防止寒冷地区机场水泥混凝土道面冻胀问题的施工措施.pdf

RoAD CONS TRUCTI oN AND MACHI NERY 文章编号 ： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 4 ) i 0 0 0 6 2 0 4 防止寒冷地区机场水泥混凝土道面 冻胀 问题 的施工措施 史保 华 ， 梅 平 ， 刘远 飞 ， 杨新泉。 ( 1 空军工程大学 工程学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 3 8 ； 2 空军第一建筑工程安装总队 ， 北京 1 0 0 0 7 6 ； 3 兰州军区空军后勤部军教处 ， 甘肃 兰州 7 3 0 0 2 0 ) 摘 要 ： 为 了保 证寒 冷地 区机 场水 泥混凝 土道 面 的施 工质 量 ， 在 对道 面容 易发 生的 冻胀 、 翻 浆 和 冻 融等破坏 问题的原 因进行 系统分析 ， 在此基础上， 不但从施工 气温、 保 温措施等基本要求方面提 出 了施工对策， 而且从土方工程施工、 混凝土道面工程施工等方 面提 出了具体措施， 可为 同类施工项 目提 供借 鉴 。 关键 词 ： 寒冷 地 区 ； 机 场施 工 ； 水 泥混凝 土道 面 ； 冻 胀 中图分类 号 ： U4 1 8 5 文献标 志码 ： B Pr e v e n t i o n o f Fr o s t H e a v e Da m a g e t o Ai r po r t Pa v e m e n t i n Co l d Re g i o n SHI Ba o h ua ，M EI Pi n g 。，LI U Yu a n f e i ，YANG Xi n qu a n ( 1 Sc h o o l o f En g i n e e r i n g，Ai r F o r c e En g i n e e r i n g Un i v e r s i t y ，xi a n 7 1 0 0 3 8 ，S h a a n x i ，Ch i n a ；2 F i r s t I n s t a l l a t i o n Te a m o f Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g o f Ai r Fo r c e ，B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ，Ch i n a ；3 Mi l i t a r y Te a c h i n g De p a r t me n t o f Ai r For c e Log i s t i c s De pa r t me nt o f La nz hou M i l i t ar y Ar e a Comman d，La n z ho u 7 30 0 20，Ch i n a； ) Abs t r a c t ：I n o r de r t o m a k e s ur e o f t he c o ns t r uc t i o n q u a l i t y a i r p o r t pa v e me n t i n c o l d r e gi on，t he r e a s on s why d a ma g e s l i ke f r o s t he a v e a nd bo i l i n g a nd f r e e z e t ha w o c c ur s o c ommon l y we r e a na l y z e d， ba s e d o n whi