應(yīng)用 FC 材料提高跑道質(zhì)量減少 FOD 影響飛行安全研究

彭書(shū)成，周宏友，吳志輝，劉 巖，侯正昌，孔 愚

（1.杜強(qiáng)華微（北京）高新材料科技有限公司，北京 101407；2.中國(guó)航空港建設(shè)第三工程總隊(duì) 北京新機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目部，北京 102602；3.北京新機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部，北京 102602；4.北京中企卓創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，北京 100621；5.清華大學(xué) 材料學(xué)院 FC 中心，北京 100084）

0 引言

水泥和瀝青混凝土是民航機(jī)場(chǎng)跑道的主要工程形式，隨著工程體量和面積的增大，加之機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)強(qiáng)度加大，自然侵蝕加重等，因道面裂縫造成的混凝土破碎和掉落不斷出現(xiàn)，形成了新形態(tài)的破損脫落物（FOD），對(duì)飛行安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，成為了機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工必須考慮的重要因素。

1 FOD 與飛行安全

1.1 FOD

FOD 是 Foreign Object Debris 的縮寫(xiě)，即可能損傷航空器的外來(lái)物；通常是由航空器脫落物（如零件、破片等）和人工遺落物（如工具、物品等）以及生態(tài)形成物（如鳥(niǎo)禽、動(dòng)植物等），還有機(jī)場(chǎng)建筑或道面破損形成的碎塊［1］。

1.2 FOD 對(duì)飛行安全的影響

根據(jù)調(diào)查公司統(tǒng)計(jì)，每年機(jī)場(chǎng)跑道上的 FOD 造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 40 億美元。如果 FOD 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)身造成破壞，輕時(shí)導(dǎo)致跑道關(guān)閉，重則造成機(jī)毀人亡（見(jiàn)圖 1、圖 2）。

圖1 損壞的道面

圖2 被道面碎片扎破的輪胎

1.2.1 案例一

2005 年 1 月 20 日，國(guó)內(nèi)某航空公司的一架 B 737－700 準(zhǔn)備離港，當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，地面機(jī)務(wù)人員發(fā)現(xiàn)左發(fā)前方有火星閃出，立即通知機(jī)組關(guān)車(chē)。經(jīng)查：有兩塊道面板因掉邊進(jìn)行過(guò)維修，修補(bǔ)處已松動(dòng)脫落，從而產(chǎn)生水泥碎塊，被飛機(jī)左發(fā)吸入，多個(gè)葉片被打壞，飛機(jī)停場(chǎng)更換葉片。

1.2.2 案例二

2019 年 1 月 29 日，印度航空一架空客 A 321－200 飛機(jī)（注冊(cè)號(hào) VT-PPN）從蒂魯帕蒂機(jī)場(chǎng) 26 跑道起飛時(shí)，由于跑道表面破損，飛機(jī)起飛時(shí)，跑道脫落物與飛機(jī)發(fā)生撞擊，飛機(jī)底部出現(xiàn)大面積損傷，水平安定面破損（見(jiàn)圖 3）。

圖3 被飛濺的道面碎片劃傷的蒙皮

1.3 現(xiàn)階段 FOD 的特點(diǎn)

隨著航空器技術(shù)和機(jī)務(wù)、場(chǎng)務(wù)水平的提高，航空器脫落物和人工遺落物已經(jīng)明顯減少；但由于現(xiàn)在航運(yùn)普遍強(qiáng)度加大，超高速、大重量飛行器運(yùn)營(yíng)已成常態(tài)，對(duì)機(jī)場(chǎng)混凝土跑道的沖擊力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)建造時(shí)的水平；再加之各種自然侵蝕，很多混凝土道面出現(xiàn)掉邊、掉角，鼓包、裂縫等破損，其道面混凝土脫落物便形成了新形態(tài)的 FOD［以下簡(jiǎn)稱(chēng)“FOD（混凝土）”］，屬于高危外來(lái)物；特別是部分機(jī)場(chǎng)對(duì)道面破損采用小修小補(bǔ)和“蓋薄被”的維護(hù)技術(shù)，接縫處和層間不密實(shí)，更增加了 FOD（混凝土）形成的風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖 4）。

