FC 材料及其配套工藝在大興機場跑道及除冰坪混凝土施工中的應用研究

彭書成，吳志輝，周宏友，劉 巖，侯正昌，孔 愚

（1.杜強華微（北京）高新材料科技有限公司，北京 101407；2.北京新機場建設指揮部，北京 102602；3.中國航空港建設第三工程總隊 北京新機場項目部，北京 102602；4.北京中企卓創科技發展有限公司，北京 100621；5.清華大學材料學院 FC 中心，北京 100024）

0 引言

隨著國家基本建設的發展，水泥混凝土工程規模越來越大，特別是機場的道面工程，既要混凝土結構堅固耐久，又要表面光潔無縫，而目前水泥混凝土跑道材料在抗裂性、耐久性方面的研究還未取得突破性進展。大興機場在部分跑道道面和除冰坪工程中，摻加了 FC 纖維材料，較大程度上提高了混凝土道面工程的各項質量指標。

1 大興機場工程特點

1.1 概況

2014 年 12 月 15 日，國家發改委批準北京建設新機場項目。大興機場是超大型國際航空綜合交通樞紐。其遠期規劃年旅客吞吐量1億人次以上，年貨郵吞吐量 400 萬噸，飛機起降 88 萬架次。

水泥混凝土道面是我國最主要的機場道面結構形式，大興機場（一期）設計建設“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、北跑道長度均為 3 800 m，東跑道長為 3 400 m；均屬于超大面積水泥混凝土道面工程。

1.2 問題

大興機場跑道坐落在北京市大興區與河北省廊坊市廣陽之間，屬于永定河洪泛區內，土質松軟，存在穩定性差、沉降量大等問題；工期緊，技術要求嚴，科技含量高；同時，由于大興機場是國家重點工程，直接為 2022 年冬奧會服務，也是為祖國爭光的重要“面子工程”，對感官直視要求也非常高。

傳統的機場道面混凝土材料是準脆性材料，容易開裂、斷板及掉邊掉角，使混凝土耐久性下降，造成道面劣化；另外，機場道面的損傷導致在飛機起降沖擊荷載下機場道面整體結構性能破壞，造成機場道面失效，降低機飛跑道的運行安全［1］。統計數據表明，僅某省會機場 2011 年 1～2 月間就發生因道面開裂造成的剝落物軋傷飛機輪胎事件 400 余起，極大地影響了飛行安全。

因此，道面的開裂、耐久性破壞已經成為影響飛行安全運行的頑癥（如道面開裂，角隅破壞，表面剝落及耐久性破壞等）（見圖 1～4），是現階段我國民航機場建設必須要面對和解決的技術難題。作為舉世矚目的國家重大工程項目，要求設計建造單位全力將其打造成為精品工程、樣板工程、平安工程和廉潔工程。

圖1 機場道面網狀開裂

圖2 機場道面角隅斷裂

圖3 機場道面表面剝落的耐久性破壞

圖4 機場道面典型的耐久性破壞

2 FC 材料的特性及具體功能

FC 材料是由清華大學材料學院 FC 中心利用 10 年時間（2008 年 5 月～2018 年 5 月）刻苦攻關，為大幅提升混凝土工程質量、延長使用壽命，減少維護費用而研發的，并已于 2018 年升級為第六代。

2.1 特性

FC 材料具備全套自主知識產權，現有 4 項核心技術指標是中國唯一、綜合技術數據世界領先，并探索了一整套施工工藝（如攪拌投料時間、做面時間、拉毛時間等綜合技術）。FC 材料具體技術指標包括以下幾項：1）超高抗拉強度 900～4 500 MPa；2）高模量 8 000～13 000 MPa；3）高抗堿性 96 % 以上（遇堿后不降低強度）；4）斷裂延伸率從 40 % 降到低延伸 10 % 和 20 %～25 %。

按國際通行慣例，水泥混凝土摻加纖維的長徑比一般≤100，而 FC 材料能>300（如國外纖維長度為 0.9 cm，FC 材料長度可做到 1.9、3.8、5.6 cm）；實現了重大及特殊混凝土工程需要的高強度、高模量、高韌性、低延伸率、高抗堿、超高大長徑比，能夠完全達到水泥及其混合材料的連接搭橋功能，有效阻止混凝土開裂。

2.2 具體功能

施工攪拌時，FC 材料能在混凝土中均勻分布、建立多維結構，徹底解決了水泥混凝土和瀝青混凝土開裂、掉邊、掉角、收縮裂縫等通??；在機場跑道等工程中應用，能夠提高機場道面抗裂性、抗磨損、耐久性、抗疲勞和抗沖擊性能，解決大體積、大面積混凝土道面極易開裂的世界性難題，實現抗凍融、抗鹽堿、抗沖擊、抗腐蝕的優異性能，有效保障飛行起降安全。

