高性能沥青混凝土机场道面结构

钱振东 孟凡奇 曾 靖

(东南大学智能运输系统研究中心,南京 210096)



高性能沥青混凝土机场道面结构

钱振东 孟凡奇 曾 靖

(东南大学智能运输系统研究中心,南京 210096)

为增强机场沥青道面的抗轮辙性能,提出了一种基于新型环氧沥青混凝土的高性能机场道面结构.将新型环氧沥青混凝土EAC20作为机场道面的中面层,SMA13型沥青混凝土作为上面层,AC20型沥青混凝土作为下面层,由此构成SEA机场道面结构.分析了新一代大型客机A380荷载作用下SEA机场道面结构的力学响应,针对机场道面各层沥青混凝土进行永久变形试验,并采用多元线性回归得到各层材料的蠕变参数,以模拟SEA机场道面结构的永久变形.研究结果表明,将新型环氧沥青混凝土作为中面层应用于机场道面,可以减小机场道面结构的应变,沥青面层底部最大拉应变和最大压应变分别约为传统机场沥青道面结构的68%和72%.在1×105次荷载作用下,SEA机场道面结构的永久变形仅为6 mm,约为传统SAA机场沥青道面结构的42.9%.

机场道面;环氧沥青混凝土;配合比设计;力学响应;永久变形

机场道面是最主要的机场基础设施之一,世界各国的机场道面结构主要可分为水泥混凝土道面和沥青混凝土道面2种类型.相对于水泥混凝土道面,沥青混凝土道面具有平整、舒适、抗滑、减震等优点,并且其机械化施工程度高,养护方便,故已被应用于国际上很多大型民用机场中[1-2].中国机场道面主要采用水泥混凝土道面结构,使用沥青混凝土道面结构的机场数量仅占机场总数的10%左右[3].传统机场道面沥青面层多采用一定级配的沥青混凝土.在夏季持续高温和飞机荷载的作用下,沥青混凝土机场道面容易产生轮辙等病害.

环氧沥青混凝土由环氧沥青结合料和集料拌和而成,具有良好的耐腐蚀性、高温稳定性、水稳定性和抗疲劳特性[4].美国最早将环氧沥青混凝土应用于机场道面,之后逐渐将其应用于钢桥桥面铺装中.国内将环氧沥青混凝土应用于机场道面结构的相关研究鲜有报道.新型环氧沥青为液态双环氧树脂、固化剂与基质沥青在一定条件下经复杂化学反应而生成的聚合物,其主要性能指标和经济成本有别于钢桥面用环氧沥青,适用于道路及水泥混凝土桥面铺装工程.本文使用新型环氧沥青混凝土替换传统机场道面中面层的普通沥青混凝土,以增强传统机场沥青道面结构的高温抗轮辙能力,研究在新一代大型飞机荷载作用下机场道面的力学响应以及永久变形发展规律.

1 SEA机场道面结构

1.1 机场道面结构拟定

将SMA13型沥青混凝土作为机场道面的上面层,可保证机场道面具有良好的耐磨性和易修复性.传统机场建设工程中,一般采用AC20型沥青混凝土作为机场道面的中面层和下面层,从而构成SAA机场道面结构.机场使用状况调研结果[5]显示,轮辙是当前急需解决的沥青道面病害.研究表明,车辙主要发生在路面结构的中面层,中面层材料对沥青路面抗车辙能力有较大影响,其变形占车辙总量的42%～60%[6-10].环氧沥青材料具有抗车辙、耐疲劳和抗水损等优点,故而考虑将新型环氧沥青混凝土EAC20作为机场道面的中面层,取代传统SAA机场道面结构中的AC20型沥青混凝土,以增强道面的抗轮辙性能,由此便可构成SEA机场道面结构(见图1).

图1 SEA机场道面结构(单位:cm)

1.2 沥青混凝土级配设计

将适用于道路的5210型国产环氧沥青作为沥青结合料.5210型国产环氧沥青结合料由A，B组分按照质量比1∶2.8配合而成,其主要技术性能指标和经济成本有别于钢桥面用环氧沥青(见表1).集料选用石灰岩,矿粉选用石灰石矿粉.集料和矿粉的各项试验指标均满足《民用机场沥青混凝土道面施工技术规范》(MH5011—1999)[11]的要求.

