机场水泥混凝土道面隔离层应用研究

马彪

摘 要：为改善机场水泥混凝土道面的整体结构性能，对道面隔离层的设计施工方法进行了研究，通过分析水泥混凝土道面面层与基层之间的层间状态，层间破坏将使面层承受不均匀支撑、面层和基层材料性能劣化、基层整体性下降，对目前通常采用的隔离层材料进行了分析，各种材料可以一定程度提高道面整体结构，土工布、石屑、沥青类隔离层仍会形成层间破坏，复合土工膜对道面整体结构的改善效果相对较好。

关键词：机场工程;水泥混凝土道面;隔离层;施工技术

我国机场新建道面面层主要采用水泥混凝土，长期运用中仍存在脆性大、面层与基层变形协调能力差，道面破坏问题时有出现。水泥混凝土道面一次性投资大，维修养护困难，道面破坏不仅造成较大经济损失，而且造成诸多社会问题和不良影响。道面面层设计继续加强加厚受到材料资源、振捣工艺、强度稳定性等限制，且实际水泥混凝土道面钻芯取样得到的厚度和强度一般都能满足设计要求，破坏的主要原因是基层和土基长期疲劳条件下的沉降变形稳固性不足，面层底部存在较多振捣渗入的水泥浆，摩阻系数较高，拉应力超限而导致破坏;另外是从接缝和断板缝中漏入大量水而引起半刚性基层表面局部冲刷脱空而破损。这种病害的根本解决方法是优化道面整体结构，在水泥混凝土面層与基层之间设置隔离层，解除半刚性基层对板底的强约束，提高道面的抗冲刷脱空变形能力。隔离层的主要功能是降低面层与基层的结合程度、减少基层摩阻力以及消除或减少混凝土面层底面在施工过程中产生的薄弱过渡层，减少水泥混凝土道面裂缝等病害，有效保护水泥稳定粒料基层，提高基层的抗冲刷能力。

1  水泥混凝土道面的层间状态

水泥混凝土道面面层、基层整体性能与层间摩阻力有关，在经典的物理学摩阻力模型中，摩阻力大小与受力物理的重量成线性关系，其成立前提是：①接触面不存在粘结作用;②接触面不发生变形。水泥混凝土道面实际层间状态与物理学经典的摩阻力模型不同，道面由于层间接触、材料组成复杂，通常认为层间摩阻力由粘结力、承载力和剪切力组成，。影响水泥混凝土道面层间摩阻力的主要因素是温、湿度变化与界面粗糙程度。混凝土材料在硬化后具有不可塑性，温、湿度的季节性变化会使道面板在水平方向上收缩和拉伸变形，温、湿度在板厚方向上的梯度变化会使道面板在竖直方向上发生翘曲变形，这两种变形均会破坏原有层间界面粘结特性与粗糙程度，影响道面层间摩阻力。

产生粘结力的主要原因是水泥混凝土道面施工中为保证水泥混凝土的密实，需对其进行充分振捣，振捣过程中面层中的水泥浆会渗入基层表面孔隙，随着水泥的水化和强度形成，面层和基层粘接形成整体。在面层和基层的初始粘接状态下，面层和基层之间存在“过渡层”。过渡层是指存在于面层与基层之间，因面层水泥混凝土浇筑过程中水泥浆渗入基层后形成的具有一定深度的、力学性质介于面层与基层材料之间的一个中间层。

在水泥混凝土道面假缝切缝后，由于混凝土受自身收缩、温度变形、外荷载的作用，切缝顶端由于应力集中产生裂纹并向下扩展，在裂纹贯穿板厚的瞬间，混凝土板在裂纹两端的拉应力完全释放，就像拉紧的弹簧突然拉断，混凝土将产生巨大回复力而使面层回缩，这种突然产生的回复力非常巨大。由于过渡层将面层和基层粘接成整体，因此，基层将阻止这种回复运动，这将在粘结界面附近产生较大的剪切力，使面层和基层界面上形成水平方向裂纹，甚至将面层与基层沿界面直接剪开。在切缝刚刚贯通面层时，面层与基层的分离界面仅出现在板端一定范围内，没有完全连通，但随着温度和外荷载的进一步作用，一些分离界面将在过渡层或过渡层附近完全连通实际的分离界面通常是不规则的。面层和基层分离后，分离界面把原本融为一体的面层、过渡层和基层分为两部分，面层和基层各自存在一个破坏面，破坏面附近严重损伤且存在大量表面裂纹。

