出现，且面层的推移应力导致滑行道轮辙深度较大，平均轮辙超过了25 mm，到2013年夏季，最深轮辙达60 mm。病害的发展情况有如下规律:平滑道严重于跑道;夏季严重于春、秋、冬季;飞行区主降方向严重于候等区。

沥青混凝土道面车辙是路面结构各层永久变形的积累，由两部分组成:一部分是由路面结构层在荷载反复作用下进一步压密产生的，即压密形变:另一部分是因沥青混凝土在高温时的强度不足以抵抗重荷载的反复作用，轮下的部分沥青混合料产生剪切变形逐步被压到两侧。使两侧的沥青面层鼓起，产生的侧向移动。见图2。

图2 机场道面轮辙图

3 病害产生的原因分析

3.1 沥青混合料中原材料AB－90#改性沥青的影响

道面沥青混凝土配合比报告中采用的AB－90#改性沥青是由AB －90#基质沥青加6%SBS 改性剂进行改性后形成的。AB－90#改性沥青原材料技术要求及试验结果见表3～表5。

表3 AB －90#改性沥青原材料性能技术要求表(MH 5011 －1999)

表4 各气候分区沥青标号选用表(MH5011 －1999)

表5 改性沥青原材料性能检测结果

沥青软化点是沥青试样在规定尺寸的金属环内上置规定尺寸和质量的钢球，放于水或甘油中，以规定的升温速度加热，至钢球下沉达规定距离时的温度，即沥青由固态变软化的温度。原设计中，长沙气候分区属温区，选用AB－90#沥青，改性后软化点要求是大于45 ℃。长沙黄花机场7～8月最高气温最高气温达到40 ℃以上，而道面地表温度可达60 ℃以上，改性沥青原材料性能检测结果中软化点试验值是57.5 ℃，虽然满足技术要求(大于45 ℃)，但不能满足长沙地区高温天气的地表温度(60 ℃以上)要求。沥青混凝土道面受超过沥青软化点环境温度的影响，其高温稳定性就会明显降低，特别是当路面温度达到沥青软化点附近时，沥青混合料的动稳定度将出现大幅度下降，无论普通重交沥青混合料还是改性沥青混合料，在其动稳定度与温度之间的关系曲线上都存在一个动稳定度相对保持不变的温度区域，这个温度区域可称为高温抗变形的临界温度区，当温度超过沥青混合料高温抗变形的临界温度后，其抗变形能力急剧下降。据此，沥青混凝土将出现严重流变变型，在交通荷载作用下，表面产生车辙病害。

因此笔者认为设计使用AB－90#改性沥青的软化点技术要求太低，设计应考虑采用软化点技术要求相对较高的沥青等级。

3.2 沥青混合料配合比设计中的局限性

3.2.1 沥青混凝土配合比设计未涉及高温弯拉劲度模量的控制

沥青混合料的原材料性能对混合料的质量和使用性能影响至关重要，机场跑道沥青混合料配合比设计中，沥青是采用的是辽河欢喜岭AB－90#沥青，改性剂采用岳化4303 型SBS。粗集料为浏阳龙伏镇玄武岩，细集料为浏阳高坪生产的石灰岩石屑，矿粉为明辉矿粉，没有掺配车辙剂。

沥青道面结构设计可看作是建立一个多层次系统结构，每层的结构性能由表示这层材料特性的各种参数决定，也就是各层的厚度、劲度模量、泊松比及疲劳性能曲线等。除力学性能外，层间的内摩擦力也很重要，如两层之间粘结充分，层间不会在连接面产生滑动，则路面结构的张力相对要小很多。

沥青混合料是一种粘弹性材料，在荷载的作用下，应力与应变之间呈现非线性关系。它不可能像金属、混凝土那样，在通常情况下具有一个接近常数的弹性模量，为了充分表示沥青材料的这种特性，采用弯拉劲度模量来表示。它是温度的函数，在同荷载作用下，温度越高，弯拉劲度模量越小。采用荷载时间t 和温度T 为函数的应力应变之比来表示粘弹性沥青抵抗变形的性能，弯拉劲度模量由下式表示:

式中:S 为沥青混合料弯拉劲度模量，Pa;δ 为应力，Pa;ε 为应变;t 为载荷时间，s;T 为温度，℃。

应变水平较高时，沥青混合料弯拉劲度模量随荷载作用次数的增加而急剧减小，随着应变水平的降低，弯拉劲度模量可以用于表征应变疲劳过程中沥青混合料力学状态变化，并由此推算混合料的疲劳寿命。由此可见，沥青混合料面层设计时，弯拉劲度模量对于混合料的疲劳寿命有非常大的影响，应作为设计的重要控制指标。

3.2.2 设计依据中动稳定度检测的不合理性

原设计中，跑道沥青混凝土上、中、下面层所采用的沥青动稳度试验依据方法采用是JTGE20 －2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0719 －2011 沥青混合料车辙试验。其设计要求如表6。

表6 动稳定度设计要求

原设计动稳定度要求是以T0719 －2011 方法常规条件检测的数据依据，即车辙试验的温度为60℃，轮压(试验轮与试件的接触压强)为0.7 MPa。而长沙黄花机场7～8月最高气温达到40 ℃以上，道面地表温度可达60 ℃以上。实测2013年7月31日长沙黄花机场沥青混凝土路道道面的温度为62.4 ℃，已超过试验条件的温度。数十吨的飞机以几百公里的时速着陆，飞机重量加上对地面的撞击力，每平方毫米的轮胎胶面就要承受近百牛顿的压力，即着陆轮压可达10 MPa，而飞机着陆后匀速滑行的轮压达1.5 MPa，远超过试验条件的要求轮压0.7 MPa。可见，原设计中动稳定度检测的“试验温度”和“轮压”两项指标要求远低于机场跑道道面实际运营过程当中的情况。动稳定度参数直接反映沥青混凝土的高温稳定性，从机场沥青混凝土动稳定度设计要求来看，正是低指标设计，高风险运营，那么现有沥青混凝土实际的高温稳定性就不能满足实际运营的需要，导致车辙等病害。

