中國(guó)水利水電第十三工程局有限公司 李有兵
機(jī)場(chǎng)道面開(kāi)裂機(jī)理及控制技術(shù)研究
中國(guó)水利水電第十三工程局有限公司 李有兵
根據(jù)國(guó)際民航組織1999年公布的數(shù)據(jù),其147個(gè)成員國(guó)的1 038個(gè)機(jī)場(chǎng)中,瀝青混凝土跑道占62.6%;歐洲瀝青路面協(xié)會(huì)2003年對(duì)歐美機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),362個(gè)機(jī)場(chǎng)中瀝青混凝土道面占62.4%。與水泥混凝土道面相比,瀝青混凝土道面具有平整、抗滑、舒適等良好的使用性能,以及機(jī)械化施工程度高、工期短、養(yǎng)護(hù)方便等施工優(yōu)點(diǎn),在很多大型民用機(jī)場(chǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。但由于荷載、環(huán)境等因素的反復(fù)作用,瀝青混凝土道面會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂病害,直接影響飛機(jī)的飛行安全。本文,筆者在分析瀝青混凝土道面開(kāi)裂形成機(jī)理的基礎(chǔ)上,結(jié)合安哥拉共和國(guó)LUENA跑道擴(kuò)建項(xiàng)目工程實(shí)踐,對(duì)設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)過(guò)程中控制開(kāi)裂的技術(shù)進(jìn)行了研究,以期對(duì)同行有所參考。
機(jī)場(chǎng)道面裂縫主要有表面裂縫、反射裂縫和永久裂縫等類(lèi)型。從上而下形成表面裂縫,從下而上形成反射裂縫。LUENA跑道采用水泥穩(wěn)定土作為基層,水泥穩(wěn)定土是一種半剛性基層,由于強(qiáng)度較大容易形成放射裂縫,從而導(dǎo)致道面開(kāi)裂。國(guó)外早在20世紀(jì)30年代就開(kāi)始了對(duì)反射裂縫的研究,研究包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和理論研究等方面,并且取得了一定的成果。直到20世紀(jì)70年代,在減少道面開(kāi)裂方面的研究才有了較大進(jìn)展。我國(guó)現(xiàn)行的機(jī)場(chǎng)瀝青道面設(shè)計(jì)規(guī)范采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,該方法以CBR值作為路基土和道面材料(主要是粒料)的參數(shù)性能指標(biāo),以土基的抗剪強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo),以控制土基變形以及道面輪轍等損壞模式。
半剛性基層道面設(shè)計(jì)指標(biāo)體系主要考慮控制開(kāi)裂和永久變形兩種典型的損壞模式。針對(duì)開(kāi)裂損壞,半剛性基層道面主要控制半剛性基層的疲勞開(kāi)裂、面層的疲勞開(kāi)裂和寒冷地區(qū)面層的低溫縮裂等損壞形式,輪轍損壞則主要控制瀝青層的永久變形。
造成道面開(kāi)裂的原因很多,如溫度、荷載、氣候、環(huán)境以及后期養(yǎng)護(hù)等,其中溫度疲勞開(kāi)裂在半剛性基層中的影響最大,有研究表明,溫度疲勞是引起路面溫度裂縫的主要原因。隨著傳統(tǒng)疲勞破壞理論的發(fā)展,人們逐漸認(rèn)識(shí)到,道面的破壞在很大程度上是因?yàn)轱w機(jī)荷載次數(shù)超過(guò)了道面本身的疲勞次數(shù)而引起的。
1.設(shè)計(jì)中采取的預(yù)防控制措施。在機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)中,要充分考慮半剛性基層反射裂縫的影響,要在基層上面鋪設(shè)防反射裂縫材料,也可以加強(qiáng)面層材料的抗裂性,如在面層和基層間加入土工材料、橡膠封層以及應(yīng)力吸收膜等。同時(shí),通過(guò)材料的合理配置,調(diào)整結(jié)合料用量和配比,以盡可能減小收縮系數(shù),提高材料強(qiáng)度,增強(qiáng)半剛性基層材料的抗裂性能。在LUENA跑道擴(kuò)建設(shè)計(jì)中采用了玻纖土工格柵作為防反射裂縫材料,主跑道面層采用兩層瀝青混凝土(5 cm的中粒式瀝青混凝土+5 cm細(xì)粒式磨耗層),道肩采用5 cm瀝青混凝土,所有施工規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)均采用美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)。玻纖土工格柵采用自粘的形式,即先在半剛性基層上撒鋪瀝青層,再鋪上玻纖土工格柵。
