apa评估机场场道沥青混合料高温性能的研究

apa评估机场场道沥青混合料高温性能的研究

飞机负荷是飞机的主要故障。APA作为一种混合料高温稳定性的评价方法被许多部门采用。已有研究试图将APA室内车辙试验结果与现场车辙建立联系。Williams和Prowell以及很多州的交通部门发现APA试验结果与现场车辙相关性良好。然而,按照WesTrackForensicTeamStudy的描述,室内车辙试验与现场车辙试验的直接相关关系并不存在。例如,WesTrack的室内车辙试验结果是8000次荷载作用下产生6mm的车辙深度,相应的现场车辙深度为12.5mm。Choubane、Page和Musselman按照现场使用性能对沥青混合料进行分级。然而,他们发现在同一工程多次测试之间以及不同工程之间,APA试验变异性都较大。他们基于3种混合料的试验结果提出了APA评价标准。已有研究主要是针对APA在公路沥青混合料性能验证中的应用,较少进行APA在机场场道沥青混合料性能验证中的应用研究。同时考虑到APA设备的充气软管的压力与轮压是可变的,能够模拟场道的飞机荷载,为此开展了此次研究。1研究计划1.1角性及纹理指数astm2分析研究中采用了33种沥青混合料。沥青来自尔冈沥青与乳化剂公司,符合PG64-22,相对密度为1.038。混合料拌和温度为154℃,压实温度为145℃。集料采用ERDC储存的集料,包括石灰岩、花岗岩和角岩砾石,两个或两个以上破碎面颗粒的含量分别是100%、100%和97%,针片状颗粒含量分别是1.6%、1.0%和0.3%。采用ASTMC1252方法A测试其棱角性,试验结果分别为47%、47%和46%。粗集料的棱角性和纹理指数采用集料成像系统(AIMS)确定。通过小波分析法分析集料表面的灰度图像确定集料纹理类型。集料表面越粗糙,纹理指数越大。通过颗粒圆周的变化程度分析确定集料棱角性,变化越大棱角性越好。表1为AIMS分析的集料棱角性和纹理指数平均值。为了控制相应的车辙影响因素,一些混合料包含了10%~30%的天然砂。采用ASTMC1252方法A测试其棱角性为40%。所选级配在FAA(联邦航空局)规范允许的范围之内,细级配靠近级配范围的上限,粗级配靠近下限。含天然砂的级配在30#~50#筛孔范围内表现为驼峰形状。1.2apa试件的成型场道沥青混合料采用SGC法设计,试件直径150mm,高115mm。压实压强为600kPa,内部旋转角为1.16°±0.02°,设计旋转压实次数Ndesign为70次,速度为30转/min,设计空隙率3.5%。除了含30%天然砂的混合料,其他所有混合料都能达到FAA热拌沥青混合料的设计要求。APA试件在最佳油量下成型,试件目标高75mm。表2列出了APA试件的集料类型、最大粒径、相应的级配、天然砂比例、沥青用量和空隙率。设计的混合料一列用于区分该文中不同的混合料。1.3车辙深度的测定APA试验轮载113.5kN,胎压1722.5kPa。试验温度是PG分级高温温度64℃。试件为目标空隙率3.5%的圆柱形试件。行走速度1次/s。每种混合料采用2次重复试验,车辙深度取中值。测试试样最大车辙深度为8000次作用下12mm,而当作用次数小于8000次时,如果一个试样车辙深度达到12mm,试验终止。2混合料类型对车辙深度影响图1是33种沥青混合料在不同轮载作用次数下的APA车辙深度。从图1知,试验前期车辙深度变化速率很快,在产生1mm车辙后变化速率更能够反映混合料特性。一些混合料车辙变化速率很慢,另外一些则很快发生了车辙破坏。在产生2mm车辙深度后,车辙变化速率呈线性。由此发现车辙存在两个阶段,主要流变和第二阶段的流变,这与重复加载蠕变试验中观察到的结论一致。第三阶段的流变在试验中没有观察到。尽管混合料类型没有表示在图1中,但是可以发现混合料类型显著影响着车辙深度变化率。这些混合料的车辙变化在后文图中有体现。图2列出了不含天然砂混合料的APA试验结果,发现其表现出的抗车辙性能最好,且车辙深度与集料类型有关。其中,角岩砾石混合料的抗车辙性能劣于其他两种集料组成的混合料。虽然70%的角岩砾石至少具有两个破碎面,满足FAA要求,但是棱角性和纹理性较差,颗粒间摩擦力小。尽管VMA较大,但为了保证混合料有相同空隙率需要更多沥青。因此,抗车辙性能劣于其他两种集料组成的混合料。石灰岩混合料的APA试验结果更优。一般地,花岗岩混合料设计沥青用量较石灰岩碎石混合料大,产生车辙也较快。图3是含10%天然砂混合料的APA试验结果。这些混合料较不含天然砂的混合料更容易产生车辙。角岩砾石混合料的车辙发展速度最快。同样地,石灰岩混合料抗车辙性能最佳。为了提出抗车辙性能评价标准,研究采用了一些混合料含有30%天然砂,这已经超过了FAA最大天然砂含量15%的要求。这些混合料很快就产生了车辙破坏(少于1500次轮载作用)。总之,对APA车辙试验结果影响最大的混合料因素是天然砂的比例。较大比例天然砂会引起车辙试件过早破坏。其次,集料类型也影响试验结果,角岩砾石较花岗岩或石灰岩会更快产生车辙。3种集料类型的角性及抗车辙性能应用SigmaStat?