昆明長水國際機場瀝青道面建設關鍵技術研究
重慶鵬方路面工程技術研究院****
2023年05月
1 概述
1.1 課題背景及研究意義
隨著國民經濟的迅速發展，我國的道路通航里程也得到了快速發展，據不完全統計，2023年全國高速公路通車里程僅為147公里，截至2023年底，我國高速公路通車里程已達到2.52萬公里，躍居世界第二位，2023年突破了4萬公里。然而90年代以來，隨著交通交通量和過載車輛的增加，路面破壞成為目前交通部門最為棘手的難題，通過對路面破壞原因調查發現：
50%以上的路面破壞源於基層材料抗裂性設計不足。
路面基層材料的發展過程，從上世紀50年代至今，基層材料的發展經歷了三個發展階段：（1）手擺片石、碎石土、碎磚材料；（2）泥結碎石、級配礫石、級配碎石等；（3）無機結合料穩定土類。由於碎石土、碎磚材料以及泥結碎石等塑性指數大，含土量大而逐漸暴露出水穩性差，主要在低等級路面採用；相反，由於級配碎石、水泥穩定類材料具有良好的強度、水穩性、抗變形能力及施工效能，目前在我國95%以上的高等級路面、機場跑道等基層得到廣泛應用。
然而，通過近年來大量的應用及實踐檢驗，其暴露的缺陷也日益突出，其中以裂縫問題最為突出。
調查己建高速公路的使用狀況表明，不論南方北方，通車一年後最遲第二年路面多會出現大量裂縫，在以後的其它季節還會繼續增加。結果，路面的整體性和連續性遭到了破壞，更嚴重的是路表水通過裂縫進入路面結構，深入土基，導致路面結構過早破壞。其實公路設計者早已認識到提高路面基層抗裂性的重要性，且不說水泥穩定類材料即便是級配碎石如果在設計時考慮不周全，施工時處理不當，或施工完成後沒有進行及時有效的養生，也會產生間距大小不等的橫向收縮裂縫，從而加速瀝青面層反射裂縫的出現，因此設計出具有良好抗裂性的基層已經成為解決當前路面病害最為有效技術手段。
昆明長水國際機場是國家十一五期間唯一遷建的大型樞紐機場，場址位於昆明和曲靖之間的小哨，工程預計2023年開工建設，新建兩條跑道，其中東跑道長4000m，寬60m，西跑道長4000m，寬45m，航站樓建築面積548000m2。東西跑道瀝青混凝土道面結構層為：50mmsma-13 + 65mmac-20 + 65mmac-20 + 100mmatb-25基層+10～20mmac-5上鋪土工布+400mm水泥碎石+100mm級配碎石。
眾所周之，機場道面是機場最主要的基礎設施之一，是供飛機起飛、著陸滑跑、飛行前準備和飛行後維護保養的場地，如果機場在基層抗裂性方面設計不良，尤其在飛機著陸的瞬間對道面的施加的衝擊壓力遠遠高於公路路面，這樣極易造成機場跑道的後期發生「連鎖破壞」效應。
基於我國機場瀝青道面技術研究起步晚，加上機場建設專案集中、單位投資巨大、實體工程數量有限等特點，難以同公路路面一樣形成普遍性研究，所以技術研發滯後，在當前機場跑道道面技術尚不成熟的階段，機場跑道道面的設計很多都是將公路路面技術直接轉化利用。本課題將展開對機場跑道抗裂性基層混合料研究，通過對基層材料在不同的成型方式下進行抗裂性的研究，提出適合於昆明機場跑道基層、底基層的配合比，指導昆明機場跑道基層的施工。同時希望通過本課題的研究，使機場跑道基層混合料的設計及施工控制技術得以改進和提高，並得到推廣使用，為今後其它機場跑道基層材料的設計和相應規範的制定提供相當有益的借鑑。
1.2 基層抗裂技術研究現狀
路面基層、底基層的裂縫表現形式為：縱向裂縫、橫向裂縫以及龜裂。從產生原因分析主要有三個方面：
① 路基的抗裂性、穩定性設計不足，出現路基的沉陷和反射裂縫，由於基層、底基層對路基的依賴順從性，導致其產生裂縫；② 基層、底基層材料抗裂性設計不足，往往在面層加鋪前就出現，主要表現為乾燥收縮裂縫和溫度裂縫；③ 在基層、底基層存在微小裂縫的情況下，加之上部重荷載作用，加速其裂縫的發展和延伸。
