APP下载

基于不停航施工要求的机场道面环氧沥青混合料性能分析*

2021-10-28寸江峰王淑红

合成材料老化与应用 2021年5期
关键词:道面环氧环氧树脂

寸江峰,王淑红

(陕西交通职业技术学院建筑与测绘工程学院,陕西西安 710018)

机场道面作为飞机起飞滑行和降落滑跑的载体,其性能优劣直接影响着飞机运行安全及乘坐体验,而目前,机场道面铺装材料多以水泥混凝土和沥青混凝土为主,而沥青混凝土无拼缝、平整度高,且易于施工,有效弥补了水泥混凝土的不足,是国内外机场道面新建及养护中的主流发展趋势,且在应用过程中随着普通沥青向改性沥青的发展,机场道面的结构和使用性能进一步提升。而环氧沥青混合料作为一种改性沥青,其以环氧材料与固化剂为改性材料进行固化反应,可形成交联结构,使得改性沥青的强度、抗疲劳及耐蚀性更优,被逐渐应用于机场道面的铺装和养护之中。

目前,随着航空运量及飞机体量的快速增长,机场道面承载负荷更大,且复杂、多变的飞行及气候条件下,对于修补材料提出了更高的要求;而且,机场道面具备“一场一地”的特性,要在不停航的要求下,保质保量的完成修补工作至关重要。但因为环氧树脂与沥青分属极性、非极性物质,需增加相容剂促使两者产生胶凝作用,并进行固化反应以达到既定路用强度要求。而研究表明,沥青路面强度受沥青与矿料粘聚力及矿料之间的内摩阻力影响,但在不停航条件下,固化反应过快或过慢,均会影响加长道面的初始强度与稳定性;且从环氧沥青混合料的级配结构看,集料之间的嵌挤性能影响内摩阻力,对于初始及最终路用性能均有影响。故而,本文从固化反应速度、级配的视角,分析不停航要求下环氧沥青混合料的性能,以寻求最优设计方案,促进其在机场道面中的优化应用。

1 实验原料与参数

实验选用岳阳巴陵石化生产的E-51环氧树脂、90#基质沥青、固化剂制备环氧沥青。因环氧树脂与沥青相容性较差,为此,实验将极性较低的基团引入分子主链,弱化环氧树脂的极性[1],并增添自制固化剂在60℃下将其与改性环氧树脂充分搅拌,而后,再与加热至120℃的基质沥青搅拌5min即可得环氧沥青[2]。同时,参照《民用机场沥青道面设计规范(MH/T 5010-2007)》[3]机场道面环氧沥青混合料所用集料的指标要求,实验选用的粗集料、细集料均为玄武岩,颗粒级配、干净整洁、无风化杂质,且强硬度、热稳定性较优,矿料选自茅迪集团有限公司经过筛料机筛选后的矿粉,且因矿粉与环氧沥青的胶浆对环氧沥青混合料的固化反应有关键影响,故而,其力学性能配设见表1。

表1 矿粉的力学性能参数Table 1 Mechanical property parameters of mineral powder

同时,不停航要求下为在短期达到环氧沥青混合料的快速投用,其初始强度应该较高,而设计密度可表征混合料中骨架嵌挤程度,是影响混合料初始强度的关键要素,故而,本文选用贝雷法级配设计,根据如下步骤获取80%、85%、90%、95%、100%、105%不同设计密度条件下混合料的级配曲线:

步骤1:因剩余孔隙率可表征粗集料骨架嵌挤结构,为此,需通过测定不同粒径颗粒不同掺配比条件下的剩余孔隙率,以确定各档粗细集料的最佳掺配比;

步骤2:确定粗细集料内部各档集料的掺配比例后,在最佳掺配比下测定粗细集料的密度参数;

步骤3:根据环氧沥青混合料的体积关系,也即粗集料自然堆积状态下的体积与细集料干捣实状态填充的体积之和,可得特定设计密度下粗集料拟达到的体积,计算公式为[4]:

式(1)中,ρ1、ρ2、ρ3分别为细集料干捣密度、粗集料堆积体积密度及设计密度,Ppcs为该公称最大粒径下筛孔的通过率,P0.075为筛孔为0.075的通过率。结合上式,即可得出不同设计密度下PCS筛孔(粗细集料分解筛孔)的通过率,而后在可结合粗细集料各自的掺配比例,即可得级配曲线。EA -13级配中,13.2~16、9.5~13.2、4.75~9.5、2.36~4.75、1.18~2.36、0.6~1.18、0.3~0.6、0.15~0.3及0.075~0.159(mm)中各筛孔中,最趋近于NMPS 的0.22倍的筛孔为2.36mm,此时,通过控制关键筛孔的通过率,及计算其他筛孔通过率,即可获得不同设计密度下各筛孔尺寸的通过率,也即级配曲线,如图1所示。且通过环氧沥青混合料的粗集料骨架间隙率VCAmix与松装状态下粗集料骨架间隙率VCADLC的大小对比,95%、100%、105%设计密度下VCAmix