c h pr o t e c t i o ns we r e m a d e t o e n s u r e t h a t a i r t e m p e r a t ur e f i t s f or c o ns t r uc t i o n， a nd me a s ur e s f o r e a r t h e ng i n e e r i n g a nd c on c r e t e p a v e me nt e n gi n e e r i n g we r e pr o po s e d s p e c i f i c a l l y Ke y wo r d s ：c ol d r e g i on；a i r p or t c o ns t r u c t i on；c e me nt c o nc r e t e pa ve m e nt ；f r os t he a ve O 引 旨 中 国的西北 、 西南 、 华北 和东 北 等地 由于冬 季气 候 寒冷 ， 不 同程度 地存 在着 季节性 冰 冻 问题 ， 寒 冷地 区 的面积 占国土 面积 的一半 左右 。为 了国民经 济发 展 和 国防 战备建 设 的需 要 ， 在今后 一段 时期 ， 国家将 安排国债资金并多方筹资支持 民航机场设施建设 ， 重 点为 中 西 部 支 线 机 场 和 西 部 干 线 机 场 项 目的 建 设 ， 逐步 形成 中国的机 场 网 ， 以增 强航 空运输 的通 达 能力 ， 提高国防军事实力。因此 ， 在寒冷地区建设机 场道面的任务繁重 。由于水泥混凝土强度高 ， 使用 品质好 ， 抗冻 性强 ， 所 以 ， 中 国新 建 机 场道 面大 多 采 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 2 0 4 ， ， 一 6 2 用 水泥 混凝 土铺 筑 。 飞 机 的起 飞 、 降落 、 滑行 和维 修等 活动 均需 在道 面进行 ， 因此 ， 机 场建设 的关 键是 保证 道面 工程 的施 工 质量 。通 过对 东北 和西北 多个 机场 水泥 混凝 土道 面的调 查发 现 ， 由于 施 工原 因造 成 寒 冷 地 区道 面 产 生 冻胀 破坏 的情 况 比较 普遍 ， 轻者 跑 道平整 度恶 化 ， 影 响飞 机滑行 安 全 ， 给 机场 使用带 来 困难 ； 重者跑 道 出现错 台或 突起 ， 需 要 关 闭 机场 ， 对 跑 道 进 行 维 修 ， 造成巨大的经济损失。故对寒冷地区机场水泥混凝 土道面 容易 发生 问题 的原 因进 行研 究 ， 探讨 防止 道 面冻胀 的施 工措施 ， 对保 证 道面 的建设 质量 、 延 长机 场 使用 寿命具 有 重要 意义 。 RoAD CoNS TRUCT1 0N AND M ACHI NERY 1 水 泥混凝土道面容易发生 的问题 寒冷地 区机场 的水泥混 凝土道 面通常易发 生 冻 、 融 问题 ， 归纳 起 来 产 生 的 危 害包 括 三个 方 面 ： 一 是冬季土基会产生冰冻现象 ， 冻胀值过大或超过了 允许 值 ( 限定 值 ) 时 ， 道 面的平 整 度恶 化或 出现 错 台 ； 二是 春 季融 冻 时 ， 土 基承 载力 下 降 ， 在 飞 机荷 载 的作 用下形成唧泥或翻浆 ； 三是水泥混凝土道面板发生 冻融 破 坏 。 1 1 冻 胀 问题 东北某 机场 地 处 寒冷 地 区 ， 冬 季气 温 在 一3 O 以下 。在 最 冷 的 1月 份 ， 现 场 调 查 发 现 土 基 冻胀 使 水泥混凝土 道面 向上 隆起 ， 局部 道面板 隆起 3 c m， 个别部位隆起高度大于 1 0 c m， 平整度严重恶化 ， 危 及 飞机超 降 安全 ， 机 场关 闭 。