為解決並預防基層、底基層的結構性開裂問題，抑制或者延緩基層、底基層裂縫的發生、發展，提高路面的耐久性能，延長使用期限，國內外一部分大專院校、道路研究機構及公路科研人員在抗裂研究及預防性技術措施等方面相繼進行了大量的研究，並取得了部分研究成果。
1.2.1 國內研究現狀
（一）基層材料抗裂效能研究方面
水泥穩定碎石抗裂性不足[1-2]是其最難解決的問題，為此國內科技院校相繼展開了相關的試驗研究[3-7]。其中長安大學蔣應軍在「水泥穩定碎石收縮裂縫防治研究」中提出骨架密實結構的水泥穩定碎石混合料，研究認為：水泥穩定碎石混合料的乾縮主要是通過毛細管張力作用、吸附水及分子間力作用、層間水作用及碳化收縮作用四個過程引起的巨集觀體積收縮。
其乾燥收縮值與材料剛度成反比，與含水量成正比。長安大學張嘎吱等進行了「考慮抗裂性的水泥穩定類材料的配合比設計方法研究」，研究表明：相同級配的水泥穩定碎石混合料存在相應於最小溫縮係數的最佳水泥劑量。
水泥穩定碎石混合料中0.075mm以下的細集料含量越多，混合料抵抗收縮能力越差。水泥穩定類材料整體級配越細，乾燥收縮越大；級配接近於懸浮結構，乾縮性越大，且乾縮破壞主要發生在早期。
長安大學張登良教授等對不同型別半剛性基層材料進行了飽水狀態、最佳含水量狀態、半風乾狀態、風乾狀態和烘乾狀態下的電測法實驗，得出了如下結論：①在水穩材料中摻加集料可以顯著地降低其溫縮、乾縮效能；②水泥穩定粒料類的溫縮性和幹縮性優於石灰粉煤灰穩定粒料、石灰穩定粒料類；③水泥的最大劑量不宜超過6%；④烘乾狀態下，試件的溫縮係數隨齡期增大而增大，且初期增長較快，而後期增長較慢。
東南大學的何兆益博士通過試驗路的觀測以及室內試驗對級配碎石進行了分析研究，提出級配碎石基層的合理厚度，並對級配碎石層控制反射裂縫的原因以及施工方法進行了初步的**。哈爾濱大學的曹建新就級配碎石基層材料的組成結構和動力特性進行了研究。通過對主骨架、細集料以及混合料的cbr值、回彈模量值與永久變形的對比研究，得出組成結構是影響物理力學性質的決定性因素，而組成結構的形成是級配與工藝綜合作用的結果。
北京公路研究所採用彈塑性有限元法，分析了不同模量、不同厚度的級配碎石對瀝青面層，半剛性基層層底應力影響，不同模量、不同厚度的半剛性基層對瀝青面層，半剛性基層層底應力影響，從而提出合理的級配碎石模量、厚度，提出了al體系級配碎石設計引數建。
（二）基層開裂的防治措施及技術
（1）增加瀝青面層厚度
通過增加瀝青面層厚度以防止基層反射裂縫，國際上通用的結論是需要將瀝青面層增加至15~25cm，而不是按疲勞應力公式計算得出的較薄面層。國內一些試驗表明，在瀝青面層厚度成18cm時，半剛性瀝青路面特別是水泥穩類基層瀝青路面裂縫[8-10]仍較為突出。從目前國內已修築的水泥穩定類基層瀝青路面來看，出現反射裂縫情況隨著面層厚度的加大有明顯的改善，但車轍問題則隨著路面厚度的增加而增多，其主要原因是瀝青面層太厚影響了路面的高溫穩定性。
此外，通過較厚的瀝青面層來防止和減少反射裂縫[11]，在經濟上也是不合理的。
（2）基面層間鋪設應力吸收層
目前，國內外對應力吸收層材料的研究主要集中在低彈性模量，高韌性的應力吸收材料上，用這種材料鋪設的應力吸收層從結構的角度延緩了裂縫尖端的應力集中，因此取得了較為明顯的防裂效果。目前，國內外尚有採用開級配瀝青混凝土或瀝青碎石作中間層，但嚴格講，瀝青碎石仍具有較高模量，能傳遞裂縫尖端的高應力及應變，雖然該層較厚時具有較好防裂作用，但不經濟。strata系統是美國koch公司專門針對反射裂縫而開發的，其膠結料採用高彈性的聚合物材料，集料最大粒徑為9.
