预制混凝土道面在机场建设的应用现状与发展前景分析

张皓

（中国民航工程咨询有限公司，北京 100621）

1 引言

预制混凝土是预先在工厂环境下根据实际需要制作混凝土制品的混凝土。预制混凝土道面（Precast Concrete Pavement，PCP）如图1所示，是利用预制混凝土技术制作的混凝土道面，是其在机场建设中的主要应用方式，是实现机场道面标准化设计、工业化生产、机械化施工与快速维护保障的有效手段，具有施工便捷、可标准化和易智能化等特点，可为机场的建设与运维保障提供有力的技术支撑，为机场的不停航施工提供先进的技术手段，切实降低机场道面的建设成本与维护成本，在保证施工质量的同时做到安全和环保，有着非常广阔的应用前景。某机场PCP施工现场如图2所示。

图1 PCP结构示意

图2 某机场PCP施工现场图

2 预制混凝土道面发展历程

PCP在国内的研究和应用相对较少，而在国外的研究和应用起步较早，经过长时间的发展形成了较为成熟的PCP技术体系。

早在20世纪30年代，苏联最早将预制混凝土技术应用到机场建设中，目的是紧急修补道面损害，后以六边形无钢筋混凝土预制块为单元体，拼装成简易机场道面。在二战时期，由于飞机体积和质量增大，通过调整六边形预制块尺寸、增加碎石提高强度，并以此为基础拼装，形成了早期预制混凝土道面雏形。60~80年代，苏联的PCP技术不断发展，基于PCP的道路铺设超过6 000 km。到2000年，PCP技术已经在俄罗斯标准化，并在机场中广泛应用[1]。

20世纪40年代，英法两国开始进行PCP技术的研究。1947年，法国巴黎奥利机场最先应用PCP铺装技术，并应用于荷载等级较高的机场道面。1962年，在意大利那不勒斯召开的关于“预应力混凝土路面与机场道面”专题会议，对PCP技术进行了深入研讨。到80~90年代，英国纽卡斯尔大学的John W.BULL和C.H.Wooford学者、Yousef Bashir Luheshi学者等对PCP进行了大量模拟分析和实验研究，对PCP在机场中的应用做出了进一步的肯定。

美国的PCP技术研究始于20世纪70年代，由Simonsen等人最早开展，到90年代初才逐渐受到重视。美国的联邦公路局和德州交通厅支持得克萨斯大学奥斯汀分校开展PCP系统研究，提出预应力预制水泥混凝土铺面的概念，并于2002年开始应用于工程项目中。后来在联邦公路局的推广下，美国大部分州开展了PCP技术试验性工程应用，获得了不小的进展。2013年，美国公路战略研究计划第二期（SHRP2）对PCP的相关技术指标做了明确规定。在此背景下，美国相关公司也大量开展了PCP研究，总结形成了包括Fort Miller公司的“Super-Slab”体系、“Kwik Slab”体系和Roman Stone公司的“Roman Road”体系等。2000年，圣路易斯国际机场利用PCP技术进行了单块道面板的更换。2002年，拉瓜迪亚机场进行了PCP技术的试验式研究。此外，杜勒斯国际机场也进行了利用预制混凝土道面板进行快速修补工程应用，效果较为良好[2-5]。

亚洲地区，日本的PCP技术可追溯到20世纪80年代，主要应用于机场或海港的道面快速修复，并在2000年开发了使用特殊荷载传递装置的高强度钢筋混凝土道面板，降低了PCP道面板的成本。2009年，印尼爪哇岛井里汶附近建成了预应力预制混凝土路面公路，长35 km。后续又基于美国的标准陆续实施了其他预制混凝土项目，获得了许多成果。

国内预制混凝土铺面最早在1983年珠海与澳门之间的长约22 m的预制钢筋混凝土路面，共154 m2，该区域在运营10年仍能保持较好的使用性能。在此之后较长的时间里，国内相关的工程案例应用较少。2020年，首都机场西跑道大修应用了PCP技术，实现了28 d施工时间缩短到6 h的壮举，解决了水泥混凝土养护时间长与机场繁忙无法停航维修的矛盾。此外，新郑机场、禄口机场都对PCP技术进行了相关的探索和试验。

3 研究方向

目前，PCP的研究主要包括道面板的板尺寸研究、传力方式研究、注浆材料研究和维护检测研究等方向。

3.1 板尺寸研究

石家庄市交通局公路管理处通过对水泥混凝土路面预制拼装技术的研究，分析了混凝土预制板弯拉强度和几何尺寸的确定方法，确定了尺寸为2.5 m×2.0 m的小块预制拼装板修复路面是用时最短、对交通影响最小、最经济的路面修复方式，同时在机场道面的快速修复中也具有较大的实用价值和良好的经济效益。杨廷伟等[6-7]结合国内外公路抢修工程经验，分析了预制预应力混凝土道面在野战机场修建中具有广阔的应用前景。

