超高温地区机场沥青道面的抗车辙性能

廖述清，胥祥伟，王选仓，汪日灯，李起龙

(1.中交机场勘察设计院有限公司，广东 广州 510230； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

车辙是沥青道面在重复交通荷载作用下产生的累积永久变形，是当前沥青道面主要的破坏形式，学者们对此进行了深入研究。如黄卫东等[1]发现改性沥青混合料70 ℃动稳定度与各评价指标的相关性优于60 ℃动稳定度，但60 ℃动稳定度较70 ℃动稳定度更能区分SBS改性沥青高温性能的差异。徐建国等[2]在沥青路面抗车辙性能研究中发现解决车辙的关键措施之一在于使用优质的改性沥青。程亮等[3]应用Bisar3.0程序分析沥青层在标准设计状况、重载、高温和重载高温组合作用下的剪应力分布规律。黄杰[4]通过对王楼至兰考高速公路的长期观测与调查，发现高温及重载车辆的反复荷载作用是造成车辙的主要原因。以上研究主要是公路方面的研究，而中国机场跑道以混凝土为主，近些年才开始采用沥青材料，各项设计参数都参考公路。然而，相比公路路面，机场道面受力环境更加恶劣，飞机轮胎接地压力约为汽车轮胎接地压力的1.5～2.2倍[5]。经计算，B767-200型飞机最大起飞质量为140 t，主起落架轮胎接地压力为1.27 MPa，而公路设计标准轴载是0.7 MPa。而且高温和重载是非洲地区机场的特点，也是导致跑道车辙的2个主要的因素。为此，本文以南苏丹朱巴国际机场沥青道面车辙问题为依托，研究超高温重载作用下沥青跑道道面的抗车辙性能。

1 工程概况及车辙分析

1.1 工程概况

南苏丹朱巴地区属热带草原气候，湿度高并有大量降雨。每年5～10月为雨季，气温为20 ℃～40 ℃，11月至次年4月为旱季，气温为30 ℃～50 ℃，实测跑道最高温度超过70 ℃，属于超高温地区。

朱巴国际机场是南苏丹惟一的国际机场，海拔461 m，改扩建前跑道长2 400 m，宽45 m，飞行区技术指标为4C，跑道道面破损严重，出现严重的车辙破坏。本项目对旧有跑道道面进行升级改造，改造后能够满足B767-200型飞机使用，飞行区技术指标升级为4D。

1.2 现场车辙分析

改扩建前朱巴机场跑道道面沥青混凝土结构层厚度为10 cm，下设级配碎石基层。该道面结构对于运行C类机型B737-300(轮距5.25 m)承载能力明显不足。经现场调查，道面大范围出现了10 mm左右深度的车辙，况且有的车辙深度达到20 mm以上，如图1所示。对该机场跑道车辙病害段进行横断面开挖和钻芯取样，并检测对各面层厚度与变形情况，得到车辙横断面形态，如图2所示。

从图1、2中可以看出以下几点。

(1)基层顶面未发现沉陷与开裂，说明车辙变形完全由沥青面层产生。

(2)车辙出现在跑道中心线两侧飞机主轮碾压部位，且呈对称分布，这与飞机主轮承载机身95%荷载相符。

(3)各个结构层变形程度不一致，中下面层变形量最大，约占车辙总变形量的55%。这与下面层承受高压应力与剪应力且抗剪能力不足有关[6]。

2 车辙影响因素试验分析

2.1 温度对车辙深度的影响

选择7种温度(10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃)进行室内车辙试验。采用规范中给出的级配中值成型AC-16型车辙试件，沥青采用90号基质沥青，油石比为4.8%。通过试验测得不同温度下，碾轮以42 次·min-1的速度行走60 min后的车辙深度，如图3所示。

图3 温度与车辙深度的关系

由图3可以看出，随着试验温度的升高，在同一荷载水平和作用次数下，车辙深度逐渐增大。以20 ℃为基准，30 ℃车辙深度增加66.9%，40 ℃车辙深度增加172%。当温度达到40 ℃以上时，随着温度升高，车辙深度增加的幅度逐渐增大。温度从30 ℃增加到70 ℃的过程中，车辙深度增加了449.3%。可见，温度对车辙深度有显著影响，温度越高，越易形成车辙[7-10]。

2.2 荷载对车辙深度的影响

分别选取0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 MPa荷载进行室内车辙试验，分析不同荷载对沥青混凝土车辙深度的影响。分别测定60 ℃条件下碾轮以42 次·min-1的速度行走60 min后的车辙深度，结果如图4所示。

由图4可以看出，在同一温度、同一荷载作用次数的条件下，随着荷载的增大，车辙深度也逐渐增大。当荷载达到1.0 MPa后，随着荷载增加，车辙深度的增加幅度较之前变大。当荷载从0.8 MPa增加到1.2 MPa时，车辙深度增加了51.8%。可见，荷载对车辙深度的影响较大[11-12]。

2.3 层间接触对车辙深度的影响

制得10 cm厚的双层沥青混合料车辙板，层间采取不同的处治措施，在60 ℃温度下轮碾2 h，通过车辙试验测定沥青道面动稳定度和总变形量，以评价层间接触对车辙深度的影响。试验编号及结果见表1。