3.3 从配合比实施方面分析，后期试验检测数据中的油石比超过设计要求

图3为湖南路桥集团通达工程试验检测有限公司于2013年7月31日在黄花机场病害位置处取回的代表性芯样。经过试验得出，上面层油石比为6.23%(原设计SMA－16，油石比为6%)，中面层油石比为5.29%(原设计AC－20，4.3%)，下面层油石比为5.18%(AC－20，4.3%)。矿料级配均发生改变。由此看出，沥青混合料上、中、下面层的油石比均超过设计要求。油石比对混凝土的高温性能有极为明显的影响，沥青用量太低，沥青混合料难以压实，沥青用量过多，沥青混合料中的自由沥青增多，混凝土的柔量增加，劲度减小，永久变形增大，高温抗变形能力降低，严重影响混凝土的高温稳定性。

图3 病害处芯样

3.4 “盖被子”设计理念的疑问

原设计中，机场跑道加铺采用是“盖被子”的方法，即直接在原有的水泥混凝土道面上加铺沥青混凝土道面，原有的水泥混凝土道面作为基层使用。沥青混凝土道面属柔性结构，而基层是刚性结构。当飞机在跑道上起降、滑行的作用力需经过柔性结构的沥青混凝土道面传到刚性结构的水泥混凝土基层，再传到半刚性结构的水泥稳定砂砾底基层，到土基地面层。从面层和基层承受荷载的设计角度来分析，柔性路面设计是采用双圆垂直均布荷载作用下的弹性层体系主理论基础，以路表弯沉值作为路面整体刚度的控制指标，刚性路面是采用弹性地基板理论，以混凝土弯拉强度作为设计控制指标。柔性路面刚度较小，抗弯拉强度较低，主要靠抗压、抗剪强度来承受荷载作用，而刚性路面，面层板体刚度较大，抗弯拉强度较高。机场跑道“盖被子”施工方法，在水泥混凝土道面上直接加铺沥青混凝土道面，两种路面的受力原理完全不同，两层之间不能形成较好的整体受力，作为沥青混凝土路面在承受飞机起降、滑行的直接荷载时，形成一种基层刚强面层薄弱的局面，作用力就不能均匀地传给水泥混凝土基层，而是集中在沥青混凝土面层上，沥青混凝土道面成了名副其实的软弱“夹心层”。长期荷载作用会使沥青混凝土疲劳受损，然后出现车辙、鼓包、推移病害。

4 结论及建议

受特殊气候条件和近年来机场D、E 类飞机的快速增长的影响，长沙黄花机场原有跑道道面沥青混合料上、中、下面层的性能，尤其是抗变形和抗剪切性能已不能满足机场运行环境和飞机荷载的要求，跑道道面存在严重影响结构性、功能性损坏的病害，显著影响道面的使用性能，存在明显的安全隐患。因此，对相关道面实施病害整治是必要的、迫切的。据笔者现场踏勘了解，长沙黄花机场已从2013年8月后对部分沥青混合料道面进行了维修整治，并预计今年8～9月对原有病害道面全部进行整治。在原来平行滑道北延600 m 段部分维修整治过程中，采取的方法是对道面沥青混合料面层三层进行大面积的铣刨铲除并重新进行沥青混合料分层铺设。

本文针对机场跑道沥青混凝合料产生病害之后，通过对现场钻芯检测和室内相关试验检测的数据进行分析，从沥青混凝料原材料，配合比，动稳定度车辙试验，及“盖被子”工艺几个方面进行剖析。笔者就沥青混料病害产生的原因进行分析，在机场跑道沥青混凝土的后续整治过程中提出几点个人的看法:

1)原设计中采用的AB－90#改性沥青不宜用于长沙黄花机场跑道沥青合料，沥青软化点控制指标过低，设计软化点控制指标应考虑长沙夏季最高气温时跑道道面高温情况。应考虑采用软化点较高的沥青70#号优质基质沥青，加SBS 改性剂，沥青混合料加入抗车辙剂，重点提升道面抗车辙能力。

2)沥青混合料设计中应将弯拉劲度模量纳入重要的设计控制指标。

3)机场跑道沥青混合料动稳定度检测不宜直接套用JTGE20 －2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0719 －2011 沥青混合料车辙试验方法，应以机场所在地区的气候和飞机实际轮压为依据，提高混合料车辙试验时的轮压和温度。

4)沥青混合料设计和施工过程当中，应通过现场检测和试验室内检测，以试验路段确定的最佳油石比来指导施工。

希望能在机场后续沥青混合料道面维修和整治的过程中，给业内人士提供参考价值。可以从改善沥青混合料的沥青选材、石料选材、油石比控制、集料的级配和通过加抗车辙剂来提高沥青混合料的高温稳定性等诸多方面的考虑，选择适合于长沙黄花机场跑道的沥青混合料及合理的施工方案。从根本上解决病害现象、延长道面寿命，保证机场跑道道面营运的舒适性和安全性。

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