冉武平，李 玲，谷志峰

(1. 新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐830047；2. 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

基于Superpave的机场环氧沥青混合料配合比设计*

冉武平1,2，李 玲1，谷志峰2

(1. 新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐830047；2. 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

通过对Superpave配合比设计方法原理及特点分析，结合机场特殊荷载条件，展开对机场道面环氧沥青混合料配合比设计的研究。结果表明：考虑到飞机荷载的特殊性，推荐选用设计旋转压实次数为80次，设计压实次数下的空隙率和矿料间隙率为确定环氧沥青用量的体积设计指标，并以初始旋转压实次数的压实度和最大旋转压实次数下的压实度作为最佳环氧沥青用量的验证指标。最后通过选择两种集料进行配合比设计，通过对比分析选择最优级配，并确定最佳沥青用量为5.12%。

道路工程；机场道面；环氧沥青混合料；配合比设计；设计旋转压实次数

0 引 言

环氧沥青混合料由于优良的力学性质和耐候性[1]，已成为新型结构铺装材料。作为机场道面铺装材料，于1959年首次应用于美国空军基地，主要是为提高道面的耐腐蚀性和耐高温尾喷。随后由于其技术不成熟和成本高昂，推广应用受到限制。然而近些年，随着环氧沥青性能的不断改进和技术的不断成熟，在高等级公路和钢桥面铺装结构中得以广泛应用。

环氧沥青混合料应用于道面铺装，其物理和力学性质受交通荷载大小、轴载次数、环境因素等影响。由于飞机荷载胎压大，滑行速度快，对道面面层铺装混合料的性能要求更高。就混合料设计而言，一方面要求有优质的原材料，另一方面更要有适用于机场道面性能的混合料设计方法，满足特殊荷载作用的要求并确保道面铺装结构的结构性能和耐久性要求。

沥青混合料配合比设计方法最早且最具代表性的方法是马歇尔法[2]，该方法由M. BRUCE在二战期间发明，采用体积参数，并由美国陆军工程师兵团改进和完善。但该方法从试件成型方式、控制指标等方面存在缺陷。W. VAVRIK[3]首先提出三参数的贝雷法，不仅可以用于级配的检验，还可用于级配的设计。美国在1987—1993年开展的公路发展计划SHAP，研究出一套高性能沥青路面的设计体系Superpave。该设计方法把空隙率Va、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA、粉胶比DP、压实度作为混合料设计的控制标准[4]。在国内林绣贤[5]提出i法、k法等级配计算方法，张肖宁等[6]提出体积设计法，王林等[7]提出多级嵌挤密级配设计方法等。

鉴于此，笔者采用Superpave设计方法，针对机场道面飞机荷载的特殊性以及对混合料的性能要求，全面展开适用于机场道面的环氧沥青混合料配合比设计研究。

1 Superpave设计方法基本原理

1.1 旋转压实原理和特点

旋转压实的基本原理为：旋转压实仪是美国SHRP计划中高性能沥青路面(Superpave)技术研究的一个重大研究成果之一。通过调整压头值进而来模拟道面的实际应力状态；在恒定的垂直压强、恒定的压实角度和规定的压实转速3个主要技术条件下，通过揉挤的方法使试件循偏心角做匀速圆周运动，压实后再去偏心角压实整平。通过施加垂直压力和水平剪力来模拟道面所受的复杂应力状态。

Superpave设计方法在进行沥青混合料设计时还有与工程实践更紧密结合，具有以下特点：Superpave法在选择沥青胶结料时采用SHRP的PG分级法直接与路面性能结合起来，考虑温度稳定性、疲劳特性以及交通特点；Superpave规范体系明确了各体积参数的特性及定义；采用有效沥青用量和集料有效相对密度计算混合料体积参数，反映油石作用的机理；采用具有揉搓挤压效果的旋转压实方法，充分体现混合料的嵌挤作用，与道面实际压实过程效果较接近，提高结构抗车辙能力；Superpave方法通过设计交通量确定旋转压实次数，并采用不同的压实次数针对不同压实阶段的压实性要求，可充分反映沥青混合料的压实特性。

