民航機場場道設計中的新材料應用研究

1前言

隨著民航事業的快速發展，機場場道建設面臨更為嚴苛的使用條件和性能要求。傳統場道材料已難以滿足現代機場大荷載、高頻使用、嚴苛環境的復雜需求，因此新型高性能材料的應用逐漸受到關注。纖維增強復合材料（FRP）和高性能混凝土（HPC）由于其高強度、高耐久性和良好的環境適應能力，在機場場道領域展現出良好的應用前景。

2纖維增強復合材料（FRP）的性能特點

2.1材料組成與結構特性

纖維增強復合材料（FRP）是一種由高強度纖維材料（如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等）與樹脂基體材料（如環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等）復合而成的新型材料。這類復合材料利用纖維和基體的配合，從宏觀上表現出明顯的異向性，并具有強度重量比大、剛度重量比大等特點。FRP結構特點決定了其受力方向強度極高，重量僅為傳統鋼材的 1/4～1/5 ，可明顯降低結構自重。由于纖維和基體材料均可調整與優化，FRP的力學性能可根據實際需求進行針對性設計，這使其在機場場道設計中具有高度的適應性和靈活性。

2.2力學性能及耐腐蝕性

FRP材料的力學性能最為顯著，具有高強度、高彈性模量、抗疲勞性能優良等特點。相對于傳統材料，FRP經長期高頻荷載作用后，顯示了較好的耐疲勞性能、抗拉強度及抗沖擊韌性，均顯著優于普通鋼材。FRP還具有優良的耐腐蝕性，機場場道常面對的苛刻環境條件主要有化學物質侵蝕、凍融循環和紫外線輻射，FRP對其都具有良好的抵抗能力，可以顯著提升機場場道結構使用壽命及安全性。

2.3施工便捷性與維護優勢

FRP材料具有比傳統鋼材或者混凝土材料更好的施工性能，具體表現在自重輕，施工工藝比較簡單，降低了運輸及現場作業難度，尤其在機場施工工期比較緊的情況下，更顯示出它的優越性。FRP制品可以實現預制、拼裝及模塊化施工等功能，大幅提高了施工效率并縮短了工期，同時有效地減少了人工及機械的成本。FRP材料不容易生銹，可顯著降低長期維護成本，并避免經常進行修復、涂裝及更換操作。此外，機場場道養護要求特別苛刻，經常性養護將直接關系到機場運行效率，FRP材料的使用能夠有效地改善場道耐久性，降低養護頻率，減少長期運行成本。

3高性能混凝土（HPC）的性能特點

3.1材料配比與混合工藝

高性能混凝土（HPC）的核心在于優化的原材料配比和先進的混合技術，通常采用低水膠比、高性能外加劑以及礦物摻合料（如硅灰、粉煤灰、礦渣等），以提高混凝土密實性和性能穩定性。通過精確控制各原料的比例與攪拌工藝，HPC能夠在較低水灰比的基礎上實現良好的工作性和流動性，既保證施工的便利性，又可獲得更加緊密、均勻的結構。機場場道所用的HPC通常還需添加功能性外加劑，如抗凍劑、減水劑和緩凝劑等，以滿足復雜施工環境和嚴苛性能指標要求，確保其在機場場道中的應用具備更高的安全性和可靠性。

3.2高強度與優異耐久性

高性能混凝土（HPC）具有明顯高于傳統混凝土的抗壓強度、抗拉強度及抗折強度，其28天抗壓強度通常可超過 60MPa ，甚至達到 100MPa 及以上。這種高強特性使機場場道結構在承受大型飛機高荷載及反復荷載作用時具有更高的安全儲備。HPC致密的內部結構以及較小的孔隙率，使其具有優良的抗滲透性能與抗腐蝕性能，可有效地阻止水分與腐蝕介質的入侵，有利于機場場道服役壽命的提高。

3.3抗裂性與環境適應能力

HPC的重要優勢還體現在其優異的抗裂性及環境適應能力上。機場場道面臨溫度變化頻繁、環境條件惡劣的問題，HPC通過精確配比與適當摻入纖維或功能性摻合料，能夠大幅降低混凝土早期和長期的收縮裂縫風險，有效減少結構裂縫產生。HPC的高抗凍融能力能夠有效應對機場場道頻繁的凍融循環損害，減少環境因素導致的表面剝落和劣化。高性能混凝土自身良好的溫度變形協調性和耐高溫性能也增強了其環境適應能力，使其在機場場道長期運行過程中始終保持穩定、可靠的性能狀態。

4機場場道的特點及對材料的特殊要求

4.1場道結構形式與受力特點

機場場道是飛機起降、滑行及停放的重要基礎設施，其結構形式包括跑道、滑行道、停機坪等，通常以剛性鋪面或半剛性鋪面結構為主。場道鋪面在使用過程中，承受著飛機起降和滑行過程中產生的動態荷載、靜荷載及水平剪切力，荷載作用瀕繁且集中，易于產生疲勞損壞和結構變形。特別是起降區，其承受的沖擊和振動荷載突出，結構受力條件較為復雜，這就要求場道材料必須具備較高的強度和剛度。

4.2大荷載與高頻使用的要求

機場場道結構需時常承受高荷載重復作用，這一般來自大型客機、貨機等，特別是當代大型飛機輪壓較大，且荷載主要集中于接地面周圍局部范圍內，很容易造成鋪面應力集中和局部破壞。機場場道在承載性能方面有著極其苛刻的要求，主要表現為承載力充足、彈性模量高以及耐疲勞性能好等。機場運營繁忙且場道在高頻次下服役，要求場道鋪面能夠在經常加載情況下仍然保持其結構完整性及使用功能，而且不容易發生過多變形及破壞，以保證機場的運營效率及安全。

