防止寒冷地區(qū)機場水泥混凝土道面凍脹問題的施工措施

史保華 梅平 劉遠飛 楊新泉

摘要：為了保證寒冷地區(qū)機場水泥混凝土道面的施工質(zhì)量，在對道面容易發(fā)生的凍脹、翻漿和凍融等破壞問題的原因進行系統(tǒng)分析，在此基礎(chǔ)上，不但從施工氣溫、保溫措施等基本要求方面提出了施工對策，而且從土方工程施工、混凝土道面工程施工等方面提出了具體措施，可為同類施工項目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；機場施工；水泥混凝土道面；凍脹

中圖分類號：U418.5文獻標志碼：B

0引言

中國的西北、西南、華北和東北等地由于冬季氣候寒冷，不同程度地存在著季節(jié)性冰凍問題，寒冷地區(qū)的面積占國土面積的一半左右。為了國民經(jīng)濟發(fā)展和國防戰(zhàn)備建設(shè)的需要，在今后一段時期，國家將安排國債資金并多方籌資支持民航機場設(shè)施建設(shè)，重點為中西部支線機場和西部干線機場項目的建設(shè)，逐步形成中國的機場網(wǎng)，以增強航空運輸?shù)耐ㄟ_能力，提高國防軍事實力。因此，在寒冷地區(qū)建設(shè)機場道面的任務(wù)繁重。由于水泥混凝土強度高，使用品質(zhì)好，抗凍性強，所以，中國新建機場道面大多采用水泥混凝土鋪筑。

飛機的起飛、降落、滑行和維修等活動均需在道面進行，因此，機場建設(shè)的關(guān)鍵是保證道面工程的施工質(zhì)量。通過對東北和西北多個機場水泥混凝土道面的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于施工原因造成寒冷地區(qū)道面產(chǎn)生凍脹破壞的情況比較普遍，輕者跑道平整度惡化，影響飛機滑行安全，給機場使用帶來困難；重者跑道出現(xiàn)錯臺或突起，需要關(guān)閉機場，對跑道進行維修，造成巨大的經(jīng)濟損失。故對寒冷地區(qū)機場水泥混凝土道面容易發(fā)生問題的原因進行研究，探討防止道面凍脹的施工措施，對保證道面的建設(shè)質(zhì)量、延長機場使用壽命具有重要意義。

1水泥混凝土道面容易發(fā)生的問題

寒冷地區(qū)機場的水泥混凝土道面通常易發(fā)生凍、融問題，歸納起來產(chǎn)生的危害包括三個方面：一是冬季土基會產(chǎn)生冰凍現(xiàn)象，凍脹值過大或超過了允許值（限定值）時，道面的平整度惡化或出現(xiàn)錯臺；二是春季融凍時，土基承載力下降，在飛機荷載的作用下形成唧泥或翻漿；三是水泥混凝土道面板發(fā)生凍融破壞。

1.1凍脹問題

東北某機場地處寒冷地區(qū)，冬季氣溫在-30 ℃以下。在最冷的1月份，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)土基凍脹使水泥混凝土道面向上隆起，局部道面板隆起3 cm，個別部位隆起高度大于10 cm，平整度嚴重惡化，危及飛機超降安全，機場關(guān)閉。一般來說，機場道面是允許一定凍脹量的，但超過了某一限值，道面就容易產(chǎn)生凍脹破壞，進而嚴重影響飛機安全[1]。

土基不但承受著由面層傳下來的飛機荷載和上部結(jié)構(gòu)（包括面層、基層和墊層）的全部自重外，還承受著自然因素的長期作用，尤其是水和冰凍的作用，在寒冷地區(qū)，如果處理不當，不但土基發(fā)生凍脹，而且會導(dǎo)致道面隆起損壞。引起凍脹的原因有兩個：一是由于水分凍結(jié)，體積將增加9%左右；另一個是由于土基中的弱結(jié)合水向凍結(jié)區(qū)移動，如有地下水不斷供給水源，而凍結(jié)的過程又很緩慢，則這一過程會持續(xù)一段時間，從而使凍脹發(fā)展得更加嚴重。