一般 来说 ， 机场道 面 是 允许 一定 冻 胀量 的 ， 但超 过 了某一 限值 ， 道 面就 容 易 产生冻胀破坏 ， 进而严重影响飞机安全l 1 。 土基不但承受着 由面层传下来的飞机荷载和上 部结 构 ( 包括 面层 、 基 层 和垫层 ) 的全部 自重外 ， 还 承 受着 自然 因素 的长期 作用 ， 尤 其是 水 和冰 冻 的作用 ， 在寒 冷地 区 ， 如果 处 理 不 当 ， 不 但 土 基 发 生 冻 胀 ， 而 且会导致道面隆起损坏 。引起 冻胀 的原 因有两个 ： 一 是 由于水分冻结 ， 体积将增加 9 左右 ； 另一个是 由于土基 中的弱 结合 水 向 冻结 区移 动 ， 如有 地 下 水 不 断供 给水 源 ， 而冻 结 的过程 又很 缓慢 ， 则 这一 过 程 会持 续一 段 时 间 ， 从 而使 冻胀 发展 得更 加严 重 。 北方地区进入冬季 ， 气温降到 0。 C以下时 ， 土中 自由水先 在 0区域 冻结 ， 形 成小 的冰 晶 ， 冰 晶与 固 体土 颗粒 之 间被 结合 水膜 隔 开l l2 。随着 温度 的不 断 降低 ， 土颗粒的结合水开始冻结 ， 不断加入到冰晶体 中 ， 使冰晶逐渐增大 ， 最终导致土基发生冻胀。引起 土基 冻胀 最严 重 的土 类是 容易 受 到毛 细水 作用 的 细 粉粒 土 ， 这 类 土对 冰 冻 的敏感 性 强 。通 常小 于 0 0 2 mm 的颗粒 含量 超 过 3 的所 有 无 机 土对 冰冻 特 别 敏感 。这些土的孔隙尺寸小到足以产生潜在毛细水 作用 ， 而又大到足以使地下水能通达冻结 区域。所 以 ， 进 行土 方 工程施 工 时要 严 格控 制 0 0 2 mm 的颗 粒 含量 ， 增 加 土基 压 实 度 ， 消 除毛 细 水 作 用 ， 才 能 防 止土基 冻 胀 问题 。 1 2翻 浆 问题 春季 来 临 ， 北 方地 区气 温会 升 高到 0以上 ， 由 于机场 道 面 的导热 性 强 和 结 构 层 的吸 热 ， 道 面 下 冰 冻 的 土基开 始融 化 ， 积 聚 在 土基 上 层 过 多 的水 分 不 能 及 时排 出 ， 道基 处 于过 湿状态 ， 会使 土基 失去 承 载 力 ， 在飞机荷载反复作用下， 导致道面翻浆 、 冒泥( 唧 泥 ) 或局 部塌 陷 。 分 析影 响土 基 翻浆 的因素 ， 除 了路面 类型 、 飞机 荷 载 和施工 因素 以外 ， 主要 包括 土类 、 气 温和水 三个 方 面 。一是 粉性 土 因素 ， 这 种土 中毛 细水 上升 高 ， 在 负温作用下水分聚流严重 ， 而且土 中的水分增多 时 强 度 降低 幅度大 而 快 ， 容 易 丧 失稳 定 。二是 气 温 因 素 ， 气 温变化 决定 冻 结 深 度 和冬 季 每 月 负气 温 的总 和 即冷 量 ， 初 冬 时气温 较 高 、 在 04停 留 时 间 较 长或 冷暖 交替 会都 使 大量 水 分 聚 流 到土 基 上 层 ， 容 易翻浆 ； 而 春 天气 温 的 特点 和化 冻 速 度对 翻浆 有 较大影响， 若气温急剧上升 ， 冻土急速融化 ， 则加重 土 基 翻浆 。三是水 的 因素 ， 翻浆 是 水 的 状态 和 位 置 在 土基 中转 移与 变化 的过程 ， 因此 ， 道 面周 围地表 积 水 和较 高 的地下水 是 形成 翻浆 的重要 因素 。 1 3冻融 问题 在寒 冷 地 区 ， 水 泥 混凝 土道 面 板 孔 隙 中 的水 分 结 冰会使 其 变酥 而逐 渐 破 碎 ， 即发 生 冰 冻或 冻 融 破 坏 ， 特别 是在 水 系发 达 的地 区。 