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    機場復合混凝土道面破損裂化原因與應對措施

    時間:2019-01-07 來源:徐州工程學院學報 作者:王圣程,姜慧,馬晴晴, 本文字數:4644字

      摘    要: 為延長機場跑道的使用壽命, 在舊水泥混凝土道面上, 加鋪瀝青混凝土, 形成復合道面, 以提高道面使用性能.調查發現:加鋪瀝青混凝土3~5a后, 復合道面在舊水泥混凝土道面接縫、裂縫位置出現破損劣化.為此, 在分析機場復合道面劣化原因的基礎上, 提出延長機場復合道面壽命的對策, 即適當增加加鋪層厚度, 設置應力吸收夾層, 封堵舊水泥混凝土道面裂隙.

      關鍵詞: 機場復合道面; 劣化; 長壽命化; 裂隙封堵;
     

    機場復合混凝土道面破損裂化原因與應對措施
     

      Abstract: In order to prolong the service life of the airport runway, asphalt concrete is laid on the old cement concrete pavement to form a composite pavement to improve its performance.It is found that after the asphalt concrete is added to 3~5 a, the joint and crack position of the composite pavement in the old cement concrete pavement is damaged and deteriorated.Therefore, based on the analysis of the causes of the deterioration of the airport composite pavement, the countermeasures for prolonging its service life are put forward, such as increasing the thickness of the overlay, setting the stress absorbing interlayer and blocking the old cement concrete pavement cracks.

      Keyword: airport compound pavement; deterioration; longevity; fissure sealing;

      民航運輸業的發展程度是衡量社會發展程度的重要指標之一.隨著我國經濟水平、消費結構的轉型、升級與提高, 我國民航運輸業務快速增長, 機場基礎設施得到較大改善, 民航運輸干線支線網絡的完善度不斷提高, 民航運輸業發展迅速[1].2011—2015年, 我國境內定期航班通航機場從178個增長到206個, 飛機起降架次由598.0萬增長到856.6萬, 分航路旅客吞吐量由6.2億人次增長到9.15億人次, 分航線貨物吞吐量由1 157.8萬t增加到1 409.4萬t (圖1) [2].顯然, 機場跑道作為提供飛機起飛、著陸的場所, 其安全保障程度對民航運輸系統發展具有重要的意義[3].我國機場跑道的道面結構單一, 約95%的道面為水泥混凝土結構[4].機場跑道的正常使用主要取決于其結構性能, 而隨著民航運輸量的不斷提高、各種飛機載重量的大幅度提高以及機場日起降架次的快速增長, 機場跑道面受到的重復加卸載作用也越來越大, 再外加環境溫度的影響, 機場跑道水泥混凝土道面內部裂隙發育, 就會產生各種形式的破壞, 即主要表現為裂縫、變形、接縫損壞和表面損壞[5].為確保飛機起飛、降落安全, 提高機場道面的使用壽命, 需要對水泥混凝土道面結構進行功能再恢復, 從而提高道面使用的安全性.在我國, 絕大多數民用機場均為單跑道運行, 往往在舊水泥混凝土道面上, 通過加鋪瀝青混凝土的方式對機場道面結構性能進行再恢復, 形成機場復合道面 (圖2) .舊水泥混凝土道面已有的內部裂隙稱之為“既有裂隙”.據不完全統計, 我國有40余個機場進行了水泥混凝土道面加鋪瀝青混凝土工程, 其中上海虹橋國際機場還進行了多次機場道面瀝青混凝土加鋪工程[6].

      圖1 2011—2015年我國民航發展數據統計圖
    圖1 2011—2015年我國民航發展數據統計圖

      圖2 機場復合道面結構示意圖
    圖2 機場復合道面結構示意圖

      1、 機場復合道面劣化原因分析

      通常, 機場跑道水泥混凝土道面加鋪瀝青混凝土的設計使用壽命在10a左右, 待達到使用壽命后需再次進行改造.對國內機場跑道復合道面使用狀況進行詳細調查后發現:瀝青混凝土加鋪3~5a后, 復合道面在舊水泥混凝土道面接縫、裂縫位置 (既有裂隙) 處常出現破損劣化 (圖3) .

