机场沥青混凝土道面下封层粘结性能试验研究

郝秀文

（中铁北京工程局集团有限公司机场工程分公司，北京 102308）

半刚性基层在中国机场跑道沥青混凝土道面结构层中被广泛应用，具有整体强度高、扩散应力强等优点，但其同时存在易产生收缩应变、渗水能力差等缺点。鉴于此，在机场跑道道面中通常设置下封层，其作用是及时将半刚性基层封闭，防止其产生收缩应变；同时，下封层还可以防止水侵入半刚性基层。下封层设置在下面层和基层之间，其层间粘结性能对道面十分重要，若下封层层间粘结性能不足，飞机荷载易使沥青道面产生拥包、层间推移等病害。

目前，中国机场跑道运用较为广泛的封层类型为沥青砂封层和同步碎石封层[1]。在封层性能研究方面，公路系统科研人员开展的相关研究较多。周泽洪等[2]研究表明,同步碎石封层的沥青种类和用量、碎石粒径和撒布率等因素对层间粘结性能有较大影响。马培建等[3]基于摩尔-库伦理论开展了沥青材料和集料粒径对下封层抗剪强度影响的评价，结果表明，胶粉改性沥青和粒径为5～10 mm 的碎石是较好的下封层材料。刘丽等[4]通过室内直接剪切试验对影响同步碎石封层层间抗剪强度的因素进行了分析，得出温度和沥青材料性质是影响同步碎石封层层间抗剪强度的主要因素。郭寅川等[5]对试样进行直接剪切试验，并运用数据分析软件分析下封层层间抗剪强度，结果表明，良好的层间处置能够大幅提高路面疲劳性能，避免路面结构性损坏。孙雅珍等[6]深入分析乳化沥青的用量、粘度及固含量对沥青砂封层层间抗剪强度的影响，结果表明，当机制砂粒径为2.36～4.75 mm、撒布量为6.7 kg/m2、乳化沥青固含量为70%、恩格拉粘度为14、撒布量为0.792 kg/m2时，乳化沥青砂封层层间抗剪效果最佳。

综上所述，现有研究主要集中在采用直接剪切试验对公路路面下封层层间抗剪强度进行研究，但对机场道面下封层粘结性能研究较少，且同时缺乏对不同类型下封层性能的对比研究。本研究采用ABAQUS 有限元软件对A380-800 大型民航运输机进行数值模拟分析，以抗剪强度为指标，采用斜剪试验分析沥青用量、集料粒径和撒布率对同步碎石封层层间粘结性能的影响，同时分析级配设计与沥青用量对沥青砂封层层间粘结性能的影响，并对两种封层在同一温度和沥青类型下进行层间粘结性能对比，以确定何种沥青混凝土机场道面下封层性能更优。

1 试验方案

机场道面下封层在飞机荷载作用下，同时受到竖向力和水平力作用，而飞机进行制动和转向时竖向力和剪应力将会增大。因此，为更好地模拟下封层的实际受力情况，在室内试验中采用斜剪试验对下封层层间粘结性能进行评价。通过斜剪试验中的抗剪强度指标，分析沥青用量、集料粒径和撒布率对同步碎石封层层间粘结性的影响；同时分析级配设计与沥青用量对沥青砂封层层间粘结性能的影响。最终，分析对比同步碎石封层和沥青砂封层在同一温度和沥青类型下的层间粘结性能效果。斜面剪切仪作用原理如图1所示。

图1 斜面剪切仪示意图Fig.1 Schematic diagram of inclined plane shear meter

试验仪器采用自制的剪切夹具与马歇尔稳定度仪。将剪切夹具装入马歇尔稳定度仪，剪切角度设置为45°。试验过程中由马歇尔稳定度仪施加正压力，将其分解成大小相等且与水平面呈45°的正应力和剪应力。在荷载F 作用下，层间剪切应力为

式中：F 表示破坏荷载（kN）；S 表示试件剪切面积（cm2），S=3.01 cm2；α 表示剪切角（°），α=45°。

2 原材料

2.1 沥青

试验采用的沥青为SBS I-D 改性沥青和AH-70#基质沥青。其主要性能指标如表1 和表2 所示。

表1 沥青技术指标（常规性能指标）Tab.1 Technical indexes of asphalt(conventional performance indexes)

