預(yù)制混凝土道面在機(jī)場(chǎng)建設(shè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析

張皓

（中國民航工程咨詢有限公司，北京 100621）

1 引言

預(yù)制混凝土是預(yù)先在工廠環(huán)境下根據(jù)實(shí)際需要制作混凝土制品的混凝土。預(yù)制混凝土道面（Precast Concrete Pavement，PCP）如圖1所示，是利用預(yù)制混凝土技術(shù)制作的混凝土道面，是其在機(jī)場(chǎng)建設(shè)中的主要應(yīng)用方式，是實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)道面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、機(jī)械化施工與快速維護(hù)保障的有效手段，具有施工便捷、可標(biāo)準(zhǔn)化和易智能化等特點(diǎn)，可為機(jī)場(chǎng)的建設(shè)與運(yùn)維保障提供有力的技術(shù)支撐，為機(jī)場(chǎng)的不停航施工提供先進(jìn)的技術(shù)手段，切實(shí)降低機(jī)場(chǎng)道面的建設(shè)成本與維護(hù)成本，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)做到安全和環(huán)保，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。某機(jī)場(chǎng)PCP施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖1 PCP結(jié)構(gòu)示意

圖2 某機(jī)場(chǎng)PCP施工現(xiàn)場(chǎng)圖

2 預(yù)制混凝土道面發(fā)展歷程

PCP在國內(nèi)的研究和應(yīng)用相對(duì)較少，而在國外的研究和應(yīng)用起步較早，經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展形成了較為成熟的PCP技術(shù)體系。

早在20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)最早將預(yù)制混凝土技術(shù)應(yīng)用到機(jī)場(chǎng)建設(shè)中，目的是緊急修補(bǔ)道面損害，后以六邊形無鋼筋混凝土預(yù)制塊為單元體，拼裝成簡易機(jī)場(chǎng)道面。在二戰(zhàn)時(shí)期，由于飛機(jī)體積和質(zhì)量增大，通過調(diào)整六邊形預(yù)制塊尺寸、增加碎石提高強(qiáng)度，并以此為基礎(chǔ)拼裝，形成了早期預(yù)制混凝土道面雛形。60~80年代，蘇聯(lián)的PCP技術(shù)不斷發(fā)展，基于PCP的道路鋪設(shè)超過6 000 km。到2000年，PCP技術(shù)已經(jīng)在俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)化，并在機(jī)場(chǎng)中廣泛應(yīng)用[1]。

20世紀(jì)40年代，英法兩國開始進(jìn)行PCP技術(shù)的研究。1947年，法國巴黎奧利機(jī)場(chǎng)最先應(yīng)用PCP鋪裝技術(shù)，并應(yīng)用于荷載等級(jí)較高的機(jī)場(chǎng)道面。1962年，在意大利那不勒斯召開的關(guān)于“預(yù)應(yīng)力混凝土路面與機(jī)場(chǎng)道面”專題會(huì)議，對(duì)PCP技術(shù)進(jìn)行了深入研討。到80~90年代，英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的John W.BULL和C.H.Wooford學(xué)者、Yousef Bashir Luheshi學(xué)者等對(duì)PCP進(jìn)行了大量模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)PCP在機(jī)場(chǎng)中的應(yīng)用做出了進(jìn)一步的肯定。

美國的PCP技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代，由Simonsen等人最早開展，到90年代初才逐漸受到重視。美國的聯(lián)邦公路局和德州交通廳支持得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校開展PCP系統(tǒng)研究，提出預(yù)應(yīng)力預(yù)制水泥混凝土鋪面的概念，并于2002年開始應(yīng)用于工程項(xiàng)目中。后來在聯(lián)邦公路局的推廣下，美國大部分州開展了PCP技術(shù)試驗(yàn)性工程應(yīng)用，獲得了不小的進(jìn)展。2013年，美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃第二期（SHRP2）對(duì)PCP的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)做了明確規(guī)定。在此背景下，美國相關(guān)公司也大量開展了PCP研究，總結(jié)形成了包括Fort Miller公司的“Super-Slab”體系、“Kwik Slab”體系和Roman Stone公司的“Roman Road”體系等。2000年，圣路易斯國際機(jī)場(chǎng)利用PCP技術(shù)進(jìn)行了單塊道面板的更換。2002年，拉瓜迪亞機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了PCP技術(shù)的試驗(yàn)式研究。此外，杜勒斯國際機(jī)場(chǎng)也進(jìn)行了利用預(yù)制混凝土道面板進(jìn)行快速修補(bǔ)工程應(yīng)用，效果較為良好[2-5]。