表1 道路用环氧沥青结合料技术指标

根据已有道路工程经验[12],环氧沥青混合料EAC20级配组成如表2所示.根据《民用机场沥青混凝土道面施工技术规范》(MH5011—1999)中的机场沥青混合料配合比设计方法,确定SMA13,AC20C,AC20F型沥青混合料的级配组成(见表2).然后,按照马歇尔试验方法,确定EAC20,SMA13,AC20C,AC20F型沥青混合料的最佳油石比分别为5.4%,6.3%,4.3%,4.4%.

表2 EAC20,SMA13,AC20C,AC20F的级配 %

2 数值计算模型

为构建机场道面结构受力分析的数值计算模型,选用大型客机A380为计算飞机机型,飞机最大起飞质量为5 488 kN,主起落架荷载分配系数为0.95,主起落架单轮荷载为260.95 kN,飞机轮胎胎压为1.50 MPa,轮印简化为矩形荷载图式[13],轮印面积为0.177 m2,方形轮印长度为50.3 cm,方形轮印宽度为34.6 cm,有限元模型尺寸为30 m×20 m×10 m.其荷载简化图见图2,图中,X表示垂直飞机滑行方向,Z表示飞机滑行方向.假设机场道面结构各层材料均为均匀、连续、各向同性的线弹性材料,层间接触为完全接触,接触面上各向位移和应力完全连续.SEA机场道面各结构层厚度以及材料的物理力学参数见表3[14-15].传统SAA机场道面的中面层抗压回弹模量为752 MPa,泊松比为0.3,厚度为6.5 cm,密度为2 400 kg/m3,其余各层材料参数均与SEA机场道面相同.

图2 A380荷载简化图 (单位:cm)

层位材料类型抗压回弹模量/MPa泊松比厚度/cm密度/(kg·m-3)上面层SMA136200．35．02400中面层EAC2012500．36．52400下面层AC20F7170．36．52400上基层ATB2510000．310．02300中基层CTB15000．220．02200底基层CTB15000．220．02200土基SG400．41800

3 力学响应分析

采用第2节所建立的数值计算模型,计算在大型客机A380静态荷载作用下,SEA机场道面结构的力学响应,并与传统SAA机场道面结构进行对比分析.2种机场道面结构的表面弯沉、面层底部水平应变以及底基层底部水平应变如图3所示.

(a) 机场道面表面弯沉

(b) 面层底部横向应变

(c) 面层底部纵向应变

(d) 底基层底部横向应变

(e) 底基层底部纵向应变

由图3可知,2种道面结构在A380静态荷载作用下,SEA和SAA机场道面结构表面弯沉值的变化规律基本一致,弯沉值相差不大.但2种道面结构的面层底部应变有较大差异,SEA机场道面结构面层底部的最大拉应变和最大压应变分别约为SAA机场道面结构的68%和72%.对于机场道面底基层底部水平应变,2种道面结构变化趋势一致,应变相差不大.这说明SEA机场道面结构能够减小机场道面结构面层底部的水平应变,其表面弯沉值以及底基层底部水平应变则变化不大,将环氧沥青混凝土作为中面层应用于机场道面可改善结构层的受力.

4 永久变形

在SEA机场道面沥青混合料三轴重复加载永久变形试验的基础上,采用多元线性回归获得机场道面各层沥青混合料的蠕变参数,建立SEA机场道面有限元模型,数值模拟在客机A380荷载作用下机场道面永久变形的发展规律.

4.1 蠕变模型

在ABAQUS有限元软件中,常采用时间硬化蠕变模型和应变硬化蠕变模型来描述各向同性材料的蠕变特性.研究表明,时间硬化蠕变模型适于描述沥青混合料初始阶段和第2阶段的蠕变行为,可以较好地模拟沥青混合料在荷载作用下的蠕变特性[16-17].因此,本文采用时间硬化蠕变模型,其表达式为

εcr=C1qC2tC3

(1)

式中,q为应力;t为时间;C1,C2,C3为依赖于温度的模型参数.