      機場復合道面結構涉及水泥混凝土、瀝青混凝土兩種結構形式, 它們均表現出剛性與柔性.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, 溫度變形對機場道面結構安全產生極大不利的影響.我國華北地區機場道面溫度隨時間變化曲線如圖4所示.從圖中可以看出:機場跑道表面溫度隨時間產生很大變化, 隨著機場道面深度的加深, 其溫度變化幅度逐漸平緩;道面深度為0.4m時, 混凝土溫度變化溫差為3℃;華北地區的跑道表面最高溫度出現在14時左右, 距離道面0.2m深處最高溫度延后到18時左右, 道面結構溫度響應相對滯后;隨著道面深度的增加, 最高溫度出現的時間逐漸延后, 溫度的變化幅度也緩慢減少.如果溫度產生的混凝土膨脹應力超過其所能承受的抗拉強度時, 道面不僅會產生裂隙, 而且機場道面存在的裂隙常伴有錯臺、脫空等劣化現象, 使得機場復合道面應力集中程度更為嚴重[7], 那么在溫度應力與飛機荷載的共同作用下, 機場復合道面就容易在舊水泥道面板接縫、裂縫的位置出現裂隙等劣化現象.

      圖3 復合道面劣化示意圖
    圖3 復合道面劣化示意圖

      圖4 華北地區機場道面溫度隨時間變化曲線
    圖4 華北地區機場道面溫度隨時間變化曲線

      機場復合道面的水泥混凝土與瀝青混凝土結合形式是影響復合道面耐久性的重要因素.當飛機動載和溫度耦合下產生的主拉應力超過瀝青混凝土強度時, 機場復合道面產生劣化破壞.在飛機動載的作用下, 水泥混凝土道面接縫、裂隙兩側產生垂直位移, 使瀝青混凝土承受較大的拉應力;受環境溫度的影響, 機場道面脹縮產生水平方向位移;瀝青混凝土的彈性模量隨著環境溫度降低而增大, 其抵抗劣化破壞能力減弱.當瀝青混凝土的抗拉強度不足以支撐拉應力時, 瀝青混凝土由于劣化而產生裂隙.機場復合道面產生應力集中的根本原因是機場舊水泥混凝土道面存在既有裂隙, 當瀝青混凝土層的某點應力超過強度極限時, 就會達到破壞狀態.由此可見, 裂隙從產生到具有破壞作用, 歷經裂隙孕育、發育和擴展的過程, 即裂隙在瀝青混凝土加鋪層上的縱向橫向孕育和發育的過程, 然后在飛機動載與溫度應力的耦合作用下, 裂隙不斷向上擴展, 最終形成瀝青混凝土加鋪層的開裂破壞, 從而嚴重影響了機場道面的使用壽命.

      2、 機場復合道面長壽命化對策

      按照MH 5010—1999《民用機場瀝青混凝土道面設計規范》要求, 對機場道面進行瀝青混凝土加鋪層設計時, 改善道面表面狀況的罩面和提高機場道面結構承載能力的補強設計都要對機場道面進行調查與評定, 并且對可能產生的應力集中進行防裂隙發育處理.因此, 從機場復合道面劣化原因方面考慮, 應適當增加加鋪層的厚度, 設置應力吸收夾層, 封堵舊水泥混凝土道面裂隙.

      2.1、 加鋪層厚度的適當增加

      瀝青加鋪層厚度對頂層載荷應力的影響如圖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應裂隙處的最大剪應力、第一主應力和豎向剪應力值均呈不同程度的減小;當瀝青混凝土加鋪層厚度達到7cm時, 加鋪層頂部受力狀態趨于平穩;混凝土加鋪層厚度大于10cm后, 加鋪層應力變化幅度不明顯.此外, 張東長等[9]分析了動載下瀝青混凝土的孔隙率變化規律, 有助于延長提高機場復合道面的耐久性.綜上說明, 適當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, 不應過分增加瀝青加鋪層厚度, 一般來說瀝青加鋪層的厚度取9~11cm為宜.