北方地區(qū)進入冬季，氣溫降到0 ℃以下時，土中自由水先在0 ℃區(qū)域凍結(jié)，形成小的冰晶，冰晶與固體土顆粒之間被結(jié)合水膜隔開[2]。隨著溫度的不斷降低，土顆粒的結(jié)合水開始凍結(jié)，不斷加入到冰晶體中，使冰晶逐漸增大，最終導(dǎo)致土基發(fā)生凍脹。引起土基凍脹最嚴重的土類是容易受到毛細水作用的細粉粒土，這類土對冰凍的敏感性強。通常小于002 mm的顆粒含量超過3%的所有無機土對冰凍特別敏感。這些土的孔隙尺寸小到足以產(chǎn)生潛在毛細水作用，而又大到足以使地下水能通達凍結(jié)區(qū)域。所以，進行土方工程施工時要嚴格控制002 mm的顆粒含量，增加土基壓實度，消除毛細水作用，才能防止土基凍脹問題。

1.2翻漿問題

春季來臨，北方地區(qū)氣溫會升高到0 ℃以上，由于機場道面的導(dǎo)熱性強和結(jié)構(gòu)層的吸熱，道面下冰凍的土基開始融化，積聚在土基上層過多的水分不能及時排出，道基處于過濕狀態(tài)，會使土基失去承載力，在飛機荷載反復(fù)作用下，導(dǎo)致道面翻漿、冒泥（唧泥）或局部塌陷。

分析影響土基翻漿的因素，除了路面類型、飛機荷載和施工因素以外，主要包括土類、氣溫和水三個方面。一是粉性土因素，這種土中毛細水上升高，在負溫作用下水分聚流嚴重，而且土中的水分增多時強度降低幅度大而快，容易喪失穩(wěn)定。二是氣溫因素，氣溫變化決定凍結(jié)深度和冬季每月負氣溫的總和即冷量，初冬時氣溫較高、在0 ℃～4 ℃停留時間較長或冷暖交替會都使大量水分聚流到土基上層，容易翻漿；而春天氣溫的特點和化凍速度對翻漿有較大影響，若氣溫急劇上升，凍土急速融化，則加重土基翻漿。三是水的因素，翻漿是水的狀態(tài)和位置在土基中轉(zhuǎn)移與變化的過程，因此，道面周圍地表積水和較高的地下水是形成翻漿的重要因素。

1.3凍融問題

在寒冷地區(qū)，水泥混凝土道面板孔隙中的水分結(jié)冰會使其變酥而逐漸破碎，即發(fā)生冰凍或凍融破壞，特別是在水系發(fā)達的地區(qū)。中國機場道面發(fā)生凍融破壞的例子很多，經(jīng)驗教訓(xùn)告訴我們，水泥混凝土必須具有較高的抗凍性，以保持其強度和外觀完整的能力。

分析水泥混凝土板受凍融作用而破壞的原因，主要是氣溫在0 ℃以下時，由于混凝土內(nèi)部孔隙中的水結(jié)冰，其體積膨脹造成的靜水壓力和因冰水蒸汽壓的差別推動未凍水向結(jié)冰區(qū)的遷移造成了滲透壓力，當壓力所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會產(chǎn)生裂縫；長期反復(fù)的凍融使其裂縫不斷增長、擴大或加深，使混凝土強度降低，表面開始剝落，甚至使混凝土完全崩潰。因此，混凝土鋪筑施工時，增加密度和減少裂縫是防止道面凍融的關(guān)鍵。

2施工的基本要求

2.1氣溫要求

中國東北和西北大部分地區(qū)，從每年的九月份開始降溫，來年的三月初開始升溫，三月底溫度上升到0 ℃以上。而青藏高原、新疆、內(nèi)蒙和東北的部分地區(qū)直到四月份才進入春季，有的地區(qū)春秋兩季不明顯，夏季也只有短短的3個月左右，而冬季時間漫長，短則5個月，長則7個多月。冬季氣溫低，不便于施工作業(yè)，若采取保溫措施，一是提高了工程造價，二是施工質(zhì)量很難保證。endprint

