FC 材料及其配套工藝在大興機場跑道及除冰坪混凝土施工中的應(yīng)用研究

彭書成，吳志輝，周宏友，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.北京新機場建設(shè)指揮部，北京 102602；3.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；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 100024）

0 引言

隨著國家基本建設(shè)的發(fā)展，水泥混凝土工程規(guī)模越來越大，特別是機場的道面工程，既要混凝土結(jié)構(gòu)堅固耐久，又要表面光潔無縫，而目前水泥混凝土跑道材料在抗裂性、耐久性方面的研究還未取得突破性進展。大興機場在部分跑道道面和除冰坪工程中，摻加了 FC 纖維材料，較大程度上提高了混凝土道面工程的各項質(zhì)量指標(biāo)。

1 大興機場工程特點

1.1 概況

2014 年 12 月 15 日，國家發(fā)改委批準(zhǔn)北京建設(shè)新機場項目。大興機場是超大型國際航空綜合交通樞紐。其遠期規(guī)劃年旅客吞吐量1億人次以上，年貨郵吞吐量 400 萬噸，飛機起降 88 萬架次。

水泥混凝土道面是我國最主要的機場道面結(jié)構(gòu)形式，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。

1.2 問題

大興機場跑道坐落在北京市大興區(qū)與河北省廊坊市廣陽之間，屬于永定河洪泛區(qū)內(nèi)，土質(zhì)松軟，存在穩(wěn)定性差、沉降量大等問題；工期緊，技術(shù)要求嚴(yán)，科技含量高；同時，由于大興機場是國家重點工程，直接為 2022 年冬奧會服務(wù)，也是為祖國爭光的重要“面子工程”，對感官直視要求也非常高。

傳統(tǒng)的機場道面混凝土材料是準(zhǔn)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［1］。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，僅某省會機場 2011 年 1～2 月間就發(fā)生因道面開裂造成的剝落物軋傷飛機輪胎事件 400 余起，極大地影響了飛行安全。

因此，道面的開裂、耐久性破壞已經(jīng)成為影響飛行安全運行的頑癥（如道面開裂，角隅破壞，表面剝落及耐久性破壞等）（見圖 1～4），是現(xiàn)階段我國民航機場建設(shè)必須要面對和解決的技術(shù)難題。作為舉世矚目的國家重大工程項目，要求設(shè)計建造單位全力將其打造成為精品工程、樣板工程、平安工程和廉潔工程。

圖1 機場道面網(wǎng)狀開裂

圖2 機場道面角隅斷裂

圖3 機場道面表面剝落的耐久性破壞

圖4 機場道面典型的耐久性破壞

2 FC 材料的特性及具體功能

FC 材料是由清華大學(xué)材料學(xué)院 FC 中心利用 10 年時間（2008 年 5 月～2018 年 5 月）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 2018 年升級為第六代。

2.1 特性

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(biāo)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(biāo)包括以下幾項：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 %。

按國際通行慣例，水泥混凝土摻加纖維的長徑比一般≤100，而 FC 材料能>300（如國外纖維長度為 0.9 cm，F(xiàn)C 材料長度可做到 1.9、3.8、5.6 cm）；實現(xiàn)了重大及特殊混凝土工程需要的高強度、高模量、高韌性、低延伸率、高抗堿、超高大長徑比，能夠完全達到水泥及其混合材料的連接搭橋功能，有效阻止混凝土開裂。

2.2 具體功能

施工攪拌時，F(xiàn)C 材料能在混凝土中均勻分布、建立多維結(jié)構(gòu)，徹底解決了水泥混凝土和瀝青混凝土開裂、掉邊、掉角、收縮裂縫等通??；在機場跑道等工程中應(yīng)用，能夠提高機場道面抗裂性、抗磨損、耐久性、抗疲勞和抗沖擊性能，解決大體積、大面積混凝土道面極易開裂的世界性難題，實現(xiàn)抗凍融、抗鹽堿、抗沖擊、抗腐蝕的優(yōu)異性能，有效保障飛行起降安全。

2.3 施工案例

FC材料在第五代產(chǎn)品前已經(jīng)為國家重大工程和軍事工程應(yīng)用，“十五”期間，先后在興城機場、膠州機場、陵水機場、湛江機場、常州機場、赤峰機場、哈密機場、威海機場、鼎新機場、博鰲論壇、公安部指揮大樓屋頂停機坪、蘇通大橋橋塔、湖北鄂州水利工程、11230 工程、12180 工程、11120 工程、11140 工程等約 90 項工程中應(yīng)用，均達到設(shè)計要求；特別是在高鹽堿、高海撥、高腐蝕及高寒、高溫差地區(qū)的應(yīng)用更加突出 FC 的優(yōu)點；其中某工程應(yīng)用 FC 材料的 4 條跑道、停機坪、滑行道總面積為 150 多萬m2，使用 11 年未出現(xiàn)任何裂紋，實現(xiàn)了免維修［2］。

