機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面劣化原因分析與長(zhǎng)壽命化對(duì)策

王圣程，姜 慧，馬晴晴，朱信鴿

(徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

民航運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展程度是衡量社會(huì)發(fā)展程度的重要指標(biāo)之一.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平、消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型、升級(jí)與提高，我國(guó)民航運(yùn)輸業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)，機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施得到較大改善，民航運(yùn)輸干線支線網(wǎng)絡(luò)的完善度不斷提高，民航運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅速[1].2011—2015年，我國(guó)境內(nèi)定期航班通航機(jī)場(chǎng)從178個(gè)增長(zhǎng)到206個(gè)，飛機(jī)起降架次由598.0萬(wàn)增長(zhǎng)到856.6萬(wàn)，分航路旅客吞吐量由6.2億人次增長(zhǎng)到9.15億人次，分航線貨物吞吐量由1 157.8萬(wàn)t增加到1 409.4萬(wàn)t(圖1)[2].顯然，機(jī)場(chǎng)跑道作為提供飛機(jī)起飛、著陸的場(chǎng)所，其安全保障程度對(duì)民航運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展具有重要的意義[3].我國(guó)機(jī)場(chǎng)跑道的道面結(jié)構(gòu)單一，約95%的道面為水泥混凝土結(jié)構(gòu)[4].機(jī)場(chǎng)跑道的正常使用主要取決于其結(jié)構(gòu)性能，而隨著民航運(yùn)輸量的不斷提高、各種飛機(jī)載重量的大幅度提高以及機(jī)場(chǎng)日起降架次的快速增長(zhǎng)，機(jī)場(chǎng)跑道面受到的重復(fù)加卸載作用也越來(lái)越大，再外加環(huán)境溫度的影響，機(jī)場(chǎng)跑道水泥混凝土道面內(nèi)部裂隙發(fā)育，就會(huì)產(chǎn)生各種形式的破壞，即主要表現(xiàn)為裂縫、變形、接縫損壞和表面損壞[5].為確保飛機(jī)起飛、降落安全，提高機(jī)場(chǎng)道面的使用壽命，需要對(duì)水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能再恢復(fù)，從而提高道面使用的安全性.在我國(guó)，絕大多數(shù)民用機(jī)場(chǎng)均為單跑道運(yùn)行，往往在舊水泥混凝土道面上，通過(guò)加鋪瀝青混凝土的方式對(duì)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行再恢復(fù)，形成機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面(圖2).舊水泥混凝土道面已有的內(nèi)部裂隙稱之為“既有裂隙”.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有40余個(gè)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了水泥混凝土道面加鋪瀝青混凝土工程，其中上海虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)還進(jìn)行了多次機(jī)場(chǎng)道面瀝青混凝土加鋪工程[6].

圖1 2011—2015年我國(guó)民航發(fā)展數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

圖2 機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面結(jié)構(gòu)示意圖

1 機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面劣化原因分析

通常，機(jī)場(chǎng)跑道水泥混凝土道面加鋪瀝青混凝土的設(shè)計(jì)使用壽命在10 a左右，待達(dá)到使用壽命后需再次進(jìn)行改造.對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)跑道復(fù)合道面使用狀況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：瀝青混凝土加鋪3～5 a后，復(fù)合道面在舊水泥混凝土道面接縫、裂縫位置(既有裂隙)處常出現(xiàn)破損劣化(圖3).

機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面結(jié)構(gòu)涉及水泥混凝土、瀝青混凝土兩種結(jié)構(gòu)形式，它們均表現(xiàn)出剛性與柔性.底部的水泥混凝土受溫度變化影響較大，已有研究表明，溫度每上升1 ℃，水泥混凝土膨脹增加0.000 01.顯然，溫度變形對(duì)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生極大不利的影響.我國(guó)華北地區(qū)機(jī)場(chǎng)道面溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示.從圖中可以看出：機(jī)場(chǎng)跑道表面溫度隨時(shí)間產(chǎn)生很大變化，隨著機(jī)場(chǎng)道面深度的加深，其溫度變化幅度逐漸平緩；道面深度為0.4 m時(shí)，混凝土溫度變化溫差為3 ℃；華北地區(qū)的跑道表面最高溫度出現(xiàn)在14時(shí)左右，距離道面0.2 m深處最高溫度延后到18時(shí)左右，道面結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)相對(duì)滯后；隨著道面深度的增加，最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延后，溫度的變化幅度也緩慢減少.如果溫度產(chǎn)生的混凝土膨脹應(yīng)力超過(guò)其所能承受的抗拉強(qiáng)度時(shí)，道面不僅會(huì)產(chǎn)生裂隙，而且機(jī)場(chǎng)道面存在的裂隙常伴有錯(cuò)臺(tái)、脫空等劣化現(xiàn)象，使得機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面應(yīng)力集中程度更為嚴(yán)重[7]，那么在溫度應(yīng)力與飛機(jī)荷載的共同作用下，機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面就容易在舊水泥道面板接縫、裂縫的位置出現(xiàn)裂隙等劣化現(xiàn)象.