1.2 压实参数选取

为准确把握和全面分析压实次数，Superpave确定了3个压实次数参数：初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes和最大压实次数Nmax。其中用Nini评价沥青混合料的可压实性；用Ndes表征达到目标空隙率所需的压实次数，也即设计交通荷载作用下现场期望压实密度；用Nmax评价在交通荷载作用后的混合料是否发生塑性破坏。道面混合料应以道面飞机荷载水平及交通量决定旋转压实次数。机场道面旋转压实次数应结合飞机胎压大小设计旋转压实次数。为此，Cooley[8]通过室内外试验并结合FAA标准，提出了适用于机场道面旋转压实次数的标准见表1。

表1 旋转压实次数和压实度

注：@表示50名条件下前者的数值。

结合本研究的荷载特点，选定设计旋转压实次数Ndes为80次。其中初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes、最大压实次数Nmax三者之间关系如式(1)、式(2)：

logNmax=1.10logNdes

(1)

logNini=0.45logNdes

(2)

1.3 体积参数

压实的环氧沥青混合料介质包括沥青体积、集料体积和空气体积3部分。由于集料表面有开孔空隙，致使沥青胶结料存在有效沥青(胶结集料)和吸收沥青(填充集料开口空隙)。环氧沥青混合料性能受体积参数影响显著，通过对体积参数的控制实现对试件性能的总体把控，体积参数见图1。

图1 压实试件的体积组成结构Fig. 1 Volume composition structure of the compacted specimen

其中：Vmb是压实试件的总体积；Vmm是集料和沥青实体的体积；Va是压实试件的空隙体积；Vb是压实试件所用沥青的总体积；Vbe是有效沥青体积；Vse是有效集料体积；Vma是矿料间隙体积；Vsb是集料毛体积；Vba是被集料空隙吸收的沥青体积。在Superpave设计中，通常采用有效密度Gse作为混合料的计算密度，除此还包括合成集料的毛体积密度Gsb、表观密度Gsa，见式(3)～式(7)。

(3)

(4)

(5)

Gse=C×Gsa+(1-C)×Gsb

(6)

(7)

1.3.1 空隙率(Va)

Va是混合料重要的体积特征参数并影响混合料的稳定性和耐久性。可按照式(8)计算。

Va=100-%Gmm@Ndes

(8)

式中：%Gmm@Ndes为混合料在设计旋转次数Ndes下的密度和理论最大密度的百分比。

1.3.2 矿料间隙率(VMA)

矿料间隙率主要影响集料表面沥青的包裹特性和集料嵌锁特性，由式(9)计算。

(9)

Superpave法中对公路路面混合料的VMA的要求见表2。在机场沥青混合料设计中，混合料配合比设计中根据马歇尔设计方法对矿料间隙率VMA做出了规定见表3。

表2 公路Superpave中混合料对VMA的要求

注：设计轴次为20年设计期限内累计的轴载次数。

表3 沥青混合料VMA要求

由表2可知，在Superpave法中，每档矿料间隙率在公路工程中累计轴载作用次数30×104次为界限，而机场工程中不考虑轴载作用次的规范要求，两者在VMA最小值的规定上几乎一致。鉴于此，考虑环氧沥青黏结力强及热固性的特点，结合公路Superpave法和机场马歇尔设计方法，提出机场环氧沥青混合料的VMA要求，见表4。

表4 机场环氧沥青混合料对VMA的要求

1.3.3 沥青含量

沥青混合料中的沥青分为两部分：有效沥青和集料吸收沥青。其中集料空隙吸收沥青体积Vba、有效沥青体积Vbe可以用式(10)和式(11)表示：

(10)

(11)

式中：Dn为集料的最大公称粒径。

有效沥青含量Pbe则是总沥青量与被集料吸收的部分的质量差，Pba可以根据矿料沥青的吸附性试验确定，或者利用式(12)和式(13)估算。

(12)

(13)

在Superpave设计中，初始沥青用量Pbi通过计算所得，见式(14)。

(14)

式中：Ws为集料的质量，可由式(15)计算。

(15)

1.3.4 粉胶比(DP)

粉胶比是通过0.075 mm筛孔的集料质量百分率和有效沥青含量(混合料质量百分率)的比例，见式(16)：

(16)

式中：P0.075为通过0.075 mm筛孔集料质量百分率。

矿粉含量影响混合料的温度稳定性和疲劳特性，故环氧沥青混合料将低温性能作为粉胶比的控制因素。在Superpave设计规范中，当设计级配在最大密实度曲线下方时，要求DP的含量控制在0.8～1.6。