2.3 施工案例

FC材料在第五代產品前已經為國家重大工程和軍事工程應用，“十五”期間，先后在興城機場、膠州機場、陵水機場、湛江機場、常州機場、赤峰機場、哈密機場、威海機場、鼎新機場、博鰲論壇、公安部指揮大樓屋頂停機坪、蘇通大橋橋塔、湖北鄂州水利工程、11230 工程、12180 工程、11120 工程、11140 工程等約 90 項工程中應用，均達到設計要求；特別是在高鹽堿、高海撥、高腐蝕及高寒、高溫差地區的應用更加突出 FC 的優點；其中某工程應用 FC 材料的 4 條跑道、停機坪、滑行道總面積為 150 多萬m2，使用 11 年未出現任何裂紋，實現了免維修［2］。

3 大興機場混凝土道面工程實踐

針對大興機場的質量標準以及施工進度要求，由業主、清華大學、民航科研基地、長安大學、民航設計院共同組成了《高耐久高抗裂機場道面材料關鍵技術研究》課題，認真研究解決各類實際問題，實現了滿足質量要求、按時完成任務、落實施工規范、積累技術經驗預期目的。

1）基本情況。2014 年 12 月 26 日，大興機場破土動工。為保質保量、按時完成任務，針對大興機場未來運營的重要性和環境地段復雜性，為有效增強混凝土的粘結力、握裹力，改善混凝土的韌性，實現道面設計解決混凝土開裂、提高混凝土抗沖擊韌性要求、保障飛行安全，經多方調研論證，并實地考察工程案例。決定在上述工程建設中采用 FC 材料。大興機場是 FC 材料升級為第六代的首個樣板示范工程，在水泥混凝土道面工程中屬于新材料、新工藝的應用，有很好的典型示范作用。

2）材料選型。長徑比的FC材料中（>300）、握裹力高（三角異性截面）、抗拉強度高（900～1 300 MPa）、模量為 8 000～13 000 MPa、斷裂延伸率為 10 %～25 %的第六代［3］（見表 1）。

表1 FC 纖維技術指標

3）應用規模在東跑道（面積 2 0 4 6 0 0 m2、厚度 0.38～0.42 m、體積 81 636 m3）、北跑道（面積 228 000 m2、厚度 0.4～0.44 m、體積 93 570 m3）、南除冰坪（面積 69 536 m2、厚度 0.42 m、體積 29 206 m3）及北除冰坪（面積 10 4 530 m2、厚度 0.42 m、體積 43 903 m3）共約 60.66 萬 m2、總計 24.8 萬 m3，混凝土道面。施工中摻加了 FC 材料約 330 t（見圖 5）。

圖5 大興機場超大面積混凝土道面

4）施工工藝嚴格按業主和設計要求，監理嚴格監督每 m3水泥混凝土摻入 1.4 kg 的 FC 材料，機械連續攪拌 70 s；整個出庫、稱量、摻加、攪拌和澆筑過程中，FC 技術人員始終全程參加指導（見圖 6）。

圖6 嚴格監督道面施工

施工做面拉毛、刻槽方便，能夠在施工中不斷板、不空鼓、不翹板、角隅斷裂、均勻平整。2018 年 12 月大興機場施工現場地表溫度<-5 ℃，施工照常進行。機械攪拌時，摻加的 FC 材料未出現纏并絲、99 % 分散均勻。由于量化精準、科學管理、規范施工，FC 材料混凝土道面無泌水現象，降低了塑性狀態收縮率。

5）檢驗評估。FC 課題組技術人員等待 FC 纖維混凝土達到 30 d 后，每天要對跑道、除冰坪工程實體與未摻 FC 纖維材料混凝土進行澆水對比試驗。專家組于 2019 年 5 月 11 日對兩條跑道和兩個除冰坪的 FC 材料水泥混凝土地面進行澆水測試，沒有出現任何裂紋；2019 年 10 月 14 日，專家及機場業主再次到機場進行澆水測試。測試結果；普通水泥混凝土地面上澆水后出現肉眼可見的微裂縫，而應用了 FC 材料跑道和除冰坪沒有裂縫。

6）竣工驗收。2018 年 6 月，摻加了 FC 材料的東跑道、北跑道、南除冰坪、北除冰坪共約 60.66 萬 m2水泥混凝土道面工程，于 2019 年 8 月順利通過了民航局組織的竣工驗收（見圖 7）。