表2 沥青技术指标（RTFOT 后残留物）Tab.2 Technical specifications of asphalt(residues after RTFOT)

2.2 集料

试验集料均选用洁净干燥的石灰岩，矿粉由石灰岩等碱性石料加工制得，集料技术指标如表3 所示。

表3 集料技术指标Tab.3 Aggregate technical index

3 试验过程

3.1 下封层设计

3.1.1 同步碎石封层

沥青用量、集料粒径和集料撒布率均对同步碎石封层层间粘结性能有重要影响[7]，为探究三者对同步碎石封层层间粘结性能的影响，试验相关参数为：沥青用量分别为1.4、1.6、1.8 kg/m2，集料分别选取4.75、9.5、13.2 mm 的单一粒径碎石，集料用量分别采用60%、70%和80%的碎石撒布率。

3.1.2 沥青砂封层

根据AC-5 的级配[1]范围确定了4 种沥青砂封层级配类型，级配设计如表4 所示，对应的级配如图2所示。设计目标空隙率为4%，确定相应的油石比为7.55%、7.45%、7.50%和7.45%。

表4 沥青砂混合料级配Tab.4 Gradation of asphalt sand mixture

图2 AC-5 沥青砂封层级配Fig.2 Configuration of AC-5 asphalt sand sealing layer

由图2 可知，设计的4 种合成级配分布合理，均处于级配推荐范围内，级配曲线平顺圆滑且关键筛孔2.36 mm 处有较好的区分度，有利于开展下封层级配设计研究。

3.2 试件制备

试件为采用“5 cm 水泥稳定碎石基层+下封层+5 cm ATB25 面层”的车辙板试件成型后竖向钻芯获取，其中基层与下面层材料的级配设计如表5 所示，水泥稳定碎石基层板的水泥剂含量为6%，最佳含水量为5.2%；ATB-25 沥青混合料面层采用SBS 改性沥青，油石比为3.6%；下封层类型为同步碎石封层及沥青砂封层。

表5 基层及下面层材料级配设计Tab.5 Gradation design of base and subsurface materials

试件制备步骤：采用振动法在300 mm×300 mm×50 mm 标准车辙板试模中成型基层试件板，成型后喷洒透油层，透油层撒布量为1.0 kg/m2，待透油层稍干后，将基层板放入养护室养护7 d；在300 mm×300 mm ×100 mm 双层车辙板试模中继续铺设同步碎石封层或沥青砂封层，铺设后用拍板压平表面，放入钢板压实；最后加铺ATB-25 沥青混合料面层成型双层车辙板试件。最后在每块双层车辙板试件上钻取4 个芯样用于试验，所得试件直径为9.8 cm，高度为10 cm，制得同步碎石封层和沥青砂封层复合试件如图3 所示。

图3 封层复合试件Fig.3 Sealing layer composite specimen

4 试验结果分析

4.1 不同结构类型下封层粘结性能研究

所有试件均在基层和下面层结合处出现剪切破坏，剪切破坏面大部分位于下封层内部，说明试件抗剪切破坏薄弱处为下封层内部，因此需确定下封层最佳材料类型及掺量，以增强下封层对基层和下面层的层间粘结性能。

4.1.1 同步碎石封层粘结性能影响研究

采用前述不同沥青用量、集料粒径、集料撒布率的同步碎石封层材料制备试件并进行斜剪试验，共设计27 组试验，试验温度选取60 ℃，沥青选用SBS 改性沥青，试验结果如表6 所示。

由表6 可知，第11 组试验（沥青用量1.6 kg/m2、粒径4.75mm、集料撒布率70%）所得抗剪强度为24.53kPa，此时同步碎石封层抗剪强度最大，因而该组试验下同步碎石封层粘结性能最优。

表6 同步碎石封层斜剪试验结果Tab.6 Results of oblique shear test of synchronous gravel sealing layer