由于寒冷地區(qū)能滿足施工氣溫要求的時間有限，所以，機場道面施工的基本要求是合理安排施工進度，把土方工程、道面基層和道面面層等結(jié)構(gòu)層的施工安排在日最低氣溫大于5 ℃時進行，在有冰凍的地區(qū)，應(yīng)在第一次冰次冰凍期（-3 ℃～5 ℃）到來之前半個月至一個月完成[3]。

2.2保溫要求

為了防止已完成的道面工程受凍，在冬季來臨之前，需要采取措施進行保溫?？稍诮Y(jié)構(gòu)層表面用塑料薄膜加草席覆蓋，并在其上填50～100 cm的土進行保溫，穩(wěn)定土層宜有半個月以上的溫暖氣候期養(yǎng)護。大面積土基填土、禁止低溫施工、在基層及混凝土面鋪筑施工過程中做好道槽排水等工作，都是保證施工質(zhì)量的有效措施。

3土方工程施工對策

為了減少凍脹，提高土基的承載強度，要對土基進行充分壓實，這樣不但可以保證強度的穩(wěn)定性，還可增強其水穩(wěn)定性，有效延長道面的使用壽命，因此，對于一般情況下的土基壓實，可以選擇分層碾壓法，其處理效果可靠而經(jīng)濟。

采用機械壓實時需要注意4個問題：一是嚴格控制含水量，用某種壓實機械碾壓土基填料時，如果其含水量較大或較小，都很難達到較高的壓實度，只有在最佳含水量下進行壓實，土的密實程度才能達到要求，這不僅可以減少壓實功率，而且壓實后土的滲水率最小，土基持久而穩(wěn)定；二是合理選擇壓實機械，土基壓實通常可選光輪壓實機、羊腳壓實機、輪胎壓實機、振動壓實機、沖擊壓實機等多種類型，壓實作業(yè)項目不同，選用的壓實機種類和規(guī)格也不同，應(yīng)根據(jù)土基和填料工程性質(zhì)選型，對于砂土、粉土摻入粘土或其他改良材料進行壓實，宜選用壓實功率較大的靜壓式壓實機、振動壓實機和沖擊壓實機進行碾壓；三是控制填料的厚度和碾壓遍數(shù)，一般根據(jù)填料的土類和選擇的碾壓機械功率并通過試驗進行確定；四是保證壓實度符合要求，要根據(jù)填料的深度、土類及場道位置由試驗設(shè)計確定[4]。

4混凝土道面施工對策

4.1配合比設(shè)計

為了減少水泥混凝土表面可能產(chǎn)生的細微干縮裂紋、龜裂等問題，防止冬季雪水、除冰液下滲對混凝土產(chǎn)生凍脹和侵蝕，應(yīng)最大限度地提高混凝土的密度。配合比要按照低水泥用量、低水灰比、低砂率、小石用量少等要求進行設(shè)計。選擇高效引氣減水劑可以減小混凝土的水灰比和水泥用量，改善混凝土拌和料的和易性，提高混凝土的密實度，增強混凝土的抗凍、抗?jié)B性能。配合比設(shè)計中還需要考慮混凝土拌和物的和易性，必須適于施工操作和易于整修做面。

4.2拌和與運輸

水泥混凝土的拌和質(zhì)量取決于拌和機械，為了確?；炷涟韬臀锞鶆蛞恢?，沒有生料、干料、離析或高效引氣減水劑等外加劑產(chǎn)生成團等現(xiàn)象，要選擇計量準確的強制式拌和機械，拌和時間應(yīng)以使混合料拌和均勻、含氣量達到最高值為準。在低溫季節(jié)施工時，不但要測定原材料與拌和物的溫度，把出料溫度控制在10 ℃以上，而且對坍落度損失率和凝結(jié)時間要進行測定和控制。拌和物要充分考慮施工氣溫下運輸坍落度的損失。

