[建筑]機場瀝青混凝土道面預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)

1、 機場瀝青混凝土道面預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)摘要：以國內(nèi)外相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，對機場瀝青混凝土道面預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)進行了全面研究。通過研究，篩選了適用于機場瀝青混凝土道面的預(yù)養(yǎng)護措施；以道面性能狀況和預(yù)養(yǎng)護費用效益為依據(jù)，建立了確定道面最佳預(yù)養(yǎng)護時機的方法；以效益面積為衡量指標(biāo)，建立了評價預(yù)養(yǎng)護費用效益的計算方法及公式；給出了評價霧封層材料性能的6大指標(biāo)。關(guān)鍵詞：機場；瀝青混凝土道面；預(yù)防性養(yǎng)護；最佳養(yǎng)護時機；費用效益；霧封層中圖分類號： u 8文獻標(biāo)識碼：atechnology of preventive maintenance for airport asphalt pavementliu song1

2、， yuan jie2(1 shanghai east china airport construction supervision ltd, shanghai 2003352 key laboratory of road and traffic engineering of the ministry of education, tongji university, shanghai 200092 )abstract: based on the domestic and foreign research results, doing a comprehensive study on the t

3、echnology of preventive maintenance for airport asphalt pavement. through research, filtrates suitable preventive maintenance measures for airport asphalt pavement; according to pavement performance condition and preventive maintenance cost-benefit, establishes a method to determine the optimal timi

4、ng of preventive maintenance; taking benefit area as scale target, establishes an evaluation method and expressions tocalculate the cost-benefit for preventive maintenance; shows six index to evaluation the fog seal material properties.key words: airport；asphalt pavement； preventive maintenance； opt

5、imal timing of maintenance； cost-benefit； fog seal0前言瀝青混凝土道面具有平整、抗滑、舒適、對飛機震動小等優(yōu)良的表面使用性能，以及具有可以機械化施工、施工工期短、養(yǎng)護方便等優(yōu)點，是目前機場道面最主要的道面結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)國際民航組織1998年公布的數(shù)據(jù)，其147個成員國的1038個機場中，瀝青混凝土跑道占了62.6%1；歐洲瀝青路面協(xié)會也于2003年對歐美機場進行了統(tǒng)計，其中全柔性的瀝青混凝土道面占到了62.4%2。我國早先由于機場瀝青混凝土道面設(shè)計方法并不完善，機場道面主要采用的是水泥混凝土道面，但隨著設(shè)計方法的逐漸成熟，瀝青混凝土道面在我國的

6、應(yīng)用越來越廣泛，最為突出的代表就是昆明新機場新建的4f等級跑道即采用的瀝青混凝土道面。瀝青混凝土道面早期的使用性能非常好，但通常在使用壽命中后期，道面會出現(xiàn)大量損壞，道面使用性能會急劇下滑。國內(nèi)外研究及工程應(yīng)用經(jīng)驗表明，要維持瀝青混凝土道面使用性能，對道面采取的改善措施越晚，所需要的成本就越高，如圖1所示。圖1 道面性能、時間及維護成本的關(guān)系因此，為了維持道面具有較高的使用性能，同時也為了減少維護費用，對于瀝青混凝土道面的維護提倡適時采用預(yù)防性養(yǎng)護措施。道面預(yù)防性養(yǎng)護（pavement preventive maintenance，簡稱ppm）是指在道面狀況尚良好，未出現(xiàn)明顯損壞或出現(xiàn)輕微損壞

7、時，對道面實施費用效益良好的維護措施，以達到延緩道面損壞、保持或改善道面使用性能、延長道面使用壽命、減少道面壽命周期養(yǎng)護費用的目的。1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1999年美國aashto對美國50個州、哥倫比亞、波多黎各和加拿大6個省的公路部門進行了預(yù)養(yǎng)護計劃和預(yù)養(yǎng)護技術(shù)大調(diào)查。返回調(diào)查表的41家公路部門中，其中36家（85%）已經(jīng)建立了路面預(yù)養(yǎng)護計劃，有2家正在建立，所有41家都采用了預(yù)養(yǎng)護措施。從調(diào)查的結(jié)果來看，預(yù)養(yǎng)護措施和預(yù)養(yǎng)護計劃在美國已相當(dāng)普遍，它所帶來的效果也已經(jīng)得到了政府和社會的普遍認(rèn)可3。1998年10月aashto、fhwa、fp2（foundation for pavement pre

