高模量剂对机场沥青道面高温性能的影响

程德金，杨 凯，戴 征，王建党，张晓辉

(西北民航机场建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

1 概述

高模量沥青混合料起源于法国，具有模量高、抗车辙能力强、耐久性好等特点，被许多国家吸收并应用于解决重载交通条件下沥青路面的车辙问题[1-4]。机场道面所承受的荷载远远大于公路路面，尤其是飞机在端滑行联络道道口、飞机等待区、跑道掉头坪等速度较慢甚至处于静止状态时，沥青道面长时间处于飞机涡轮喷出的高温气流和飞机本身高荷载作用下易出现道面软化、推移壅包、轮辙等剪切破坏，甚至产生机轮下陷现象，严重危及飞机行驶安全，因此需要提高沥青混合料的高温抗剪切性能。

国内外学者对沥青混合料抗剪切性能的研究主要从混合料的高温稳定性方面入手，研究认为[5-7]沥青混合料高温稳定性不足，自身产生塑性变形是混合料产生剪切破坏，出现车辙的主要原因。目前常用的改善思路主要有提高沥青性能、改善矿料级配和添加外加剂等措施[8-11]，机场常用的方式是在混合料中添加外加剂，本文依托国内南方某4C机场跑道“盖被”工程，使用PR高模量剂，选取端滑行联络道道口作为试验段，采用不停航施工，在原水泥道面上加盖两层沥青混凝土，根据施工过程中的车辙试验和施工完成后道面取芯单轴贯入剪切试验评价沥青混合料的高温抗剪切性能，并结合马歇尔试验、低温小梁弯曲试验和水稳定性试验，综合评价高模量剂对混合料路用性能的影响。

2 试验原材料与配合比设计

2.1 试验原材料

1)沥青。

本工程选用中石油SBS改性沥青，其技术指标符合规范和设计要求，如表1所示。

表1 SBS改性沥青技术指标

2)集料。

本工程下面层采用石灰岩，规格为10 mm～20 mm，5 mm～10 mm；上面层采用辉绿岩，规格为10 mm～15 mm，5 mm～10 mm；细集料规格均为0 mm～5 mm，填料为磨细的石灰岩矿粉，粗细集料技术指标均符合规范和设计要求。

3)高模量剂。

试验段采用法国PR高模量剂，该模量剂由多种聚合物经特殊工艺加工而成，外观为黑色颗粒状物质，直径2 mm～4 mm，如图1所示，技术要求如表2所示。

表2 高模量剂技术指标

2.2 生产配合比设计

在目标配合比设计基础上，采用热料分别对AC-20和SMA-13进行生产配合比设计，级配曲线如图2,图3所示，4个热料仓规格分别为1号仓(0 mm～5 mm),2号仓(5 mm～11 mm),3号仓(11 mm～16 mm),4号仓(16 mm～22 mm)，依据目标设计级配及热料仓筛分结果，通过马歇尔试验法确定AC-20生产配合比为：4号仓∶3号仓∶2号仓∶1号仓∶矿粉 =29∶10∶16∶40∶5，油石比(质量比)4.4%；SMA-13生产配合比为3号仓∶2号仓∶1号仓∶矿粉=42∶30∶18∶10，油石比(质量比)6.2%。

3 试验段方案

本次选取端滑行联络道道口为试验段，铺筑面积4 000 m2，在试验段下面层AC-20和上面层SMA-13混合料中分别掺加0.5%的PR MODULE高模量剂，对比段不掺加高模量剂；分别进行混合料马歇尔试验、车辙试验、小梁低温弯曲试验、水稳定性试验，并在现场取芯进行单轴贯入强度试验，芯样如图4所示，综合分析试验段和对比段的混合料路用性能。

4 高模量剂对沥青混合料路用性能的影响

4.1 马歇尔稳定性

根据JTG E20—2011公路工程沥青与沥青混合料试验规程分别对试验段和对比段沥青混合料进行马歇尔试验，试验结果如表3，表4所示。

表3 AC-20沥青混合料马歇尔试验结果

表4 SMA-13沥青混合料马歇尔试验结果

根据表3,表4可知，加入高模量剂后，AC-20和SMA-13两种沥青混合料的马歇尔体积指标基本没有变化，因为外加剂的质量相对混合料的质量占比非常小；两种试验段混合料试件的马歇尔稳定度分别较对比段提高了16.9%和13.5%，原因在于高模量剂在高温干拌、压实过程中软化变形，被集料挤压嵌挤于颗粒之间，起到加筋约束作用，增强混合料的强度；同时高模量剂加入增加了沥青的黏度，增大了混合料的黏聚力，从而提高混合料强度。

4.2 高温性能

4.2.1 车辙试验

通常车辙表征混合料抗剪切变形的能力，为评价高模量沥青混合料的抗车辙能力，根据JTG E20—2011规范要求进行车辙试验，试验段和对比段的试验结果如图5所示。

根据图5可知，试验段AC-20混合料的动稳定度达12 353次/mm，较对比段提高了20.9%，SMA-13动稳定度达9 693次/mm，较对比段提高了14.3%，说明高模量剂的加入提升了混合料的抗车辙能力，因为高模量剂在混合料内部具有嵌挤加筋作用，相当于在混合料内部形成一个加筋网，从而提升混合料的抗剪切变形能力。