亞洲地區(qū)，日本的PCP技術(shù)可追溯到20世紀(jì)80年代，主要應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)或海港的道面快速修復(fù)，并在2000年開發(fā)了使用特殊荷載傳遞裝置的高強(qiáng)度鋼筋混凝土道面板，降低了PCP道面板的成本。2009年，印尼爪哇島井里汶附近建成了預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土路面公路，長35 km。后續(xù)又基于美國的標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)實(shí)施了其他預(yù)制混凝土項(xiàng)目，獲得了許多成果。

國內(nèi)預(yù)制混凝土鋪面最早在1983年珠海與澳門之間的長約22 m的預(yù)制鋼筋混凝土路面，共154 m2，該區(qū)域在運(yùn)營10年仍能保持較好的使用性能。在此之后較長的時(shí)間里，國內(nèi)相關(guān)的工程案例應(yīng)用較少。2020年，首都機(jī)場(chǎng)西跑道大修應(yīng)用了PCP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了28 d施工時(shí)間縮短到6 h的壯舉，解決了水泥混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間長與機(jī)場(chǎng)繁忙無法停航維修的矛盾。此外，新鄭機(jī)場(chǎng)、祿口機(jī)場(chǎng)都對(duì)PCP技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的探索和試驗(yàn)。

3 研究方向

目前，PCP的研究主要包括道面板的板尺寸研究、傳力方式研究、注漿材料研究和維護(hù)檢測(cè)研究等方向。

3.1 板尺寸研究

石家莊市交通局公路管理處通過對(duì)水泥混凝土路面預(yù)制拼裝技術(shù)的研究，分析了混凝土預(yù)制板彎拉強(qiáng)度和幾何尺寸的確定方法，確定了尺寸為2.5 m×2.0 m的小塊預(yù)制拼裝板修復(fù)路面是用時(shí)最短、對(duì)交通影響最小、最經(jīng)濟(jì)的路面修復(fù)方式，同時(shí)在機(jī)場(chǎng)道面的快速修復(fù)中也具有較大的實(shí)用價(jià)值和良好的經(jīng)濟(jì)效益。楊廷偉等[6-7]結(jié)合國內(nèi)外公路搶修工程經(jīng)驗(yàn)，分析了預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土道面在野戰(zhàn)機(jī)場(chǎng)修建中具有廣闊的應(yīng)用前景。

同濟(jì)大學(xué)對(duì)于預(yù)制混凝土板施工和修復(fù)進(jìn)行了諸多嘗試。廖小芳通過數(shù)值分析和有限元模擬的方式分析了接縫傳荷能力和基層頂面的不均勻支撐對(duì)預(yù)制吊裝修復(fù)后道面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的問題。考慮接縫傳荷能力和基礎(chǔ)強(qiáng)度的條件下，分析了整板、1/2板、1/4板的修復(fù)的適應(yīng)性，提出了尺寸“宜大不宜小、整板修復(fù)效果佳”的原則，并在浦東機(jī)場(chǎng)內(nèi)完成了兩塊預(yù)制混凝土道面板的修復(fù)技術(shù)，修復(fù)效果良好。上海龍華通用機(jī)場(chǎng)的特種車庫新建地坪項(xiàng)目采用了預(yù)制混凝土道面，整個(gè)新建區(qū)域?yàn)?1 m×12 m的矩形區(qū)域，通過該工程對(duì)PCP技術(shù)的結(jié)構(gòu)、接縫、施工工藝及質(zhì)量控制等內(nèi)容進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[8]。

PCP板尺寸研究基本為預(yù)制大尺寸板和小尺寸板兩個(gè)方向。大尺寸板有著更好的穩(wěn)定性但施工安裝非常不便；小尺寸板適合小范圍鋪裝，施工方便，但平整度過分依賴傳力方式，容易產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)等影響。為此，需根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景探索適合機(jī)場(chǎng)道面或站坪應(yīng)用的板塊尺寸。

3.2 傳力方式研究

PCP的傳力方式是影響其性能的重要因素，通常的傳力方式包括上開口式、下開口式、上窄開口式、水平孔式等。

俄羅斯PCP系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特方面是利用沿道面板長邊放置的吊環(huán)，然后利用高質(zhì)量的焊接技術(shù)將這些吊環(huán)焊接在一起，如果相鄰預(yù)制道面板之間的間距為4 mm或更小，則接縫以單焊縫焊接在一起，如果相鄰預(yù)制道面板間距大于4 mm，則將直徑為間距的3倍的鋼筋放在提升環(huán)上，并進(jìn)行兩次焊接。美國“Kwik Slab”系統(tǒng)由Kwik傳力裝置和裝配式鋼筋水泥混凝土板組成，Kwik傳力裝置為鋼制連接器，可互鎖鋼筋混凝土預(yù)制板，從而使整個(gè)連接段的鋼筋連續(xù)。該系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上模擬了鋼筋水泥混凝土路面，可連接的面板的總長度受到限制，并且在連接的截面之間提供了伸縮縫。日本Cotter型混凝土道面接頭，由一組C形構(gòu)件和H形構(gòu)件組成。制作預(yù)制板時(shí)，先嵌入C形構(gòu)件，然后在現(xiàn)場(chǎng)插入H形構(gòu)件，并擰緊固定螺栓使相鄰板成為一體。Cotter型接頭的主要特征是H形構(gòu)件加工有錐形凹槽，并且具有楔形效果，如圖3所示。通過這種接頭結(jié)構(gòu)，可以像現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)一樣，在沒有全面限制的情況下逐步進(jìn)行施工。另外，即使板的一部分損壞，也可以通過去除H形構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)部分的更換。