2.施工中采取的防治措施。
(1)加強(qiáng)基層強(qiáng)度,在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制水泥穩(wěn)定土的壓實(shí)度。在LUENA跑道中,采用P.O 32.5R普通硅酸鹽水泥,水泥劑量為10%(外摻),采用廠拌方式拌制水泥穩(wěn)定土,土為黃色粉砂土,最大干密度為2.1 g/cm3,最佳含水量為7%。
(2)嚴(yán)格控制瀝青面層混凝土的配合比和集料級(jí)配,保證瀝青混合料的攤鋪溫度、壓實(shí)溫度,盡量不讓瀝青混合料產(chǎn)生離析現(xiàn)象,以保證面層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在施工過(guò)程中,記錄混合料在各個(gè)時(shí)段的溫度,杜絕低于規(guī)定溫度的混合料繼續(xù)使用。
(3)在基層和面層之間攤鋪玻纖土工格柵時(shí),要求基層壓實(shí)平整、呈水平狀,清楚尖刺突起物。在安裝鋪設(shè)過(guò)程中,跑道中軸方向應(yīng)盡量張緊,無(wú)皺褶。LUENA跑道采用力學(xué)性能穩(wěn)定、受含水量影響較小的砂類(lèi)土,填料的級(jí)配要合理控制,以保證壓實(shí)功。
3.后期養(yǎng)護(hù)中采取的防治措施。后期養(yǎng)護(hù)對(duì)于防止放射裂縫的產(chǎn)生具有重要作用。在道面沒(méi)有達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度之前不準(zhǔn)通行,如果是水泥混凝土面層的話,應(yīng)注意定期灑水。若機(jī)場(chǎng)道面產(chǎn)生一些小的裂縫,應(yīng)在小裂縫形成大裂縫之前進(jìn)行修補(bǔ)。美國(guó)認(rèn)為,最佳的裂縫填封時(shí)機(jī)應(yīng)該在裂縫張開(kāi)量為最大裂縫一半時(shí)進(jìn)行填封,因?yàn)樵诹芽p張開(kāi)量最小時(shí)填封,填封材料總是處于受拉力狀態(tài);而在裂縫張開(kāi)量最大的時(shí)候填封,當(dāng)裂縫受外力影響收縮時(shí),填封材料受壓,有可能被擠出面層,造成道面不平整。根據(jù)我國(guó)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,填封最好在張開(kāi)約50%,氣溫在15~25℃時(shí)比較適宜。裂縫處理質(zhì)量的好壞,很大程度上取決于裂縫處理的方法和施工工藝。
4.LUENA跑道處理方法。為了預(yù)防反射裂縫的產(chǎn)生,LUENA跑道采用玻纖土工格柵作為防反射層,鋪設(shè)在水泥穩(wěn)定土半剛性基層上面。從現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)后得出的玻纖土工格柵具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表 1 玻纖土工格柵的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率
由表1可知,玻纖土工格柵在經(jīng)向和緯向都有很高的斷裂強(qiáng)度,以及很少的斷裂伸長(zhǎng)率,能夠有效阻止基層裂縫向面層延伸。由于玻纖土工格柵的模量達(dá)到67GPa,當(dāng)它夾在基層和面層之間時(shí),能夠釋放應(yīng)力,減少應(yīng)變,從而提高面層結(jié)構(gòu)的抗拉和抗剪能力。
綜上,本文,筆者結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,根據(jù)國(guó)內(nèi)外機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀以及反射裂縫的形成方式和處治辦法,并綜合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,采用玻纖土工格柵作為防反射層,以防機(jī)場(chǎng)道面開(kāi)裂。從現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)看,該方法用于半剛性基層和柔性面層(瀝青混凝土面層)的道面組合形式是非常有效的。