郝秀文
(中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司機(jī)場工程分公司,北京 102308)
半剛性基層在中國機(jī)場跑道瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)層中被廣泛應(yīng)用,具有整體強(qiáng)度高、擴(kuò)散應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但其同時存在易產(chǎn)生收縮應(yīng)變、滲水能力差等缺點(diǎn)。鑒于此,在機(jī)場跑道道面中通常設(shè)置下封層,其作用是及時將半剛性基層封閉,防止其產(chǎn)生收縮應(yīng)變;同時,下封層還可以防止水侵入半剛性基層。下封層設(shè)置在下面層和基層之間,其層間粘結(jié)性能對道面十分重要,若下封層層間粘結(jié)性能不足,飛機(jī)荷載易使瀝青道面產(chǎn)生擁包、層間推移等病害。
目前,中國機(jī)場跑道運(yùn)用較為廣泛的封層類型為瀝青砂封層和同步碎石封層[1]。在封層性能研究方面,公路系統(tǒng)科研人員開展的相關(guān)研究較多。周澤洪等[2]研究表明,同步碎石封層的瀝青種類和用量、碎石粒徑和撒布率等因素對層間粘結(jié)性能有較大影響。馬培建等[3]基于摩爾-庫倫理論開展了瀝青材料和集料粒徑對下封層抗剪強(qiáng)度影響的評價,結(jié)果表明,膠粉改性瀝青和粒徑為5~10 mm 的碎石是較好的下封層材料。劉麗等[4]通過室內(nèi)直接剪切試驗對影響同步碎石封層層間抗剪強(qiáng)度的因素進(jìn)行了分析,得出溫度和瀝青材料性質(zhì)是影響同步碎石封層層間抗剪強(qiáng)度的主要因素。郭寅川等[5]對試樣進(jìn)行直接剪切試驗,并運(yùn)用數(shù)據(jù)分析軟件分析下封層層間抗剪強(qiáng)度,結(jié)果表明,良好的層間處置能夠大幅提高路面疲勞性能,避免路面結(jié)構(gòu)性損壞。孫雅珍等[6]深入分析乳化瀝青的用量、粘度及固含量對瀝青砂封層層間抗剪強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明,當(dāng)機(jī)制砂粒徑為2.36~4.75 mm、撒布量為6.7 kg/m2、乳化瀝青固含量為70%、恩格拉粘度為14、撒布量為0.792 kg/m2時,乳化瀝青砂封層層間抗剪效果最佳。
綜上所述,現(xiàn)有研究主要集中在采用直接剪切試驗對公路路面下封層層間抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究,但對機(jī)場道面下封層粘結(jié)性能研究較少,且同時缺乏對不同類型下封層性能的對比研究。本研究采用ABAQUS 有限元軟件對A380-800 大型民航運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,以抗剪強(qiáng)度為指標(biāo),采用斜剪試驗分析瀝青用量、集料粒徑和撒布率對同步碎石封層層間粘結(jié)性能的影響,同時分析級配設(shè)計與瀝青用量對瀝青砂封層層間粘結(jié)性能的影響,并對兩種封層在同一溫度和瀝青類型下進(jìn)行層間粘結(jié)性能對比,以確定何種瀝青混凝土機(jī)場道面下封層性能更優(yōu)。
機(jī)場道面下封層在飛機(jī)荷載作用下,同時受到豎向力和水平力作用,而飛機(jī)進(jìn)行制動和轉(zhuǎn)向時豎向力和剪應(yīng)力將會增大。因此,為更好地模擬下封層的實際受力情況,在室內(nèi)試驗中采用斜剪試驗對下封層層間粘結(jié)性能進(jìn)行評價。通過斜剪試驗中的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),分析瀝青用量、集料粒徑和撒布率對同步碎石封層層間粘結(jié)性的影響;同時分析級配設(shè)計與瀝青用量對瀝青砂封層層間粘結(jié)性能的影響。最終,分析對比同步碎石封層和瀝青砂封層在同一溫度和瀝青類型下的層間粘結(jié)性能效果。斜面剪切儀作用原理如圖1所示。