8、servation）聯(lián)合主辦了在kansas city，missouri舉行的未來路面保養(yǎng)論壇，對路面的預(yù)養(yǎng)護技術(shù)和未來的發(fā)展進行了探討，并形成了會議文集“pavement preservation: a road map for the future”。在此基礎(chǔ)上，2001年6月aashto、fhwa和fp2在california的sacramento舉行了預(yù)養(yǎng)護研究規(guī)劃會議。這次會議確定了包括施工實踐、材料選擇和混合料設(shè)計、處理對策和選擇、使用性能評價、培訓(xùn)和政策6大方面21個課題項目，以指導(dǎo)美國各州預(yù)養(yǎng)護技術(shù)研究的方向和經(jīng)費申請，統(tǒng)一建立系統(tǒng)的預(yù)養(yǎng)護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范4,5。根據(jù)fhwa對法

9、國、南非和澳大利亞的調(diào)查，這些國家也都已經(jīng)開始大范圍地使用預(yù)養(yǎng)護措施，并根據(jù)各國的特點建立了預(yù)養(yǎng)護計劃，展開了對各項關(guān)鍵技術(shù)的研究。目前，預(yù)養(yǎng)護技術(shù)已得到了國際上的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，并取得了顯著的成果。但目前主要的研究和應(yīng)用都集中在公路上，機場瀝青混凝土道面的預(yù)養(yǎng)護技術(shù)研究相對較少。由于機場道面和公路路面在荷載形式、路/道面受力狀態(tài)有明顯差異，使其在預(yù)養(yǎng)護措施的選擇和要求也有不同。因此，有必要對機場瀝青混凝土道面預(yù)養(yǎng)護技術(shù)開展相關(guān)研究。2常見預(yù)養(yǎng)護措施比選國外經(jīng)過公路上多年的應(yīng)用實踐已形成了十余種比較成熟的預(yù)養(yǎng)護措施，包括稀漿封層（slurry seal）、微表處（microsurfacing）

10、、碎石封層（chip seal）、砂封層（sand/flush seal）、復(fù)合封層（cape seal）、薄熱拌瀝青混凝土加鋪層（thin hot-mix overlays，簡稱thmo）、超薄磨耗層（ultrathin friction courses）、灌縫（crack filling）、封縫（crack sealing）、霧狀封層（fog seal）等，其中稀漿封層、微表處、碎石封層在美國和歐洲家得到了廣泛的應(yīng)用6。其中稀漿封層、微表處、碎石封層、砂封層、復(fù)合封層、薄熱拌瀝青混凝土加鋪層和超薄磨耗層這7種預(yù)養(yǎng)護措施不適合應(yīng)用于機場道面預(yù)防性養(yǎng)護，主要原因是這些預(yù)養(yǎng)護措施都為薄層加鋪形式

11、，加鋪厚度一般都在14 cm。由于機場飛機在降落時會對道面產(chǎn)生非常大的水平剪力，超薄層很容易被“搓”開，且以上措施的施工原材料都含有石料，如粘結(jié)不牢固很容易出現(xiàn)石料剝落現(xiàn)象，會危害機場運行安全。機場瀝青混凝土道面常見的預(yù)養(yǎng)護措施主要有以下3種：（1）灌縫。將灌縫料填充裂縫，需要先對裂縫進行清理，必要時需先對裂縫進行開槽，以便灌縫料可以更好的填充裂縫。（2）封縫。將灌縫料將裂縫表面均勻平整覆蓋，覆蓋區(qū)域應(yīng)包括裂縫兩側(cè)的次生裂縫區(qū)域。灌縫和封縫有相似點，但也有明顯的區(qū)別。灌縫強調(diào)將灌縫料灌入裂縫內(nèi)，主要適用于密級配瀝青混凝土道面，如ac-13、ac-16等。這種類型道面的裂縫一般較為整齊，很少出現(xiàn)

