576 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 45 卷和沥青混凝土道面 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 [12]. 中国机场道面主要采用水泥混凝土道面结构, 使用沥青

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1 第 45 卷第 3 期 2015 年 5 月东南大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol.45 No.3 May2015 doi: /j.isn 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 ) 摘要 : 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%. 在次荷载作用下,SEA 机场道面结构的永久变形仅为 6mm, 约为传统 SAA 机场沥青道面结构的 42.9%. 关键词 : 机场道面 ; 环氧沥青混凝土 ; 配合比设计 ; 力学响应 ; 永久变形中图分类号 :U 文献标志码 :A 文章编号 : (2015) Airfieldpavementwithhighperformanceasphaltconcrete QianZhendong MengFanqi ZengJing (InteligentTransportationSystem ResearchCenter,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:Toimprovetheanti rutingperformanceofairfieldpavement,ahighperformanceairfield pavementbasedonanewtypeofepoxyasphaltconcretewasproposed.withthenewtypeofepoxy asphaltconcreteeac20asthemiddlesurfacecourse,sma13asphaltconcreteasthefirstsurface course,andac20asphaltconcreteasthebasesurfacecourse,theseaairfieldpavementwasbuilt up.themechanicalresponsesofthesea airfieldpavementunderthestaticloadsoftheaircraft A380wereanalyzed.Thepermanentdeformationtestsoftheasphaltconcreteindiferentairfield pavementlayerswerecariedout.thecreepparametersoftheasphaltconcreteineachlayerwere obtainedbyusingthemultiplelinearregresionmethodtosimulatethepermanentdeformationofthe SEA airfieldpavement.theresultsdemonstratethattakingthenewtypeofepoxyasphaltconcreteas themiddlesurfacecoursecanreducethestrainoftheairfieldpavement.themaximum tensilestrain andthemaximum compresivestrainonthebotom oftheasphaltsurfacecoursearerespectively about68% and72% thoseofthetraditionalairfieldpavement.under loads,thepermanent deformationoftheseaairfieldpavementisonly6mm,whichisabout42.9% thatofthetraditional SAAairfieldpavement. Keywords:airfieldpavement;epoxyasphaltconcrete;mixdesign;mechanicalresponse;perma nentdeformation 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收稿日期 : 作者简介 : 钱振东 (1969 ), 女, 博士, 教授, 博士生导师,qianzd@seu.edu.cn. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( , ). 引用本文 : 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): [doi: / j.isn ]

576 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 45 卷和沥青混凝土道面 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 [12]. 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].

2 576 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 45 卷和沥青混凝土道面 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 [12]. 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 [5] SAA 机场道面结构. 机场使用状况调研结果显示, 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% [610]. 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 (MH ) [11] 的要求. 表 1 道路用环氧沥青结合料技术指标技术指标试验值技术要求试验方法 23 时抗拉强度 /MPa ASTM D 时断裂延伸率 /% ASTM D 时黏度增至 1Pa s 的时间 /min JTJ 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 (MH ) 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 % 粒径 /mm EAC20 级配范围 ~100 76~92 64~80 54~70 35~47 22~34 13~24 8~18 6~13 5~10 3~7 设计级配 SMA13 级配范围 ~100 50~75 20~34 15~26 14~24 12~20 10~16 9~15 8~12 设计级配 AC20C 级配范围 ~100 75~90 62~80 52~72 38~58 28~46 20~34 15~27 10~20 6~14 4~8 设计级配 AC20F 级配范围 ~100 75~90 62~80 52~72 38~58 28~46 20~34 15~27 10~20 6~14 4~8 设计级配

3 第 3 期钱振东, 等 : 高性能沥青混凝土机场道面结构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 5488kN, 主起落架荷载分配系数为 0.95, 主起落架单轮荷载为 kN, 飞机轮胎胎压为 1.50MPa, 轮印简化为矩形荷载图式 [13], 轮印面积为 0.177m 2, 方形轮印长度为 50.3cm, 方形轮印宽度为 34.6cm, 有限元模型尺寸为 30m 20m 10m. 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 [1415]. 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 6.5cm, 密度为 2400 kg/m 3, 其余各层材料参数均与 SEA 机场道面相同. (a) 机场道面表面弯沉 (b) 面层底部横向应变 (c) 面层底部纵向应变图 2 A380 荷载简化图 ( 单位 :cm) 表 3 SEA 机场道面结构计算参数抗压回弹密度 / 层位材料类型泊松比厚度 /cm 模量 /MPa (kg m -3 ) 上面层 SMA 中面层 EAC 下面层 AC20F 上基层 ATB 中基层 CTB 底基层 CTB 土基 SG (d) 底基层底部横向应变 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. (e) 底基层底部纵向应变图 3 2 种机场道面应变时程曲线