软件按照95%的可靠度标准,采用统计方法分析了混合料对车辙的影响。方差分析(ANOVA)和Tukey测试都在数据分析中使用。分析以产生10mm车辙的轮载作用次数作为混合料性能判定指标。统计分析考虑了以下因素:1)集料类型的影响,包括石灰岩、角岩砾石和花岗岩;2)集料性质与纹理的影响,包括棱角性、表面纹理和扁长形状;3)使用机制砂或天然砂(未破碎)以及用量的影响。不含天然砂的花岗岩、石灰岩和角岩砾石混合料达到10mm车辙需要的荷载作用次数平均值分别为:6350、8000和1740次(8000次是荷载最大作用次数)。通过AIMS研究了每种集料类型中的3种不同尺寸粗集料和3种不同尺寸细集料的棱角性影响。同一集料类型的3种不同尺寸的集料棱角性不一定是不同的。石灰岩和角岩砾石粗集料的棱角性区别不大。对于同一尺寸粗集料,花岗岩棱角性优于石灰岩。1.27cm英寸和4#筛上的花岗岩较角岩砾石的棱角性好,但是0.95cm筛上则相反。类似地,石灰岩和角岩砾石细集料的棱角性差别不大。花岗岩细集料的棱角性优于各种尺寸石灰岩或角岩砾石细集料。使用AIMS研究粗集料纹理性,发现角岩砾石纹理性比任何尺寸石灰岩或花岗岩集料都小。对于同一尺寸,花岗岩纹理性优于石灰岩。总之,集料基于AIMS数据的棱角性与纹理性分档是相同的。石灰岩和角岩砾石基于棱角性的分档非常相似,但总的来说花岗岩性能最优,角岩砾石最差。棱角性和纹理性较好的集料抗车辙性能更优。基于此,棱角性和纹理性的分档结论与角岩砾石混合料最易产生车辙的结论一致,与花岗岩混合料抗车辙性能并非最优的结论相悖。花岗岩混合料较石灰岩混合料更易产生车辙,这与花岗岩较高的设计沥青用量有关。这也符合皮尔森积距的相关分析。该分析综合考虑了集料棱角性、纹理性、沥青用量、混合料空隙率对APA车辙试验结果的影响,发现集料纹理性和沥青用量是主要影响因素。10%或30%的天然砂的掺入并没有影响混合料抗车辙性能排序。掺加10%的天然砂,产生10mm车辙的平均轮载作用次数分别为:花岗岩5518、石灰岩7033、角岩砂砾2850次。这与不掺天然砂的混合料抗车辙性能排序相同,石灰岩最优,角岩砾石最差。然而,统计分析表明只有石灰岩和角岩砾石的差别较大。掺加30%的天然砂,产生10mm车辙的平均轮载作用次数分别为:花岗岩490、石灰岩790、角岩砾石784次。与含有较多破碎集料的混合料相比抗车辙性能较差。对于花岗岩混合料,10%天然砂对其抗车辙性能影响较小,但是30%天然砂影响较大。采用石灰岩混合料也能得到类似的结论。对于角岩砾石混合料是否使用天然砂以及天然砂的比例对其抗车辙性能都没有影响。集料的最大粒径和级配对不同混合料的抗车辙性能影响很小。4apa试验结果为了建立沥青混合料APA评价标准,研究了达到不同车辙深度的轮载作用次数。选择4、6、8、10mm车辙深度作为可能的破坏界限值。图4、5分别列出了不含天然砂和含10%天然砂混合料达到这些车辙深度的轮载作用次数。有些混合料在试验结束前也无法达到8mm或10mm的平均车辙深度。含30%天然砂的混合料很快就破坏了。除了一种混合料,其他所有混合料达到10mm车辙深度的轮载作用次数均小于1000次。由图4、5发现车辙主要发生在0~4mm间,呈线性积累。直到试验结束,车辙的第三阶段仍没有达到。高速公路APA试验较该研究采用的1722.5kPa轮压要小。针对高速公路APA试验,有些提出了基于不同设计轴载当量作用次数(ESALs)的APA评价标准,有些采用统一的评价标准。所有州都采用8000次的轮载作用次数。最大允许车辙深度为5mm(密西西比州),最小允许车辙深度为3mm(阿肯色州和特拉华州)。将该研究试验结果与各州标准比较,发现APA试验中采用高轮压比传统轮压破坏力更强。在高轮压作用8000次后,所有混合料的车辙深度都大于6mm,4种小于8mm,9种小于10mm。最后确定8mm或10mm车辙深度可以作为机场场道道面沥青混合料APA最大车辙深度。使用该界限值不仅可以使试验时间在合理的范围内(大约1h),而且能有效区分不同混合料。相应地达到此标准的轮载作用次数,可以反映混合料的使用性能。为了排除含30%天然砂的混合料,达到10mm车辙深度的轮载作用次数必须大于等于1000次。尽管现场车辙性能是未知的,但是角岩砾石混合料比碎石混合料产生车辙更快。3000次作用后车辙深度小于10mm,这一标准可以排除33种沥青混合料中除了一种外其他所有的角岩砾石混合料。这一标准还可以排除其中一种含有10%天然砂的花岗岩混合料。基于以上数据,机场场道热拌沥青混合料高温稳定性能评价标准为1722.5kPa轮压作用4000次后的APA车辙深度小于10mm。这一标准将把该研究涉及的33种混合料中的18种排除。这18种混合料中,11种包含了过多的天然砂,5种采用了角岩砾石,这种集料很少在机场场道工程中使用。该评价标准的优势在于其只需要1h多的试验时间而且容易实现。5岩砾石混合料抗车辙性能(1)过量的天然砂(30%)是影响车辙最重要的因素,它会导致试件在小于1000次轮载作用次数下达到10mm车辙深度。(