机场复合道面劣化原因分析与长寿命化对策

王圣程，姜 慧，马晴晴，朱信鸽

(徐州工程学院 土木工程学院，江苏 徐州 221018)

民航运输业的发展程度是衡量社会发展程度的重要指标之一.随着我国经济水平、消费结构的转型、升级与提高，我国民航运输业务快速增长，机场基础设施得到较大改善，民航运输干线支线网络的完善度不断提高，民航运输业发展迅速[1].2011—2015年，我国境内定期航班通航机场从178个增长到206个，飞机起降架次由598.0万增长到856.6万，分航路旅客吞吐量由6.2亿人次增长到9.15亿人次，分航线货物吞吐量由1 157.8万t增加到1 409.4万t(图1)[2].显然，机场跑道作为提供飞机起飞、着陆的场所，其安全保障程度对民航运输系统发展具有重要的意义[3].我国机场跑道的道面结构单一，约95%的道面为水泥混凝土结构[4].机场跑道的正常使用主要取决于其结构性能，而随着民航运输量的不断提高、各种飞机载重量的大幅度提高以及机场日起降架次的快速增长，机场跑道面受到的重复加卸载作用也越来越大，再外加环境温度的影响，机场跑道水泥混凝土道面内部裂隙发育，就会产生各种形式的破坏，即主要表现为裂缝、变形、接缝损坏和表面损坏[5].为确保飞机起飞、降落安全，提高机场道面的使用寿命，需要对水泥混凝土道面结构进行功能再恢复，从而提高道面使用的安全性.在我国，绝大多数民用机场均为单跑道运行，往往在旧水泥混凝土道面上，通过加铺沥青混凝土的方式对机场道面结构性能进行再恢复，形成机场复合道面(图2).旧水泥混凝土道面已有的内部裂隙称之为“既有裂隙”.据不完全统计，我国有40余个机场进行了水泥混凝土道面加铺沥青混凝土工程，其中上海虹桥国际机场还进行了多次机场道面沥青混凝土加铺工程[6].

图1 2011—2015年我国民航发展数据统计图

图2 机场复合道面结构示意图

1 机场复合道面劣化原因分析

通常，机场跑道水泥混凝土道面加铺沥青混凝土的设计使用寿命在10 a左右，待达到使用寿命后需再次进行改造.对国内机场跑道复合道面使用状况进行详细调查后发现：沥青混凝土加铺3～5 a后，复合道面在旧水泥混凝土道面接缝、裂缝位置(既有裂隙)处常出现破损劣化(图3).

机场复合道面结构涉及水泥混凝土、沥青混凝土两种结构形式，它们均表现出刚性与柔性.底部的水泥混凝土受温度变化影响较大，已有研究表明，温度每上升1 ℃，水泥混凝土膨胀增加0.000 01.显然，温度变形对机场道面结构安全产生极大不利的影响.我国华北地区机场道面温度随时间变化曲线如图4所示.从图中可以看出：机场跑道表面温度随时间产生很大变化，随着机场道面深度的加深，其温度变化幅度逐渐平缓；道面深度为0.4 m时，混凝土温度变化温差为3 ℃；华北地区的跑道表面最高温度出现在14时左右，距离道面0.2 m深处最高温度延后到18时左右，道面结构温度响应相对滞后；随着道面深度的增加，最高温度出现的时间逐渐延后，温度的变化幅度也缓慢减少.如果温度产生的混凝土膨胀应力超过其所能承受的抗拉强度时，道面不仅会产生裂隙，而且机场道面存在的裂隙常伴有错台、脱空等劣化现象，使得机场复合道面应力集中程度更为严重[7]，那么在温度应力与飞机荷载的共同作用下，机场复合道面就容易在旧水泥道面板接缝、裂缝的位置出现裂隙等劣化现象.

图3 复合道面劣化示意图

图4 华北地区机场道面温度随时间变化曲线

机场复合道面的水泥混凝土与沥青混凝土结合形式是影响复合道面耐久性的重要因素.当飞机动载和温度耦合下产生的主拉应力超过沥青混凝土强度时，机场复合道面产生劣化破坏.在飞机动载的作用下，水泥混凝土道面接缝、裂隙两侧产生垂直位移，使沥青混凝土承受较大的拉应力；受环境温度的影响，机场道面胀缩产生水平方向位移；沥青混凝土的弹性模量随着环境温度降低而增大，其抵抗劣化破坏能力减弱.当沥青混凝土的抗拉强度不足以支撑拉应力时，沥青混凝土由于劣化而产生裂隙.机场复合道面产生应力集中的根本原因是机场旧水泥混凝土道面存在既有裂隙，当沥青混凝土层的某点应力超过强度极限时，就会达到破坏状态.由此可见，裂隙从产生到具有破坏作用，历经裂隙孕育、发育和扩展的过程，即裂隙在沥青混凝土加铺层上的纵向横向孕育和发育的过程，然后在飞机动载与温度应力的耦合作用下，裂隙不断向上扩展，最终形成沥青混凝土加铺层的开裂破坏，从而严重影响了机场道面的使用寿命.