圖3 PCP傳力方式

PCP傳力方式是非常值得研究的方向，好的傳力方式能有效延長道面壽命和提高飛機(jī)行駛的舒適度。機(jī)場(chǎng)飛機(jī)荷載作用下的傳力方式如傳力桿結(jié)構(gòu)尺寸、分部間距、布置情況等方面，有待進(jìn)一步研究。

3.3 平整方式研究

PCP在安裝過程中，在剛性的道面板和柔性的基層之間會(huì)產(chǎn)生一定孔隙，如不進(jìn)行調(diào)平容易使板產(chǎn)生沉降。常用的平整方式為板底注漿，即在層間設(shè)置板底功能層以填充，如圖4所示。

圖4 PCP板底注漿

根據(jù)國內(nèi)外的研究情況，常見的注漿材料有：水泥注漿材料、瀝青注漿材料、聚氨酯類注漿材料和CA砂漿注漿材料。幾種材料各有優(yōu)劣，其中，CA砂漿是通過向水泥砂漿中摻入一定量的乳化瀝青制成的一種綜合水泥高強(qiáng)度和瀝青高彈性兩種優(yōu)點(diǎn)的半剛性高性能有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料，相較于其他材料具有流動(dòng)性好、剛度適宜、強(qiáng)度較高、高溫穩(wěn)定性好、抗裂性和抗?jié)B性優(yōu)良等綜合性能。根據(jù)龍華機(jī)場(chǎng)PCP的技術(shù)研究可知，砂灰比為4/3，聚灰比為0.2，水灰比為0.7，快凝水泥摻量為0.2為CA砂漿注漿材料的最優(yōu)配合比。同時(shí)在砂漿中加入一定量的碳酸鋰早強(qiáng)劑和聚羧酸系減水劑，可使?jié){液具有更高的早期強(qiáng)度和更好的流動(dòng)性能，能滿足施工過程中快速修復(fù)的需要[9]。由于PCP板的平整方式基本就是注漿。注漿材料也不外乎單一或者復(fù)合的材料，但注漿不容易實(shí)施且難以控制，在較大沖擊荷載的作用下是否會(huì)產(chǎn)生破壞尚且未知，不一定能滿足機(jī)場(chǎng)建設(shè)的應(yīng)用需求，探討新型非注漿平整方式是有價(jià)值的研究方向。

3.4 維護(hù)監(jiān)測(cè)

國內(nèi)尚無預(yù)制混凝土道面的專用維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，目前針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面，主要的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)有MH/T 5024—2019《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》和AC-140-CA-2010-3《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)場(chǎng)地維護(hù)技術(shù)指南》。國外預(yù)制混凝土道面維護(hù)大都是通過再次換板或通過采用可拆裝的傳力構(gòu)件達(dá)到道面板維護(hù)的目的，如日本的Cotter構(gòu)件和美國的可拆式傳力桿等。

對(duì)于PCP監(jiān)測(cè)方式，目前國內(nèi)主要的應(yīng)用案例是龍華機(jī)場(chǎng)PCP技術(shù)研究項(xiàng)目中應(yīng)用的PCP板底接觸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：利用分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)（DOVS），通過監(jiān)測(cè)光纖沿線各點(diǎn)傳播光相位的變化，分布式測(cè)量沿線各點(diǎn)振動(dòng)信息，監(jiān)測(cè)裝配施工過程中及裝配板運(yùn)營過程中的板底接觸狀態(tài)，評(píng)估道面板的施工效果，并為荷載作用下板底接觸狀態(tài)演變和長期服務(wù)性能提供數(shù)據(jù)支撐。

探討更適合國內(nèi)民航應(yīng)用的PCP檢測(cè)和維護(hù)方法也是非常有應(yīng)用價(jià)值的方向。

4 結(jié)語

預(yù)制混凝土道面作為一種擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的新型道面是非常值得推廣使用的。為此，需通過對(duì)該種道面諸如尺寸、連接方式、平整方式等主要特性進(jìn)行研究，總結(jié)出一套適合國內(nèi)民航機(jī)場(chǎng)使用的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系，為民航基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供更為有力的支撐。