机场道面抗冰雪沥青混合料研究

刘 鹏 李连成

(黑龙江省机场管理集团有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

民用航空作为一种高科技、高风险行业，保障安全对于民用航空发展和生存十分重要。在受降雪影响的地区，由于机场道面直接暴露在自然环境中，冰雪天气成为影响航班的重要气象条件之一。机场道面上积攒的冰、雪无论是对航班的运行和安全，或是对道面结构都有负面的影响[1,2]。一旦有降雪天气造成机场延误事件的发生，无论对社会效益或经济效益都会造成严重的损失。基于此，研究用于机场道面的除冰雪性能优良的沥青混合料，对保障机场的运营与安全十分必要[3]。

1 沥青混合料设计

采用马歇尔设计方法，进行抗冰雪沥青混合料的配合比设计，所选择的原材料为：玄武岩集料、石灰岩矿粉、SBS改性沥青、纤维稳定剂、抗车辙剂和缓释型融冰雪剂。对原材料分别进行筛分试验以及相关性能测试，性能指标均满足我国JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范的要求。

确定级配类型:

根据MH/T 5010—2017民用机场沥青道面设计规范(以下简称《规范》)，可用于沥青道面上面层的混合料类型为SMA和AC，如表1所示。

表1 沥青道面各层适宜的沥青混合料类型和规格

SMA是骨架密实型结构，在结构特点上与AC的区别是:4.75 mm以上的粗集料含量更高，粗集料间相互接触、嵌挤，可形成坚强的骨架结构，因此在路用性能上又表现为耐久性高，抗疲劳好，内摩阻力大，从而具有更高的高温稳定性，抗高温车辙性好。由于本课题研究的是机场道面抗冰雪沥青混合料，应考虑混合料的低温抗裂性。SMA密实度大，矿粉含量高，沥青含量高，易形成结构沥青，沥青与集料的粘结性更好，具有不错的低温抗裂性和水稳定性。

AC类沥青混合料为悬浮密实型结构，此结构特点是粗集料含量少，细集料含量高，因此混合料中无法形成骨架结构，粗集料间无法相互支撑，导致其抗车辙变形能力差。细集料用量高也使得路表构造深度小，抗滑性能差、降噪性差。空隙率很小使其几乎不透水，水稳定性较好[4]。

为了更好的说明问题，现将SMA与AC类结构性能特点列于表2。

表2 不同沥青混合料结构类型的比较

此外，由于SMA是间断级配，在路表面形成的孔隙较大，同时构造深度也很大，因此具有很好的抗滑抗磨性能。同时，在有雨雪的天气，雨水存在于构造深度中，降低夜间机场道面的反光，使跑道指示灯更突出，提高飞机进近、着陆的安全性。

综合考虑各项性能对比,以及在SMA沥青混合料实际施工中，多选用SMA-13。因此将SMA-13作为本研究的级配类型。

基于此，在进行马歇尔试验后，完成了抗冰雪沥青混合料的配合比设计以及最佳沥青用量的确定。

2 混合料路用性能研究

2.1 不同纤维类型对混合料路用性能的影响

对所设计的SMA-13抗冰雪混合料，分别掺加0.3%掺量的聚酯纤维和0.3%掺量的木质素纤维，在最佳油石比的条件下成型试件，对混合料各项路用性能进行评估分析。

1)高温稳定性。

未添加纤维的抗冰雪沥青混合料不满足《规范》中对于沥青混合料最大动稳定度指标的技术要求，在混合料中添加了纤维稳定剂后，混合料的高温稳定性有了显著提升。由于纤维本身具有较强的吸附能力，增加了混合料中结构沥青的比例，进而提高了沥青混合料的高温稳定性。另外纤维在沥青混合料中起到明显的桥接加筋作用，正是由于纤维空间网络的形成，使得沥青混合料内部应力较均匀的分散开，矿料间的相对滑移受到限制，进一步提高了沥青混合料的高温稳定性。纤维对混合料性能提升的作用效果取决于纤维的弹性模量、吸油率、耐热性、分散性等等[5]。综合以上各点，掺加聚酯纤维的混合料高温性能最好，较差的是掺加木质素纤维的混合料，无纤维的混合料高温性能最差(见图1)。

2)低温抗裂性。

未添加纤维的抗冰雪沥青混合料不满足《规范》中对于冬寒区改性沥青混合料破坏应变指标的技术要求。而在混合料中添加了纤维稳定剂后，混合料的低温性能有了一定的提升。这是因为纤维对混合料有一定的桥接和加筋作用，这有效的提高沥青混合料的抗拉屈服强度并增加了沥青混合料的韧性，提升了混合料的低温变形能力。因此抗弯拉强度比不加纤维的抗弯拉强度高。对比掺入两种纤维类型制成的混合料低温性能可以发现，两者的弯曲破坏应变相差不大，掺聚酯纤维的混合料低温性能略高于掺木质素纤维的混合料(见图2)。

3)水稳定性。

未添加纤维稳定剂的抗冰雪沥青混合料残留稳定度为87.6%，不满足《规范》要求，残留强度比为89.6%，满足《规范》要求，因此需要关注不同纤维类型对混合料残留稳定度的影响。从图3中可以看出，两种纤维的加入都使混合料的残留稳定度有了显著提升，均超过90%，满足规范中对于改性沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度的最低要求。