不同沥青用量对抗剪强度的影响如图4 所示。

从图4 可知，同步碎石封层的抗剪强度随集料粒径的增加而降低。此外，随着沥青用量的增加，在不同集料粒径和撒布率情况下，同步碎石封层的抗剪强度基本呈先上升后下降的趋势；同时，当沥青用量为1.6 kg/m2时，同步碎石封层抗剪强度基本为最大，这是由于试验误差导致当集料粒径为9.5 mm，撒布率为70%时，同步碎石封层抗剪强度数据出现异常。总之，适当增加沥青用量可以改善撒布集料表面沥青裹覆程度，也有利于基层与下面层混合料的粘结，从而提高同步碎石封层抗剪强度；当沥青用量超过一定程度时，过多的沥青反而在层间引起润滑效应，造成同步碎石封层抗剪强度下降。因而，在同步碎石封层应用时应选择适宜的沥青用量。

图4 不同沥青用量对抗剪强度的影响Fig.4 Influence of different asphalt content on shear strength

不同集料粒径对抗剪强度的影响如图5 所示。

图5 不同集料粒径对抗剪强度的影响Fig.5 Influence of different aggregate particle size on shear strength

从图5 可知，随着集料粒径的增大，同步碎石封层抗剪强度明显降低。在4.75～9.50 mm 粒径间，同步碎石封层抗剪强度下降幅度较小，但在9.50～13.20 mm粒径间，同步碎石封层抗剪强度下降幅度进一步扩大。这是由于过大粒径集料不利于沥青在其表面爬升，导致大粒径集料的裹覆程度较低，进而影响下封层中集料与下面层混合料的粘结性效果，从而降低下封层的抗剪强度[8]。因而同步碎石封层宜在满足施工机械行驶条件下尽可能使用相对较小的集料。

不同撒布率对抗剪强度的影响如图6 所示。2

图6 不同撒布率对抗剪强度的影响Fig.6 Influence of different dispersion rate on shear strength

从图6 可知，同步碎石封层最佳撒布率受所用集料粒径和沥青用量的共同影响。对于4.75 mm 集料，当沥青用量为1.4、1.6、1.8 kg/m2时，撒布率为70%时抗剪强度最大，因此最佳撒布率为70%；同理，对于9.50 mm 集料，当沥青用量为1.4、1.6 kg/m2时最佳撒布率为60%，沥青用量为1.8 kg/m2时最佳撒布率为70%；对于13.20 mm 集料，沥青用量为1.4、1.6、1.8 kg/m2时最佳撒布率为60%。同一粒径集料同步碎石封层在一定沥青用量下存在最佳撒布率是由于同步碎石封层的碎石间相互隔离，这有利于沥青混合料面层通过碾压填充碎石间隙，使同步碎石封层与沥青混合料面层连接成整体，增大封层层间粘结性。当同步碎石封层撒布率过小时，碎石间隙过大，同步碎石封层与面层的摩阻力降低；当撒布率过大时，沥青混合料面层不能对碎石间隙进行有效填充，不利提高层间粘结性能[9]。

4.1.2 沥青砂封层粘结性能影响研究

1）级配类型

级配类型选取前期确定的3 种级配（表4 中合成级配1～3），并利用贝雷法中的CA、FAc和FAf3 个指标对其进行分析。其中CA 值为粗集料比，用以评价矿料中粗集料含量和分析空隙特征；FAc用来反映细集料中粗料部分与细料部分的嵌挤填充情况；FAf用以评价合成集料中最细一级的嵌挤情况[10]，试验中沥青类型为SBS 改性沥青，试验温度选取60 ℃。3 种级配下CA、FAc、FAf等指标及抗剪强度如表7 所示。

表7 沥青砂封层3 种级配设计技术指标Tab.7 Design specifications of three gradation of asphalt sand sealing layer

从表7 可知，采用合成级配2 时，沥青封砂层抗剪强度最大，由此可得出以下结论。

（a）增大CA 值减小FAc值能够提高沥青砂封层层间粘结性能。合成级配2 中的CA 为0.93，CA 值较大说明粗集料中较细的部分较多，该部分对集料的干涉作用较为明显，使得粗集料毛体积密度变小，矿料间隙率增大，空隙率增大[11]。与其他级配类型相比，合成级配2 的FAc值最小，说明细集料的粗料率偏高，集料间隙率较大；合成级配2 中FAf值为中间值，说明第二层级（最细一级）的细集料中集料粗细程度较为均衡。较大的CA 和较小的FAc值有利用沥青对各矿料进行填充，防止部分集料表面未被沥青胶浆裹覆造成层间粘结性能下降，从而提高层间粘结强度。