中 国机 场道 面 发 生 冻融破坏 的例子很多 ， 经验教训告诉我们 ， 水泥混凝 土必须具有较高的抗冻性 ， 以保持其强度 和外观完 整 的能力 。 分析 水 泥混凝 土板 受 冻 融 作用 而破 坏 的原 因 ， 主要 是气 温 在 0 以下 时 ， 由于混 凝 土 内部 孔 隙 中 的水结冰， 其体积膨胀 造成 的静水压力和因冰水蒸 汽 压 的差 别 推动未 冻水 向结 冰 区的迁 移造 成 了渗 透 压力 ， 当压力 所产 生 的 内应 力 超 过 混 凝 土 的抗 拉 强 度 ， 混凝土就会 产 生裂 缝 ； 长 期 反复 的冻 融使 其裂 缝 不断增长 、 扩大或加深 ， 使混凝土强度降低 ， 表面开始 剥落 ， 甚 至使混 凝土 完 全崩 溃 。因此 ， 混凝 土 铺筑 施 工 时 ， 增加 密度和减 少裂缝是 防止 道面冻融 的关 键 。 2施工 的基本要 求 2 1 气 温要 求 中国东北 和西 北 大 部 分 地 区 ， 从 每 年 的九 月 份 开始降温 ， 来年的三月初开始升温， 三月底温度上升 到 0。C以上。而青藏高原、 新疆 、 内蒙和东北 的部分 地区直到四月份才进入春季 ， 有的地区春秋两季不 明显 ， 夏季 也 只有短 短 的 3 个 月左 右 ， 而冬 季时 间漫 长 ， 短则 5个 月 ， 长则 7个 多 月 。冬 季 气 温 低 ， 不 便 6 3 ROAD CONS T RUCT I ON AND M ACHI NE R Y 于施工作业 ， 若采取保 温措施 ， 一 是提高 了工程造 价 ， 二是 施工 质量很 难保 证 。 由于寒冷地 区能满足施工气 温要求 的时间有 限 ， 所 以 ， 机 场道 面施工 的基本 要求 是合 理安 排施 工 进度， 把土方工程 、 道面基层和道面面层等结构层的 施工安排在 日最低气温大于 5。 C时进行 ， 在有冰冻 的地区， 应在第一次冰次冰冻期 ( 一35) 到 来 之前半 个 月至一 个月 完成 L 3 。 2 2 保 温 要求 为 了 防止 已完 成 的道 面工 程 受 冻 ， 在 冬 季来 临 之前 ， 需要采取措施进行保温。可在结构层表面用 塑料薄 膜加 草席覆 盖 ， 并 在其 上填 5 0 1 0 0 c m 的土 进 行保 温 ， 稳 定土 层 宜有 半 个 月 以上 的温 暖 气 候期 养 护 。大 面积土基 填 土 、 禁 止低温施 工 、 在基 层及 混 凝土面铺筑施工过程 中做好道槽排水等工作， 都是 保证施工质量的有效措施。 3土方工程施工对策 为 了减 少冻胀 ， 提 高土基 的承 载强 度 ， 要 对土基 进行充分压实， 这样不但可以保证强度的稳定性 ， 还 可增强 其水 稳 定 性 ， 有 效 延 长 道 面 的使 用 寿 命 ， 因 此 ， 对 于一般 情况 下 的土基压 实 ， 可 以选 择分 层碾 压 法 ， 其处理效果可靠而经济。 采 用机 械压实 时需 要 注意 4个 问题 ： 一 是 严格 控 制含 水量 ， 用某 种压 实机 械碾压 土基 填料 时 ， 如 果 其含水量较大或较小 ， 都很难达到较高的压实度 ， 只 有 在最佳 含水 量下 进 行 压 实 ， 土 的 密实 程 度 才 能达 到要求 ， 这不 仅可 以减 少压 实功率 ， 而且 压实 后土 的 渗水率最小 ， 土基持久而稳定 ； 二是合理选择压实机 械， 土基压实通常可选光轮压实机、 羊脚压实机 、 轮 胎压实机、 振动压实机、 冲击压 实机等多种类 型， 压 实 作业项 目不 同 ， 选用 的压 实机种类 和规格也 不 同 ， 应 根据 土基 和填料 工程 性质选 型 ， 对 于砂 土 、 粉土 掺 入粘土或其他改 良材料进行压 实， 宜选用压实功率 较 大 的静 压式 压实 机 、 振 动 压 实 机 和 冲击 压 实 机进 行 碾压 ； 三是 控制 填料 的厚度 和碾 压遍 数 ， 一 般根 据 填 料 的土类 和选择 的碾 压机 械功率 并通 过试 验进 行 确定； 四是保证 压实度符合要求 ， 要根据填料 的深 度 、 土类及场道位置由试验设计确定_ 4 。 