4 578 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 45 卷由图 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 [1617]. 因此, 本文采用时间硬化蠕变模型, 其表达式为 ε cr =C 1 q C 2 t C 3 (1) 式中,q 为应力 ;t 为时间 ;C 1,C 2,C 3 为依赖于温度的模型参数. 若假定 q 不随时间变化, 则 ε cr = ε cr t =C 1C 3 q C 2 t C3-1 (2) 令 A=C 1 C 3,n=C 2,m=C 3-1 为反映材料性质的蠕变参数, 则 4.2 三轴重复加载永久变形试验 ε cr =Aq n t m (3) 采用 Superpave 旋转压实仪制备直径为 150 mm 高度不低于 165mm 的圆柱体试件, 并钻心取样成直径为 100mm 高度为 150mm 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 1.5MPa, 故确定围压水平为 207kPa, 初始接触压力为 50kPa, 偏应力水平 p =1.3,1.4,1.5MPa. 试验采用正弦曲线进行加载, 加载时间为 0.1s, 间歇时间为 0.9s. 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. (a)sma13 (b)eac20 (c)ac20f (d)ac20c 图 4 沥青混合料永久变形发展曲线

5 第 3 期钱振东, 等 : 高性能沥青混凝土机场道面结构 579 表 4 沥青混合料蠕变参数沥青混合料类型 A/10-9 n m SMA EAC AC20F AC20C 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 100km/h, 单点一次加载作用时间为 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, 经过次荷载作用后,SAA 结构永久变形达到 14mm,SEA 机场道面结构的永久变形仅为 6mm, 约为 AC 结构的 42.9%. 此外, 经过次荷载作用后,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. 在次荷载作用下,SEA 机场道面结构永久变形仅为 6mm, 约为传统 SAA 机场道面结构的 42.9%. 参考文献 (References) [1] 刘文, 凌建明, 赵鸿铎. 民用机场沥青混凝土道面设计方法综述 [J]. 中国民航学院学报,2006,24(4):43 47,64. LiuWen,LingJianming,ZhaoHongduo.Review and analysisofdesignmethodsforasphaltconcreteairport pavement[j].journalofcivilaviationuniversityof China,2006,24(4):43 47,64.(inChinese) [2] HuangWeiye,ShiBaohua,HuangBibin,etal.Per formanceandevaluationindexforasphaltpavementof airfieldrunwayonhighway[j].advancedmaterials Research,2013, : [3] 马翔, 倪富健, 顾兴宇. 复合式机场道面结构设计方法 [J]. 交通运输工程学报,2010,10(2): MaXiang,NiFujian,GuXingyu.Structuredesign methodofcompositionairfieldpavement[j].journalof TraficandTransportationEngineering,2010,10(2): (inChinese) [4] 王建伟, 沈家林, 钱振东. 国产环氧沥青混合料施工控制 [J]. 东南大学学报 : 自然科学版,2009,39(6): WangJianwei,ShenJialin,QianZhendong.Construc tioncontrolingresearchofdomesticepoxyasphaltmix ture[j].journalofsoutheastuniversity:naturalsci enceedition,2009,39(6): (inChinese) [5] 刘文. 机场沥青道面设计指标及方法研究 [D]. 上海 : 同济大学交通运输工程学院,2008. [6] XuTao,HuangXiaoming.Investigationintocausesof in placerutinginasphaltpavement[j].construction andbuildingmaterials,2012,28(1): [7] 胡萌, 张久鹏, 黄晓明. 半刚性基层沥青路面车辙特性分析 [J]. 公路交通科技,2011,28(6):14 18,46. HuMeng,ZhangJiupeng,HuangXiaoming.Analysis ofrutingcharacteristicsofsemi rigidbaseasphaltpave ment[j].journalofhighwayandtransportationre searchanddevelopment,2011,28(6):14 18,46. (inchinese) [8] 王辉, 李雪连, 张起森. 高温重载作用下沥青路面车辙研究 [J]. 土木工程学报,2009,42(5): WangHui,LiXuelian,ZhangQisen.Rutinginasphalt pavementunderheavyloadandhightemperature[j]. ChinaCivilEngineeringJournal,2009,42(5): (inChinese) [9] WangHui,ZhangQisen,TanJiqing.Investigationof

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5 9 T m /31 / T r 1 /1 s - 1 AC - C Johnson-Cook. 1 JC 1 mm mm 1 MTS 1 7 # NES % 1 Tab. 1 AC - C AC - C gradation /mm 9 1 Vol. 9 No. 1 1 JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY NATURAL SCIENCE Feb. 1 Johnson-Cook 1 1 1 1 1. 7. 7 Johnson-Cook Johnson-Cook ANSYS % Johnson-Cook Johnson-Cook U1. 17 A 17-9 1 1-9 - 5 Rutting