（b）随着沥青膜厚度的增大，沥青砂封层层间粘结性能下降。沥青膜厚度增大，沥青砂混合料中自由沥青增多，对合成集料起到了润滑作用，使得矿料之间的内摩擦力减小，合成集料颗粒更易在力的作用下发生滑动，致使下封层出现破坏。

（c）合理的粉胶比（矿料混合料中小于0.075 mm的粉料与有效沥青用量的比值）将有利于提高层间抗剪强度。粉胶比直接影响自由沥青和结构沥青的含量，较小的粉胶比意味着较多的自由沥青，这将降低沥青的粘结力和强度，从而减小沥青胶浆的高温稳定性。当粉胶比超过一定值时，矿粉数量相对沥青用量过剩，矿粉不能被沥青全部裹覆，未被裹覆的矿粉将隔开沥青粒子间的粘结，使沥青的粘聚力降低，从而降低沥青胶浆的粘附性，并使层间粘结性能降低。

2）沥青用量

按照表4 中合成级配2 选取的矿料进行试验，油石比以7.45%为最佳值，上下浮动0.5%，试验温度选取60 ℃，试验结果如图7 所示。

图7 抗剪强度与油石比的关系Fig.7 Relationship between shear strength and asphalt-stone ratio

由图7 可知，沥青砂封层在最佳油石比（沥青/碎石比率）条件下层间粘结性能最好，层间抗剪强度最高为27.42 kPa。油石比为6.95%时其抗剪强度仅为最佳油石比时的65.13%；油石比为7.95%时其抗剪强度为最佳油石比时的78.15%。

4.2 不同沥青结合料下封层粘结性能对比研究

同步碎石封层采用1.8 g/m2的沥青用量，集料为4.75 mm 单一粒径碎石，碎石撒布率为70%；沥青砂封层采用表4 中合成级配4 的AC-5 沥青混合料。试验沥青均分别选用70#基质沥青和SBS 改性沥青。两种下封层材料均属沥青基材料，对温度较敏感，为探究下封层材料在不同环境温度条件下是否仍能保持良好的粘结性能，选取在25、45、60 ℃3 个不同温度下进行斜剪试验，试验结果如表8 所示。

表8 不同温度下的下封层抗剪强度Tab.8 Shear strength of lower sealing layer at different temperatures

对同步碎石封层与沥青砂封层进行层间抗剪强度对比，汇总结果如图8 所示。

图8 封层抗剪强度对比Fig.8 Comparison of shear strength of sealing layer

从图8 可知，在相同沥青类型和温度条件下，沥青砂封层的抗剪强度优于同步碎石封层。出现该现象的主要原因：同步碎石封层集料为单一粒径碎石，碎石在沥青表面张力的作用下瞬间结合，单一粒径碎石之间无其他粒径集料进行填充，集料易在剪切力的作用下发生滚动造成剪切破坏。沥青砂封层选用的AC-5沥青混合料为密集配沥青混合料，各粒径集料相互填充形成骨架密实结构，集料之间的相互嵌挤产生的内摩阻力增大了层间抗剪强度。

沥青砂封层和同步碎石封层层间粘结性能受温度影响较大。两种下封层抗剪强度均随温度的升高而降低，在温度升高初期下降幅度较大，后期下降幅度有所降低。其主要原因是随着温度的升高，沥青的粘度逐渐降低，且其早期粘度衰减较快，对集料的粘附性降低，从而使封层粘结性能降低。层间抗剪强度随温度变化趋势恰恰反映了实际工程中下封层破坏一般发生在炎热高温的夏季。

