應(yīng)用 FC 材料提高跑道質(zhì)量減少 FOD 影響飛行安全研究

彭書成，周宏友，吳志輝，劉 巖，侯正昌，孔 愚

（1.杜強華微（北京）高新材料科技有限公司，北京 101407；2.中國航空港建設(shè)第三工程總隊 北京新機場項目部，北京 102602；3.北京新機場建設(shè)指揮部，北京 102602；4.北京中企卓創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，北京 100621；5.清華大學(xué) 材料學(xué)院 FC 中心，北京 100084）

0 引言

水泥和瀝青混凝土是民航機場跑道的主要工程形式，隨著工程體量和面積的增大，加之機場運營強度加大，自然侵蝕加重等，因道面裂縫造成的混凝土破碎和掉落不斷出現(xiàn)，形成了新形態(tài)的破損脫落物（FOD），對飛行安全構(gòu)成了嚴重的威脅，成為了機場設(shè)計施工必須考慮的重要因素。

1 FOD 與飛行安全

1.1 FOD

FOD 是 Foreign Object Debris 的縮寫，即可能損傷航空器的外來物；通常是由航空器脫落物（如零件、破片等）和人工遺落物（如工具、物品等）以及生態(tài)形成物（如鳥禽、動植物等），還有機場建筑或道面破損形成的碎塊［1］。

1.2 FOD 對飛行安全的影響

根據(jù)調(diào)查公司統(tǒng)計，每年機場跑道上的 FOD 造成的直接經(jīng)濟損失高達 40 億美元。如果 FOD 對發(fā)動機或機身造成破壞，輕時導(dǎo)致跑道關(guān)閉，重則造成機毀人亡（見圖 1、圖 2）。

圖1 損壞的道面

圖2 被道面碎片扎破的輪胎

1.2.1 案例一

2005 年 1 月 20 日，國內(nèi)某航空公司的一架 B 737－700 準備離港，當(dāng)機組啟動發(fā)動機，地面機務(wù)人員發(fā)現(xiàn)左發(fā)前方有火星閃出，立即通知機組關(guān)車。經(jīng)查：有兩塊道面板因掉邊進行過維修，修補處已松動脫落，從而產(chǎn)生水泥碎塊，被飛機左發(fā)吸入，多個葉片被打壞，飛機停場更換葉片。

1.2.2 案例二

2019 年 1 月 29 日，印度航空一架空客 A 321－200 飛機（注冊號 VT-PPN）從蒂魯帕蒂機場 26 跑道起飛時，由于跑道表面破損，飛機起飛時，跑道脫落物與飛機發(fā)生撞擊，飛機底部出現(xiàn)大面積損傷，水平安定面破損（見圖 3）。

圖3 被飛濺的道面碎片劃傷的蒙皮

1.3 現(xiàn)階段 FOD 的特點

隨著航空器技術(shù)和機務(wù)、場務(wù)水平的提高，航空器脫落物和人工遺落物已經(jīng)明顯減少；但由于現(xiàn)在航運普遍強度加大，超高速、大重量飛行器運營已成常態(tài)，對機場混凝土跑道的沖擊力已經(jīng)遠遠超出設(shè)計建造時的水平；再加之各種自然侵蝕，很多混凝土道面出現(xiàn)掉邊、掉角，鼓包、裂縫等破損，其道面混凝土脫落物便形成了新形態(tài)的 FOD［以下簡稱“FOD（混凝土）”］，屬于高危外來物；特別是部分機場對道面破損采用小修小補和“蓋薄被”的維護技術(shù)，接縫處和層間不密實，更增加了 FOD（混凝土）形成的風(fēng)險（見圖 4）。

針對 FOD 的威脅，部分大型機場安裝了 FOD 探測預(yù)警設(shè)備；但由于 FOD（混凝土）屬于非金屬物質(zhì)，碎裂面多呈蜂窩狀，且與道面同材質(zhì)、同色別，無論是探測雷達掃描還是人工目力觀察，都難以獲得有效識別；因此，F(xiàn)OD（混凝土）已成為當(dāng)前影響機場飛行安全的一個重要因素。

2 實例分析從源頭控制 FOD（混凝土）

大面積水泥混凝土道面施工，極易產(chǎn)生收縮裂縫；在機場運營中，由于頻繁的高強度沖擊，會造成縫隙邊緣脫落，從而形成高危 FOD（混凝土）。

2.1 大興機場跑道工程

大興機場（一期）設(shè)計建設(shè)“三縱一橫”4 條跑道；其中，西一、東、北跑道寬度均為 60 m，西二跑道寬 45 m；西一、西二、北跑道長度均為3 800 m，東跑道長為 3 400 m；均屬于超大面積水泥混凝土道面工程（見圖 5）。

圖4 國內(nèi)某機場混凝土外來物比例

圖5 大興國際機場鳥瞰

傳統(tǒng)的機場道面混凝土材料是準脆性材料，容易開裂、斷板及掉邊掉角，使混凝土耐久性下降，造成道面劣化；另外，機場道面的質(zhì)量損傷導(dǎo)致在飛機起降沖擊荷載下機場道面整體結(jié)構(gòu)性能破壞，造成機場道面失效，降低機飛跑道的運行安全。