4 混凝 土道面施工对策 4 1配合 比设计 为 了减 少水 泥混凝 土表 面可 能产 生 的细微 干缩 6 4 裂纹、 龟裂等问题， 防止冬季雪水、 除冰液下渗对混 凝土产生冻胀和侵蚀 ， 应最大限度地提高混凝土 的 密度 。配合 比要 按 照 低 水 泥 用 量 、 低 水 灰 比、 低 砂 率、 小石用量少等要求进行设计。选择高效引气减 水剂 可 以减小混 凝 土 的水 灰 比和 水 泥用 量 ， 改善 混 凝土拌和料的和易性 ， 提高混凝土的密实度 ， 增强混 凝土 的抗 冻 、 抗 渗 性 能 。配 合 比设 计 中还 需要 考 虑 混凝 土拌 和物 的和 易性 ， 必 须适 于 施 工 操 作 和易 于 整修做 面 。 4 2拌 和与运 输 水 泥混 凝 土 的拌 和质 量 取 决 于拌 和机 械 ， 为 了 确保混凝土拌和物均匀一致 ， 没有生料、 干料 、 离析 或高效引气减水剂等外加剂产生成团等现象 ， 要选 择计量准确的强制式拌和机械 ， 拌和时间应以使混 合料 拌 和均匀 、 含 气 量达 到 最 高 值 为准 。在低 温 季 节施工时， 不但要测定原材料与拌和物的温度 ， 把出 料温 度控 制在 1 0 o C以上 ， 而且对 坍 落度损 失率 和凝 结 时间要 进行测 定 和控制 。拌 和物要 充分 考虑 施工 气温 下运输 坍落 度 的损失 。 为 了避免混 凝 土在运 输 中离析 而造成 含气 量损 失 ， 运 输应 一 次到 位 ， 运 输 时 间 以不 进 过 1 0 rai n为 宜 ， 泌水率 要 控 制 在 1 以 内。可 根 据 混 凝 土 拌 和 机械 的生 产量 、 运距 、 路况 和施 工进度 等 因素选 配运 料车 的车 型和数 量 ， 车 辆 总 运输 量 要 比拌 和 机械 的 产量稍有富余 ， 以确保在规定的时间内把拌好 的混 凝土 运 到铺 筑 现场 。 4 3混 凝土铺 筑 混凝 土铺筑 是 机 场水 泥 道 面 施 工 的关 键 工 序 ， 道面铺筑的施工质量决定 了防渗与抗冻 的状况 ， 因 此 ， 在 混凝 土铺 筑施 工 中需要采 取措 施严 把质 量关 。 滑模 摊铺 机通 常 自带 振捣 仓 、 拉 杆插 入机 、 重 型整平 梁、 超级抹平器等配套设备， 在混凝土面层施工中能 满足 灵活 性 的要 求 ， 并 可毫 不 费 力 地转 移 机 器 。 由 于该机器既具有很高的 自动化程度 ， 又可很好地控 制混凝 土施 工质 量 ， 生 产 率 也 很 高 ， 所 以 ， 滑模 摊 铺 机是 寒冷 地 区混 凝 土铺筑 的首 选机 械 。 昆 凝 土面层 施 工 是铺 筑 施 工 的最 后 一道 工 序 ， 需要在防风防晒棚下进行作业 ， 以防止烈 日爆晒或 干旱 、 风 吹而导 致混 凝土 表面龟 裂 和干缩 裂 纹 。 4 4 施 工温 度与 养护 在昼夜平均气温低于 5。C( 夜 问最低气温一3 5) 时 ， 为 了保 证 工 程 质 量 ， 最 有 效 的 措 施 是停 止 RoAD CoNS TRUCTI oN AND M ACHI NERY 混凝土铺筑。在温度较低 ( 0。 