12、次生裂縫和剝落現(xiàn)象，裂縫走向也較為平直，灌縫料可以較好的灌入裂縫內(nèi)。封層主要是針對于開級配類型的道面，如sma-13、sma-16等。這種類型道面的裂縫一般很容易形成次生裂縫，裂縫走向很難清楚分辨，并伴隨剝落等現(xiàn)象。因此這種裂縫很難直接灌縫，一般建議采用封縫，直接用封縫料將裂縫涉及區(qū)域全面覆蓋。（3）霧封層。將封層材料用機械設(shè)備（瀝青噴灑車）均勻的噴灑在道面上，用量一般為0.250.55l/m2。用量多少主要取決于道面損壞狀況。損壞越嚴(yán)重，用量越大。常見的封層材料主要有以下3種類型： 氧化瀝青類是一種溶劑型滲透性封層劑，材料內(nèi)不含集料。該材料以氧化瀝青為粘結(jié)料，含有多種能在紫外線下保持穩(wěn)定的芳

13、香族化合物及與水分反應(yīng)較為遲鈍的有機硅化合物。有機硅化合物使材料具有極低的粘度、低表面張力以及較好的憎水性。因此，該類材料滲透性強，能夠滲入緊密的毛細孔內(nèi)，封堵道面細微裂縫的效果最佳。材料的還原性是通過彌補老化瀝青流失的芳香族成分實現(xiàn)的。 煤焦油類通常是由乳化煤焦油、陶土和其他有機成分組成。乳化煤焦油滲入道面表層，能夠軟化老化瀝青、增加瀝青粘性；陶土是一種完全破碎成粉狀的集料，可以填補道面因裂縫、松散等病害導(dǎo)致的集料缺失現(xiàn)象。煤焦油類材料可使道面具有良好的封水效果，同時可固定道面上松動的細小骨料，緩解道面病害發(fā)展。 改性乳化瀝青類通常包括聚合物改性乳化瀝青和表面活性劑。其作用機理與煤焦油類材料

14、類似，通過激活老化瀝青增加瀝青的粘性，同時可為道面提供一層抗氧化、防水和抗油污的微表層。預(yù)養(yǎng)護最主要的目的是提高道面封水性能。水是瀝青混凝土道面最主要的危害源之一，道面在使用過程中，抗?jié)B水性能都會逐漸下降。水的滲入會加速已有損壞的進一步發(fā)展，如裂縫、剝落、松散等病害。因此，對于預(yù)養(yǎng)護效果的檢測中，需包括道面滲水性能的檢測。3最佳預(yù)養(yǎng)護時機確定方法道面最佳預(yù)養(yǎng)護時間的確定一般有兩種方法7,8：（1）以道面狀況為依據(jù)，當(dāng)?shù)烂鏍顩r下降到指定水平時，則實施預(yù)養(yǎng)護。在這種方法中，首先要建立道面使用性能的預(yù)估模型（pci、iri、ssi等），然后采用百分制把不同的措施劃分分值范圍，再根據(jù)道面狀況調(diào)查結(jié)果確

15、定措施類型。假定以pci作為表征道面狀況的指標(biāo)，利用預(yù)估模型可以得到道面使用時間和pci之間的關(guān)系，再把pci分段，如80100分為日常養(yǎng)護，6080分為預(yù)養(yǎng)護，3060分為維修措施，小于30分為改建。如果道面調(diào)查得到pci在6080分，則應(yīng)該對道面采取預(yù)養(yǎng)護措施，如圖2所示。不同機場對道面性能要求不同，可依據(jù)實際情況確定劃分標(biāo)準(zhǔn)。機場等級越高，對道面性能要求越高，預(yù)養(yǎng)護觸發(fā)的pci值越高。圖2 不同養(yǎng)護和維修措施的適用時間（2）對預(yù)養(yǎng)護措施進行費用效益分析，費用效益達到最大的時間即為最佳預(yù)養(yǎng)護時間。為了達到同樣服務(wù)水平的道面，養(yǎng)護措施采取的越晚所要花費的成本越高，如圖3。但是如果采取的養(yǎng)護措

