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前言
据统计,我国机场飞行区场道多采用水泥混凝土道面,基本上占总量的90%以上,这主要是由于水泥混凝土道面拥有高强度、良好稳定性、良好耐久性能等优点。但由于在建设期的质量控制不足、后期养护措施不利以及大型飞机数量增加、航班起降次数增多,对机场道面产生巨大的冲击和长期的磨耗,加之环境因素的耦合作用,飞行区道面尤其是跑道道面较早地出现表层病害并逐渐加剧,很多道面甚至在设计年限内提前出现破坏,影响道面的使用寿命。
01
病害类型
在现行的《民用机场飞行区场地维护技术指南》(以下简称《指南》)中,将水泥混凝土道面表层病害归结为4种,包括“起皮、龟裂和细微裂纹”、“耐久性裂缝”、“收缩裂缝”和“坑洞”。在现行的MH 5024—2019《民用机场道面评价管理技术规范》中,针对水泥混凝土道面的损坏类型共计列举出15种,《指南》列出的4种病害均被涵盖其中,并给出鉴别标准及计量方法。对各类型的表现、影响程度给出了建议:“起皮、龟裂和细微裂纹”表现为道面表层掉皮或者形成网状、浅而细的发状裂纹,影响深度一般为表面以下3~13 mm,常遍布于整个板块。程度轻微的“起皮、龟裂和细微裂纹”影响道面外观,但对道面使用功能并无显著影响;程度严重时可能引起道面表层粗集料的剥落。“耐久性裂缝”表现为接缝附近出现平行的发丝状表层裂缝,裂缝周围通常呈现暗色,严重时可导致接缝周边0.3~0.6 m范围内出现碎裂。“收缩裂缝”表现为表面出现数厘米长的细微裂缝,影响深度较浅。程度轻微时对道面使用性能影响较小。“坑洞”表现为板块表面出现一些“小坑”,直径约为25~100 mm,深度约13~50 mm,对于道面使用性能的影响通常较小。
02
机场道面表层病害现状及危害
经笔者调研,在用机场飞行区的水泥混凝土道面表层病害普遍存在,尤为突出的是道面起砂、粗骨料裸露、麻面等。收集相关资料后,对我国水泥混凝土机场道面表层病害类型的统计汇总,结果见表1。可见,全国各地区机场道面表层存在不同程度的起砂、粗骨料裸露、粗糙度不足等病害情况是较为常见的,这类劣化情况在水泥混凝土道面中发生概率高达95%以上。病害产生后加速道面劣化,促使道面损坏情况更为严重,见图1~4。同时在一定程度上影响机场道面的整体美观,更重要的是会给飞机飞行安全带来极大的隐患。而机场建设对安全性的要求远高于其他一些行业,尤其以机场跑道的安全性要求更高。当道面表层发生劣化后,道面功能性指标将大幅度降低,尤其是抗滑性能显著下降,导致在飞机起飞或者降落过程中的舒适性和稳定性降低,严重时甚至会发生危险,导致飞行的安全无法得到保证。由于飞机和破损道面的相互影响,使飞机轮轴与机场道面的寿命都大大降低,道面服役寿命也很难得到保证。而因表层病害形成的脱落物成为FOD,被强大的气流吸入发动机,从而打伤叶片,中小型飞机因为机体离地间距小而受到损伤的程度更大。
03
机场道面表层病害处置措施
处治措施:当道面出现较大面积的“坑洞”、“起皮、龟裂和细微裂纹”、“收缩裂缝”等损害现象,或者道面出现抗滑能力不足,平整度无法满足使用要求等情况时可以采取加罩表面功能层来达到恢复道面表面使用性能的目的。对飞行区水泥混凝土道面表层早期剥落的防治,建议采用黏结性良好的结合料,如聚合物水泥砂浆或道面修补剂对水泥混凝土道面露骨部分进行罩面修补。
图4易起砂混凝土道面
在2010版《指南》中,给出的处治措施仅有两种,分别是:
(1)在已存在表层类病害的道面表面洒布水泥混凝土防水增固剂,通过封堵道面表层微裂缝,延缓大面积起皮、露石和集料剥落等病害。