5mm，混合料彈性模量較低，承受變形的能力較強。湖北武黃高速公路在國內首次大面積的引進strata應力吸收層系統，從運營一年後的效果看，其防裂作用明顯。
（3）基面層間鋪設級配碎石層
採用具有一定厚度的優質級配碎石作為上基層，而半剛性材料作為下臥層，這種上柔下剛式的「組合基層」在很大程度上能夠防止和減少半剛性基層反射裂縫，目前國內在基面層間鋪設級配碎石層尚不多見，「七五國家科技攻關」專案正定試驗路、西安試驗路的觀測結果均加以證實這種方法是可行的，但在石料匾乏時，實施起來有一定的難度。
以上的研究方法和結論對提高基層抗裂效能的推廣和應用提供了理論基礎，起到了積極的作用。但由於問題的影響因素眾多，十分複雜，因此，在半剛性基層設計方案或技術路線上還存在很多問題。
目前，國內在基層設計方面找到了一套比傳統重型擊實法與靜壓成型法更具科學性的新技術[12]——振動壓實及成型法。其技術特點：採用振動壓實法[13]進行水泥穩定粒料的配合比優化設計，方法合理。
設計出的混合料的抗壓強度（7d齡期）可提高一倍，水泥劑量降低1%～1.5%（水泥劑量一般為3.5%～4.
0%），乾縮係數減少一半，抗壓模量僅提高10%左右，因此，材料相對「柔韌」，具有優良的抗裂、抗疲勞特性。基層施工完畢，裸露過冬後觀測，可做到全標段無收縮裂縫，已在河北、河南、內蒙、天津等地修築了2000km以上高速公路基層，效果良好，尤其是在河南得到廣泛應用，可以做到針對當地原材料、氣候特點進行混合料優化設計，並提供與之相匹配的施工技術指導。
1.2.2 國外研究現狀
（一）抗裂效能研究方面
澳大利亞的r.e.洛林斯、美國的george等認為影響水泥穩定土乾縮效能的因素主要有：
結合料的種類和劑量、粒料含量、土的類別、粘粒含量及其礦物成分、細土含量及其塑性指數、試件含水量、齡期等。
美國k.p.喬治等人研究了水泥穩定土的乾縮特性，並論述了影響水泥穩定土收縮的因素：
在其它條件相同的情況下，土中粘粒含量愈多水泥穩定土收縮能力越強。試件含水量越大，試件乾縮應變越大，密實度越大，試件乾縮應變越小。
h.s.chang等人應用有限元方法計算了裂縫尖端的應力強度因子。
2023年，monismith等人用熱彈性力學有限元方法，研究了交通荷載與溫度荷載共同作用下開裂基層（或舊路面）與加鋪層中的應力分布特徵。
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