图4 车辙深度与荷载的关系

表1 不同层间状况下车辙试验结果

将不同黏层材料的车辙试验的动稳定度进行对比，结果如图5所示。

以无黏层油车辙试验结果为基准，分别计算喷洒黏层油后动稳定度的提高百分比和总变形量的降低百分比，结果见表2。

图5 不同黏层材料车辙试验结果对比

层间状态动稳定度总变形量测量值/(次·mm-1)提高百分比/%测量值/mm降低百分比/%无黏层油1 2399.037改性乳化沥青2 456986.10932高黏沥青2 9791405.12443SBS改性沥青3 5961904.62849

从表2可以看出，喷洒了改性乳化沥青、高黏沥青和SBS改性沥青后，此时动稳定度比无黏层油时分别增加了98%、140%和190%，总变形量分别减少了32%、43%和49%。所以，合理洒布黏层油不但能提高层间抗剪强度，还能增加沥青路面的高温稳定性。

3 不同面层材料和结构下的车辙试验

3.1 不同面层材料组合

为研究上、下面层沥青路面面层材料的合理改性对车辙的影响，对常规车辙试验进行了改进：预制下面层沥青混合料车辙板，洒布黏层油，加铺上面层沥青混合料车辙板，对普通车辙试模进行拼装，拼装后试模尺寸为300 mm×300 mm×100 mm，试验温度取60 ℃，组合试件的材料组合方式见表3。

每种方案制作3块车辙试件做平行试验，结果见表4、图6。

从表4和图6的试验结果可以看出以下几点。

表3 组合试件材料组合

表4 各方案复合试件的动稳定度

图6 不同试验方案车辙动稳定度

(1)方案2试件的动稳定度较方案1提高了38%，说明沥青路面上面层改性后，沥青路面高温稳定性明显提高。

(2)方案3试件的动稳定度比方案2提高了62%，可见对路面结构进行双层改性比单层改性显著提高路面结构的高温抗车辙能力。

(3)方案3试件的动稳定度比方案4的提高了19%，比方案5提高了29%，可见不同的改性材料组合对沥青路面改性后的高温稳定性影响很大。

3.2 不同面层结构组合

制备双层车辙试验车辙板，上面层采用SBS AC-16沥青混合料，下面层采用AC-20沥青混合料，并放置在60 ℃环境箱中恒温5 h以上。对于各结构层厚度及面层总厚度为非标准厚度的情况，均采用在车辙板试模底加垫适当厚度钢板的办法。试验荷载为1.0 MPa，试验轮以42 次·min-1的速度往返碾压60 min，面层结构组合及车辙试验结果见表5。

表5 不同结构组合的沥青路面车辙试验结果

从表5可以看出以下几点。

(1)比较各结构组合的动稳定度大小发现：组合1、2车辙板中面层厚度为6 cm，动稳定度相差不大；组合3、4车辙板下面层厚度为5 cm，动稳定度相差虽不大，但明显小于组合1、2，说明面层厚度与集料的最大公称粒径影响结构动稳定度。另外，组合2和组合3的面层总厚度都为9 cm，前者的动稳定度却明显大于后者，说明路面结构形式可以影响面层的高温稳定性。

(2)比较45 min车辙深度和60 min车辙总变形量发现，面层结构组合形式以及面层各层厚度是影响路面高温抗车辙变形的2个主要因素，且下面层的变形量更大。

(3)比较各试件的相对变形大小发现：组合1、2的相对变形比组合3、4的相对变形减少了15%左右；组合2的相对变形稍小于组合3，其抗车辙性能更好。

由上述试验数据可以看出，高温重载试验条件下，面层结构组合形式以及各层厚度是影响路面抗车辙性能的2个主要因素，而且动稳定度与相对变形这2个指标在衡量沥青混合料的高温稳定性时并不能完全统一，当动稳定度很大时并不一定能说明此时车辙的总变形就小[13-17]。

4 结 语

(1)对南苏丹朱巴国际机场沥青道面车辙病害段进行横断面开挖和钻芯取样，并检测各面层厚度与变形情况，发现车辙由沥青面层产生，且上、下面层发生的变形程度各不相同，下面层变形量较大，这显然与下面层的抗剪能力不足有关。

(2)通过室内车辙试验发现：温度、荷载和层间接触条件等因素对车辙深度的影响较大，高温重载作用下更易产生车辙；洒布黏层油不但能提高层间抗剪强度，而且还能增强沥青路面的高温稳定性，提高道面抗车辙性能。

(3)将上面层沥青改性后进行改性沥青材料双层车辙试验，发现沥青路面高温稳定性明显提高；对路面结构进行双层改性比单层改性更能显著提高路面结构的高温抗车辙能力；SBS AC-16沥青混合料具有更好的高温稳定性。

(4)路面结构形式对面层高温稳定性有一定影响；动稳定度与相对变形这2个指标在衡量沥青混合料的高温稳定性时并不能完全统一，当车辙动稳定度结果很大时并不一定能说明此时的车辙试验的总变形就小。