3 大興機場混凝土道面工程實踐

針對大興機場的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及施工進度要求，由業(yè)主、清華大學(xué)、民航科研基地、長安大學(xué)、民航設(shè)計院共同組成了《高耐久高抗裂機場道面材料關(guān)鍵技術(shù)研究》課題，認(rèn)真研究解決各類實際問題，實現(xiàn)了滿足質(zhì)量要求、按時完成任務(wù)、落實施工規(guī)范、積累技術(shù)經(jīng)驗預(yù)期目的。

1）基本情況。2014 年 12 月 26 日，大興機場破土動工。為保質(zhì)保量、按時完成任務(wù)，針對大興機場未來運營的重要性和環(huán)境地段復(fù)雜性，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。決定在上述工程建設(shè)中采用 FC 材料。大興機場是 FC 材料升級為第六代的首個樣板示范工程，在水泥混凝土道面工程中屬于新材料、新工藝的應(yīng)用，有很好的典型示范作用。

2）材料選型。長徑比的FC材料中（>300）、握裹力高（三角異性截面）、抗拉強度高（900～1 300 MPa）、模量為 8 000～13 000 MPa、斷裂延伸率為 10 %～25 %的第六代［3］（見表 1）。

表1 FC 纖維技術(shù)指標(biāo)

3）應(yīng)用規(guī)模在東跑道（面積 2 0 4 6 0 0 m2、厚度 0.38～0.42 m、體積 81 636 m3）、北跑道（面積 228 000 m2、厚度 0.4～0.44 m、體積 93 570 m3）、南除冰坪（面積 69 536 m2、厚度 0.42 m、體積 29 206 m3）及北除冰坪（面積 10 4 530 m2、厚度 0.42 m、體積 43 903 m3）共約 60.66 萬 m2、總計 24.8 萬 m3，混凝土道面。施工中摻加了 FC 材料約 330 t（見圖 5）。

圖5 大興機場超大面積混凝土道面

4）施工工藝嚴(yán)格按業(yè)主和設(shè)計要求，監(jiān)理嚴(yán)格監(jiān)督每 m3水泥混凝土摻入 1.4 kg 的 FC 材料，機械連續(xù)攪拌 70 s；整個出庫、稱量、摻加、攪拌和澆筑過程中，F(xiàn)C 技術(shù)人員始終全程參加指導(dǎo)（見圖 6）。

圖6 嚴(yán)格監(jiān)督道面施工

施工做面拉毛、刻槽方便，能夠在施工中不斷板、不空鼓、不翹板、角隅斷裂、均勻平整。2018 年 12 月大興機場施工現(xiàn)場地表溫度<-5 ℃，施工照常進行。機械攪拌時，摻加的 FC 材料未出現(xiàn)纏并絲、99 % 分散均勻。由于量化精準(zhǔn)、科學(xué)管理、規(guī)范施工，F(xiàn)C 材料混凝土道面無泌水現(xiàn)象，降低了塑性狀態(tài)收縮率。

5）檢驗評估。FC 課題組技術(shù)人員等待 FC 纖維混凝土達到 30 d 后，每天要對跑道、除冰坪工程實體與未摻 FC 纖維材料混凝土進行澆水對比試驗。專家組于 2019 年 5 月 11 日對兩條跑道和兩個除冰坪的 FC 材料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，專家及機場業(yè)主再次到機場進行澆水測試。測試結(jié)果；普通水泥混凝土地面上澆水后出現(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。

6）竣工驗收。2018 年 6 月，摻加了 FC 材料的東跑道、北跑道、南除冰坪、北除冰坪共約 60.66 萬 m2水泥混凝土道面工程，于 2019 年 8 月順利通過了民航局組織的竣工驗收（見圖 7）。

圖7 2019 年 8 月通過民航局竣工驗收

2019 年 5 月 13 日。大興機場試飛正式開始，試飛飛機順利安全降落大興機場（見圖 8）；8 月 26 日，大興國際機場圓滿完成 IIIB（3B）安全著陸、HUD RVR 75 m 起飛和國產(chǎn)四級 A-SMGCS 系統(tǒng)試飛項目。

