机场道面开裂机理及控制技术研究

中国水利水电第十三工程局有限公司 李有兵

机场道面开裂机理及控制技术研究

中国水利水电第十三工程局有限公司 李有兵

根据国际民航组织1999年公布的数据，其147个成员国的1 038个机场中，沥青混凝土跑道占62.6%；欧洲沥青路面协会2003年对欧美机场进行了统计，362个机场中沥青混凝土道面占62.4%。与水泥混凝土道面相比，沥青混凝土道面具有平整、抗滑、舒适等良好的使用性能，以及机械化施工程度高、工期短、养护方便等施工优点，在很多大型民用机场中得到了广泛应用。但由于荷载、环境等因素的反复作用，沥青混凝土道面会出现开裂病害，直接影响飞机的飞行安全。本文，笔者在分析沥青混凝土道面开裂形成机理的基础上，结合安哥拉共和国LUENA跑道扩建项目工程实践，对设计、施工、养护过程中控制开裂的技术进行了研究，以期对同行有所参考。

一、机场道面裂缝形成机理

机场道面裂缝主要有表面裂缝、反射裂缝和永久裂缝等类型。从上而下形成表面裂缝，从下而上形成反射裂缝。LUENA跑道采用水泥稳定土作为基层，水泥稳定土是一种半刚性基层，由于强度较大容易形成放射裂缝，从而导致道面开裂。国外早在20世纪30年代就开始了对反射裂缝的研究，研究包括现场试验、室内试验和理论研究等方面，并且取得了一定的成果。直到20世纪70年代，在减少道面开裂方面的研究才有了较大进展。我国现行的机场沥青道面设计规范采用经验设计方法，该方法以CBR值作为路基土和道面材料（主要是粒料）的参数性能指标，以土基的抗剪强度作为设计指标，以控制土基变形以及道面轮辙等损坏模式。

半刚性基层道面设计指标体系主要考虑控制开裂和永久变形两种典型的损坏模式。针对开裂损坏，半刚性基层道面主要控制半刚性基层的疲劳开裂、面层的疲劳开裂和寒冷地区面层的低温缩裂等损坏形式，轮辙损坏则主要控制沥青层的永久变形。

造成道面开裂的原因很多，如温度、荷载、气候、环境以及后期养护等，其中温度疲劳开裂在半刚性基层中的影响最大，有研究表明，温度疲劳是引起路面温度裂缝的主要原因。随着传统疲劳破坏理论的发展，人们逐渐认识到，道面的破坏在很大程度上是因为飞机荷载次数超过了道面本身的疲劳次数而引起的。

二、机场道面开裂的防治

1.设计中采取的预防控制措施。在机场道面设计中，要充分考虑半刚性基层反射裂缝的影响，要在基层上面铺设防反射裂缝材料，也可以加强面层材料的抗裂性，如在面层和基层间加入土工材料、橡胶封层以及应力吸收膜等。同时，通过材料的合理配置，调整结合料用量和配比，以尽可能减小收缩系数，提高材料强度，增强半刚性基层材料的抗裂性能。在LUENA跑道扩建设计中采用了玻纤土工格栅作为防反射裂缝材料，主跑道面层采用两层沥青混凝土（5 cm的中粒式沥青混凝土+5 cm细粒式磨耗层），道肩采用5 cm沥青混凝土,所有施工规范及标准均采用美国ASTM标准。玻纤土工格栅采用自粘的形式，即先在半刚性基层上撒铺沥青层，再铺上玻纤土工格栅。

2.施工中采取的防治措施。

（1）加强基层强度，在施工过程中严格控制水泥稳定土的压实度。在LUENA跑道中，采用P.O 32.5R普通硅酸盐水泥，水泥剂量为10%（外掺），采用厂拌方式拌制水泥稳定土，土为黄色粉砂土，最大干密度为2.1 g/cm3，最佳含水量为7%。

（2）严格控制沥青面层混凝土的配合比和集料级配，保证沥青混合料的摊铺温度、压实温度，尽量不让沥青混合料产生离析现象，以保证面层的结构强度。在施工过程中，记录混合料在各个时段的温度，杜绝低于规定温度的混合料继续使用。

（3）在基层和面层之间摊铺玻纤土工格栅时，要求基层压实平整、呈水平状，清楚尖刺突起物。在安装铺设过程中，跑道中轴方向应尽量张紧，无皱褶。LUENA跑道采用力学性能稳定、受含水量影响较小的砂类土，填料的级配要合理控制，以保证压实功。

3.后期养护中采取的防治措施。后期养护对于防止放射裂缝的产生具有重要作用。在道面没有达到规定强度之前不准通行，如果是水泥混凝土面层的话，应注意定期洒水。若机场道面产生一些小的裂缝，应在小裂缝形成大裂缝之前进行修补。美国认为，最佳的裂缝填封时机应该在裂缝张开量为最大裂缝一半时进行填封，因为在裂缝张开量最小时填封，填封材料总是处于受拉力状态；而在裂缝张开量最大的时候填封，当裂缝受外力影响收缩时，填封材料受压，有可能被挤出面层，造成道面不平整。根据我国经验来看，填封最好在张开约50%，气温在15~25℃时比较适宜。裂缝处理质量的好坏，很大程度上取决于裂缝处理的方法和施工工艺。

4.LUENA跑道处理方法。为了预防反射裂缝的产生，LUENA跑道采用玻纤土工格栅作为防反射层，铺设在水泥稳定土半刚性基层上面。从现场铺设后得出的玻纤土工格栅具体数据见表1。

表 1 玻纤土工格栅的断裂强度和伸长率

由表1可知，玻纤土工格栅在经向和纬向都有很高的断裂强度，以及很少的断裂伸长率，能够有效阻止基层裂缝向面层延伸。由于玻纤土工格栅的模量达到67GPa，当它夹在基层和面层之间时，能够释放应力，减少应变，从而提高面层结构的抗拉和抗剪能力。

综上，本文，笔者结合实际工程项目，根据国内外机场设计现状以及反射裂缝的形成方式和处治办法，并综合当地实际情况，采用玻纤土工格栅作为防反射层，以防机场道面开裂。从现场收集的数据看，该方法用于半刚性基层和柔性面层（沥青混凝土面层）的道面组合形式是非常有效的。