2  隔离层的设计和应用

目前机场水泥混凝土道面结构设计中，基层一般采用无机结合料稳定粒料，基层与水泥混凝土面层之间一般都设置了隔离层。在材料选择上，采用沥青表面处治或稀浆封层较少，土工布和石屑类隔离层因经济、施工简便快捷，是习惯采用的隔离层材料，规范中的复合土工膜则应用较少。

2.1  土工布

隔离层采用土工布时，土工布作为水泥混凝土道面隔离层，一定程度上起到了降低面层与基层的结合、减少层间摩阻力以及消除或减少过渡层、有效排除累积在基层上水分的作用，尽管具有薄层材料的特点，但不能阻止水泥浆进入基层。若在基层表面铺设土工布，混凝土面层浇注过程中，水泥浆将透过土工布进入基层，使土工布与基层形成粘结，且在土工布下形成过渡层，可能造成面层与基层的局部分离和界面裂缝斜向侵入基层，

2.2  石屑

隔离层采用石屑时，所用石屑应坚硬、耐久、洁净，不应含有草根、树叶或其他有机物等杂质，并应符合表2和表3的技术指标。

石屑隔离层常用于道肩，因道肩宽度一般较小，土工布机械铺设困难而选用石屑。1cm石屑隔离层不能阻止水泥浆进入基层，更多起到找平隔离的作用。在面层混凝土浇筑时，少量水泥浆仍可透过石屑隔离层进入基层，使面层、石屑和基层形成一定粘结，可能造成面层与基层的局部分离、基层竖向开裂和界面裂缝斜向侵入基层，见图4。基层竖向开裂一般是由面层和基层强连接导致的。另外，在寒冷地区，石屑薄层可能会引起道肩冻胀。

2.3  复合土工膜

隔离层采用复合土工膜时，两布一膜隔离层在水泥混凝土浇筑后，与塑态混凝土接触的土工布能够浸润一定的水泥浆，混凝土凝固后，能和无纺土工布牢固粘结在一起。两布一膜隔离层不仅能够阻止水泥浆渗入基层，而且其上层和混凝土结合后，会对混凝土底面起到加强和增韧作用，与基层接触的土工布不与基层表面粘结，改善了道面面层的支撑，回归道面设计模型，道面受力更加有利。采用不透水隔离层后，为避免水在面层下集聚，应尽量使水能通过道肩排出。

通过以上分析，土工布和石屑不能阻止水泥浆进入基层，面层、隔离层、基层在初始状态下连为一体，在收缩、温度、荷载等作用下，面层与基层将分离，形成破坏面。沥青类隔离层同样会使面层和基层粘结，分离时也会产生破坏面。复合土工膜对层间状态的改善相对较好，可以优化道面整体结构。因此，在温差较大、气候较恶劣，道面易发生裂缝的地区修建机场时，隔离层材料可考虑采用不透水的薄膜类隔离层。

3  结语

3.1 基于目前机场水泥混凝土道面隔离层设计、施工具有较大盲目性，对道面隔离层的应用进行了研究。分析了水泥混凝土道面面层与基层之间的层间状态，由于水泥混凝土材料的特性，层间分离难以避免，这种层间分离破坏将导致水泥混凝土面板受不均匀支撑、面层和基层顶面材料性能劣化、基层整体性下降。

3.2 采用土工布、石屑作为隔离层，层间会形成过渡层，采用沥青类材料作为隔离层也会导致面层和基层的粘接，面层与基层分离时会产生不同程度的层间破坏。复合土工膜可以阻止水泥浆进入基层，避免过渡层的产生，优化道面整体结构。提出土工布、土工膜隔离层施工的注意事项。

参考文献：

[1] 付智，李红. 水泥混凝土路面的隔离封层与缓冲封层设置技术[J]. 公路交通科技（应用技术版），2011，（4）：291-296.

[2] 易志坚. 路面层间破坏分析与设置隔离层的水泥混凝土路面新结构研究[D]. 重庆：重庆大学，2011.