預制混凝土道面在機場建設的應用現狀與發展前景分析

張皓

（中國民航工程咨詢有限公司，北京 100621）

1 引言

預制混凝土是預先在工廠環境下根據實際需要制作混凝土制品的混凝土。預制混凝土道面（Precast Concrete Pavement，PCP）如圖1所示，是利用預制混凝土技術制作的混凝土道面，是其在機場建設中的主要應用方式，是實現機場道面標準化設計、工業化生產、機械化施工與快速維護保障的有效手段，具有施工便捷、可標準化和易智能化等特點，可為機場的建設與運維保障提供有力的技術支撐，為機場的不停航施工提供先進的技術手段，切實降低機場道面的建設成本與維護成本，在保證施工質量的同時做到安全和環保，有著非常廣闊的應用前景。某機場PCP施工現場如圖2所示。

圖1 PCP結構示意

圖2 某機場PCP施工現場圖

2 預制混凝土道面發展歷程

PCP在國內的研究和應用相對較少，而在國外的研究和應用起步較早，經過長時間的發展形成了較為成熟的PCP技術體系。

早在20世紀30年代，蘇聯最早將預制混凝土技術應用到機場建設中，目的是緊急修補道面損害，后以六邊形無鋼筋混凝土預制塊為單元體，拼裝成簡易機場道面。在二戰時期，由于飛機體積和質量增大，通過調整六邊形預制塊尺寸、增加碎石提高強度，并以此為基礎拼裝，形成了早期預制混凝土道面雛形。60~80年代，蘇聯的PCP技術不斷發展，基于PCP的道路鋪設超過6 000 km。到2000年，PCP技術已經在俄羅斯標準化，并在機場中廣泛應用[1]。

20世紀40年代，英法兩國開始進行PCP技術的研究。1947年，法國巴黎奧利機場最先應用PCP鋪裝技術，并應用于荷載等級較高的機場道面。1962年，在意大利那不勒斯召開的關于“預應力混凝土路面與機場道面”專題會議，對PCP技術進行了深入研討。到80~90年代，英國紐卡斯爾大學的John W.BULL和C.H.Wooford學者、Yousef Bashir Luheshi學者等對PCP進行了大量模擬分析和實驗研究，對PCP在機場中的應用做出了進一步的肯定。

美國的PCP技術研究始于20世紀70年代，由Simonsen等人最早開展，到90年代初才逐漸受到重視。美國的聯邦公路局和德州交通廳支持得克薩斯大學奧斯汀分校開展PCP系統研究，提出預應力預制水泥混凝土鋪面的概念，并于2002年開始應用于工程項目中。后來在聯邦公路局的推廣下，美國大部分州開展了PCP技術試驗性工程應用，獲得了不小的進展。2013年，美國公路戰略研究計劃第二期（SHRP2）對PCP的相關技術指標做了明確規定。在此背景下，美國相關公司也大量開展了PCP研究，總結形成了包括Fort Miller公司的“Super-Slab”體系、“Kwik Slab”體系和Roman Stone公司的“Roman Road”體系等。2000年，圣路易斯國際機場利用PCP技術進行了單塊道面板的更換。2002年，拉瓜迪亞機場進行了PCP技術的試驗式研究。此外，杜勒斯國際機場也進行了利用預制混凝土道面板進行快速修補工程應用，效果較為良好[2-5]。

亞洲地區，日本的PCP技術可追溯到20世紀80年代，主要應用于機場或海港的道面快速修復，并在2000年開發了使用特殊荷載傳遞裝置的高強度鋼筋混凝土道面板，降低了PCP道面板的成本。2009年，印尼爪哇島井里汶附近建成了預應力預制混凝土路面公路，長35 km。后續又基于美國的標準陸續實施了其他預制混凝土項目，獲得了許多成果。

國內預制混凝土鋪面最早在1983年珠海與澳門之間的長約22 m的預制鋼筋混凝土路面，共154 m2，該區域在運營10年仍能保持較好的使用性能。在此之后較長的時間里，國內相關的工程案例應用較少。2020年，首都機場西跑道大修應用了PCP技術，實現了28 d施工時間縮短到6 h的壯舉，解決了水泥混凝土養護時間長與機場繁忙無法停航維修的矛盾。此外，新鄭機場、祿口機場都對PCP技術進行了相關的探索和試驗。

3 研究方向

目前，PCP的研究主要包括道面板的板尺寸研究、傳力方式研究、注漿材料研究和維護檢測研究等方向。

3.1 板尺寸研究

石家莊市交通局公路管理處通過對水泥混凝土路面預制拼裝技術的研究，分析了混凝土預制板彎拉強度和幾何尺寸的確定方法，確定了尺寸為2.5 m×2.0 m的小塊預制拼裝板修復路面是用時最短、對交通影響最小、最經濟的路面修復方式，同時在機場道面的快速修復中也具有較大的實用價值和良好的經濟效益。楊廷偉等[6-7]結合國內外公路搶修工程經驗，分析了預制預應力混凝土道面在野戰機場修建中具有廣闊的應用前景。