圖1 斜面剪切儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of inclined plane shear meter
試驗儀器采用自制的剪切夾具與馬歇爾穩(wěn)定度儀。將剪切夾具裝入馬歇爾穩(wěn)定度儀,剪切角度設(shè)置為45°。試驗過程中由馬歇爾穩(wěn)定度儀施加正壓力,將其分解成大小相等且與水平面呈45°的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。在荷載F 作用下,層間剪切應(yīng)力為
式中:F 表示破壞荷載(kN);S 表示試件剪切面積(cm2),S=3.01 cm2;α 表示剪切角(°),α=45°。
試驗采用的瀝青為SBS I-D 改性瀝青和AH-70#基質(zhì)瀝青。其主要性能指標(biāo)如表1 和表2 所示。
表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)(常規(guī)性能指標(biāo))Tab.1 Technical indexes of asphalt(conventional performance indexes)
表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)(RTFOT 后殘留物)Tab.2 Technical specifications of asphalt(residues after RTFOT)
試驗集料均選用潔凈干燥的石灰?guī)r,礦粉由石灰?guī)r等堿性石料加工制得,集料技術(shù)指標(biāo)如表3 所示。
表3 集料技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Aggregate technical index
3.1.1 同步碎石封層
瀝青用量、集料粒徑和集料撒布率均對同步碎石封層層間粘結(jié)性能有重要影響[7],為探究三者對同步碎石封層層間粘結(jié)性能的影響,試驗相關(guān)參數(shù)為:瀝青用量分別為1.4、1.6、1.8 kg/m2,集料分別選取4.75、9.5、13.2 mm 的單一粒徑碎石,集料用量分別采用60%、70%和80%的碎石撒布率。
3.1.2 瀝青砂封層
根據(jù)AC-5 的級配[1]范圍確定了4 種瀝青砂封層級配類型,級配設(shè)計如表4 所示,對應(yīng)的級配如圖2所示。設(shè)計目標(biāo)空隙率為4%,確定相應(yīng)的油石比為7.55%、7.45%、7.50%和7.45%。
表4 瀝青砂混合料級配Tab.4 Gradation of asphalt sand mixture
圖2 AC-5 瀝青砂封層級配Fig.2 Configuration of AC-5 asphalt sand sealing layer
由圖2 可知,設(shè)計的4 種合成級配分布合理,均處于級配推薦范圍內(nèi),級配曲線平順圓滑且關(guān)鍵篩孔2.36 mm 處有較好的區(qū)分度,有利于開展下封層級配設(shè)計研究。
試件為采用“5 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層+下封層+5 cm ATB25 面層”的車轍板試件成型后豎向鉆芯獲取,其中基層與下面層材料的級配設(shè)計如表5 所示,水泥穩(wěn)定碎石基層板的水泥劑含量為6%,最佳含水量為5.2%;ATB-25 瀝青混合料面層采用SBS 改性瀝青,油石比為3.6%;下封層類型為同步碎石封層及瀝青砂封層。
表5 基層及下面層材料級配設(shè)計Tab.5 Gradation design of base and subsurface materials