針對(duì) FOD 的威脅，部分大型機(jī)場(chǎng)安裝了 FOD 探測(cè)預(yù)警設(shè)備；但由于 FOD（混凝土）屬于非金屬物質(zhì)，碎裂面多呈蜂窩狀，且與道面同材質(zhì)、同色別，無(wú)論是探測(cè)雷達(dá)掃描還是人工目力觀察，都難以獲得有效識(shí)別；因此，F(xiàn)OD（混凝土）已成為當(dāng)前影響機(jī)場(chǎng)飛行安全的一個(gè)重要因素。

2 實(shí)例分析從源頭控制 FOD（混凝土）

大面積水泥混凝土道面施工，極易產(chǎn)生收縮裂縫；在機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中，由于頻繁的高強(qiáng)度沖擊，會(huì)造成縫隙邊緣脫落，從而形成高危 FOD（混凝土）。

2.1 大興機(jī)場(chǎng)跑道工程

大興機(jī)場(chǎng)（一期）設(shè)計(jì)建設(shè)“三縱一橫”4 條跑道；其中，西一、東、北跑道寬度均為 60 m，西二跑道寬 45 m；西一、西二、北跑道長(zhǎng)度均為3 800 m，東跑道長(zhǎng)為 3 400 m；均屬于超大面積水泥混凝土道面工程（見(jiàn)圖 5）。

圖4 國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)混凝土外來(lái)物比例

圖5 大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)鳥(niǎo)瞰

傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)道面混凝土材料是準(zhǔn)脆性材料，容易開(kāi)裂、斷板及掉邊掉角，使混凝土耐久性下降，造成道面劣化；另外，機(jī)場(chǎng)道面的質(zhì)量損傷導(dǎo)致在飛機(jī)起降沖擊荷載下機(jī)場(chǎng)道面整體結(jié)構(gòu)性能破壞，造成機(jī)場(chǎng)道面失效，降低機(jī)飛跑道的運(yùn)行安全。

為有效增強(qiáng)混凝土的粘結(jié)力、握裹力，改善混凝土的韌性，實(shí)現(xiàn)道面設(shè)計(jì)解決混凝土開(kāi)裂、提高混凝土抗沖擊韌性要求、保障飛行安全，經(jīng)多方調(diào)研論證，并實(shí)地考察工程案例；決定在大興機(jī)場(chǎng)跑道和除冰坪工程建設(shè)中采用 FC 材料及其成套工藝，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)，從源頭實(shí)現(xiàn)對(duì) FOD（混凝土）發(fā)生的全壽命期控制，為飛行安全打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 FC 材料原理及工藝

FC 材料是由清華大學(xué)材料學(xué)院 FC 中心刻苦攻關(guān)，為大幅提升混凝土工程質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用而研發(fā)的，并已于 2008 年 5 月開(kāi)始 2018 年技術(shù)升級(jí)為第六代。

FC 材料具備全套自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，現(xiàn)有 4 項(xiàng)核心技術(shù)指標(biāo)是中國(guó)唯一、綜合技術(shù)數(shù)據(jù)世界領(lǐng)先，并探索了一整套生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場(chǎng)施工工藝（如攪拌投料時(shí)間、做面時(shí)間、拉毛時(shí)間等綜合技術(shù)）。