1.3.5 沥青饱和度VFA

在Superpave混合料设计中，沥青填隙率主要是确保足够的空隙率确保沥青可以迁移，从而使混合料满足高温稳定性要求；交通荷载越大，沥青填隙率越小。针对于环氧沥青材料本身热固性的特点，环氧沥青在高温条件下不会迁移并且具有优良的高温稳定性，因此，在机场环氧沥青混合料Superpave设计中可不考虑该体积参数。

2 混合料的材料特性

试验采用HLJ-2910型环氧沥青，包含AB双组份，其中A组分为环氧树脂，B组分为基质沥青与固化剂的混合物，见表5。

表5 HLJ-2009型环氧沥青的主要性能

本次试验选用4档集料，按JTG F42—2005《公路工程集料试验规程》对该集料进行相关试验检测结果见表6。

表6 集料性能试验结果

3 混合料配合比设计

3.1 初始级配的设计

Superpave级配设计初始阶段主要任务有：确定初始级配，根据机场交通量确定旋转压实次数成型试件，测试沥青混合料的理论最大密度，确定压实试件体积参数，确定最终级配与初始沥青用量。

在Superpave设计中，引入了禁区和控制点[9]的概念。控制点分上、下限，用3个粒径控制：即最小粒径P0.075、中等粒径P2.36、公称最大粒径的通过率；禁区是由最大密度曲线在粒径0.3 mm和2.36 mm围成的一个限制级配曲线通过的区域带。该区域设置主要是为控制砂的用量和提供足够的VMA。故级配的设计曲线须以最大密度曲线、禁区和控制点去共同控制设计级配，通过控制点避开禁区满足Superpave的设计要求。根据面层厚度与集料公称粒径规定，道面上面层单层厚度4～6 cm，环氧沥青混合料最大公称粒径采用13.2 mm的级配，Sup-13的控制点和禁区范围如图2。对机场道面，由于机场荷载较大，为了形成更粗的级配和最大强度的集料结构，并严格按照Superpave的设计要求，初步选取通过禁区下方的级配曲线，使整个集料的级配满足设计要求，初步设计级配1和级配2曲线见图2。

图2 初步设计级配Fig. 2 Preliminary design of gradation

通过对选取的4种集料进行筛分实验，并按级配1和级配2的累计筛孔通过率来设计级配，通过调节各档集料的用量，初步设计级配1和级配2的4档集料和矿粉的用量满足级配设计曲线，级配合成见表7。

表7 各档集料的用量

在Superpave中，根据混合料的密度、设计空隙率以及级配通过计算验证初始沥青含量Pbi。通过实验计算混合料的物理参数见表8。

表8 混合料的油石比估算

3.2 沥青用量计算

采集旋转压实过程中试件的高度变化数据，结合设计毛体积密度以及试件的理论最大密度可以计算出试件在旋转压实的过程中的压实度变化，具体见式(17)：

(17)

式中：%Gmm@Nx为试件在压实次数Nx下的压实度；Gmb@Ndes为试件在设计旋转压实次数下的毛体积密度；Hdes@Ndes为试件在设计旋转压实次数下的高度，mm；Hx@Nx为试件在任意旋转压实次数下的高度，mm。该设计方法通常用%Gmm@Nini评价环氧沥青混合料的可压实性，通过旋转压实测试两种级配压实次数与密实度及试件高度关系见图3～图6。由图可知，试件的高度Hx和压实度Gmm在压实初期变化幅度较大。随着旋转压实次数的增加，试件的高度和压实度变化曲线比较平缓；当压实次数达到设计压实次数80次时，高度和压实度曲线的斜率变化十分缓和，且压实度接近96%，说明试件在该压实次数下，已被充分压实，此时空隙率接近4%。压实达到80次时体积参数见表9。

图3 级配1在Pbest=5.0%下高度变化Fig. 3 Height change of gradation 1 in Pbest=5.0%

图5 级配2在Pbest=5.0%下高度变化Fig. 5 Height change of gradation 2 in Pbest=5.0%

图6 级配2在Pbest=5.0%下压实度变化Fig. 6 Compaction change of gradation 2 in Pbest=5.0%

%

由表9可知，初步估计的环氧沥青用量5%时，环氧沥青混合料在Ndes=80次下的空隙率为：级配1Va=4.3%，级配2Va=3.2%。由前分析可知，Superpave设计法中要求空隙率为4%，故初步设计的环氧沥青含量并非最佳沥青含量，需重新估算沥青用量Pbest确保达到设计压实次数时，空隙率为4%，估算见式(18)。而矿料间隙率利用式(19)预估：