2 机场复合道面长寿命化对策

按照MH 5010—1999《民用机场沥青混凝土道面设计规范》要求，对机场道面进行沥青混凝土加铺层设计时，改善道面表面状况的罩面和提高机场道面结构承载能力的补强设计都要对机场道面进行调查与评定，并且对可能产生的应力集中进行防裂隙发育处理.因此，从机场复合道面劣化原因方面考虑，应适当增加加铺层的厚度，设置应力吸收夹层，封堵旧水泥混凝土道面裂隙.

2.1 加铺层厚度的适当增加

沥青加铺层厚度对顶层载荷应力的影响如图5[8]所示.从图中可以看出：随着沥青混凝土加铺层厚度的增加，沥青混凝土加铺层对应裂隙处的最大剪应力、第一主应力和竖向剪应力值均呈不同程度的减小；当沥青混凝土加铺层厚度达到7 cm时，加铺层顶部受力状态趋于平稳；混凝土加铺层厚度大于10 cm后，加铺层应力变化幅度不明显.此外，张东长等[9]分析了动载下沥青混凝土的孔隙率变化规律，有助于延长提高机场复合道面的耐久性.综上说明，适当增加沥青加铺层的厚度有助于减小加铺层受力，但从成本角度考虑，不应过分增加沥青加铺层厚度，一般来说沥青加铺层的厚度取9～11 cm为宜.

2.2 应力吸收夹层的设置

层间接触状态对沥青加铺层最大弯沉的影响如图6[10]所示.从图中可以看出：随着旧水泥混凝土道面与沥青混凝土加铺层接触程度的增加，沥青混凝土加铺层最大的弯沉量逐渐降低；当旧水泥混凝土道面与沥青混凝土加铺层完全光滑接触(K=108N/m3)时，沥青加铺层最大弯沉量为0.561 mm；当旧水泥混凝土道面与沥青加铺层完全连续接触(K=1012N/m3)时，沥青加铺层最大弯沉量为0.547 mm.这些说明，水泥混凝土与沥青混凝土的层间接触状态对沥青加铺层最大弯沉产生显著影响，层间接触状态不佳会影响道面整体性，增大沥青混凝土的弯沉值.

图5 沥青加铺层厚度对顶层载荷应力的影响

图6 层间接触状态对沥青加铺层最大弯沉的影响

2.3 旧水泥混凝土道面裂隙的封堵

为延长机场复合道面使用寿命，文献[11-12]提出“气力输送封堵材料+注水固化粘结裂隙”的封堵旧水泥混凝土道面裂隙的新思路.其方法为：采用裂缝宽度检测仪，全面考察机场水泥混凝土道面裂隙情况，沿着裂隙扩展方向，缓慢注入液氮直至充满裂隙，进而通过液氮气化完成对裂隙的清洗；采用喷射方式，向机场水泥混凝土道面裂隙内注水后，静置；利用粘合胶，将覆盖装置粘结在裂隙所处的机场水泥混凝土道面，形成裂隙封堵的相对密闭的空间，然后利用气力输送过程原理，将固体颗粒材料送入裂隙中，直至固体颗粒材料充满裂隙；拆除该段覆盖装置，采用细水雾方式向裂隙位置注水，直至水不再下渗；固体颗粒材料在180～200 min后膨胀固化，用混凝土磨光机磨平机场水泥混凝土道面，并刻制防滑纹，达到封堵机场水泥混凝土道面裂隙的目的.封堵材料的原料组成(质量百分比)：水泥，36%～40%；高吸水性树脂，15%～19%；环氧树脂固化剂，10%～15%；增稠剂，8%～12%；混凝土膨胀剂，6%～8%；减水剂，6%～8%；速凝剂，4%～6%；高炉矿渣，3%～5%[13].该方法封堵材料凝结时间短，能满足机场水泥混凝土道面快速修复的需求；自然膨胀率大于15%，避免了固化后收缩导致与修复基质混凝土之间的脱离或产生较大的内应力使修复失败，且封堵材料在相对密闭的裂隙空间内膨胀，在机场道面裂隙空间内产生带压效应，增强机场道面封堵材料膨胀固化后的致密性，能对微细裂隙进行封堵；封堵材料具有良好的抗剪强度、抗折强度、抗压强度、抗拉强度及黏结强度，能满足机场水泥混凝土道面裂隙的封堵的力学和修复需求，从本质上减缓机场复合道面的劣化速度.

3 结论

对机场旧水泥混凝土道面，通过加铺沥青混凝土，以提高道面的使用性能，已成为大多数机场的延长跑道寿命的必然选择.通过上述分析，可得以下几点结论：

1) 机场复合道面的劣化是由于温度变化、交通载荷及旧水泥混凝土道面既有裂隙等因素引起的.

2) 沥青加铺层地面对应接缝处的各应力呈减小的趋势，故而应适当增加加铺层厚度，即一般情况下沥青加铺层的厚度取9～11 cm为宜.

3) 水泥混凝土与沥青混凝土的层间接触状态对沥青混凝土加铺层最大弯沉产生显著影响，层间接触状态不佳会影响道面整体性，增大弯沉值.

4) 提出的“气力输送封堵材料+注水固化粘结裂隙”的封堵旧水泥混凝土道面裂隙的新思路，有助于延长机场复合道面寿命的进一步研究.