圖7 2019 年 8 月通過民航局竣工驗收

2019 年 5 月 13 日。大興機場試飛正式開始，試飛飛機順利安全降落大興機場（見圖 8）；8 月 26 日，大興國際機場圓滿完成 IIIB（3B）安全著陸、HUD RVR 75 m 起飛和國產四級 A-SMGCS 系統試飛項目。

2019 年 9 月 25 日，大興機場正式投入運營。

圖8 試飛機安全降落大興機場

4 應用價值

本項目的研究分析具有重要的科學技術意義與現實的工程應用價值。

1）成本分析參照纖維混凝土國家行業標準。①水泥混凝土每 m3摻加 1.4 k g FC 材料的費用為 1.4×129.8 元=181.72 元（含運費、稅費、工地技術指導、保險、投料、倉儲等費用），按照跑道 40 cm 厚的混凝土計算每 m2是 72.7 元除因質量問題需要部分翻修等大宗費用外，僅機場道面日常維護費（人員費、水費、車輛費、清洗設備等費用）就需約 70 元/m2/年；②瀝青混凝土每 m3摻加 3.6 kg FC 材料的費用為 3.6×129.8 元=467.28 元，按照跑道 10 cm 厚的瀝青混凝土計算每 m2是 46.7 元。單從工程投資的直接成本看，確實有所上升；但從延長道面工程使用壽命和實現工程全壽命免維護方面計算，應用 FC 材料的投資，僅占工程總投資額的 0.25 % 都不到（如果按單一的水泥混凝土和瀝青混凝土造價計算約 20 % 左右），業主得到的回報率是工程總投資的 100 %，即相當于獲得再建一個同等規模工程的效果。有顯著的軍事和經濟效益。

因此，在大面積機場混凝土道面工程中，應用FC 材料技術，減免維護費用，用小投入換長壽命，是可行且有益的。

2）全壽命期質量安全水泥混凝土道面工程的滲漏、凍融、掉邊掉角等質量通病，原因都是收縮裂縫；大興機場工程證明，應用 FC 材料能綜合提高機場道面抗裂性、耐久性、抗疲勞和抗沖擊性能，實現機場道面結構優化，全面提升道面結構質量、延長跑道使用壽命，為國家節省維修與重建費用，最終實現提升機場道面的安全運行與整體質量［4］。

同時，大型混凝土工程的使用壽命跨度已近百年。如橋梁，百年間汽車運輸的車型、速度、載重量何止代差；如機場，百年間飛行器的種類、速度、起降沖擊力更是日新月異。因此，水泥混凝土道面工程全壽命期的質量安全冗余就是一個不能忽略的問題。

在現有水泥混凝土道面施工技術的基礎上，通過摻加 FC 材料，在一定程度上提高工程的質量安全冗余，應該是簡單易行的技術工藝。

3）行業推動。中國基建目前已在國內外擁有很好的品牌效應。但隨著規模的不斷擴大，企業降低成本、追求利潤的本能抬頭，良莠不齊的情況難免出現，全面灌輸質量成本意識已成必須。通過大興機場應用 FC 材料的實踐證明，今后應在行業內形成共識：對國家重點工程、規模體量較大和壽命周期較長的工程，應采用行政或行業的方式，在一定程度上強制推行已經實踐證明確實優異的 FC 等新材料、新技術。

5 建議

1）優化工程配套?，F在的 FC 材料已實現系列化，基本滿足各類工程需要。但隨著工程要求、水泥品種和混合料的變化，對 FC 材料的種類和摻量也會出現不同的工程要求；因此，應在北京懷柔我國第一條全自動化系列 FC 材料生產線的基礎上增加柔性（主要參數可調）生產能力。

2）優化質量評估。目前，對工程中 FC 材料的摻加量、攪拌效果和完成效果等，基本依靠專業人員的感官直覺或有損鉆芯檢查。但隨著應用范圍和工程規模的擴大，標準差異的問題必將凸顯。因此，應研制無損探查技術，實現量化評估。

3）優化性價比?，F有部分工程因受投資限制，不能使用優質的 FC 材料，使工程質量受到影響。因此，在加強向工程管理方宣傳成本質量意識的同時，應向國家重點工程提供優化性價比高的 FC 材料，為工程提供價廉質優的 FC 新材料新技術新工藝。

6 結語

FC 材料已探索出一套高分子材料縮聚反應粘度技術，攻克了高溫、高速、高壓、牽伸熱定型數控工藝，創新了高分子有機和無機聚合材料技術抗堿保留率，達到了超高強度、高模量、高抗堿和低延伸率的綜合技術指標。特別是通過諸如大興機場跑道及除冰坪工程實踐，積累了豐富的機場工程應用經驗。