試件制備步驟:采用振動法在300 mm×300 mm×50 mm 標(biāo)準(zhǔn)車轍板試模中成型基層試件板,成型后噴灑透油層,透油層撒布量為1.0 kg/m2,待透油層稍干后,將基層板放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d;在300 mm×300 mm ×100 mm 雙層車轍板試模中繼續(xù)鋪設(shè)同步碎石封層或瀝青砂封層,鋪設(shè)后用拍板壓平表面,放入鋼板壓實;最后加鋪ATB-25 瀝青混合料面層成型雙層車轍板試件。最后在每塊雙層車轍板試件上鉆取4 個芯樣用于試驗,所得試件直徑為9.8 cm,高度為10 cm,制得同步碎石封層和瀝青砂封層復(fù)合試件如圖3 所示。
圖3 封層復(fù)合試件Fig.3 Sealing layer composite specimen
所有試件均在基層和下面層結(jié)合處出現(xiàn)剪切破壞,剪切破壞面大部分位于下封層內(nèi)部,說明試件抗剪切破壞薄弱處為下封層內(nèi)部,因此需確定下封層最佳材料類型及摻量,以增強(qiáng)下封層對基層和下面層的層間粘結(jié)性能。
4.1.1 同步碎石封層粘結(jié)性能影響研究
采用前述不同瀝青用量、集料粒徑、集料撒布率的同步碎石封層材料制備試件并進(jìn)行斜剪試驗,共設(shè)計27 組試驗,試驗溫度選取60 ℃,瀝青選用SBS 改性瀝青,試驗結(jié)果如表6 所示。
由表6 可知,第11 組試驗(瀝青用量1.6 kg/m2、粒徑4.75mm、集料撒布率70%)所得抗剪強(qiáng)度為24.53kPa,此時同步碎石封層抗剪強(qiáng)度最大,因而該組試驗下同步碎石封層粘結(jié)性能最優(yōu)。
表6 同步碎石封層斜剪試驗結(jié)果Tab.6 Results of oblique shear test of synchronous gravel sealing layer
不同瀝青用量對抗剪強(qiáng)度的影響如圖4 所示。
從圖4 可知,同步碎石封層的抗剪強(qiáng)度隨集料粒徑的增加而降低。此外,隨著瀝青用量的增加,在不同集料粒徑和撒布率情況下,同步碎石封層的抗剪強(qiáng)度基本呈先上升后下降的趨勢;同時,當(dāng)瀝青用量為1.6 kg/m2時,同步碎石封層抗剪強(qiáng)度基本為最大,這是由于試驗誤差導(dǎo)致當(dāng)集料粒徑為9.5 mm,撒布率為70%時,同步碎石封層抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常??傊?,適當(dāng)增加瀝青用量可以改善撒布集料表面瀝青裹覆程度,也有利于基層與下面層混合料的粘結(jié),從而提高同步碎石封層抗剪強(qiáng)度;當(dāng)瀝青用量超過一定程度時,過多的瀝青反而在層間引起潤滑效應(yīng),造成同步碎石封層抗剪強(qiáng)度下降。因而,在同步碎石封層應(yīng)用時應(yīng)選擇適宜的瀝青用量。
圖4 不同瀝青用量對抗剪強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of different asphalt content on shear strength
不同集料粒徑對抗剪強(qiáng)度的影響如圖5 所示。
圖5 不同集料粒徑對抗剪強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of different aggregate particle size on shear strength
從圖5 可知,隨著集料粒徑的增大,同步碎石封層抗剪強(qiáng)度明顯降低。在4.75~9.50 mm 粒徑間,同步碎石封層抗剪強(qiáng)度下降幅度較小,但在9.50~13.20 mm粒徑間,同步碎石封層抗剪強(qiáng)度下降幅度進(jìn)一步擴(kuò)大。這是由于過大粒徑集料不利于瀝青在其表面爬升,導(dǎo)致大粒徑集料的裹覆程度較低,進(jìn)而影響下封層中集料與下面層混合料的粘結(jié)性效果,從而降低下封層的抗剪強(qiáng)度[8]。因而同步碎石封層宜在滿足施工機(jī)械行駛條件下盡可能使用相對較小的集料。
不同撒布率對抗剪強(qiáng)度的影響如圖6 所示。2
圖6 不同撒布率對抗剪強(qiáng)度的影響Fig.6 Influence of different dispersion rate on shear strength