Pbest=Pbi-0.4×(4-Va)

(18)

VMAest=VMAini+C×(4-Va)

(19)

式中：Pbi为初始沥青用量；VMAini为初始沥青用量下的矿料间隙率；C为常量系数，%Va@Ndes<4.0时取0.1，当%Va@Nde>4.0时取0.2。

级配1和级配2估算沥青用量Pbest以及在该沥青用量下体积参数Va和VMAest见表10：

表10 估算沥青用量体积参数

分别对两种级配下不同的环氧沥青用量的混合料进行旋转压实，压实次数分别设置为Ndes=80次和Nmax=124次，试验结果见图7～图10。

图7 级配1在Pbest=5.12%下高度变化Fig. 7 Height change of gradation 1 in Pbest=5.12%

图8 级配1在Pbest=5.12%下压实度变化Fig. 8 Compaction change of gradation 1 in Pbest=5.12%

图9 级配2在Pbest=4.68%下高度变化Fig. 9 Height change of gradation 2 in Pbest=4.68%

图10 级配2在Pbest=4.68%下压实度变化Fig. 10 Compaction change of gradation 2 in Pbest=4.68%

3.3 级配和最佳沥青用量的确定

通过旋转压实后的环氧沥青混合料试件的理论最大密度和毛体积密度实验压实数据分析，对级配1和级配2在各自估算沥青用量下的体积参数和压实特性进行计算，检验两种级配下的体积参数和压实特性能否满足机场Superpave方法中混合料的设计标准，选出最合适的级配。如果级配都不能满足标准的要求，则要重新选择级配，重复上述的过程，直到级配都能满足设计要求为止。级配1和级配2在估算沥青用量下的体积参数特性见表11。

表11 两种级配在估算沥青用量下的体积和压实参数

由表11可知，在设计压实次数下级配2的矿料间隙率和最大压实次数的压实度不满足要求；同时从级配组成上来看，粗集料含量也较级配1少，使用中会影响到高温稳定性；级配1在估算的沥青用量为5.12%，其对应设计旋转压实次数下的空隙率、矿料间隙率满足设计要求。此外用%Gmm@Nmax验证环氧沥青最佳用量时也可满足压实度的要求，在级配1的级配设计下，环氧沥青的最佳用量设计为5.12%。综合分析，在面向起落架构型复杂、轴载重、胎压高的飞机荷载时，初步可选择级配1，且最佳油石比为5.12%。除此之外，在Superpave混合料设计与分析体系中，充分考虑集料特性和混合料的体积特性(空隙率和矿料间隙率)选择沥青用量的基础上，还需进行一系列温度范围内环氧沥青混合料的性能试验，验证配合比设计的科学性与合理性，从而保证环氧沥青混道面优良的使用性能。

4 环氧沥青混合料温度稳定性

沥青类材料的温度稳定性主要是指低温抗裂和高温抗变形能力，而该性能一直以来都作为沥青道面重要的评价指标。针对环氧沥青混合料的温度稳定性进行了分析和评价。

4.1 环氧沥青道面高温抗变形能力

沥青类材料的高温稳定性通常是通过高温抗变形能力来反应，因此需车辙试验对高温稳定性进行验证。通过轮碾法成型标准车辙试件：300 mm×300 mm×50 mm。由于飞机胎压较汽车胎压高，故本次试验轮压选用1.2 MPa；试验温度为60 ℃，加载速率为42次/min。试验结果如表12。

表12 环氧沥青混合料车辙试验结果

由表可知，在环氧沥青混合料轮辙试验中，动稳定度几乎为0，在1 h的加载过程中产生的累积变形环氧沥青混合料几乎不产生轮辙。

4.2 环氧沥青道面低温劈裂强度

试验试件为直径为100 mm标准试件，采用旋转压实法成型。成型后置于120 ℃的烘箱中养生，直至固化；试验前将试件按试验温度保温6 h；以1 mm/min的加载速率在MTS810万能材料机上加载；试验温度以5 ℃为一个温度梯度，分别测得-20～15 ℃的劈裂强度。试件的劈裂试验过程如图11，试验结果如表13。通过对试验数据回归，建立劈裂强度和温度的关系，如图11。

