装配式道面的现状及发展分析

2021-05-08程国勇邓钧之马少敏

公路交通技术 2021年2期

李涛，程国勇，邓钧之, 马少敏

(1.中国民航大学机场学院，天津 300300； 2.北京理工大学宇航学院，北京 100081)

道面是机场的重要组成部分，其中绝大多数为水泥混凝土道面[1]。水泥混凝土道面最大的缺点是修补困难，如果道面发生破坏，出现板块边角断裂、错台、裂缝等，难以局部修复，需要换板。即使采用快凝早强水泥，也至少需8 h～10 h进行施工。并且我国不少机场为单跑道运行，随着机场航空业务量的快速增长，很多机场不具备停航维修条件。

因而，如何在不停航条件下实现道面的快速维修，降低更换道面板的成本，快速恢复道面结构性能和功能性指标成为摆在各个机场面前的共性问题。而装配式道面有可能是彻底解决上述问题的有效手段。近年来，部分机场开始应用装配式技术进行破损道面的局部更换，装配式道面板无需现场养护，可有效减少机场停航时间。

但装配式道面在民航机场的普遍应用尚有许多理论与技术问题需要解决。本文对装配式道面的发展历程、结构体系类型、目前研究热点及需要解决的问题进行了分析，旨在对装配式道面的应用及研究提供有益参考。

1 装配式道面发展历程

1930年，前苏联最早开始将装配式水泥混凝土技术应用到机场领域[2]。美国相较于前苏联，起步较晚。二战时，美国开始研究有孔钢板装配式道面，并很快应用于实战[3]。

二战后，随着飞机制造业的快速发展，喷气式战斗机投入使用，对道面板提出了更高的要求，相继出现了铝合金道面板、玻璃纤维道面板、预制的混凝土板等多种装配式道面[4]。

1984年，Brabston[5]开展了装配式水泥混凝土道面的试验性研究，然而直到1990年代，装配式水泥混凝土道面才得到道路工作者的重视。

1997年，Newcastle大学土木工程系J.W.Bull和C.H.Wooford[6]进行了机场预制混凝土道面的有限元模拟分析。研究结果表明预制混凝土道面的使用寿命较长，可作为机场的永久道面使用。

2001年，华盛顿杜勒斯国际机场[7]采用预制修复技术成功更换了3块道面板，证明了该技术能在不停航的条件下实现对跑道的快速修复。

2020年，孙建军等[2]对预制拼装混凝土道面板的破坏防治进行了研究，结果表明，预制板铺装时与基层的贴合是否良好对道面使用寿命的影响很大。

经过几十年的发展，装配式道面在机场快速修复和快速建造中优势明显，因此得到了广泛研究和应用，已形成了多个种类的装配式道面结构体系。

2 装配式道面的结构体系

当前装配式道面包括钢板装配式道面、高强复合材料装配式道面、预应力钢筋混凝土装配式道面及普通钢筋混凝土装配式道面4个体系。

2.1 钢板装配式道面

1940年，美军率先研究出冲孔钢板装配式道面，并将其命名为M8马斯顿垫[3]，如图1所示。单块马斯顿垫的规格为：板长3 m×宽0.38 m×厚约6 mm，重30 kg。每块板均布有87个冲压成型的加强孔可有效减轻重量，冲孔钢板两侧有冲压成型的卡扣用于板间的互锁铺装，整个跑道利用卡扣将标准化的钢板相互连接而成，如图2所示。

图1 M8马斯顿垫

图2 冲孔钢板卡扣

随着喷气式战机投入使用，由于冲孔的存在，M8道面难以满足洁净度的要求，美军又研制出无孔钢板道面。单板的尺寸与M8马斯顿垫相同，相邻道面板间通过铰链连接，直接铺装在经碾压的土基上，其铺装施工如图3所示。为便于运输及拆装，随后发展出了多边形的马斯顿垫，如图4所示，其为六边形，单块板质量更轻、运输更便捷，能更随意地接拼铺装。

图3 无孔钢板装配式道面铺装施工

钢板装配式道面有许多优点，如建造、修复速度快，成本低，拆装灵活，机动性强，另外道面板材料还可循环使用。但钢板装配式道面也存在整体性较差、刚度小、道面变形大、承载强度不足等明显的缺点，只能作为野战机场的临时道面。