采用SBS 改性沥青的沥青砂封层和同步碎石封层均表现出较高的层间粘结性，但随着温度的升高，SBS 改性沥青与70#基质沥青的抗剪强度差距呈收窄趋势。选用SBS 改性沥青的同步碎石封层在25、45、60 ℃下的抗剪强度分别比选用70#基质沥青的同步碎石分别高21.49%、11.65%和9.73%。选用SBS 改性沥青的沥青砂封层的抗剪强度在25、45 和60 ℃下分别比选用70# 基质沥青的沥青砂封层高20.86%、17.72%和14.05%。其主要原因是SBS 改性沥青的抗流变性能较好，高温作用下SBS 改性沥青具有较好的粘附性，说明选用耐高温性好、粘结性强的沥青类型对层间粘结性能有明显提高。

5 有限元模型分析

5.1 模型参数

某工程建设机场等级为4F，可供A380-800、B747-8等大型民航运输机使用，选定A380-800 为本次有限元模拟评价机型。由A380-800 飞机质量为5.71×106kg，可计算出飞机所受重力大小为5 595.8 kN，主起落架荷载分配系数为56.59%，主起落架个数为2，单个主起落架轮子数为6，胎压大小约等于1.5 MPa。

5.2 模型建立

该工程的道面结构型式如图9 所示（单位：cm）。

图9 道面结构型式图Fig.9 Road surface structure type drawing

根据该工程实际，本次有限元模型结构与道面结构层一致，选取5 m×5 m 面积大小的面板，道面结构从上至下依次为：5 cm SMA-13 沥青玛蹄脂、6 cm AC-20（SBS）沥青混凝土、8 cm AC-25 沥青混凝土、1.5 cm 同步沥青碎石、20 cm 水泥稳定碎石（7 d 抗压强度≥4.0 MPa）、30 cm 水稳珊瑚砂（7 d 抗压强度≥2.5 MPa）和土工布。土基厚度设置为4 m，大小为1.5 MPa 的圆形均布荷载作用于板中位置，如图10 所示，根据后续计算结果可知荷载影响深度不足4 m，土基厚度有效。

图10 数值模拟结构层模型Fig.10 Numerical simulation of structural layer model

5.3 模型结果

下封层设置于水泥稳定碎石与AC-25 沥青混凝土之间，即距离底部4.5 m 位置处，故截取该位置处截面并查看其截面剪应力大小。采用ABAQUS 有限元软件进行数值模拟，由视图切面管理器工具得到结果，如图11 所示。

图11 数值模拟封层位置切面结果图Fig.11 Section results of numerical simulation of sealing position

由图11 可知，该截面处最大剪应力为44.39 kPa。对比试验模型数据，在试验温度为25 ℃条件下，SBS改性沥青的沥青砂封层和同步碎石封层均能满足抗剪强度的要求，当对抗剪强度要求较高时，应选用沥青砂封层。

6 结语

本文利用斜剪试验和ABAQUS 有限元数值模拟分析软件，对机场沥青混凝土道面同步碎石封层和沥青砂封层在不同条件下的粘结性能进行了分析，总结如下。

（1）分析沥青用量、集料粒径和撒布率对同步碎石封层层间粘结性能的影响，得出层间粘结性能随集料粒径的增加而降低；同步碎石封层层间粘结性能随沥青用量和集料撒布率变化存在峰值，应选择适中的沥青用量和集料撒布率。

（2）分析级配设计和沥青用量对沥青砂封层层间粘结性能的影响，得出AC-5 沥青砂封层进行级配设计时可通过增大CA 值，同时减小FAc值提高层间粘结性能；选择合理的粉胶比和沥青用量对提高沥青砂封层层间粘结性能有益。

（3）通过对沥青砂封层和同步碎石封层在相同条件下的抗剪强度比较，得出沥青砂封层的层间粘结性能要好于同步碎石封层。对层间粘结性能要求较高的机场跑道选择沥青砂封层更好。

（4）对不同温度梯度下的试件进行抗剪强度测试，试验表明：两种封层层间粘结性能均随温度的提高而减小；同时选用SBS 改性沥青的两种封层均表现出较高的层间粘结性能。故在机场跑道设置下封层时应考虑机场所处的气候分区，确定下封层最不利温度，并选择粘结性强和耐高温性能较好的沥青类型。

（5）以A380-800 大型民航运输机为评价机型，采用ABAQUS 有限元软件进行数值模拟。对比试验模型结果，沥青砂封层和同步碎石封层均能满足抗剪强度的要求。当对抗剪强度要求较高时，沥青砂封层性能较好。