16、施太早則會浪費不必要的資金，養(yǎng)護（維修）時間和年度費用之間關(guān)系如圖4，從圖中可以看出過早的養(yǎng)護則會導(dǎo)致較高的年度費用。因此，由預(yù)養(yǎng)護延遲而增加的成本和由于提前養(yǎng)護引起的年度費用增加之間存在一個最佳關(guān)系，如圖5。圖3 養(yǎng)護或維修成本和時間的關(guān)系圖4 年度養(yǎng)護費用和時間的關(guān)系圖5 養(yǎng)護（維修）道面的最佳時間采用費用效益法需要對所采取的措施進行成本和年度費用分析，建立起兩者和時間的關(guān)系。不同措施的最佳時間還與航空交通量和環(huán)境等因素有關(guān)，所以不同地區(qū)的機場管理部門都需要建立自己的最佳養(yǎng)護時間，以使道面使用壽命期內(nèi)的費用最省。最佳費用效益分析方法有壽命周期費用、費用-效益分析、等效年度費用和長壽命費用指

17、數(shù)4種。4預(yù)養(yǎng)護費用效益分析預(yù)養(yǎng)護的效益包括經(jīng)濟效益和社會效益，在量化上比較復(fù)雜。加拿大安大略省交通局的kher和cook(1985)9提出了一種評估用戶效益（簡稱用戶效益）的新方法，它以路面性能曲線下的面積代替用戶效益。其基本原理是路面性能越好，越可提供更大的用戶效益。同年，在北美路面管理會議上，加拿大的shahin、kohn、lytton和mcfarland10在paver的財政優(yōu)化技術(shù)中也采用路面性能曲線下的面積表征路面性能。obrien(1989)11在nchrp報告153中指出，當(dāng)采用費用-效益分析法比較不同預(yù)養(yǎng)護對策時，可采用路面性能曲線下的面積表示預(yù)養(yǎng)護的效益。加拿大安大略省的j

18、oseph(1992)12以路面性能曲線下的面積、年平均日交通量和路段長度的乘積為標(biāo)準(zhǔn)來比較預(yù)養(yǎng)護對策的費用效益。1992年，美國紐約州公路局使用路面性能曲線下的面積作為效益來比較各種待選預(yù)養(yǎng)護對策方案的費用效益。2004年7月，nchrp報告523在研究預(yù)養(yǎng)護措施實施的最佳時間時，也采用路面性能曲線下的面積來表示預(yù)養(yǎng)護措施取得的效益。雖然路面性能曲線下的面積沒有明確的物理意義，但是它與路面的服務(wù)水平和使用壽命緊密相關(guān)。路面的服務(wù)水平越高，使用壽命越長，路面性能曲線下的面積就越大。理論上，在路面狀況良好的情況下，較早地使用預(yù)養(yǎng)護措施，可使路面服務(wù)水平將保持在一個較高的水平，路面的使用壽命也較長

19、，因此路面性能曲線下的面積較大，具有較大的效益。反之，預(yù)養(yǎng)護措施使用得較晚，所獲得的效益一般較小。綜上所述，借鑒公路相關(guān)經(jīng)驗，本文采用道面性能曲線下的面積來表征預(yù)養(yǎng)護措施的效益，不僅綜合反映了道面狀況的好壞和使用壽命的長短，而且其分析結(jié)果也符合預(yù)養(yǎng)護的理念和規(guī)律，因而，本文采用性能曲線下的面積（簡稱效益面積）來表征預(yù)養(yǎng)護費用效益。衡量道面使用性能的指標(biāo)有很多，比較常見的有：道面損壞狀況指數(shù)（pavement condition index，簡稱pci）、國際平整度指數(shù)來（international roughness index，簡稱iri）、表面摩擦系數(shù)（bpn）和服務(wù)能力指數(shù)（presen