图11 劈裂试验加载破坏过程Fig. 11 Loading and failure process of splitting test

图12 劈裂强度和温度的关系Fig. 12 The relationship between splitting strength and temperature

项目试验温度/℃151050-5-10-15-20-25破坏荷载/kN51．056．164．683．3102．0114．8127．5134．3136．9劈裂强度/MPa5．25．76．68．510．511．813．113．714．0

由图12可知，环氧沥青混合料试件劈裂破坏面不仅是环氧沥青拉裂，同时有许多粗集料被拉断的新鲜破坏面。由此表明，一方面环氧沥青有极强的黏结力，另一方面环氧沥青混合料的劈裂强度同时受环氧沥青的抗拉强度和集料力学性质影响，故随着温度降低，环氧沥青混合料的劈裂强度逐渐趋于稳定。由图12可知，随着温度降低环氧沥青混合料的劈裂强度逐渐增大，当温度低于-15 ℃时增长趋势减缓，且劈裂强度接近于14 MPa；而在温度高于5 ℃时，劈裂强度减小趋势明显变缓且高劈裂强度最小值趋近5 MPa。而由文献[10]可知，同样采用旋转压实法成型的不同沥青品种的AC-13普通沥青混合料，其低温劈裂强度在5 ℃时为1.5～2 MPa； -10 ℃时为3～4 MPa；而-15 ℃时为3.5～4.5 MPa。通过低温劈裂强度对比可知，环氧沥青混合料远大于普通沥青混合料。也再次说明环氧沥青混合料优越的温度稳定性。

5 结 论

1)考虑到机场荷载条件的特殊性，进行环氧沥青混合料配合比设计时，宜采用Superpave设计方法。

2)考虑到飞机荷载的特殊性，建议机场道面Superpave方法中的设计旋转压实次数Ndes按飞机轮胎压力来划分3个等级，并选取80次做为设计旋转压实次数

3)由于环氧沥青的热固性，在进行配合比设计时，可不考虑沥青饱和度这一体积参数，选取设计压实次数下的空隙率、矿料间隙率作为确定环氧沥青用量的体积设计指标；把初始旋转压实次数的压实度和最大旋转压实次数下的压实度作为最佳环氧沥青用量的验证指标。相关验证体积参数和级配组成特性的对比分析

4)设计两种不同级配曲线，且两者均避开禁区且在控制点允许的范围内，通过对选择在最大密实度曲线下方的级配曲线1，及其对应的最佳沥青用量为5.12%。

5)通过试验验证了环氧沥青混合料优越的温度稳定性，主要体现在：高温动稳定度几乎为0，低温劈裂强度明显优于普通沥青混合料。

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(责任编辑：朱汉容)

Mixture Proportion Design of Epoxy Asphalt Mixture for Airport Based on Superpave

RAN Wuping1,2，LI Ling1，GU Zhifeng2

(1. School of Civil Engineering & Architecture, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, P. R. China; 2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, P. R. China)

Through the analysis of the principle and characteristics of Superpave mixture proportion design method and combining with the special aircraft load conditions, epoxy asphalt mixture proportion design of airport pavement was studied. The results show that design rotating compaction times are recommended to be 80 times by considering the particularity of the plane load. VA and VMA of design compaction times are selected as volume design indexes of epoxy asphalt mixture. The compaction degree of the initial rotation compaction times and the maximum rotating compaction times are selected as verification indexes of the optimal epoxy asphalt dosage. Finally, two aggregates were selected to carry out mixture proportion design and the optimal gradation was determined by comparison analysis. The optimum asphalt-aggregate proportion was determined to be 5.12%.

highway engineering; airport pavement; epoxy asphalt mixture; mixture proportion design; design rotating compaction

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.06

2016-02-23；

2016-04-22

国家自然科学基金项目(U1433201)

冉武平(1977—)，男，甘肃镇原人，副教授，博士，主要从事铺面结构理论方面的研究。E-mail：rwpxju@163.com。

U414

A

1674-0696(2017)04-030-08