同濟大學對于預制混凝土板施工和修復進行了諸多嘗試。廖小芳通過數值分析和有限元模擬的方式分析了接縫傳荷能力和基層頂面的不均勻支撐對預制吊裝修復后道面的結構響應的問題。考慮接縫傳荷能力和基礎強度的條件下，分析了整板、1/2板、1/4板的修復的適應性，提出了尺寸“宜大不宜小、整板修復效果佳”的原則，并在浦東機場內完成了兩塊預制混凝土道面板的修復技術，修復效果良好。上海龍華通用機場的特種車庫新建地坪項目采用了預制混凝土道面，整個新建區域為11 m×12 m的矩形區域，通過該工程對PCP技術的結構、接縫、施工工藝及質量控制等內容進行了較為系統的研究[8]。

PCP板尺寸研究基本為預制大尺寸板和小尺寸板兩個方向。大尺寸板有著更好的穩定性但施工安裝非常不便；小尺寸板適合小范圍鋪裝，施工方便，但平整度過分依賴傳力方式，容易產生錯臺等影響。為此，需根據應用場景探索適合機場道面或站坪應用的板塊尺寸。

3.2 傳力方式研究

PCP的傳力方式是影響其性能的重要因素，通常的傳力方式包括上開口式、下開口式、上窄開口式、水平孔式等。

俄羅斯PCP系統的一個獨特方面是利用沿道面板長邊放置的吊環，然后利用高質量的焊接技術將這些吊環焊接在一起，如果相鄰預制道面板之間的間距為4 mm或更小，則接縫以單焊縫焊接在一起，如果相鄰預制道面板間距大于4 mm，則將直徑為間距的3倍的鋼筋放在提升環上，并進行兩次焊接。美國“Kwik Slab”系統由Kwik傳力裝置和裝配式鋼筋水泥混凝土板組成，Kwik傳力裝置為鋼制連接器，可互鎖鋼筋混凝土預制板，從而使整個連接段的鋼筋連續。該系統實質上模擬了鋼筋水泥混凝土路面，可連接的面板的總長度受到限制，并且在連接的截面之間提供了伸縮縫。日本Cotter型混凝土道面接頭，由一組C形構件和H形構件組成。制作預制板時，先嵌入C形構件，然后在現場插入H形構件，并擰緊固定螺栓使相鄰板成為一體。Cotter型接頭的主要特征是H形構件加工有錐形凹槽，并且具有楔形效果，如圖3所示。通過這種接頭結構，可以像現澆混凝土結構一樣，在沒有全面限制的情況下逐步進行施工。另外，即使板的一部分損壞，也可以通過去除H形構件來實現部分的更換。

圖3 PCP傳力方式

PCP傳力方式是非常值得研究的方向，好的傳力方式能有效延長道面壽命和提高飛機行駛的舒適度。機場飛機荷載作用下的傳力方式如傳力桿結構尺寸、分部間距、布置情況等方面，有待進一步研究。

3.3 平整方式研究

PCP在安裝過程中，在剛性的道面板和柔性的基層之間會產生一定孔隙，如不進行調平容易使板產生沉降。常用的平整方式為板底注漿，即在層間設置板底功能層以填充，如圖4所示。

圖4 PCP板底注漿

根據國內外的研究情況，常見的注漿材料有：水泥注漿材料、瀝青注漿材料、聚氨酯類注漿材料和CA砂漿注漿材料。幾種材料各有優劣，其中，CA砂漿是通過向水泥砂漿中摻入一定量的乳化瀝青制成的一種綜合水泥高強度和瀝青高彈性兩種優點的半剛性高性能有機-無機復合材料，相較于其他材料具有流動性好、剛度適宜、強度較高、高溫穩定性好、抗裂性和抗滲性優良等綜合性能。根據龍華機場PCP的技術研究可知，砂灰比為4/3，聚灰比為0.2，水灰比為0.7，快凝水泥摻量為0.2為CA砂漿注漿材料的最優配合比。同時在砂漿中加入一定量的碳酸鋰早強劑和聚羧酸系減水劑，可使漿液具有更高的早期強度和更好的流動性能，能滿足施工過程中快速修復的需要[9]。由于PCP板的平整方式基本就是注漿。注漿材料也不外乎單一或者復合的材料，但注漿不容易實施且難以控制，在較大沖擊荷載的作用下是否會產生破壞尚且未知，不一定能滿足機場建設的應用需求，探討新型非注漿平整方式是有價值的研究方向。

3.4 維護監測

國內尚無預制混凝土道面的專用維護標準，目前針對機場道面，主要的維護標準有MH/T 5024—2019《民用機場道面評價管理技術規范》和AC-140-CA-2010-3《民用機場飛行區場地維護技術指南》。國外預制混凝土道面維護大都是通過再次換板或通過采用可拆裝的傳力構件達到道面板維護的目的，如日本的Cotter構件和美國的可拆式傳力桿等。

對于PCP監測方式，目前國內主要的應用案例是龍華機場PCP技術研究項目中應用的PCP板底接觸監測系統：利用分布式光纖振動傳感技術（DOVS），通過監測光纖沿線各點傳播光相位的變化，分布式測量沿線各點振動信息，監測裝配施工過程中及裝配板運營過程中的板底接觸狀態，評估道面板的施工效果，并為荷載作用下板底接觸狀態演變和長期服務性能提供數據支撐。

探討更適合國內民航應用的PCP檢測和維護方法也是非常有應用價值的方向。

4 結語

預制混凝土道面作為一種擁有諸多優點的新型道面是非常值得推廣使用的。為此，需通過對該種道面諸如尺寸、連接方式、平整方式等主要特性進行研究，總結出一套適合國內民航機場使用的建設標準體系，為民航基礎設施建設提供更為有力的支撐。