      2.2 應力吸收夾層的設置

      層間接觸狀態對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;當舊水泥混凝土道面與瀝青混凝土加鋪層完全光滑接觸 (K=108 N/m3) 時, 瀝青加鋪層最大彎沉量為0.561mm;當舊水泥混凝土道面與瀝青加鋪層完全連續接觸 (K=1012 N/m3) 時, 瀝青加鋪層最大彎沉量為0.547mm.這些說明, 水泥混凝土與瀝青混凝土的層間接觸狀態對瀝青加鋪層最大彎沉產生顯著影響, 層間接觸狀態不佳會影響道面整體性, 增大瀝青混凝土的彎沉值.

      圖5 瀝青加鋪層厚度對頂層載荷應力的影響
    圖5 瀝青加鋪層厚度對頂層載荷應力的影響

      圖6 層間接觸狀態對瀝青加鋪層最大彎沉的影響
    圖6 層間接觸狀態對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

      為延長機場復合道面使用壽命, 文獻[11,12]提出“氣力輸送封堵材料+注水固化粘結裂隙”的封堵舊水泥混凝土道面裂隙的新思路.其方法為:采用裂縫寬度檢測儀, 全面考察機場水泥混凝土道面裂隙情況, 沿著裂隙擴展方向, 緩慢注入液氮直至充滿裂隙, 進而通過液氮氣化完成對裂隙的清洗;采用噴射方式, 向機場水泥混凝土道面裂隙內注水后, 靜置;利用粘合膠, 將覆蓋裝置粘結在裂隙所處的機場水泥混凝土道面, 形成裂隙封堵的相對密閉的空間, 然后利用氣力輸送過程原理, 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180~200min后膨脹固化, 用混凝土磨光機磨平機場水泥混凝土道面, 并刻制防滑紋, 達到封堵機場水泥混凝土道面裂隙的目的.封堵材料的原料組成 (質量百分比) :水泥, 36%~40%;高吸水性樹脂, 15%~19%;環氧樹脂固化劑, 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時間短, 能滿足機場水泥混凝土道面快速修復的需求;自然膨脹率大于15%, 避免了固化后收縮導致與修復基質混凝土之間的脫離或產生較大的內應力使修復失敗, 且封堵材料在相對密閉的裂隙空間內膨脹, 在機場道面裂隙空間內產生帶壓效應, 增強機場道面封堵材料膨脹固化后的致密性, 能對微細裂隙進行封堵;封堵材料具有良好的抗剪強度、抗折強度、抗壓強度、抗拉強度及黏結強度, 能滿足機場水泥混凝土道面裂隙的封堵的力學和修復需求, 從本質上減緩機場復合道面的劣化速度.

      3、 結論

      對機場舊水泥混凝土道面, 通過加鋪瀝青混凝土, 以提高道面的使用性能, 已成為大多數機場的延長跑道壽命的必然選擇.通過上述分析, 可得以下幾點結論:

      1) 機場復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) 瀝青加鋪層地面對應接縫處的各應力呈減小的趨勢, 故而應適當增加加鋪層厚度, 即一般情況下瀝青加鋪層的厚度取9~11cm為宜.
      3) 水泥混凝土與瀝青混凝土的層間接觸狀態對瀝青混凝土加鋪層最大彎沉產生顯著影響, 層間接觸狀態不佳會影響道面整體性, 增大彎沉值.
      4) 提出的“氣力輸送封堵材料+注水固化粘結裂隙”的封堵舊水泥混凝土道面裂隙的新思路, 有助于延長機場復合道面壽命的進一步研究.

      參考文獻:

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      [2] 中國民用航空局發展計劃司.2015年全國機場生產統計公報[EB/OL]. (2016-03-31) [2018-06-20].http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/TJSJ/201603/t20160331_30105.html.
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      [12]王圣程, 姜慧, 祿利剛, 等.一種自動變速式機場道面裂隙封堵系統及使用方法:201710595789.3[P].2017-7-20.
      [13]王圣程, 姜慧, 祿利剛, 等.一種機場水泥混凝土道面裂隙的封堵材料:201710594903.0[P].2017-7-20.

      王圣程,姜慧,馬晴晴,朱信鴿.機場復合道面劣化原因分析與長壽命化對策[J].徐州工程學院學報(自然科學版),2018,33(04):80-83.
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