应用 FC 材料提高跑道质量减少 FOD 影响飞行安全研究

彭书成，周宏友，吴志辉，刘 岩，侯正昌，孔 愚

（1.杜强华微（北京）高新材料科技有限公司，北京 101407；2.中国航空港建设第三工程总队 北京新机场项目部，北京 102602；3.北京新机场建设指挥部，北京 102602；4.北京中企卓创科技发展有限公司，北京 100621；5.清华大学 材料学院 FC 中心，北京 100084）

0 引言

水泥和沥青混凝土是民航机场跑道的主要工程形式，随着工程体量和面积的增大，加之机场运营强度加大，自然侵蚀加重等，因道面裂缝造成的混凝土破碎和掉落不断出现，形成了新形态的破损脱落物（FOD），对飞行安全构成了严重的威胁，成为了机场设计施工必须考虑的重要因素。

1 FOD 与飞行安全

1.1 FOD

FOD 是 Foreign Object Debris 的缩写，即可能损伤航空器的外来物；通常是由航空器脱落物（如零件、破片等）和人工遗落物（如工具、物品等）以及生态形成物（如鸟禽、动植物等），还有机场建筑或道面破损形成的碎块［1］。

1.2 FOD 对飞行安全的影响

根据调查公司统计，每年机场跑道上的 FOD 造成的直接经济损失高达 40 亿美元。如果 FOD 对发动机或机身造成破坏，轻时导致跑道关闭，重则造成机毁人亡（见图 1、图 2）。

图1 损坏的道面

图2 被道面碎片扎破的轮胎

1.2.1 案例一

2005 年 1 月 20 日，国内某航空公司的一架 B 737－700 准备离港，当机组启动发动机，地面机务人员发现左发前方有火星闪出，立即通知机组关车。经查：有两块道面板因掉边进行过维修，修补处已松动脱落，从而产生水泥碎块，被飞机左发吸入，多个叶片被打坏，飞机停场更换叶片。

1.2.2 案例二

2019 年 1 月 29 日，印度航空一架空客 A 321－200 飞机（注册号 VT-PPN）从蒂鲁帕蒂机场 26 跑道起飞时，由于跑道表面破损，飞机起飞时，跑道脱落物与飞机发生撞击，飞机底部出现大面积损伤，水平安定面破损（见图 3）。

图3 被飞溅的道面碎片划伤的蒙皮

1.3 现阶段 FOD 的特点

随着航空器技术和机务、场务水平的提高，航空器脱落物和人工遗落物已经明显减少；但由于现在航运普遍强度加大，超高速、大重量飞行器运营已成常态，对机场混凝土跑道的冲击力已经远远超出设计建造时的水平；再加之各种自然侵蚀，很多混凝土道面出现掉边、掉角，鼓包、裂缝等破损，其道面混凝土脱落物便形成了新形态的 FOD［以下简称“FOD（混凝土）”］，属于高危外来物；特别是部分机场对道面破损采用小修小补和“盖薄被”的维护技术，接缝处和层间不密实，更增加了 FOD（混凝土）形成的风险（见图 4）。

针对 FOD 的威胁，部分大型机场安装了 FOD 探测预警设备；但由于 FOD（混凝土）属于非金属物质，碎裂面多呈蜂窝状，且与道面同材质、同色别，无论是探测雷达扫描还是人工目力观察，都难以获得有效识别；因此，FOD（混凝土）已成为当前影响机场飞行安全的一个重要因素。

2 实例分析从源头控制 FOD（混凝土）

大面积水泥混凝土道面施工，极易产生收缩裂缝；在机场运营中，由于频繁的高强度冲击，会造成缝隙边缘脱落，从而形成高危 FOD（混凝土）。

2.1 大兴机场跑道工程

大兴机场（一期）设计建设“三纵一横”4 条跑道；其中，西一、东、北跑道宽度均为 60 m，西二跑道宽 45 m；西一、西二、北跑道长度均为3 800 m，东跑道长为 3 400 m；均属于超大面积水泥混凝土道面工程（见图 5）。

图4 国内某机场混凝土外来物比例

图5 大兴国际机场鸟瞰

传统的机场道面混凝土材料是准脆性材料，容易开裂、断板及掉边掉角，使混凝土耐久性下降，造成道面劣化；另外，机场道面的质量损伤导致在飞机起降冲击荷载下机场道面整体结构性能破坏，造成机场道面失效，降低机飞跑道的运行安全。

