机场沥青道面混合料使用性能的演变规律分析

孙忠金、郝友诗、苗健

（民航机场规划设计研究总院有限公司东北分公司，辽宁沈阳 110041）

0 引言

得益于平整度高、抗滑性好、减震效果优异等使用性能和机械化程度高、养护快速便捷等施工特点[1-3]，沥青道面逐步广泛应用于我国机场的新建或改扩建工程中。然而，在高速、重载的飞机荷载和温湿度等环境因素的长期耦合作用下，沥青混合料的水稳定性、抗高温和抗剥落性能易发生衰减，造成道面产生裂缝、轮辙和坑槽等病害，不仅威胁飞行安全，而且严重影响道面使用寿命。因此，全面了解并掌握服役跑道沥青道面混合料使用性能的演变规律，对于机场作出科学的运维决策、提升道面服务水平具有极为重要的意义。

在公路领域，众多学者[4-5]已从性能评价、劣化规律分析等角度对沥青混合料路用性能开展了持续深入的研究，但由于机场严格的安全制度和封闭性特征，导致现场大面积检测受限，造成沥青道面混合料实测数据缺乏，以致当前鲜有机场沥青道面混合料使用性能方面的研究。王显祎等[6]，冯磊[7]，谭悦等[8]，分别从损坏成因分析、混合料性能评价、施工质量控制等方面对机场沥青道面混合料使用性能进行了研究，但由于沥青道面多年持续性的系统性检测数据极为匮乏，以上学者仅针对沥青道面混合料某一时间的各项性能指标进行分析，无法研究其使用性能的演变规律。

对此，本文以华东某机场跑道沥青道面为研究对象，在2015 年、2016 年和2017 年进行连续3 年的现场取样和室内试验，并依据实测结果，从水稳定性能、高温稳定性能和抗松散性能三个方面，系统分析了沥青道面混合料使用性能的演变规律。研究成果可为机场维护决策提供可靠依据，为后续研究提供数据支持。

1 试验方法

1.1 现场取样

选用HZ-20 型钻芯取样机获取沥青道面芯样，如图1 所示。根据《民用机场道面现场测试规程》（MH/T 5110—2015）的规定，采用随机抽样的原则，在不影响跑道道面正常运行的飞机轮迹带以外区域，进行道面全厚度钻芯取样，每年的取芯数量均满足相关试验要求。

图1 现场钻芯取样示意图

1.2 室内试验

根据《民用机场道面评价管理技术规范》（MH/T 5024—2019），分别采用冻融劈裂试验、肯塔堡飞散试验评价混合料水稳定性能、抗松散性能；依据陆嘉珉等的研究，采用劈裂试验作为混合料高温稳定性能评价方法[9]。

1.2.1 水稳定性能试验方法

采用冻融劈裂试验作为混合料水稳定性能测定方法。将测定试件的高度与直径后将试件随机分为两组，第一组试件在室温下保存；第二组试件在真空度97.3kPa 条件下真空保水15min 后恢复常压并于常温水中静置30min，接着放入塑料袋中，并在加入10mL 水后放进-18℃的恒温冰箱中冷冻16h，取出后立刻将试件放入60℃的恒温水槽中保温24h。完成上述步骤后，将两组试件在25℃的恒温水槽中养生2h后，采用SYD-0716 型劈裂试验仪以50mm/min 的加载速率进行劈裂试验，得到试验的最大荷载。通过计算试件水损害前后劈裂破坏的强度比TSR，评价沥青混合料的水稳定性

1.2.2 高温稳定性能试验方法

采用劈裂试验作为混合料高温稳定性能测定方法，通过SYD-0716 型劈裂试验仪，以50mm/min 的速率加载至试件劈裂破坏。将数据采集系统记录的数据绘制成荷载-变形曲线，选取曲线上的最大荷载，计算可得劈裂抗拉强度RT。

式（2）中：a为系数，取0.006287/0.00425（根据试件尺寸）；PT为试验荷载最大值；h为试验高度。

1.2.3 抗松散性能试验方法

采用肯塔堡飞散试验作为混合料抗松散性能测定方法。首先，将试件放入20℃的恒温水槽中养生20h；其次，取出后用毛巾擦去试件表面水，逐个称取试件质量并迅速将试件放入DM-Ⅱ型洛杉矶试验机中，盖紧盖子；再次，开启试验机，以30～33r/min 的速度旋转300 转；最后，取出试件及碎块，称取试件残留质量。通过测定试件旋转撞击规定的次数后，散落质量的百分率ΔS，评价飞机荷载作用下道面集料剥落散失的程度。