圖3 復(fù)合道面劣化示意圖

圖4 華北地區(qū)機(jī)場(chǎng)道面溫度隨時(shí)間變化曲線

機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的水泥混凝土與瀝青混凝土結(jié)合形式是影響復(fù)合道面耐久性的重要因素.當(dāng)飛機(jī)動(dòng)載和溫度耦合下產(chǎn)生的主拉應(yīng)力超過(guò)瀝青混凝土強(qiáng)度時(shí)，機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面產(chǎn)生劣化破壞.在飛機(jī)動(dòng)載的作用下，水泥混凝土道面接縫、裂隙兩側(cè)產(chǎn)生垂直位移，使瀝青混凝土承受較大的拉應(yīng)力；受環(huán)境溫度的影響，機(jī)場(chǎng)道面脹縮產(chǎn)生水平方向位移；瀝青混凝土的彈性模量隨著環(huán)境溫度降低而增大，其抵抗劣化破壞能力減弱.當(dāng)瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以支撐拉應(yīng)力時(shí)，瀝青混凝土由于劣化而產(chǎn)生裂隙.機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面產(chǎn)生應(yīng)力集中的根本原因是機(jī)場(chǎng)舊水泥混凝土道面存在既有裂隙，當(dāng)瀝青混凝土層的某點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)達(dá)到破壞狀態(tài).由此可見(jiàn)，裂隙從產(chǎn)生到具有破壞作用，歷經(jīng)裂隙孕育、發(fā)育和擴(kuò)展的過(guò)程，即裂隙在瀝青混凝土加鋪層上的縱向橫向孕育和發(fā)育的過(guò)程，然后在飛機(jī)動(dòng)載與溫度應(yīng)力的耦合作用下，裂隙不斷向上擴(kuò)展，最終形成瀝青混凝土加鋪層的開(kāi)裂破壞，從而嚴(yán)重影響了機(jī)場(chǎng)道面的使用壽命.

2 機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面長(zhǎng)壽命化對(duì)策

按照MH 5010—1999《民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，對(duì)機(jī)場(chǎng)道面進(jìn)行瀝青混凝土加鋪層設(shè)計(jì)時(shí)，改善道面表面狀況的罩面和提高機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)承載能力的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)都要對(duì)機(jī)場(chǎng)道面進(jìn)行調(diào)查與評(píng)定，并且對(duì)可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中進(jìn)行防裂隙發(fā)育處理.因此，從機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面劣化原因方面考慮，應(yīng)適當(dāng)增加加鋪層的厚度，設(shè)置應(yīng)力吸收夾層，封堵舊水泥混凝土道面裂隙.

2.1 加鋪層厚度的適當(dāng)增加

瀝青加鋪層厚度對(duì)頂層載荷應(yīng)力的影響如圖5[8]所示.從圖中可以看出：隨著瀝青混凝土加鋪層厚度的增加，瀝青混凝土加鋪層對(duì)應(yīng)裂隙處的最大剪應(yīng)力、第一主應(yīng)力和豎向剪應(yīng)力值均呈不同程度的減??；當(dāng)瀝青混凝土加鋪層厚度達(dá)到7 cm時(shí)，加鋪層頂部受力狀態(tài)趨于平穩(wěn)；混凝土加鋪層厚度大于10 cm后，加鋪層應(yīng)力變化幅度不明顯.此外，張東長(zhǎng)等[9]分析了動(dòng)載下瀝青混凝土的孔隙率變化規(guī)律，有助于延長(zhǎng)提高機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的耐久性.綜上說(shuō)明，適當(dāng)增加瀝青加鋪層的厚度有助于減小加鋪層受力，但從成本角度考慮，不應(yīng)過(guò)分增加瀝青加鋪層厚度，一般來(lái)說(shuō)瀝青加鋪層的厚度取9～11 cm為宜.