4.3耐候性、抗凍融及抗化學腐蝕要求

機場場道暴露于室外環境中，長期受到紫外線輻射、極端溫差變化、雨雪侵蝕以及除冰化學品腐蝕等復雜條件影響。這對場道材料的耐候性、抗凍融循環能力及抗化學腐蝕性能提出了較高的要求。特別是冬季寒冷地區機場，場道鋪面材料須具備優異的抗凍融能力，防止凍脹破壞引發的結構劣化問題。此外，機場定期使用的除冰劑、融雪劑、燃油及其他化學物質的腐蝕作用顯著，這要求場道材料具有良好的抗滲性和化學穩定性，能有效抵抗環境侵蝕并長期保持結構完好，延長使用壽命。

5FRP與HPC在機場場道中的應用現狀

5.1國內外應用實例概述

近些年，纖維增強復合材料（FRP）和高性能混凝土（HPC）因其卓越的性能特點，在全球多個國家和地區的機場場道建設和改造項目中得到了廣泛的應用。從國際上看，美國、加拿大、德國、日本等國的一些主要機場已把FRP用于跑道的維護、加固與擴建，并成功地改善了機場場道在承載能力與耐久性方面的性能。以美國芝加哥的奧黑爾機場為研究對象，在其跑道的擴建和加固過程中，大量采用了碳纖維增強的復合材料，以增強混凝王表面的抗裂和抗疲勞特性，這不僅顯著降低了維修的頻次，還提高了機場的運營效率。

5.2應用過程中遇到的技術難題

雖然FRP與HPC在機場場道建設中取得了積極的成果，但在實際應用過程中仍面臨一定的技術難題。FRP材料的長期耐候性與老化問題是目前應用中的瓶頸之一，長期紫外線輻射、高低溫變化可能導致樹脂基體性能劣化，進而影響整體結構強度和使用壽命。FRP材料與HPC之間的界面粘結性能也是一個重要的技術難題，界面粘結不良容易導致材料脫層與結構破壞。

高性能混凝土（HPC）自身也面臨施工質量控制難度較大的問題。HPC材料性能很容易受到配合比、攪拌工藝、運輸條件和現場施工環境等因素的影響，施工過程稍有不慎，就可能造成混凝土強度或耐久性達不到設計要求，影響機場場道整體結構性能的實現。目前，國內外關于FRP與HPC聯合使用的標準規范也相對匱乏，設計、施工和驗收標準尚未完全成熟，這在一定程度上也阻礙了兩種材料的推廣和應用。

5.3性能改進與應用效果分析

針對FRP與HPC在機場場道應用過程中暴露的問題，國內外學者和工程師積極探索性能改進措施，并進行應用效果分析。通過改進樹脂基體的配方，提高其耐老化性能，有效緩解了FRP材料耐候性不足的問題；通過表面處理工藝改進和界面粘結技術提升，顯著增強了FRP與HPC的界面結合效果，有效降低了結構脫層風險。從實際運行數據分析來看，使用FRP增強的HPC鋪面結構表現出良好的抗裂性能、優異的耐疲勞性和出色的長期耐久性，明顯延長了機場場道維護周期，降低了整體維修成本。

6FRP與HPC在機場場道設計中的結合策略

6.1材料協同效應的發揮機制

在機場的場道設計過程中，纖維增強復合材料（FRP）與高性能混凝土（HPC）的聯合使用可以最大化地利用這兩種材料各自的優點，從而達到性能的協同和互補。FRP材料的抗拉強度大、抗疲勞及耐腐蝕性能優良，而HPC的抗壓強度大、抗裂性能及耐久性優良。在將FRP作為筋材或者片材施加到HPC結構上時，FRP能夠顯著提高結構整體抗拉性能，并有效地控制裂縫擴展，而HPC所具有的高剛度和強度，又給FRP提供了穩固的基體支撐。

6.2施工技術及質量控制關鍵點

在機場場道施工過程中，FRP與HPC的結合應用需要重點關注施工技術和質量控制的關鍵點。要嚴格控制HPC的原材料選用與配比，嚴格把控水灰比、外加劑摻量及礦物摻合料比例，確保混凝土性能達到設計要求；在混凝土澆筑過程中應嚴格控制施工溫度、振搗方式及養護條件，避免產生早期裂縫和結構缺陷。

6.3未來發展趨勢與技術創新探索

展望未來，FRP與HPC在機場場道設計中的結合應用仍具有廣闊的發展空間和潛力。未來的研究與應用應更加關注新型FRP材料開發，優化材料的力學性能和耐久性，如研發高耐候、高耐熱和自修復型FRP材料，以適應更加復雜的機場運行環境。針對機場場道HPC的特殊性能需求，進一步研究和開發特種功能型外加劑與礦物摻合料，提升混凝土抗裂、抗腐蝕和抗疲勞性能。在技術創新方面，應加快建立FRP與HPC結合應用的標準規范體系，明確材料選擇、設計計算、施工技術及檢測驗收標準，推動技術成熟與產業化應用。

7結論

纖維增強復合材料（FRP）與高性能混凝土（HPC）在機場場道的使用上展現出了明顯的優越性，這兩種材料的融合可以最大化地利用它們各自的性能，從而達到協同增強的效果。本文分析了FRP和HPC各自的性能特性以及機場場道特殊要求，指出了自前應用中的一些技術問題并給出了改進策略。FRP材料的高強輕質與耐腐蝕性能可顯著改善場道承載能力與耐久性能，HPC材料卓越的抗裂性與抗凍融能力可為場道長期服役提供更可靠的保障。

參考文獻

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