(2)道面表层类病害程度严重且面积很大时,可实施道面功能性加铺工程。
在这两种处治措施当中,前者适用于不停航施工,后者则必须在停航状态下施工。鉴于交通运输压力大和机场运营收益损失方面的考虑,很少有关闭机场进行停航施工的情况,更多的是选择采用不停航施工方式进行修复,如果按《指南》的推荐,只能选择第一种处治措施。
在第一种处治措施中提到的“防水增固剂”在市面上常被称之为“固化剂”和“硬化剂”或“表面防护剂”,由活性硅酸盐、氟硅酸盐和表面活性剂混合而成,其有效成分主要是水溶性硅酸盐或氟硅酸盐,以硅酸钠居多,也有钾基和锂基。其作用机理是通过有效渗透,与混凝土中的游离氢氧化钙发生反应形成不溶性凝胶,堵塞混凝土毛孔和裂缝,使混凝土中的各成分固化成一个致密的整体,从而抵抗外界环境的侵蚀和荷载的磨损,达到提高混凝土表面的密实度和耐久性的目的。施工工艺:将已经起砂、剥落或露骨的破损混凝土面层清扫、打磨至坚固的表面,除去涂层、油漆等影响固化剂渗入混凝土内部的杂质,然后用清水清洗,待表面干燥后喷洒或滚涂。
固化剂按工艺要求,涂刷在混凝土立方体标准试件(150 mm×150 mm×150 mm)表面,待固化后分别对抗压强度、耐磨性、表面莫氏硬度、抗氯离子渗透性、摩擦系数等指标进行检测,数据见表2~6,做拉毛处理的混凝土道面板表面摩擦系数检测见表7。
由检测数据分析可见:在新制作的混凝土立方体试件表面喷涂固化剂之后,可提高表面硬度和耐磨性20%以上,并对氯离子侵蚀有一定的抵御作用。研究成果也与此相吻合。
另外,在某在用机场的停机坪上对已经起砂并脱落的部分道面板分别做不同程度的打磨,采用Mu仪拖车对打磨前后的道面摩擦系数进行测试,测试速度为65 km/h。测试获得的数据为:打磨前测试值为0.42~0.44,打磨后测试值为0.08~0.12。打磨前构造深度测试值为0.50~0.55 mm,打磨后测试值均低于0.40 mm。该试验可见:通过不同程度的打磨处理,可显著降低道面的抗滑性能,包括纹理构造深度和摩擦系数。在跑道道面板上分别采用清洁和轻度打磨方式进行预处理之后喷涂固化剂,对比喷涂前后道面板表面的摩擦系数,无明显变化。该试验证明:在具有宏观的表面纹理构造的前提下,固化剂的喷涂并不明显影响摩擦系数,摩擦系数的大小变化取决于喷涂前的预处理方式。
固化剂施工前建议用除锈设备进行处理,不能把道面打磨光滑降低道面的摩擦系数,目的是把表面松动的表层浮土、松动颗粒清理掉,然后在喷涂固化剂,这样摩擦系数不会发生变化,表面粗糙度还能有效保留。
04
表层病害不停航快速抢修工艺
1、MMA聚合物薄层修补料
佰思特“道面铠甲”MMA聚合物薄层快速修补料进行快速抢修,该工艺是专门针对混凝土面层的空鼓、麻面、起皮、脱壳、起砂、裂缝、露筋等混凝土薄层病害进行及时修补。MMA聚合物薄层快速修补系统将隔断混凝土劣化的原因—— 二氧化碳、盐分、酸性雨 等,有效保护混凝土结构。直接刮涂在病害部位即可,该材料具有超强的抗压性能及超强的粘接力,不受温度限制,夏季30分钟冬季60分钟后可通航,可实现超快超薄层的修补。目前世界各国航空母舰飞行甲板都有采用MMA材料作为舰载机飞行甲板地面材料,冬季也可实现快速抢修。
性能特点:
(1)与基层粘接强度高,拉伸粘接强度达>3.7MPa;
(2)相融合性好,与旧基层地面更易融合一起;
(3)早期强度高,1h>30MPa;
(4)后期强度高,28d>45MPa;
(5)抗渗能力强,更耐腐蚀;
(6)耐久性好,抗冻融循环能力优越,半刚性材料能适应不同气候条件变化,冬季-30℃也可正常施工;
(7)快速恢复交通,1小时即可恢复使用,减轻通航压力。
2、聚合物混凝土薄层修补料—10S