为有效增强混凝土的粘结力、握裹力，改善混凝土的韧性，实现道面设计解决混凝土开裂、提高混凝土抗冲击韧性要求、保障飞行安全，经多方调研论证，并实地考察工程案例；决定在大兴机场跑道和除冰坪工程建设中采用 FC 材料及其成套工艺，在保证工程质量的同时，从源头实现对 FOD（混凝土）发生的全寿命期控制，为飞行安全打下坚实的基础。

2.2 FC 材料原理及工艺

FC 材料是由清华大学材料学院 FC 中心刻苦攻关，为大幅提升混凝土工程质量、延长使用寿命，减少维护费用而研发的，并已于 2008 年 5 月开始 2018 年技术升级为第六代。

FC 材料具备全套自主知识产权，现有 4 项核心技术指标是中国唯一、综合技术数据世界领先，并探索了一整套生产工艺和现场施工工艺（如搅拌投料时间、做面时间、拉毛时间等综合技术）。

FC 材料具体技术指标：

1）超高抗拉强度 900～4 500 MPa；

2）高模量 8 000～13 000 MPa；

3）高抗碱性 96 % 以上（遇碱后不降低强度）；

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

能够解决混凝土塑性收缩引起的裂缝问题，改善混凝土抗裂、抗渗性能，提高工程抗冲击和抗冻融能力［2］。

2.3 FC 材料生产工艺创新点

FC 材料探索出一套高分子材料缩聚反应粘度技术，攻克了高温、高速、高压、牵伸热定型数控工艺，创新了高分子有机和无机聚合材料技术抗碱保留率，一是粘度从国际上的 0.98 提高到 1.3，二是分子从国际的35 000 提高到 38 000，三是有机与无机温度聚合结构，达到了超高强度、高模量、高抗碱和低延伸率的综合材料技术指标。

3 应用 FC 材料控制 FOD（混凝土）发生

由于 FC 材料的特殊性能和方便易行的掺加技术，能够在不改变传统道面施工工艺的前提下，解决质量通病，提高道面质量。

一是阻裂作用。FC 材料的稳定性使其能够在混凝土中长期保持良好的稳定性能，从而有效减少甚至完全消除混凝土浇灌后尚处于塑性状态时产生的裂缝；提高道面的抗渗、抗冻融和耐久性；从而防止因裂缝造成的深层块体破碎和表层脱落［3］。

二是桥接作用。FC 纤维材料具有很好的搅拌分散性，其多维支撑拉力体系可以有效提高混凝土的均质性，使混凝土硬化过程中的塌落度明显减小，在边角和接缝部分的固化作用尤为明显；FC 纤维材料所特有的抗拉强度和大长径比，能够在混凝土中形成“锚索”作用，即使在发生意外事故造成破坏性冲击时，也不会出现碎片式飞溅，便于善后处理。

三是强韧作用。FC 纤维材料的高抗拉强度、低延伸率和大长径比决定了混凝土道面的局部强度和整体韧性，可以防止在反复高强度冲击下形成的疲劳裂缝；并能在保证强度的基础上，通过特殊时间窗口，完成拉毛刻槽等工艺，实现无损害做面；同时保持了道面的光洁度，防止其他 FOD 的滞留。

4 竣工后效果评估

在东跑道、北跑道、南除冰坪及北除冰坪共约60.66 万 m3、总计 24.8 万 m3混凝土道面施工中掺加了 FC 材料约 330 t。

2019 年 5 月 11 日对两条跑道和两个除冰坪的 FC 水泥混凝土地面进行浇水测试，没有出现任何裂纹；2019 年 10 月 14 日再次进行浇水测试，结果：普通水泥混凝土地面上浇水后就会出现肉眼可见的微裂缝，而应用了 FC 材料跑道和除冰坪没有裂缝；2019 年 8 月顺利通过民航局组织的竣工验收（见图 6）。

交付使用至今未见有危害性 FOD（混凝土）出现。

5 结语

本研究在提高混凝土道面施工质量的同时，解决了长期困扰场务部门的道面混凝土脱落物形成 FOD 问题；随着 FC 材料的创新和推广，将在提高飞行安全系数、减少维护保养成本方面，为世界机场道面施工带来革命性进步。随着车辆行驶速度的提高，在公路、铁路交通中，混凝土工程脱落物也可能成为威胁交通运行安全一个重要因素，借用该研究的原理和方法可以举一反三。

图6 大兴国际机场跑道