式（3）中：m0为试验前试件质量；m1为试验后试件质量。

2 数据分析

2.1 水稳定性能

沥青道面混合料连续3 年的冻融劈裂试验结果，如图2 所示。2015 年、2016 年、2017 年的冻融劈裂比TSR 分别为86.5%、82.1%、65.3%，呈明显的下降趋势，表明这3 年间沥青道面混合料水稳定性能逐年降低。

图2 冻融劈裂试验结果

混合料的TSR 在2015 年仍满足《民用机场沥青道面设计规范》（MH/T 5010—2017）的要求（≮85%），2015—2016 年TSR 下降比例为5.1%，2016 年TSR 略小于规范要求；而2016—2017 年TSR 下降比例上升至20.1%，大幅度超越2015—2016 年，以至2017 年TSR远远低于规范要求。分析这3 年的TSR 演变过程可以发现，该沥青道面服役10 年后，其水稳定性能在2016 年出现拐点，TSR 降至规范规定的阈值以下，水稳定性能不再满足使用要求，且性能衰减速度显著增大，这从沥青道面混合料自身性质角度解释了国内沥青道面普遍在服役10 年左右出现严重水损害的原因。

2.2 高温稳定性能

沥青道面混合料连续3 年的劈裂试验结果，如图3所示。2015 年、2016 年、2017 年的劈裂强度RT分别为0.89MPa、0.84MPa、0.75MPa，随服役时间的增加而不断减小，表明2015—2017 年间沥青道面混合料高温稳定性能不断衰减。

图3 劈裂试验结果

《民用机场沥青道面设计规范》（MH/T 5010—2017）未对沥青混合料劈裂强度进行明确规定，故该节紧扣本文研究目的，仅对沥青道面混合料高温稳定性能的演变过程进行分析。2015—2016 年混合料RT减少比例为5.6%，2016—2017 年RT减少比例为10.7%，2016—2017 年减少比例仍大于2015—2016 年，但相较于TSR 两者相差不大。这表明沥青道面服役10 年后，其高温稳定性能在2016 年虽出现了拐点，但并不明显，性能衰减趋势比较稳定。

2.3 抗松散性能

沥青道面混合料连续3 年的肯塔堡飞散试验结果，如图4 所示。2015 年、2016 年和2017 年的飞散损失率ΔS分别为6.2%、8.7%、15.0%，呈明显的增大趋势，表明该沥青道面混合料抗松散性能在本文研究时间范围内逐年衰减[10]。

图4 肯塔堡飞散试验结果

混合料的ΔS在2015 年满足《民用机场沥青道面设计规范》（MH/T 5010—2017）的要求（≯10%），2015—2016 年ΔS增大比例为40.3%，2016 年ΔS仍在规范规定范围内，但已接近阈值；而2016—2017 年ΔS增大比例剧增至72.4%，远大于2015—2016 年，2017 年ΔS高于规范限值。研究这3 年的ΔS演变过程可以发现，该沥青道面服役10 年后，其抗松散性能在2016 年出现明显拐点，ΔS虽仍满足规范要求但已逼近阈值，且性能衰减速度大幅度升高，这也从混合料自身性质角度解释了国内沥青道面往往在运行10 年左右出现大面积坑槽、粒料脱落现象的原因。

横向对比来看，混合料水稳定性能、高温稳定性能、抗松散性能均在2016 年出现拐点，各项性能均趋向于加速衰减。这表明在飞机荷载和环境因素持续作用下，沥青道面服役10 年后，在其设计年限后期，混合料使用性能总体为加速衰减的发展趋势。

3 结论

本文采用现场取样和室内试验的方法分析我国华东某机场沥青道面混合料2015—2017 年间的使用性能演变规律，得到以下几点主要结论：

第一，混合料水稳定性能逐年降低，具有显著的加速衰减特征，如2015—2016 年TSR 下降比例为5.1%，而2016—2017 年TSR 下降比例大幅度上升至20.1%。

第二，混合料高温稳定性能保持平稳的衰减趋势，衰减速度未出现明显差异。

第三，混合料抗松散性能逐年衰减，且趋向于持续大幅度劣化，如2015—2016 年ΔS增大比例为40.3%，而2016—2017 年ΔS增大比例剧增至72.4%。

第四，沥青道面服役10 年后，其水稳定性能、高温稳定性能、抗松散性能均出现了拐点，各项性能衰减速度均表现出增大的特征。说明在沥青道面设计年限后期，混合料使用性能总体为加速衰减的演变规律。