2.2 應(yīng)力吸收夾層的設(shè)置

層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青加鋪層最大彎沉的影響如圖6[10]所示.從圖中可以看出：隨著舊水泥混凝土道面與瀝青混凝土加鋪層接觸程度的增加，瀝青混凝土加鋪層最大的彎沉量逐漸降低；當(dāng)舊水泥混凝土道面與瀝青混凝土加鋪層完全光滑接觸(K=108N/m3)時(shí)，瀝青加鋪層最大彎沉量為0.561 mm；當(dāng)舊水泥混凝土道面與瀝青加鋪層完全連續(xù)接觸(K=1012N/m3)時(shí)，瀝青加鋪層最大彎沉量為0.547 mm.這些說(shuō)明，水泥混凝土與瀝青混凝土的層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青加鋪層最大彎沉產(chǎn)生顯著影響，層間接觸狀態(tài)不佳會(huì)影響道面整體性，增大瀝青混凝土的彎沉值.

圖5 瀝青加鋪層厚度對(duì)頂層載荷應(yīng)力的影響

圖6 層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青加鋪層最大彎沉的影響

2.3 舊水泥混凝土道面裂隙的封堵

為延長(zhǎng)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面使用壽命，文獻(xiàn)[11-12]提出“氣力輸送封堵材料+注水固化粘結(jié)裂隙”的封堵舊水泥混凝土道面裂隙的新思路.其方法為：采用裂縫寬度檢測(cè)儀，全面考察機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面裂隙情況，沿著裂隙擴(kuò)展方向，緩慢注入液氮直至充滿裂隙，進(jìn)而通過(guò)液氮?dú)饣瓿蓪?duì)裂隙的清洗；采用噴射方式，向機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面裂隙內(nèi)注水后，靜置；利用粘合膠，將覆蓋裝置粘結(jié)在裂隙所處的機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面，形成裂隙封堵的相對(duì)密閉的空間，然后利用氣力輸送過(guò)程原理，將固體顆粒材料送入裂隙中，直至固體顆粒材料充滿裂隙；拆除該段覆蓋裝置，采用細(xì)水霧方式向裂隙位置注水，直至水不再下滲；固體顆粒材料在180～200 min后膨脹固化，用混凝土磨光機(jī)磨平機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面，并刻制防滑紋，達(dá)到封堵機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面裂隙的目的.封堵材料的原料組成(質(zhì)量百分比)：水泥，36%～40%；高吸水性樹(shù)脂，15%～19%；環(huán)氧樹(shù)脂固化劑，10%～15%；增稠劑，8%～12%；混凝土膨脹劑，6%～8%；減水劑，6%～8%；速凝劑，4%～6%；高爐礦渣，3%～5%[13].該方法封堵材料凝結(jié)時(shí)間短，能滿足機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面快速修復(fù)的需求；自然膨脹率大于15%，避免了固化后收縮導(dǎo)致與修復(fù)基質(zhì)混凝土之間的脫離或產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力使修復(fù)失敗，且封堵材料在相對(duì)密閉的裂隙空間內(nèi)膨脹，在機(jī)場(chǎng)道面裂隙空間內(nèi)產(chǎn)生帶壓效應(yīng)，增強(qiáng)機(jī)場(chǎng)道面封堵材料膨脹固化后的致密性，能對(duì)微細(xì)裂隙進(jìn)行封堵；封堵材料具有良好的抗剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及黏結(jié)強(qiáng)度，能滿足機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面裂隙的封堵的力學(xué)和修復(fù)需求，從本質(zhì)上減緩機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的劣化速度.

3 結(jié)論

對(duì)機(jī)場(chǎng)舊水泥混凝土道面，通過(guò)加鋪瀝青混凝土，以提高道面的使用性能，已成為大多數(shù)機(jī)場(chǎng)的延長(zhǎng)跑道壽命的必然選擇.通過(guò)上述分析，可得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的劣化是由于溫度變化、交通載荷及舊水泥混凝土道面既有裂隙等因素引起的.

2) 瀝青加鋪層地面對(duì)應(yīng)接縫處的各應(yīng)力呈減小的趨勢(shì)，故而應(yīng)適當(dāng)增加加鋪層厚度，即一般情況下瀝青加鋪層的厚度取9～11 cm為宜.

3) 水泥混凝土與瀝青混凝土的層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青混凝土加鋪層最大彎沉產(chǎn)生顯著影響，層間接觸狀態(tài)不佳會(huì)影響道面整體性，增大彎沉值.

4) 提出的“氣力輸送封堵材料+注水固化粘結(jié)裂隙”的封堵舊水泥混凝土道面裂隙的新思路，有助于延長(zhǎng)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面壽命的進(jìn)一步研究.