從圖6 可知,同步碎石封層最佳撒布率受所用集料粒徑和瀝青用量的共同影響。對于4.75 mm 集料,當(dāng)瀝青用量為1.4、1.6、1.8 kg/m2時,撒布率為70%時抗剪強(qiáng)度最大,因此最佳撒布率為70%;同理,對于9.50 mm 集料,當(dāng)瀝青用量為1.4、1.6 kg/m2時最佳撒布率為60%,瀝青用量為1.8 kg/m2時最佳撒布率為70%;對于13.20 mm 集料,瀝青用量為1.4、1.6、1.8 kg/m2時最佳撒布率為60%。同一粒徑集料同步碎石封層在一定瀝青用量下存在最佳撒布率是由于同步碎石封層的碎石間相互隔離,這有利于瀝青混合料面層通過碾壓填充碎石間隙,使同步碎石封層與瀝青混合料面層連接成整體,增大封層層間粘結(jié)性。當(dāng)同步碎石封層撒布率過小時,碎石間隙過大,同步碎石封層與面層的摩阻力降低;當(dāng)撒布率過大時,瀝青混合料面層不能對碎石間隙進(jìn)行有效填充,不利提高層間粘結(jié)性能[9]。
4.1.2 瀝青砂封層粘結(jié)性能影響研究
1)級配類型
級配類型選取前期確定的3 種級配(表4 中合成級配1~3),并利用貝雷法中的CA、FAc和FAf3 個指標(biāo)對其進(jìn)行分析。其中CA 值為粗集料比,用以評價礦料中粗集料含量和分析空隙特征;FAc用來反映細(xì)集料中粗料部分與細(xì)料部分的嵌擠填充情況;FAf用以評價合成集料中最細(xì)一級的嵌擠情況[10],試驗中瀝青類型為SBS 改性瀝青,試驗溫度選取60 ℃。3 種級配下CA、FAc、FAf等指標(biāo)及抗剪強(qiáng)度如表7 所示。
表7 瀝青砂封層3 種級配設(shè)計技術(shù)指標(biāo)Tab.7 Design specifications of three gradation of asphalt sand sealing layer
從表7 可知,采用合成級配2 時,瀝青封砂層抗剪強(qiáng)度最大,由此可得出以下結(jié)論。
(a)增大CA 值減小FAc值能夠提高瀝青砂封層層間粘結(jié)性能。合成級配2 中的CA 為0.93,CA 值較大說明粗集料中較細(xì)的部分較多,該部分對集料的干涉作用較為明顯,使得粗集料毛體積密度變小,礦料間隙率增大,空隙率增大[11]。與其他級配類型相比,合成級配2 的FAc值最小,說明細(xì)集料的粗料率偏高,集料間隙率較大;合成級配2 中FAf值為中間值,說明第二層級(最細(xì)一級)的細(xì)集料中集料粗細(xì)程度較為均衡。較大的CA 和較小的FAc值有利用瀝青對各礦料進(jìn)行填充,防止部分集料表面未被瀝青膠漿裹覆造成層間粘結(jié)性能下降,從而提高層間粘結(jié)強(qiáng)度。
(b)隨著瀝青膜厚度的增大,瀝青砂封層層間粘結(jié)性能下降。瀝青膜厚度增大,瀝青砂混合料中自由瀝青增多,對合成集料起到了潤滑作用,使得礦料之間的內(nèi)摩擦力減小,合成集料顆粒更易在力的作用下發(fā)生滑動,致使下封層出現(xiàn)破壞。
(c)合理的粉膠比(礦料混合料中小于0.075 mm的粉料與有效瀝青用量的比值)將有利于提高層間抗剪強(qiáng)度。粉膠比直接影響自由瀝青和結(jié)構(gòu)瀝青的含量,較小的粉膠比意味著較多的自由瀝青,這將降低瀝青的粘結(jié)力和強(qiáng)度,從而減小瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)粉膠比超過一定值時,礦粉數(shù)量相對瀝青用量過剩,礦粉不能被瀝青全部裹覆,未被裹覆的礦粉將隔開瀝青粒子間的粘結(jié),使瀝青的粘聚力降低,從而降低瀝青膠漿的粘附性,并使層間粘結(jié)性能降低。
2)瀝青用量
按照表4 中合成級配2 選取的礦料進(jìn)行試驗,油石比以7.45%為最佳值,上下浮動0.5%,試驗溫度選取60 ℃,試驗結(jié)果如圖7 所示。
圖7 抗剪強(qiáng)度與油石比的關(guān)系Fig.7 Relationship between shear strength and asphalt-stone ratio