為了避免混凝土在運輸中離析而造成含氣量損失，運輸應(yīng)一次到位，運輸時間以不進過10 min為宜，泌水率要控制在1%以內(nèi)?？筛鶕?jù)混凝土拌和機械的生產(chǎn)量、運距、路況和施工進度等因素選配運料車的車型和數(shù)量，車輛總運輸量要比拌和機械的產(chǎn)量稍有富余，以確保在規(guī)定的時間內(nèi)把拌好的混凝土運到鋪筑現(xiàn)場。

4.3混凝土鋪筑

混凝土鋪筑是機場水泥道面施工的關(guān)鍵工序，道面鋪筑的施工質(zhì)量決定了防滲與抗凍的狀況，因此，在混凝土鋪筑施工中需要采取措施嚴把質(zhì)量關(guān)?；備仚C通常自帶振搗倉、拉桿插入機、重型整平梁、超級抹平器等配套設(shè)備，在混凝土面層施工中能滿足靈活性的要求，并可毫不費力地轉(zhuǎn)移機器。由于該機器既具有很高的自動化程度，又可很好地控制混凝土施工質(zhì)量，生產(chǎn)率也很高，所以，滑模攤鋪機是寒冷地區(qū)混凝土鋪筑的首選機械。

混凝土面層施工是鋪筑施工的最后一道工序，需要在防風防曬棚下進行作業(yè)，以防止烈日爆曬或干旱、風吹而導(dǎo)致混凝土表面龜裂和干縮裂紋。

4.4施工溫度與養(yǎng)護

在晝夜平均氣溫低于5 ℃（夜間最低氣溫-3 ℃～5 ℃）時，為了保證工程質(zhì)量，最有效的措施是停止混凝土鋪筑。在溫度較低（0 ℃～5 ℃）的情況下需要施工時，首先要選擇水化總熱量大的R型水泥，增加混合料的攪拌時間（較常規(guī)施工增加50%），然后隨時檢查水和砂石料投入攪拌機前與混合料出料時的溫度，把拌和物溫度嚴格控制在10 ℃以上，混凝土鋪筑溫度控制在5 ℃以上，完成做面工序時的混凝土溫度不得低于5 ℃[5]。

加強養(yǎng)生對防止混凝土裂縫非常有效。養(yǎng)生必須及時到位，方法是用手指輕按無明顯印痕后即時進行養(yǎng)生。切縫前對混凝土采用塑料薄膜加濕麻袋或養(yǎng)生布養(yǎng)生，切縫后采用覆蓋麻袋（養(yǎng)生布）并灑水養(yǎng)生，養(yǎng)生期間始終保持混凝土表面濕潤。為了保證混凝土板不受凍，要在養(yǎng)生期間保持混凝土板的溫度大于5 ℃，覆蓋保濕保溫養(yǎng)護時間大于28 d[5]。

5結(jié)語

隨著中國國民經(jīng)濟和民用航空事業(yè)的迅猛發(fā)展，國防戰(zhàn)備實力也需要不斷提高，中國機場建設(shè)跨入一個前所未有的新的歷史階段，正處于布局優(yōu)化調(diào)整、快速建設(shè)發(fā)展時期。東北地區(qū)以及西南和西北這些經(jīng)濟欠發(fā)達的區(qū)域是機場建設(shè)的重點；因此，防止寒冷地區(qū)機場水泥混凝土道面凍脹是必須面對的問題，而分析道面發(fā)生冰凍破壞的原因，研究探討各種防凍脹的施工措施是保證道面建設(shè)質(zhì)量的一個有效途徑。

參考文獻：

[1]邢耀忠，郝友詩.機場剛性道面結(jié)構(gòu)防凍厚度設(shè)計探討[J]，華東公路，2010（4）：5253.

[2]許永明.公路養(yǎng)護與管理[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]MH 5014—2002，民用機場飛行區(qū)土（石）方與道面基礎(chǔ)施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]史保華，許巍，王文杰，等.機場土基工程典型問題與處理對策[J].筑路機械與施工機械化，2010，27（2）：2025.

[5]MH 5006—2002，民用機場飛行區(qū)水泥混凝土道面面層施工技術(shù)規(guī)范[S].

[責任編輯：杜衛(wèi)華]endprint