同济大学对于预制混凝土板施工和修复进行了诸多尝试。廖小芳通过数值分析和有限元模拟的方式分析了接缝传荷能力和基层顶面的不均匀支撑对预制吊装修复后道面的结构响应的问题。考虑接缝传荷能力和基础强度的条件下，分析了整板、1/2板、1/4板的修复的适应性，提出了尺寸“宜大不宜小、整板修复效果佳”的原则，并在浦东机场内完成了两块预制混凝土道面板的修复技术，修复效果良好。上海龙华通用机场的特种车库新建地坪项目采用了预制混凝土道面，整个新建区域为11 m×12 m的矩形区域，通过该工程对PCP技术的结构、接缝、施工工艺及质量控制等内容进行了较为系统的研究[8]。

PCP板尺寸研究基本为预制大尺寸板和小尺寸板两个方向。大尺寸板有着更好的稳定性但施工安装非常不便；小尺寸板适合小范围铺装，施工方便，但平整度过分依赖传力方式，容易产生错台等影响。为此，需根据应用场景探索适合机场道面或站坪应用的板块尺寸。

3.2 传力方式研究

PCP的传力方式是影响其性能的重要因素，通常的传力方式包括上开口式、下开口式、上窄开口式、水平孔式等。

俄罗斯PCP系统的一个独特方面是利用沿道面板长边放置的吊环，然后利用高质量的焊接技术将这些吊环焊接在一起，如果相邻预制道面板之间的间距为4 mm或更小，则接缝以单焊缝焊接在一起，如果相邻预制道面板间距大于4 mm，则将直径为间距的3倍的钢筋放在提升环上，并进行两次焊接。美国“Kwik Slab”系统由Kwik传力装置和装配式钢筋水泥混凝土板组成，Kwik传力装置为钢制连接器，可互锁钢筋混凝土预制板，从而使整个连接段的钢筋连续。该系统实质上模拟了钢筋水泥混凝土路面，可连接的面板的总长度受到限制，并且在连接的截面之间提供了伸缩缝。日本Cotter型混凝土道面接头，由一组C形构件和H形构件组成。制作预制板时，先嵌入C形构件，然后在现场插入H形构件，并拧紧固定螺栓使相邻板成为一体。Cotter型接头的主要特征是H形构件加工有锥形凹槽，并且具有楔形效果，如图3所示。通过这种接头结构，可以像现浇混凝土结构一样，在没有全面限制的情况下逐步进行施工。另外，即使板的一部分损坏，也可以通过去除H形构件来实现部分的更换。

图3 PCP传力方式

PCP传力方式是非常值得研究的方向，好的传力方式能有效延长道面寿命和提高飞机行驶的舒适度。机场飞机荷载作用下的传力方式如传力杆结构尺寸、分部间距、布置情况等方面，有待进一步研究。

3.3 平整方式研究

PCP在安装过程中，在刚性的道面板和柔性的基层之间会产生一定孔隙，如不进行调平容易使板产生沉降。常用的平整方式为板底注浆，即在层间设置板底功能层以填充，如图4所示。

图4 PCP板底注浆

根据国内外的研究情况，常见的注浆材料有：水泥注浆材料、沥青注浆材料、聚氨酯类注浆材料和CA砂浆注浆材料。几种材料各有优劣，其中，CA砂浆是通过向水泥砂浆中掺入一定量的乳化沥青制成的一种综合水泥高强度和沥青高弹性两种优点的半刚性高性能有机-无机复合材料，相较于其他材料具有流动性好、刚度适宜、强度较高、高温稳定性好、抗裂性和抗渗性优良等综合性能。根据龙华机场PCP的技术研究可知，砂灰比为4/3，聚灰比为0.2，水灰比为0.7，快凝水泥掺量为0.2为CA砂浆注浆材料的最优配合比。同时在砂浆中加入一定量的碳酸锂早强剂和聚羧酸系减水剂，可使浆液具有更高的早期强度和更好的流动性能，能满足施工过程中快速修复的需要[9]。由于PCP板的平整方式基本就是注浆。注浆材料也不外乎单一或者复合的材料，但注浆不容易实施且难以控制，在较大冲击荷载的作用下是否会产生破坏尚且未知，不一定能满足机场建设的应用需求，探讨新型非注浆平整方式是有价值的研究方向。

3.4 维护监测

国内尚无预制混凝土道面的专用维护标准，目前针对机场道面，主要的维护标准有MH/T 5024—2019《民用机场道面评价管理技术规范》和AC-140-CA-2010-3《民用机场飞行区场地维护技术指南》。国外预制混凝土道面维护大都是通过再次换板或通过采用可拆装的传力构件达到道面板维护的目的，如日本的Cotter构件和美国的可拆式传力杆等。

对于PCP监测方式，目前国内主要的应用案例是龙华机场PCP技术研究项目中应用的PCP板底接触监测系统：利用分布式光纤振动传感技术（DOVS），通过监测光纤沿线各点传播光相位的变化，分布式测量沿线各点振动信息，监测装配施工过程中及装配板运营过程中的板底接触状态，评估道面板的施工效果，并为荷载作用下板底接触状态演变和长期服务性能提供数据支撑。

探讨更适合国内民航应用的PCP检测和维护方法也是非常有应用价值的方向。

4 结语

预制混凝土道面作为一种拥有诸多优点的新型道面是非常值得推广使用的。为此，需通过对该种道面诸如尺寸、连接方式、平整方式等主要特性进行研究，总结出一套适合国内民航机场使用的建设标准体系，为民航基础设施建设提供更为有力的支撑。