20、t serviceability index，簡稱psi）等。其中以pci值應(yīng)用最為普遍。以下介紹效益面積的計算方法。如圖6所示，預(yù)養(yǎng)護前道面pci衰減曲線為y=pci0(x)，y0(pci)是道面允許pci的最低值，由機場管理部門確定。預(yù)計道面pci在x1時間下降到y(tǒng)0(pci)。當(dāng)?shù)烂媸褂媚晗逓閤0時，道面pci值接近但尚未達到y(tǒng)0(pci)，即對道面進行預(yù)養(yǎng)護，使道面pci提高，提高后道面pci衰減曲線為y=pcij(x)。提高后道面pci在x2時間達到y(tǒng)0(pci)。則本次預(yù)養(yǎng)護的費用效應(yīng)即為圖中陰影部分面積，記為aj(pci)。其計算公式如式1所示。圖6 預(yù)養(yǎng)護費用效應(yīng)計算圖示（式1

21、）5案例分析上海某機場跑道道面為“白+黑”結(jié)構(gòu)類型，上面層為瀝青混凝土加鋪層，加鋪時間為2005年。該跑道由于道面性能持續(xù)下降，于2010年對其實施了霧封層預(yù)養(yǎng)護，以下針對該案例進行分析。依據(jù)同濟大學(xué)對該跑道道面性能的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，回歸得到道面功能性能衰變規(guī)律的經(jīng)驗回歸模型，如式2所示。（式2）該機場飛行區(qū)等級為4e，日平均航空交通量近600架次，對于單跑道機場已屬非常大。為此，對跑道道面使用性能要求較高。機場管理部門確定的實施道面預(yù)養(yǎng)護措施臨界pci值為90。依據(jù)該衰變模型，2010年道面pci值為92.7，2011年道面pci值為87.6。為此，2010年下半年是實施道面預(yù)養(yǎng)護的最佳時機。

22、依據(jù)同濟大學(xué)室內(nèi)試驗的測試結(jié)果，提出了霧封層材料的性能指標(biāo)要求，即分別滿足以下6方面的標(biāo)準(zhǔn)：（1）還原老化瀝青的能力（2）滲透性能（3）對道面抗滑性能的影響（4）封水性能（5）對瀝青混合料水穩(wěn)定性能的改善（6）對瀝青混合料抗松散性能的改善霧封層材料會影響道面抗滑性能，施工后道面摩擦系數(shù)會顯著降低，摩擦系數(shù)通常會下降到0.30.4，甚至?xí)陀?.3，對道面運行影響很大。摩擦系數(shù)的恢復(fù)時間與環(huán)境因素影響很大，主要取決于溫度和濕度條件。因此，建議霧封層施工時間選在夏季或秋初。6結(jié)論（1）以公路常見預(yù)養(yǎng)護措施為依據(jù)，根據(jù)機場道面實際情況，篩選了適用于機場瀝青混凝土道面預(yù)防性養(yǎng)護措施。（2）分別以道面性

23、能狀況和預(yù)養(yǎng)護費用效益為依據(jù)，建立了確定道面最佳預(yù)養(yǎng)護時機的方法。（3）以效益面積為衡量指標(biāo)，建立了評價預(yù)養(yǎng)護費用效益的計算方法及公式。（4）以上海某機場跑道霧封層工程為案例，分析了確定實施預(yù)養(yǎng)護最佳時機的方法，并給出了評價霧封層材料性能的6大指標(biāo)。參考文獻1史保華, 王聲. 應(yīng)用瀝青混凝土修建機場道面的分析探討. 石油瀝青, 1998.6.2eapa. airfield uses of asphalt. netherlands, european asphalt pavement association, 2003.5.3aashto. pavement preservation in th

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