聚合物混凝土薄层修补料—10S是专门针对混凝土面层的空鼓、麻面、起皮、脱壳、起砂、裂缝、露筋等混凝土薄层病害进行及时修补,直接刮涂在病害部位即可,该材料具有超强的抗压性能及超强的粘接力,可实现超薄层修补,在机场、高速和高压的行车及长时间磨损通行状态下不会出现破碎和脱落现象,凡是混凝土表面病害均适用于本材料,目前该材料已获得国家发明专利,发明专利号:第3387501号。
早期性能得以充分体现和较高的早期强度,且后期不衰减,对很多混凝土表层病害可做到一次性根除;聚合物混凝土薄层修补料—10S本身具有很强的耐腐蚀、防水和抗紫外线能力,其抗老化能力是原水泥混凝土的5倍以上,不会因老化而失去粘接能力和抗压强度,性能衰减不会早于原混凝土,该材料加入了适量的纤维增强了韧性,后期不易脆裂,解决大部分混凝土材料偏刚性的缺陷,该材料不能在冬季施工。
该材料2小时强度可达40Mpa以上,抗折强度6Mpa以上,自流平效果施工后美观耐用。
05
建议与结论
(1)机场水泥混凝土道面表层病害普遍存在,尤为突出的是道面起砂、粗骨料裸露、麻面等,对于道面使用性能的影响并不是《指南》中描述的“通常较小”,对中小机型的影响更为严重,应引起足够重视。
(2)随着新材料、新技术的涌现,采用道面表面洒布水泥混凝土防水增固剂的方式能有效治理大面积起皮、露石和集料剥落等病害,该方法适用于道面的表层防护和表面微裂缝封堵、提升混凝土强度、固锁松动面层骨料起到积极作用。
(3)建议修订《指南》中对水泥混凝土道面表层病害处治对策章节的有关内容。
(4)建议研究新的施工工艺,在不停航的前提下,可在有效去除表面病害层的同时保持道面使用性能的适航指标要求。
(5)建议取消现有道面表面拉毛的纹理制作工艺,该工艺长期依赖于人工操作,强制形成约3mm厚的浮浆层,易泌水、水灰比大,强度低,耐磨性是混凝土当中最差的部分却承担着长期的磨耗。研究机械生成宏观纹理构造的工艺替代手工拉毛,表面耐磨层由混凝土本体承担而不是砂浆层。
(6)建议取消现行规范中对采用普通硅酸盐水泥品种允许,该品种水泥中的熟料成分组成和混合材的添加不利于道面混凝土的耐磨性能保持,MH 5006—2015《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》中水泥耐磨性指标不大于2.5 kg/m2的限值过大,建议降低该值,并给出混凝土的耐磨性指标。机场道面混凝土采用的水泥品种仅限于硅酸盐水泥和道路硅酸盐水泥。
(7)随着民航飞行班次增多,使得道面表层病害不断扩张,通航量的加大、再加上不停航施工难度增大,原本应尽快出来病害一拖再拖,最佳抢修时间错过了。机场道面表层由于长时间遭受外界腐蚀,表面出现松动迹象,起砂麻面较为严重导致飞机与地面接触点抗滑性能减弱,不足以支撑飞机下行压力抗滑性能要求。表层受到腐蚀日积月累病害扩展,表层出现脱粒现象,由于混凝土中含有大量石料,掉粒后出现小坑洞会扩展影响周边形成病害,长时间雨水浸泡很容易造成石料继续脱粒,由于飞机荷载量大,脱落的石料容易吸进飞机发动机里,容易造成飞机故障等更大的险情。在起降落与地面接触冲击力非常大,不规则病害容易划伤飞机轮胎,对飞行安全造成威胁。
(8)目前随着科学技术的进步,薄层病害处置技术也是层出不穷,选择工艺成熟、技术领先且有大量应用成功案例的方法去维修抢修以不再是束手无策,通过纳米有机硅混凝土固化剂、纳米有机硅防护涂层、及MMA薄层抢修料、聚合物混凝土薄层修补料—10S去处理表层病害不失为一种有效的方法,为薄层病害抢修提供了技术保障。
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