图1 不同设计密度的级配曲线Fig. 1 Grading curves of different design densities

此外,环氧树脂、固化剂与沥青的初始固化反应过快,则无法在短时间内完成混合料的搅拌、铺碾,过慢则影响不停航要求下的快速投用性,故而,本文预设环氧沥青混合料粘度达到既定值1Pa·s的时间作为标准,通过测定40%、50%、60%等不同环氧树脂体系(环氧树脂和固化剂)掺量,在150、160 ℃温度下,随着固化反应时间的推移,其粘度变化如图2所示。

图2 环氧树脂体系随固化反应时间推进的粘度变化Fig. 2 Variation of viscosity of resin system with curing reaction time

由图2可知,环氧沥青混合料的粘度随着环氧树脂体系掺量的增加而上升,在初始固化反应阶段粘度增长较缓慢,且160℃较150℃的增长速度更快,可见,温度较高时,因环氧树脂体系的固化反应速度更快,粘度增长也快,尤其在环氧树脂体系掺量较高时,该种差异更为明显。但是,综合对比,40%、50%、60% 3种掺量下环氧沥青混合料的粘度增加至1Pa·s的固化反应时间均在50~80 min之间,在不停航要求下有充足时间进行搅拌、铺摊、碾压,且随后固化反应速度加快,环氧沥青混合料的粘度增长加速,可形成初始路用强度,达到不停航要求下的快速投用性。

2 实验方法

利用上述材料制备成环氧沥青混合料试样后,根据《民用机场沥青道面设计规范(MH/T 5010-2017)》的相关要求进行马歇尔试验、车辙试验、小梁低温试验、浸水马歇尔试验测定不停航要求下环氧沥青混合料的初始强度、稳定性等初始路用性能,及高温稳定性、低温稳定性、水稳定性等最终路用性能。

3 试验结果与分析

3.1 快速投用性

为达到不停航下的快速投用性,本文以初始强度、动稳定性作为环氧沥青混合料未固化条件下的强度指标。首先,针对初始强度的马歇尔实验时,将环氧沥青混合料在室温内静置24h,并对其从混合、搅拌、成型等全过程进行多组平行实验,以精准测定初始强度各项指标,结果见表2。

表2 各设计密度下环氧沥青混合料的马歇尔试验结果Table 2 Marshall test results of epoxy asphalt mixture under different design densities

参照《民用机场沥青道面设计规范(MH/T 5010-2017)》的相关要求,环氧沥青混合料不停航下初始强度应在9.0kN以上[6],而由表2可知,马歇尔实验测定的80%、105%设计密度下,未达标。从整体上看,环氧沥青混合料的初始强度呈现先增后降的趋势,95%、100%、105%设计密度的松排骨架结构的初始强度优于80%、85%、90%设计密度下的悬浮密实结构,这源于初期环氧沥青未完全固化,导致混合料初始强度受限,此时,矿料的嵌挤力与内摩阻力对初始强度的影响更强,因此松排骨架结构混合料的初始强度更优,但80%设计密度下混合料的骨架密实度较弱,加之固化反应不完全,环氧沥青的粘结作用较弱,故初始强度未达标。而在105%设计密度时,混合料的骨架密实度进一步增强,在设计密度持续增加时,其粗集料增加、细集料减少,细集料无法充分填充粗集料骨架形成的空隙,使得混合料骨架结构更为松散[7],因此初始强度也下降,使得105%设计密度的环氧沥青混合料初始强度未达标。

同时,使用车辙试验来测评未完全固化下环氧沥青混合料的初始动稳定性,将测得的试验数据根据下式计算环氧沥青混合料的动稳定性[8]:

式(2)中,d1、d2各 为 对 应 时 间t1(45min)、t2(60min)的变形量(mm),C1、C2分别为试验机类型系数、试件系数,此处均取值1.0,N为试验轮往返碾压速度,一般为42次/min。据此,可得各设计密度下环氧沥青混合料的初始动稳定性如图3所示。

图3 各设计密度下环氧沥青混合料的初始动稳定性Fig. 3 Initial dynamic stability of epoxy asphalt mixture under different design densities

由图3可知,仅80%设计密度下的级配曲线未达到2000次/mm的初始动稳定性标准要求[9],其余设计密度下的环氧沥青混合料均达到了要求,满足机场道面快速投用需求;且随着设计密度增加环氧沥青混合料的初始稳定性先增后减,松排骨结构优于悬浮密实结构,这源于初期未完全固化条件下,环氧沥青的交联结构尚不足以支撑高温下大型飞机多轮高胎压,此时,将松排骨架结构的粗集料嵌挤下,混合料抗剪强度较强,表现出的初始动稳定性更优。