為有效增強混凝土的粘結(jié)力、握裹力，改善混凝土的韌性，實現(xiàn)道面設(shè)計解決混凝土開裂、提高混凝土抗沖擊韌性要求、保障飛行安全，經(jīng)多方調(diào)研論證，并實地考察工程案例；決定在大興機場跑道和除冰坪工程建設(shè)中采用 FC 材料及其成套工藝，在保證工程質(zhì)量的同時，從源頭實現(xiàn)對 FOD（混凝土）發(fā)生的全壽命期控制，為飛行安全打下堅實的基礎(chǔ)。

2.2 FC 材料原理及工藝

FC 材料是由清華大學(xué)材料學(xué)院 FC 中心刻苦攻關(guān)，為大幅提升混凝土工程質(zhì)量、延長使用壽命，減少維護費用而研發(fā)的，并已于 2008 年 5 月開始 2018 年技術(shù)升級為第六代。

FC 材料具備全套自主知識產(chǎn)權(quán)，現(xiàn)有 4 項核心技術(shù)指標是中國唯一、綜合技術(shù)數(shù)據(jù)世界領(lǐng)先，并探索了一整套生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場施工工藝（如攪拌投料時間、做面時間、拉毛時間等綜合技術(shù)）。

FC 材料具體技術(shù)指標：

1）超高抗拉強度 900～4 500 MPa；

2）高模量 8 000～13 000 MPa；

3）高抗堿性 96 % 以上（遇堿后不降低強度）；

4）斷裂延伸率從 40 % 降到低延伸 10 % 和 20 % ～25 %；

能夠解決混凝土塑性收縮引起的裂縫問題，改善混凝土抗裂、抗?jié)B性能，提高工程抗沖擊和抗凍融能力［2］。

2.3 FC 材料生產(chǎn)工藝創(chuàng)新點

FC 材料探索出一套高分子材料縮聚反應(yīng)粘度技術(shù)，攻克了高溫、高速、高壓、牽伸熱定型數(shù)控工藝，創(chuàng)新了高分子有機和無機聚合材料技術(shù)抗堿保留率，一是粘度從國際上的 0.98 提高到 1.3，二是分子從國際的35 000 提高到 38 000，三是有機與無機溫度聚合結(jié)構(gòu)，達到了超高強度、高模量、高抗堿和低延伸率的綜合材料技術(shù)指標。

3 應(yīng)用 FC 材料控制 FOD（混凝土）發(fā)生

由于 FC 材料的特殊性能和方便易行的摻加技術(shù)，能夠在不改變傳統(tǒng)道面施工工藝的前提下，解決質(zhì)量通病，提高道面質(zhì)量。

一是阻裂作用。FC 材料的穩(wěn)定性使其能夠在混凝土中長期保持良好的穩(wěn)定性能，從而有效減少甚至完全消除混凝土澆灌后尚處于塑性狀態(tài)時產(chǎn)生的裂縫；提高道面的抗?jié)B、抗凍融和耐久性；從而防止因裂縫造成的深層塊體破碎和表層脫落［3］。

二是橋接作用。FC 纖維材料具有很好的攪拌分散性，其多維支撐拉力體系可以有效提高混凝土的均質(zhì)性，使混凝土硬化過程中的塌落度明顯減小，在邊角和接縫部分的固化作用尤為明顯；FC 纖維材料所特有的抗拉強度和大長徑比，能夠在混凝土中形成“錨索”作用，即使在發(fā)生意外事故造成破壞性沖擊時，也不會出現(xiàn)碎片式飛濺，便于善后處理。

三是強韌作用。FC 纖維材料的高抗拉強度、低延伸率和大長徑比決定了混凝土道面的局部強度和整體韌性，可以防止在反復(fù)高強度沖擊下形成的疲勞裂縫；并能在保證強度的基礎(chǔ)上，通過特殊時間窗口，完成拉毛刻槽等工藝，實現(xiàn)無損害做面；同時保持了道面的光潔度，防止其他 FOD 的滯留。

4 竣工后效果評估

在東跑道、北跑道、南除冰坪及北除冰坪共約60.66 萬 m3、總計 24.8 萬 m3混凝土道面施工中摻加了 FC 材料約 330 t。

2019 年 5 月 11 日對兩條跑道和兩個除冰坪的 FC 水泥混凝土地面進行澆水測試，沒有出現(xiàn)任何裂紋；2019 年 10 月 14 日再次進行澆水測試，結(jié)果：普通水泥混凝土地面上澆水后就會出現(xiàn)肉眼可見的微裂縫，而應(yīng)用了 FC 材料跑道和除冰坪沒有裂縫；2019 年 8 月順利通過民航局組織的竣工驗收（見圖 6）。

交付使用至今未見有危害性 FOD（混凝土）出現(xiàn)。

5 結(jié)語

本研究在提高混凝土道面施工質(zhì)量的同時，解決了長期困擾場務(wù)部門的道面混凝土脫落物形成 FOD 問題；隨著 FC 材料的創(chuàng)新和推廣，將在提高飛行安全系數(shù)、減少維護保養(yǎng)成本方面，為世界機場道面施工帶來革命性進步。隨著車輛行駛速度的提高，在公路、鐵路交通中，混凝土工程脫落物也可能成為威脅交通運行安全一個重要因素，借用該研究的原理和方法可以舉一反三。

圖6 大興國際機場跑道