4.2.2 单轴贯入剪切试验

为了评价铺筑完成的沥青道面抗剪切能力，依据MH/T 5010—2017民用机场沥青道面设计规范采用SANS电子万能试验机对现场取的芯样进行单轴贯入剪切试验，如图6所示，加载速率1 mm/min，试验温度60 ℃，试验结果如表5，表6所示。

表5 AC-20单轴贯入剪切试验结果

表6 SMA-13单轴贯入剪切试验结果

从表5，表6可知，添加高模量剂后，试验段AC-20和SMA-13沥青混合料的单轴贯入抗剪切强度分别为1.30 MPa和0.90 MPa，相较于对比段贯入强度分别提高了20.4%和15.4%。研究发现，高模量剂的加入使混合料的动稳定度和单轴贯入剪切强度均有较大幅度的提高，且高模量剂对AC-20抗剪切性能的增强作用大于SMA-13，因为SMA-13粗集料骨架结构对混合料抗剪切变形能力的贡献大于AC-20这种悬浮密实型沥青混合料，加入高模量剂对SMA骨架的改善作用较小，主要通过改善沥青的性能来提高抗剪能力。

进一步分析可知，高模量剂对混合料的作用机理主要有两个方面[12-14]：一方面与沥青作用，吸收沥青中的轻质油分，增大沥青的黏度，从而增强混合料抗变形能力；另一方面与集料作用，在高温拌和、压实作用下，高模量剂软化、变形被挤压成不同形状的变形体嵌挤于集料之间，限制了矿料颗粒的相对移动，增强骨架结构的稳定性，改善混合料高温性能，此外，在高温作用下高模量剂部分融化拉丝，相互缠绕搭接，形成空间纤维网络结构，穿插于粗集料骨架空隙之中，将集料骨架体系约束为一个有机整体，增强了混合料的整体强度。

4.3 低温抗裂性能

为了评价高模量剂对AC-20和SMA-13低温性能的影响，按照规范(JTG E20—2011)要求分别对试验段和对比段沥青混合料进行小梁低温弯曲试验，试验结果如表7所示。

表7 小梁低温弯曲试验结果

从表7可知，试验段和对比段的两种沥青混合料抗弯拉强度无明显提高，最大弯拉应变均能满足MH/T 5011—2019民用机场沥青道面施工技术规范冬冷区和冬温区不小于2 500 με的要求，符合南方地区使用条件，试验段AC-20和SMA-13最大弯拉应变较对比段降低了1.9%和1.6%，说明掺加高模量剂对AC-20和SMA-13低温抗裂性能的影响很小，降幅仍在规范要求之内。

4.4 水稳定性能

根据规范(JTG E20—2011)分别对AC-20和SMA-13 沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，试验结果如图7所示。

由图7可知，试验段AC-20残留稳定度为93.8%，冻融劈裂强度比TSR为87.3%，试验段SMA-13残留稳定度为95.7%，TSR为89.6%，两种试验段混合料水稳定性较对比段提高了2%～4%，说明高模量剂混合料对水稳定性有一定的改善作用，但不及混合料高温稳定性改善明显，因为在高模量剂的作用下，沥青的黏度增大，增强了沥青抗水分子置换的能力，从而提高沥青与矿料的黏结力，进一步防止水对沥青与矿料界面的损害，从而改善混合料的水稳定性。

5 结语

本文通过对试验段与对比段两种高模量沥青混合料分别进行室内马歇尔试验、车辙试验、低温弯曲试验、水稳定性试验和现场取芯单轴贯入剪切试验，得出结论如下：

1)高模量剂的加入增强了沥青混合料的高温抗剪切性能，试验段AC-20与SMA-13混合料的动稳定度分别为12 353次/mm和9 693次/mm，较对比段混合料分别提高了20.9%和14.3%；试验段AC-20与SMA-13混合料的抗剪切强度分别为1.30 MPa和1.08 MPa，较对比段混合料分别提高了20.4%和15.4%。高模量剂加入混合料中通过吸收、嵌挤和纤维网约束作用，显著改善混合料的抗剪切变形能力，提升混合料的整体强度。

2)混合料添加高模量剂后，试验段AC-20和SMA-13马歇尔体积指标基本无变化，最大弯拉应变降幅不超过2%，水稳定性指标提高2%～4%，说明高模量剂对混合料低温性能有一定影响，但对水稳定性也有一定的改善作用。

3)室内试验与现场取芯检测结果表明使用高模量沥青混合料铺筑的试验段具有较强的高温抗剪切能力，综合使用效果良好，针对机场端滑行联络道道口、跑道掉头坪、快滑道口等这些易发生剪切破坏的区域，高模量沥青混合料具有一定的推广应用价值。