3.2 长期耐用性

环氧沥青混合料经过充足的固化反应后,能否达到最终的强度,需从高低温及水稳定性来评测,这是衡量其长期耐用性的关键指标。故将混合料试件在60℃烘箱中保温4d[10],使其完全固化,通过车辙试验测得环氧沥青混合料的高温稳定性如图4所示。

图4 各设计密度下环氧沥青混合料的高温稳定性Fig. 4 High temperature stability of epoxy asphalt mixture under different design densities

由图4可知,环氧沥青混合料经过完全固化反应后,形成了较好的高温稳定性,各设计密度条件下混合料均达到了12000次/mm的标准要求,且随着设计密度的增加其高温稳定性下降,这是因为80%、85%、 90%设计密度下的悬浮密实结构,细集料比例增加,可更好地促成环氧沥青的交联,故高温稳定性更优。

同时,采用小梁低温试验来测定环氧沥青混合料的低温稳定性,将试件静置于-10℃的低温箱中4h,在50mm/min加载速率下,测定各设计密度混合料的破坏荷载PB、破坏中挠度d,根据式(3)~(5)计算出低温稳定性指标[11],结果见表3。

表3 各设计密度下环氧沥青混合料的低温稳定性指标Table 3 Low temperature stability index of epoxy asphalt mixture under different design densities

式(3)~(5)中,B、h、L分别为跨中断面的高、宽及混合料的跨径。

由表3可知,各设计密度下的环氧沥青混合料的低温稳定性均可达到2000με以上标准要求,且随着设计密度的增加,弯拉应变先降后增,且松排骨架结构的环氧沥青混合料的弯拉应变更大,低温稳定性更好,这源于松排骨架结构向悬浮密实结构转换时,在未到达最佳密实点之前,混合料的结构比较松散且模量比较小,低温下不易产生脆性破坏,故低温稳定性较高。

最后,通过浸水马歇尔实验测定环氧沥青混合料完全固化后,在长期使用中的抗水损害性。试验中,将试样置于60℃下养生4h进行充分固化反应,根据式(6)计算各设计密度下混合料的残留稳定性[12]:

式(6)中,Ms、Md各为混合料浸水48h、30~40 min后的稳定度。据此,可得水稳定性测试结果,见表4。

表4 各设计密度下环氧沥青混合料的水稳定性Table 4 Water stability of epoxy asphalt mixture under different design densities

由表4可知,仅105%设计密度下环氧沥青混合料的浸水残留稳定度未达到85%以上的标准要求,且随着设计密度下降,浸水残留稳定度逐渐上升,也即水稳定性增强,这是因为松排骨结构向悬浮密实结构转换时,细集料填充量上升,可更好地填充粗集料孔隙,进而增强环氧沥青与矿料之间的粘结作用,让环氧沥青更好地包裹矿料表层,进而提升混合料的水稳定性。

4 结论

(1)综合来看,在既定的环氧树脂体系掺量下,不同设计密度的环氧沥青混合料的初始强度、动稳定性,及高低温及水稳定性均可以满足《民用机场沥青道面设计规范(MH/T 5010-2017)》的标准要求,达到了不停航条件下短期快速投用、长期耐用的双重需求。

(2)通过对比发现,不同设计密度的环氧沥青混合料的短期、长期的路用性能存在既定差异,均随着设计密度的变化呈现一定的规律性,且在松排骨架结构与悬浮密实结构之间存在显著差异。短期快速投用性能测试中,初期强度、动稳定性随着设计密度的增加均呈现先增后减的变化趋势,且松排骨结构的环氧沥青混合料的两项性能均优于悬浮密实结构,但值得注意的是,80%、105%设计密度的混合料未达到初始强度下限要求,且80%设计密度的混合料也未达到初始动稳定性,在不停航要求下将环氧沥青混合料用于机场道面时,应予以充分关注。同时,长期的路用性能测试中,环氧沥青混合料在完全固化反应后,各设计密度混合料的高低温稳定性、水稳定性基本可达到《民用机场沥青道面设计规范(MH/T 5010-2017)》的标准要求,但是,随着设计密度的变化呈现出不同的变化特征,高温稳定性、低温稳定性、水稳定性随着设计密度的增加而下降,悬浮密实结构的混合料表现出更优的长期耐用性,区别在于低温稳定性随设计密度增加先降后增,105%设计密度混合料水稳定性未达标。故而,在不停航条件下要达到环氧沥青混合料长期耐用性的优化,应趋利避害。

展开全文▼

猜你喜欢

道面环氧环氧树脂
阻燃高导热环氧灌封胶的制备与性能研究
通航机场跑道道面承载能力分析
环氧树脂基复合材料加筋板结构吸湿行为研究
纳米B4C(BN)/环氧树脂复合材料制备及性能研究
2027 年全球环氧树脂复材规模将达242 亿美元
新烟碱类杀虫剂环氧虫啶及其开发
民机内饰用阻燃环氧树脂及复合材料性能研究
水性环氧乳化沥青应用进展
湿滑跑道飞机着陆轮胎-水膜-道面相互作用
TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系力学性能研究