溫度變化對機場道面狀況影響的研究

蘇曉雯　洪剛

（中國飛行試驗研究院，陜西西安　710089）

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溫度變化對機場道面狀況影響的研究

蘇曉雯洪剛

（中國飛行試驗研究院，陜西西安710089）

摘要：為了保證機場道面的使用壽命，研究了自然因素中溫度對道面狀況的影響，從碎裂、拱起、唧泥、剝落等方面，闡述了溫度變化引起的道面破壞類型，并提出了道面維護技術的設計方案，為機場道面的耐久性設計提供依據。

關鍵詞：機場道面，溫度梯度，熱傳導率

0　引言

機場跑道道面不僅受到凍融、干濕、侵蝕、氣候等自然因素的影響，還受到飛行架次、飛行荷載等飛行方面的影響。隨著時間的推移，道面出現凍脹、破裂等現象，道面狀況不斷下降，這對飛行安全帶來極大隱患，道面耐久性越來越受到人們的重視。

機場跑道每天有固定架次飛機起落，每架飛機通過跑道上某一固定地點，只要不到0. 01 s的時間，飛機的活動使道面在一天之內遭受荷載的作用總時間不超過0. 3 s，這就意味著跑道在99. 999%的時間內，道面都是在自然因素的作用下。因此，機場道面受自然因素的作用比受飛機荷載的作用要大得多。

1　影響道面的自然因素

自然因素對機場道面的影響主要表現在溫度和濕度兩方面，本文主要講在溫度的影響下對道面的影響。

道面材料和土基的體積隨著道面體系內溫度的變化而變化。由于溫度沿深度呈不均勻分布，不同深度體積變化不同，但是這種不均勻的體積變化受到各種因素的制約。

2　機場道面的溫度狀況

大氣的溫度在不同的時間會發生周期性的變化，道面溫度也相應地發生著周期性變化。例如，夏季晴天，某機場水泥混凝土面層溫度的日變化結果如圖1所示。圖1表明，部分太陽輻射熱被道面所吸收，道面溫度較氣溫較高，面層體系內在不同深度，溫度隨氣溫呈現周期性的變化，變化幅度隨深度的增加而減小，其峰值也隨深度的增加減小。

圖1　水泥混凝土道面板溫度變化曲線

道面結構內溫度隨深度變化的情況，從一晝夜內不同時刻和道面溫度沿深度分布的曲線圖中看出。圖2為水泥混凝土面層的觀測實例，板內溫度沿深度一般呈曲線分布，在一天之中，頂面和底面之間的溫度梯度變化，由負（頂溫低于底溫）到正（頂溫高于底溫）再到負，其周期性同溫度變化幾乎同步（見圖3）。溫度通常在早晨的某一時刻接近于0℃，午后某一時刻正溫差達到最大值，凌晨某一時刻負溫差達到最大值，溫度梯度的周期性與溫度變化幾乎同步。

圖2　不同時刻面層深度溫度變化曲線

圖3　面層深度隨溫度變化曲線

某機場位于公路自然規劃區一級區劃，即黃土高原干濕過渡區，最大溫度梯度計算值為Tr= 0. 90～0. 95，板厚為0. 29 m～0. 36 m，溫度梯度修正系數為ah =0. 86～0. 67。

水泥混凝土板內溫度狀況的變化，板會發生位移和變形，板截面上溫度的不均勻分布，會使板產生翹曲變形。道面板由于四周有約束存在，使得變形受阻，板內便產生溫度收縮應力和翹曲應力。

決定道面結構溫度狀況的因素，有外部和內部兩類。外部主要是氣候條件，如日照，氣溫，風速，降水量和蒸發量等，其中日照和氣溫是決定道面溫度狀況的兩個最重要因素。照射到道面的輻射熱，一部分被道面反射，余下部分則被道面吸收而使其溫度升高，道面與大氣的溫度差又形成對流，風的作用加強對流，使道面喪失部分熱量，降水和蒸發都會顯著的降低道面溫度。

內部因素則為機場道面各結構的熱傳導率，比熱和對輻射熱的吸收能力。材料的熱傳導率和比熱越高，產生的溫度梯度越低。某機場道面為水泥混凝土道面，其熱特性參數為：熱傳導率k =0. 921 W/（m·℃）～3. 475 W/（m·℃），比熱S = 921 J/（kg·℃）～1 046 J/（kg·℃），輻射熱吸收能力b = 60%～65%。

3　溫度變化可能引起道面板的損壞類型

1）碎裂。當道面板受到溫度影響而產生溫度應力時，由于維護不當，道面板接縫內嵌入石塊等堅硬物時，道面板伸縮受阻，在接縫外邊緣產生較高的擠壓應力而使道面板接縫處碎裂；填縫料損壞，水分從縫隙滲入，使得接縫附近土基濕度過大，產生松動，導致接縫兩側板底脫空，失去支撐，此時在機輪荷載反復作用下便會出現碎裂。

2）拱起。混凝土道面板收縮時，接縫縫隙張開，填縫料失效，堅硬的碎屑落入縫內，致使板在受熱膨脹時產生較大的熱壓應力，將板向阻力較小的一側推移，在失穩部位發生拱起。

3）唧泥。水分積聚在道面上，或通過失效的接縫滲入，造成土基沖刷，自由水飽和，在荷載作用下，土基中細顆粒材料由于推擠通過接縫被轉移到表面，長久會造成板體脫空甚至斷裂。

4）剝落。自然因素反復作用在道面表面，例如冬季積雪的凍融，致使表層混凝土疏松，在機輪作用下造成表面剝落、露石或形成坑洞。

4　結語

機場道面結構裸露在地表，直接受自然因素的影響，機場在選址階段時就已考慮受其影響，后期在施工時材料的選取，配合比的設計，施工質量等的原因，也決定了道面和土基固有的溫度特性，所以機場道面中產生的溫度應力和變形是不可避免的，在維護中應注意的問題是保持道面接縫的完好，接縫內雜物及時清除，道面積水及時清除，道肩土質區碾壓密實，冬季積雪后及時吹除，以及掌握道面受到溫度變化影響后產生損壞的維修方法，才能使道面受溫度變化的影響減至最低，延長機場道面的耐久性。

參考文獻：

［1］翁興中，蔡良才.機場道面設計［M］.北京：人民交通出版社，1995.

［2］談至明，劉伯瑩.水泥混凝土公路道面板的溫度應力分析［J］.公路，2002（8）：19-23.

Research on the influence of temperature change to airport pavement condition

Su Xiaowen Hong Gang
（China Flight Test Institute，Xi’an 710089，China）

Abstract：In order to ensure that the airport pavement service life，this paper studies the temperature in natural factors influence on road surface conditions，from the fracture，arch，pumping mud，peeling and other aspects，elaborated the types of temperature change to runway damage. Put forward the design scheme of pavement maintenance technology，providing the design basis for airport pavement durability.

Key words：airport pavement，temperature gradient，heat transfer rate

中圖分類號：V351. 11

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0140-02

收稿日期：2016-01-18

作者簡介：蘇曉雯（1983-），女，工程師；洪剛（1988-），男，助理工程師