2019 年 9 月 25 日，大興機場正式投入運營。

圖8 試飛機安全降落大興機場

4 應(yīng)用價值

本項目的研究分析具有重要的科學(xué)技術(shù)意義與現(xiàn)實的工程應(yīng)用價值。

1）成本分析參照纖維混凝土國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。①水泥混凝土每 m3摻加 1.4 k g FC 材料的費用為 1.4×129.8 元=181.72 元（含運費、稅費、工地技術(shù)指導(dǎo)、保險、投料、倉儲等費用），按照跑道 40 cm 厚的混凝土計算每 m2是 72.7 元除因質(zhì)量問題需要部分翻修等大宗費用外，僅機場道面日常維護費（人員費、水費、車輛費、清洗設(shè)備等費用）就需約 70 元/m2/年；②瀝青混凝土每 m3摻加 3.6 kg FC 材料的費用為 3.6×129.8 元=467.28 元，按照跑道 10 cm 厚的瀝青混凝土計算每 m2是 46.7 元。單從工程投資的直接成本看，確實有所上升；但從延長道面工程使用壽命和實現(xiàn)工程全壽命免維護方面計算，應(yīng)用 FC 材料的投資，僅占工程總投資額的 0.25 % 都不到（如果按單一的水泥混凝土和瀝青混凝土造價計算約 20 % 左右），業(yè)主得到的回報率是工程總投資的 100 %，即相當(dāng)于獲得再建一個同等規(guī)模工程的效果。有顯著的軍事和經(jīng)濟效益。

因此，在大面積機場混凝土道面工程中，應(yīng)用FC 材料技術(shù)，減免維護費用，用小投入換長壽命，是可行且有益的。

2）全壽命期質(zhì)量安全水泥混凝土道面工程的滲漏、凍融、掉邊掉角等質(zhì)量通病，原因都是收縮裂縫；大興機場工程證明，應(yīng)用 FC 材料能綜合提高機場道面抗裂性、耐久性、抗疲勞和抗沖擊性能，實現(xiàn)機場道面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，全面提升道面結(jié)構(gòu)質(zhì)量、延長跑道使用壽命，為國家節(jié)省維修與重建費用，最終實現(xiàn)提升機場道面的安全運行與整體質(zhì)量［4］。

同時，大型混凝土工程的使用壽命跨度已近百年。如橋梁，百年間汽車運輸?shù)能囆?、速度、載重量何止代差；如機場，百年間飛行器的種類、速度、起降沖擊力更是日新月異。因此，水泥混凝土道面工程全壽命期的質(zhì)量安全冗余就是一個不能忽略的問題。

在現(xiàn)有水泥混凝土道面施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過摻加 FC 材料，在一定程度上提高工程的質(zhì)量安全冗余，應(yīng)該是簡單易行的技術(shù)工藝。

3）行業(yè)推動。中國基建目前已在國內(nèi)外擁有很好的品牌效應(yīng)。但隨著規(guī)模的不斷擴大，企業(yè)降低成本、追求利潤的本能抬頭，良莠不齊的情況難免出現(xiàn)，全面灌輸質(zhì)量成本意識已成必須。通過大興機場應(yīng)用 FC 材料的實踐證明，今后應(yīng)在行業(yè)內(nèi)形成共識：對國家重點工程、規(guī)模體量較大和壽命周期較長的工程，應(yīng)采用行政或行業(yè)的方式，在一定程度上強制推行已經(jīng)實踐證明確實優(yōu)異的 FC 等新材料、新技術(shù)。

5 建議

1）優(yōu)化工程配套?，F(xiàn)在的 FC 材料已實現(xiàn)系列化，基本滿足各類工程需要。但隨著工程要求、水泥品種和混合料的變化，對 FC 材料的種類和摻量也會出現(xiàn)不同的工程要求；因此，應(yīng)在北京懷柔我國第一條全自動化系列 FC 材料生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上增加柔性（主要參數(shù)可調(diào)）生產(chǎn)能力。

2）優(yōu)化質(zhì)量評估。目前，對工程中 FC 材料的摻加量、攪拌效果和完成效果等，基本依靠專業(yè)人員的感官直覺或有損鉆芯檢查。但隨著應(yīng)用范圍和工程規(guī)模的擴大，標(biāo)準(zhǔn)差異的問題必將凸顯。因此，應(yīng)研制無損探查技術(shù)，實現(xiàn)量化評估。

3）優(yōu)化性價比?，F(xiàn)有部分工程因受投資限制，不能使用優(yōu)質(zhì)的 FC 材料，使工程質(zhì)量受到影響。因此，在加強向工程管理方宣傳成本質(zhì)量意識的同時，應(yīng)向國家重點工程提供優(yōu)化性價比高的 FC 材料，為工程提供價廉質(zhì)優(yōu)的 FC 新材料新技術(shù)新工藝。

6 結(jié)語

FC 材料已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，達到了超高強度、高模量、高抗堿和低延伸率的綜合技術(shù)指標(biāo)。特別是通過諸如大興機場跑道及除冰坪工程實踐，積累了豐富的機場工程應(yīng)用經(jīng)驗。