由圖7 可知,瀝青砂封層在最佳油石比(瀝青/碎石比率)條件下層間粘結(jié)性能最好,層間抗剪強(qiáng)度最高為27.42 kPa。油石比為6.95%時其抗剪強(qiáng)度僅為最佳油石比時的65.13%;油石比為7.95%時其抗剪強(qiáng)度為最佳油石比時的78.15%。
同步碎石封層采用1.8 g/m2的瀝青用量,集料為4.75 mm 單一粒徑碎石,碎石撒布率為70%;瀝青砂封層采用表4 中合成級配4 的AC-5 瀝青混合料。試驗瀝青均分別選用70#基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青。兩種下封層材料均屬瀝青基材料,對溫度較敏感,為探究下封層材料在不同環(huán)境溫度條件下是否仍能保持良好的粘結(jié)性能,選取在25、45、60 ℃3 個不同溫度下進(jìn)行斜剪試驗,試驗結(jié)果如表8 所示。
表8 不同溫度下的下封層抗剪強(qiáng)度Tab.8 Shear strength of lower sealing layer at different temperatures
對同步碎石封層與瀝青砂封層進(jìn)行層間抗剪強(qiáng)度對比,匯總結(jié)果如圖8 所示。
圖8 封層抗剪強(qiáng)度對比Fig.8 Comparison of shear strength of sealing layer
從圖8 可知,在相同瀝青類型和溫度條件下,瀝青砂封層的抗剪強(qiáng)度優(yōu)于同步碎石封層。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因:同步碎石封層集料為單一粒徑碎石,碎石在瀝青表面張力的作用下瞬間結(jié)合,單一粒徑碎石之間無其他粒徑集料進(jìn)行填充,集料易在剪切力的作用下發(fā)生滾動造成剪切破壞。瀝青砂封層選用的AC-5瀝青混合料為密集配瀝青混合料,各粒徑集料相互填充形成骨架密實結(jié)構(gòu),集料之間的相互嵌擠產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力增大了層間抗剪強(qiáng)度。
瀝青砂封層和同步碎石封層層間粘結(jié)性能受溫度影響較大。兩種下封層抗剪強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低,在溫度升高初期下降幅度較大,后期下降幅度有所降低。其主要原因是隨著溫度的升高,瀝青的粘度逐漸降低,且其早期粘度衰減較快,對集料的粘附性降低,從而使封層粘結(jié)性能降低。層間抗剪強(qiáng)度隨溫度變化趨勢恰恰反映了實際工程中下封層破壞一般發(fā)生在炎熱高溫的夏季。
采用SBS 改性瀝青的瀝青砂封層和同步碎石封層均表現(xiàn)出較高的層間粘結(jié)性,但隨著溫度的升高,SBS 改性瀝青與70#基質(zhì)瀝青的抗剪強(qiáng)度差距呈收窄趨勢。選用SBS 改性瀝青的同步碎石封層在25、45、60 ℃下的抗剪強(qiáng)度分別比選用70#基質(zhì)瀝青的同步碎石分別高21.49%、11.65%和9.73%。選用SBS 改性瀝青的瀝青砂封層的抗剪強(qiáng)度在25、45 和60 ℃下分別比選用70# 基質(zhì)瀝青的瀝青砂封層高20.86%、17.72%和14.05%。其主要原因是SBS 改性瀝青的抗流變性能較好,高溫作用下SBS 改性瀝青具有較好的粘附性,說明選用耐高溫性好、粘結(jié)性強(qiáng)的瀝青類型對層間粘結(jié)性能有明顯提高。
某工程建設(shè)機(jī)場等級為4F,可供A380-800、B747-8等大型民航運(yùn)輸機(jī)使用,選定A380-800 為本次有限元模擬評價機(jī)型。由A380-800 飛機(jī)質(zhì)量為5.71×106kg,可計算出飛機(jī)所受重力大小為5 595.8 kN,主起落架荷載分配系數(shù)為56.59%,主起落架個數(shù)為2,單個主起落架輪子數(shù)為6,胎壓大小約等于1.5 MPa。
該工程的道面結(jié)構(gòu)型式如圖9 所示(單位:cm)。