图4 六边形马斯顿垫

2.2 高强复合材料装配式道面

20世纪40年代初，美国首先研制了玻璃钢道面板并快速成为美军道面快速修复的首选材料[8]。玻璃钢道面板由玻璃纤维与树脂复合而成，板块之间用弹性铰链连接。这种道面在修建时，要求土基的CBR值不小于4，然后在土基上铺筑60 cm厚的碎石并用压路机压实整平后，即可铺筑玻璃钢道面板。随着高分子材料的发展，超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维和玻璃纤维的树脂基高强复合材料道面板应运而生，材料性能再次得到提升。复合材料装配式道面板的规格一般为：板宽1.8 m×长9.0 m×厚约9.0 mm，重约151 kg，如图5所示。

图5 高强复合材料道面板人工铺装

高强复合材料装配式道面有如下优点：

1) 板幅较大，道面整体性较好。单个板块长度可达9 m，采用1.8 m的板宽也方便采用标准车运输。

2) 材料强度高、表面性能好。玻璃钢的抗弯强度可达约198 MPa、树脂基高强复合材料抗弯强度可达约280 MPa；玻璃钢和树脂基高强复合材料道面板在有水膜条件下的摩擦系数可分别达到0.45～0.60及0.58；巴氏硬度可达40以上。

高强复合材料装配式道面也有明显的不足：

1) 板块较大且自重较小，道面板与基层之间结合较差，需用高强度的螺栓将道面板固定在基层上。

2) 道面板刚度不足，道面变形较大、承载能力不高。

3) 道面板主材为高分子有机物，其耐火性及气候稳定性也有隐忧。

因此，高强复合材料装配式道面只能用于应急条件下临时抢修工程。

2.3 预应力钢筋混凝土装配式道面

20世纪40年代后期，法国最先开始研究预应力钢筋混凝土装配式道面[9]。这种道面通过预先施加拉力，道面板的抗弯强度较高、耐久性较好，可适用于荷载等级较高的机场道面[10]。

预应力钢筋混凝土道面的做法通常是在道面板中设置钢绞线，然后对钢绞线通过后张法施加预应力，从而得到预应力道面，道面板间设有分隔的膨胀缝。

1) 优点

(1) 由于预应力的作用[11]，道面板的板体性强，横向开裂得到改善，耐久性较好。

(2) 道面板间接缝严密，可有效减少唧泥、错台等病害发生。

2) 不足

(1) 纵向预应力对道面板横向承载能力的影响不大，由于跑道宽度较宽，道面板常常处于复杂的应力状态，预应力装配式道面易产生纵向裂缝。

(2) 道面板的预拱度难确定，随着混凝土徐变，道面的拱度会逐渐增大，若道面板的反拱度设置不合理，将导致道面平整度较差。

综上，预应力装配式道面的理论体系仍不完善，世界各国对预应力混凝土装配式道面的设计仍无统一的方法体系，离实际应用还有一定距离。

2.4 普通钢筋混凝土装配式道面

1947年，法国在巴黎奥利机场最先开始应用装配式水泥混凝土道面铺装技术。普通钢筋混凝土装配式道面，其水泥混凝土板在预制厂内预制，然后通过载运设备运输到工程现场，将其安装到已整平的基层上，同时安装相应的装配组件(接缝传荷装置、嵌缝料等)，并在最短的时间内达到开放交通前的强度及使用性能要求而形成的一种铺面形式，其施工速度快，广泛应用于荷载等级较高的机场道面。

相较上述其他3种装配式道面体系，普通钢筋混凝土装配式道面具有以下优点：

1) 与钢板装配式道面相比，道面板的自重、刚度更大，承载力更高，能够承受重型荷载的作用。

2) 与高强复合材料装配式道面相比，水泥混凝土材料可承受飞机发动机尾喷气流的吹蚀，道面板的温度稳定性更好，耐久性更强[12]。

3) 与预应力装配式道面相比，普通钢筋混凝土装配式道面可实现机械化、自动化施工，道面平整度更易于控制，且造价更低、初期投资更小[13]。

综上，普通钢筋混凝土装配式道面作为一种新兴的铺面技术，若用于民航机场具有其他3种装配式道面所不具备的优点，是最适宜推广的装配式道面体系。

3 普通钢筋混凝土装配式道面的研究热点及需解决的问题

通过上述分析可以发现，普通钢筋混凝土装配式道面是今后研究和发展的方向，其研究热点和需解决的问题如下。

3.1 结构参数及刚度优化研究

为提高普通钢筋混凝土装配式道面结构设计的科学性，需首先对道面结构参数及刚度优化进行研究。主要包括道面板的尺寸、厚度、刚度等的合理范围分析。目前，一些学者也做了部分研究工作。

柴震林等[14]利用有限元模拟分析了不同预制板尺寸和不同地基强度对修复后路面承载力的影响，结果表明，当预制板的尺寸不小于原板的1/2时，修复后路面结构的承载能力最好。