若假定q不随时间变化,则

(2)

令A=C1C3,n=C2,m=C3-1为反映材料性质的蠕变参数,则

(3)

4.2 三轴重复加载永久变形试验

采用Superpave旋转压实仪制备直径为150 mm、高度不低于165 mm的圆柱体试件,并钻心取样成直径为100 mm、高度为150 mm的圆柱体芯样.采用简单性能试验仪(SPT)对芯样进行三轴重复加载永久变形试验,试验温度为30 ℃.考虑到客机A380的胎压可达到1.5 MPa,故确定围压水平为207 kPa,初始接触压力为50 kPa,偏应力水平p=1.3,1.4,1.5 MPa.试验采用正弦曲线进行加载,加载时间为0.1 s,间歇时间为0.9 s.试验结果见图4.然后,采用DataFit处理软件对结果进行非线性回归处理,得到沥青混合料蠕变参数，结果见表4.

(b) EAC20

(c) AC20F

(d) AC20C

沥青混合料类型A/10-9nmSMA1344．600．707-0．346EAC200．01841．202-0．683AC20F5．110．865-0．445AC20C3．570．863-0．426

4.3 数值仿真

采用第2节建立的三维有限元计算模型和材料参数以及4.2节中沥青混合料的蠕变参数,对SEA机场道面结构永久变形进行数值模拟.在模型中施加持续恒定荷载,以模拟荷载的重复作用[18].假设飞机滑行速度为100 km/h,单点一次加载作用时间为0.018 10 s.为反映机场道面变形与荷载作用次数的关系,假定荷载累计作用次数为1×105次,结果见图5.

图5 永久变形-时间关系曲线

由图10可知,随荷载作用时间的增加,道面结构的永久变形逐渐增大,经过1×105次荷载作用后,SAA结构永久变形达到14 mm,SEA机场道面结构的永久变形仅为6 mm,约为AC结构的42.9%.此外,经过1×105次荷载作用后,SAA结构永久变形上升趋势明显,而SEA机场道面结构上升趋势相对平缓.由此说明,将环氧沥青混凝土作为中面层应用于机场道面,可以有效提高机场沥青道面的抗轮辙能力.

5 结论

1) 提出了一种基于新型环氧沥青混凝土的高性能SEA机场道面结构型式,其中上面层为SMA13型沥青混合料,中面层为EAC20型环氧沥青混凝土,下面层AC20型为沥青混合料.

2) 相对于传统SAA机场道面结构,SEA机场道面能够减小面层底部的水平应变.SEA机场道面结构面层底部的最大拉应变和最大压应变分别约为SAA机场道面结构的68%和72%.

3) 通过沥青混合料三轴重复加载永久变形试验,得到SEA机场道面各层沥青混合料的蠕变参数.

4) SEA机场道面结构具有良好的抗车辙能力.在1×105次荷载作用下,SEA机场道面结构永久变形仅为6 mm,约为传统SAA机场道面结构的42.9%.

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Airfield pavement with high performance asphalt concrete

Qian Zhendong Meng Fanqi Zeng Jing

(Intelligent Transportation System Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To improve the anti-rutting performance of airfield pavement, a high performance airfield pavement based on a new type of epoxy asphalt concrete was proposed. With the new type of epoxy asphalt concrete EAC20 as the middle surface course, SMA13 asphalt concrete as the first surface course, and AC20 asphalt concrete as the base surface course, the SEA airfield pavement was built up. The mechanical responses of the SEA airfield pavement under the static loads of the aircraft A380 were analyzed. The permanent deformation tests of the asphalt concrete in different airfield pavement layers were carried out. The creep parameters of the asphalt concrete in each layer were obtained by using the multiple linear regression method to simulate the permanent deformation of the SEA airfield pavement. The results demonstrate that taking the new type of epoxy asphalt concrete as the middle surface course can reduce the strain of the airfield pavement. The maximum tensile strain and the maximum compressive strain on the bottom of the asphalt surface course are respectively about 68% and 72% those of the traditional airfield pavement. Under 1×105loads, the permanent deformation of the SEA airfield pavement is only 6 mm, which is about 42.9% that of the traditional SAA airfield pavement.

airfield pavement; epoxy asphalt concrete; mix design; mechanical response; permanent deformation

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.028

2014-12-10. 作者简介: 钱振东(1969—)，女，博士，教授，博士生导师，qianzd@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51178114，51378122).

钱振东,孟凡奇,曾靖.高性能沥青混凝土机场道面结构[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(3):575-580.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.028

U416.217

A

1001-0505(2015)03-0575-06