圖9 道面結(jié)構(gòu)型式圖Fig.9 Road surface structure type drawing
根據(jù)該工程實際,本次有限元模型結(jié)構(gòu)與道面結(jié)構(gòu)層一致,選取5 m×5 m 面積大小的面板,道面結(jié)構(gòu)從上至下依次為:5 cm SMA-13 瀝青瑪蹄脂、6 cm AC-20(SBS)瀝青混凝土、8 cm AC-25 瀝青混凝土、1.5 cm 同步瀝青碎石、20 cm 水泥穩(wěn)定碎石(7 d 抗壓強(qiáng)度≥4.0 MPa)、30 cm 水穩(wěn)珊瑚砂(7 d 抗壓強(qiáng)度≥2.5 MPa)和土工布。土基厚度設(shè)置為4 m,大小為1.5 MPa 的圓形均布荷載作用于板中位置,如圖10 所示,根據(jù)后續(xù)計算結(jié)果可知荷載影響深度不足4 m,土基厚度有效。
圖10 數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)層模型Fig.10 Numerical simulation of structural layer model
下封層設(shè)置于水泥穩(wěn)定碎石與AC-25 瀝青混凝土之間,即距離底部4.5 m 位置處,故截取該位置處截面并查看其截面剪應(yīng)力大小。采用ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,由視圖切面管理器工具得到結(jié)果,如圖11 所示。
圖11 數(shù)值模擬封層位置切面結(jié)果圖Fig.11 Section results of numerical simulation of sealing position
由圖11 可知,該截面處最大剪應(yīng)力為44.39 kPa。對比試驗?zāi)P蛿?shù)據(jù),在試驗溫度為25 ℃條件下,SBS改性瀝青的瀝青砂封層和同步碎石封層均能滿足抗剪強(qiáng)度的要求,當(dāng)對抗剪強(qiáng)度要求較高時,應(yīng)選用瀝青砂封層。
本文利用斜剪試驗和ABAQUS 有限元數(shù)值模擬分析軟件,對機(jī)場瀝青混凝土道面同步碎石封層和瀝青砂封層在不同條件下的粘結(jié)性能進(jìn)行了分析,總結(jié)如下。
(1)分析瀝青用量、集料粒徑和撒布率對同步碎石封層層間粘結(jié)性能的影響,得出層間粘結(jié)性能隨集料粒徑的增加而降低;同步碎石封層層間粘結(jié)性能隨瀝青用量和集料撒布率變化存在峰值,應(yīng)選擇適中的瀝青用量和集料撒布率。
(2)分析級配設(shè)計和瀝青用量對瀝青砂封層層間粘結(jié)性能的影響,得出AC-5 瀝青砂封層進(jìn)行級配設(shè)計時可通過增大CA 值,同時減小FAc值提高層間粘結(jié)性能;選擇合理的粉膠比和瀝青用量對提高瀝青砂封層層間粘結(jié)性能有益。
(3)通過對瀝青砂封層和同步碎石封層在相同條件下的抗剪強(qiáng)度比較,得出瀝青砂封層的層間粘結(jié)性能要好于同步碎石封層。對層間粘結(jié)性能要求較高的機(jī)場跑道選擇瀝青砂封層更好。
(4)對不同溫度梯度下的試件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試,試驗表明:兩種封層層間粘結(jié)性能均隨溫度的提高而減??;同時選用SBS 改性瀝青的兩種封層均表現(xiàn)出較高的層間粘結(jié)性能。故在機(jī)場跑道設(shè)置下封層時應(yīng)考慮機(jī)場所處的氣候分區(qū),確定下封層最不利溫度,并選擇粘結(jié)性強(qiáng)和耐高溫性能較好的瀝青類型。
(5)以A380-800 大型民航運(yùn)輸機(jī)為評價機(jī)型,采用ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。對比試驗?zāi)P徒Y(jié)果,瀝青砂封層和同步碎石封層均能滿足抗剪強(qiáng)度的要求。當(dāng)對抗剪強(qiáng)度要求較高時,瀝青砂封層性能較好。