洪盛远等[15]利用有限元对预制板的尺寸、各结构层的厚度和弹性模量等因素进行了参数敏感性分析，初步明确了预制块道面各结构参数变化对道面承载力的影响规律。

目前关于普通钢筋混凝土装配式道面结构参数的研究，仅初步探究了飞机荷载与温度作用下，道面板的平面尺寸、各结构层厚度和弹性模量等单一因素变化时，对道面板承载力的影响规律和影响程度，未充分考虑对其他结构层的影响。同时也未探究在多因素共同变化的情况下，各结构层的响应情况。因此，目前的研究工作与实际应用之间仍有一定的距离。在后期的研究中，可利用有限元模拟，通过改变上述参数，综合考虑各结构层的力学响应，建立各结构层的应力匹配图，然后深入探究各结构参数的相互匹配及刚度优化，使整个结构设计更加科学、合理。

3.2 调平及灌浆材料研究

为减小因基层局部不平整对预制道面板产生应力集中的影响，需解决预制道面板与基层的结合问题和预制板铺装后的平整度问题。

为此，可在预制面层和基层间增设灌浆层[16]。灌浆层作为一个重要的结构层，灌浆材料自身的性能以及与相邻结构层的粘结程度等因素对整个道面结构的力学响应都有很大影响。

朱懋江等[17]为探究装配式道面中灌浆层的优选问题，设计了不同灌浆材料种类、板底粗糙度、灌浆厚度和基层结构的正交试验方案，开展了竖向静态、疲劳加载和侧向加载试验，结果表明，高强度无收缩灌浆材料与基层的粘结性能最佳。

目前，关于调平及灌浆材料的研究主要集中在材料的自身性能与施工质量控制上，如灌浆材料的流动性、弹性模量、配合比设计等方面，但对调平灌浆层在荷载作用下的力学响应仍缺乏系统研究，未明确在不同机型荷载作用下调平灌浆层厚度、模量等参数的合理范围，后续研究中可利用有限元分析，在确定其他各层最优参数的情况下，分别改变灌浆层的厚度和模量，然后根据面层和灌浆层的力学响应，建立应力匹配图，进一步确定灌浆层厚度和模量的合理范围。

3.3 传力及细部构造研究

为提高道面的承载强度，道面板之间的连接及传荷十分重要。对于现浇的水泥混凝土道面，板块之间一般通过销键(企口、拉杆、传力杆)或骨料嵌锁(假缝)传荷。目前预制混凝土道面板的传荷机构主要有2种：企口榫卯和传力杆。

1) 企口榫卯

企口榫卯拼接示意如图6所示，预制板一端制作成凹槽，另一端做成凸榫。铺装时，将相邻道面板凹槽与凸榫首尾相接，从而形成一个整体。

图6 企口榫卯拼接示意

为保证预制板之间的舌槽搭接，采用企口榫卯传荷方式对预制混凝土板的加工精度要求很高，必须严格控制混凝土浇筑模具的精度。同时，采用这种传荷方式的预制道面板对现场组装施工的精度要求也很高。此外，当局部修复需更换部分板块时，由于板块间的榫卯咬合紧密，难以将道面板取出和放回，因此道面板的修复较为困难。

2) 传力杆

传力杆搭接示意如图7所示，预制板一端设传力杆，另一端设对应的凹槽。铺装时，将带凹槽的预制板放置在相邻板块的传力杆上，从而将道面板连接成一个整体。

图7 传力杆搭接示意

为保证道面板间的荷载传递能力，采用传力杆传荷，对预制混凝土板的加工精度要求也很高，也必须严格控制混凝土浇筑的模具精度，以实现传力杆槽和传力杆的良好咬合。但相较企口榫卯，采用传力杆传荷，预制混凝土道面板的拆装更方便，传荷效果也更好。

上述2种常见的板间传力机制传荷能力不够理想[18]，道面板的拆装施工过程十分困难，与道面快速维护的要求尚有差距。因此需要研究新型的传力机制，如“U形”传力杆、齿轮推进式传力杆等。“U形”传力杆示意如图8所示，在道面板四周预先均布1/4圆的预留孔，当相邻板拼装在一起后，用半圆形即“U形”传力杆将相邻板连接在一起，然后再在接缝处嵌入膨胀密封胶，此种传力机制构造简单，道面板拆装施工将非常便捷。齿轮推进式传力机制如图9所示，在道面板中部预留孔洞，然后将带齿条的传力杆放入预留孔洞中，当相邻板拼装在一起后，通过转动在板中放置带有齿轮的竖向螺旋杆，利用螺旋传动的原理，将带齿条的传力杆送至相邻道面板中，从而将道面板连成一个整体。采用齿轮推进式传力杆也将使道面板的拆装、更换十分方便。