综上所述，未添加纤维稳定剂的抗冰雪沥青混合料多项路用性能均不满足规范要求，但掺入了纤维稳定剂后，路用性能均有显著的提升。综合各项路用性能表现，确定选用的纤维稳定剂为聚酯纤维。

2.2 抗车辙剂对混合料路用性能的影响

抗车辙剂是一种常见的沥青混合料外掺剂，主要用于提高混合料的高温抗车辙能力，以减小路面的永久变形量，延长路面的使用寿命[6]。通过向混合料中掺入不同含量的抗车辙剂，以探究抗车辙剂掺量对于混合料路用性能的影响规律，并得到最适宜的抗车辙剂掺量。

1)高温稳定性。

在沥青混合料中掺入抗车辙剂后，沥青混合料的动稳定度有了显著提高。抗车辙剂的含量超过0.2%后，即满足《规范》对动稳定度的要求；随着掺量增多，动稳定度也越来越高，但增长速率明显放缓。由此可见，抗车辙剂对SMA-13抗冰雪沥青混合料的高温性能有显著的改善作用。综合考虑性能影响和成本，有利于混合料高温性能的抗车辙剂掺量为0.2%～0.4%(见图4)。

2)低温抗裂性。

不含抗车辙剂的沥青混合料的低温性能已满足《规范》要求，而在掺入抗车辙剂后，混合料的低温性能随着抗车辙剂掺量的增加，呈现出先增大后减小的现象。当混合料内抗车辙含量为0.4%以内时，混合料的低温性能达到最高值，之后低温性能逐渐下降。当含量达到0.6%时，混合料的低温性能已比不加抗车辙剂时差。在拌合过程中，高温环境使得抗车辙剂颗粒软化，和SBS改性沥青熔融后形成胶结作用，而正是这种胶结作用对SBS改性沥青的结构组成产生了一定的影响，反而降低了SBS改性沥青本身所具备的优良的结构性能，进而混合料的低温性能有一定的衰减[7](见图5)。

3)水稳定性。

不含抗车辙剂的沥青混合料的水稳定性能已满足《规范》要求，掺入抗车辙剂后，混合料的残留稳定度与冻融劈裂强度比均呈现先增大后减小的趋势，当混合料内抗车辙含量为0.4%左右时，混合料的水稳定性能达到最高值，之后低温性能逐渐下降。当含量达到0.6%时，混合料的残留强度比已比不加抗车辙剂时差；当含量达到0.8%时，混合料的冻融劈裂强度比已比不加抗车辙剂时差，且残留强度比低于90%，已不满足相关规范要求(见图6)。

基于上述的各项路用性能试验，结合实际工程经验，确定抗车辙剂的最佳用量为0.4%。

3 混合料抗冰雪效果评价

前文的研究表明，抗冰雪沥青混合料具有满足要求的路用性能，而作为一种应用于机场道面的主动除冰雪路面，也应具备良好的除冰雪性能。因此，本部分通过抗滑试验，评价混合料的抗滑性能，对混合料的除冰雪效果进行评价。

抗冰雪沥青混合料的研究目的是期望路表的冰层能快速、高效的被除去，将路表的构造完整的暴露于外界环境中，使冰雪对路面摩擦力的影响降到最低。本节将使用摆式摩擦仪进行抗滑试验，以此来评价在低温凝冰状态下混合料的抗滑性能(见图7)。

随着冰冻时间的延长，两种沥青混合料摆值都有一定的下降。其中，普通SMA-13沥青混合料在冰冻4 h后，摆值下降为最初的50%左右，可见路面凝冰对路面抗滑性能有显著影响，经分析认为，在冰冻2 h～4 h内，路表的水分完全形成冰膜附着在路面上，减小了表面构造深度，使轮胎与冰面直接接触，路面的抗滑能力几乎丧失，易产生安全事故。

而观察掺入抗冰雪材料的沥青混合料摆值变化曲线可以发现，随着冰冻时间的延长，试件的摆值下降速率缓慢，在-5 ℃条件下冰冻8 h后，摆值只下降了约15%，这说明抗冰雪沥青路面有延缓路面结冰的效果。与普通SMA-13沥青混合料相比，冰冻8 h后，摆值提升了约76%，这表明抗冰雪沥青路面可显著提升道面的抗滑性能，提高飞机起降的安全性。

4 结语

1)不同类型的纤维类型对混合料路用性能的影响不同，这主要取决于纤维本身的技术性质，如抗拉强度，弹性模量，吸油率，分散性等等。本研究表明，对于SMA-13沥青混合料，同等含量下聚酯纤维对混合料路用性能的提升作用较木质素纤维好。

2)随着抗车辙剂掺量的增多，混合料的高温性能有了显著的提升，但低温性能和水稳定性能则呈现先上升后下降的特点，确定了抗车辙剂的最佳用量为0.4%。

3)抗滑试验表明，抗冰雪沥青混合料有效延缓了路面的结冰速率。在低温环境下，相较于普通沥青路面，抗冰雪沥青路面表面凝冰形成很慢，相同时间过去后抗冰雪沥青路面的抗滑性下降很小，提升了道面的抗滑性能，具有较好的抗冰雪性能。