FC 材料具體技術(shù)指標(biāo)：

1）超高抗拉強(qiáng)度 900～4 500 MPa；

2）高模量 8 000～13 000 MPa；

3）高抗堿性 96 % 以上（遇堿后不降低強(qiáng)度）；

4）斷裂延伸率從 40 % 降到低延伸 10 % 和 20 % ～25 %；

能夠解決混凝土塑性收縮引起的裂縫問(wèn)題，改善混凝土抗裂、抗?jié)B性能，提高工程抗沖擊和抗凍融能力［2］。

2.3 FC 材料生產(chǎn)工藝創(chuàng)新點(diǎn)

FC 材料探索出一套高分子材料縮聚反應(yīng)粘度技術(shù)，攻克了高溫、高速、高壓、牽伸熱定型數(shù)控工藝，創(chuàng)新了高分子有機(jī)和無(wú)機(jī)聚合材料技術(shù)抗堿保留率，一是粘度從國(guó)際上的 0.98 提高到 1.3，二是分子從國(guó)際的35 000 提高到 38 000，三是有機(jī)與無(wú)機(jī)溫度聚合結(jié)構(gòu)，達(dá)到了超高強(qiáng)度、高模量、高抗堿和低延伸率的綜合材料技術(shù)指標(biāo)。

3 應(yīng)用 FC 材料控制 FOD（混凝土）發(fā)生

由于 FC 材料的特殊性能和方便易行的摻加技術(shù)，能夠在不改變傳統(tǒng)道面施工工藝的前提下，解決質(zhì)量通病，提高道面質(zhì)量。

一是阻裂作用。FC 材料的穩(wěn)定性使其能夠在混凝土中長(zhǎng)期保持良好的穩(wěn)定性能，從而有效減少甚至完全消除混凝土澆灌后尚處于塑性狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的裂縫；提高道面的抗?jié)B、抗凍融和耐久性；從而防止因裂縫造成的深層塊體破碎和表層脫落［3］。

二是橋接作用。FC 纖維材料具有很好的攪拌分散性，其多維支撐拉力體系可以有效提高混凝土的均質(zhì)性，使混凝土硬化過(guò)程中的塌落度明顯減小，在邊角和接縫部分的固化作用尤為明顯；FC 纖維材料所特有的抗拉強(qiáng)度和大長(zhǎng)徑比，能夠在混凝土中形成“錨索”作用，即使在發(fā)生意外事故造成破壞性沖擊時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)碎片式飛濺，便于善后處理。

三是強(qiáng)韌作用。FC 纖維材料的高抗拉強(qiáng)度、低延伸率和大長(zhǎng)徑比決定了混凝土道面的局部強(qiáng)度和整體韌性，可以防止在反復(fù)高強(qiáng)度沖擊下形成的疲勞裂縫；并能在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)特殊時(shí)間窗口，完成拉毛刻槽等工藝，實(shí)現(xiàn)無(wú)損害做面；同時(shí)保持了道面的光潔度，防止其他 FOD 的滯留。

4 竣工后效果評(píng)估

在東跑道、北跑道、南除冰坪及北除冰坪共約60.66 萬(wàn) m3、總計(jì) 24.8 萬(wàn) m3混凝土道面施工中摻加了 FC 材料約 330 t。

2019 年 5 月 11 日對(duì)兩條跑道和兩個(gè)除冰坪的 FC 水泥混凝土地面進(jìn)行澆水測(cè)試，沒(méi)有出現(xiàn)任何裂紋；2019 年 10 月 14 日再次進(jìn)行澆水測(cè)試，結(jié)果：普通水泥混凝土地面上澆水后就會(huì)出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的微裂縫，而應(yīng)用了 FC 材料跑道和除冰坪沒(méi)有裂縫；2019 年 8 月順利通過(guò)民航局組織的竣工驗(yàn)收（見(jiàn)圖 6）。

交付使用至今未見(jiàn)有危害性 FOD（混凝土）出現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究在提高混凝土道面施工質(zhì)量的同時(shí)，解決了長(zhǎng)期困擾場(chǎng)務(wù)部門(mén)的道面混凝土脫落物形成 FOD 問(wèn)題；隨著 FC 材料的創(chuàng)新和推廣，將在提高飛行安全系數(shù)、減少維護(hù)保養(yǎng)成本方面，為世界機(jī)場(chǎng)道面施工帶來(lái)革命性進(jìn)步。隨著車(chē)輛行駛速度的提高，在公路、鐵路交通中，混凝土工程脫落物也可能成為威脅交通運(yùn)行安全一個(gè)重要因素，借用該研究的原理和方法可以舉一反三。

圖6 大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道