C5) 的情况下需 要 施 工时 ， 首 先 要 选 择 水 化 总 热 量 大 的 R 型 水 泥 ， 增加混合料的搅拌时间( 较常规施工增加 5 0 ) ， 然 后随时检查水和砂石料投入搅拌机前与混合料出料 时 的温度 ， 把 拌和 物 温 度严 格 控 制 在 1 O 以上 ， 混 凝 土铺 筑 温度 控 制在 5 以上 ， 完 成 做 面工 序 时 的 混 凝 土温 度不 得低 于 5 5 。 加强养生对防止混凝土裂缝非常有效。养生必 须 及时到 位 ， 方法是 用手指 轻按无 明显 印痕后 即时进 行 养生 。切缝前 对 混凝 土采 用 塑料 薄 膜 加湿 麻 袋或 养 生布养 生 ， 切缝后 采用覆盖麻 袋 ( 养生 布) 并洒 水养 生 ， 养生期间始终保持混凝土表面湿润。为了保证混 凝土板不受冻， 要在养生期间保持混凝土板 的温度大 于 5， 覆 盖保湿保 温养护 时间大于 2 8 d 。 5 结 语 随着中国 国民经济 和 民用航 空事业 的迅猛发 展 ， 国防 战备 实力 也需 要不 断提 高 ， 中国机 场建设 跨 人一 个前 所未 有 的新 的历 史 阶 段 ， 正 处 于布 局 优 化 调整 、 快 速建 设发 展 时 期 。东 北 地 区 以及 西 南 和 西 北这些经济欠发达的区域是机场建设的重点； 因此， 防止寒冷地区机场水泥混凝土道面冻胀是必须面对 的 问题 ， 而分 析道 面发 生冰 冻破 坏 的原 因 ， 研 究探 讨 各种 防冻 胀 的施工 措施 是保 证道 面建设 质量 的一 个 有效 途径 。 参考 文献 ： 1 邢耀 忠， 郝友诗 机场刚性道面结构防冻厚度设计探讨 J ， 华 东公路 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 5 2 5 3 2 许永 明 公路养护与管理 M 北京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 3 3 MH 5 0 1 4 -2 0 0 2 ， 民用机场飞行区土( 石) 方 与道面基 础施工 技术规范E S 4 史保华 ， 许巍 ， 王文杰 ， 等 机场土基工程典型问题 与处理对 策E J 筑路 机械 与施工机械化 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 2 ) ： 2 0 2 5 5 MH 5 0 0 6 -2 0 0 2 ， 民用机场飞行区水泥混凝 土道面面层 施工 技术规范E s 责任编 辑 ： 杜卫华 ( 上接 第 6 1页) 鋈 一 O 一 速度2 6 k m h D一速 度4 0 k m h 一一速 度5 3 k m h +速度2 6 k m - h +速度4 0k m h +速度5 3 k r n h ( 前进 ) ( 前进 ) ( 前进 ) ( 进退 ) ( 进退 ) ( 进退 ) 图 3小 l司速 度 F压 买 度 和压 买 遍 数 的关 系 曲 线 ( 2 )相 同压 实 遍 数 下 ， 压 实 度 随 振 幅 和 频 率 的 增 大 而增 大 ， 随速度 的增大 而减 小 。 ( 3 )进退交替碾压方式下 的压实效果要好于单 前 进碾 压方 式 ， 前 4遍 效 果 不 明显 ， 从 第 6遍 开 始 ， 进 退交 替碾 压 方式 下 的压 实度 值 明显高 于相 同遍 数 时 单前 进碾 压 方式 下 的压 实度 值 。 ( 4 )振 幅对路 基压 实度 影 响最 大 ， 速度 次 之 ， 频 率最小 ； 最佳匹配为振幅 2 0 mm、 频率 3 2 Hz 、 速度 2 6 k m h - 。 参考 文献 ： 1 李冰， 焦生杰 振动压路机与振动压实技术 E M 北 京 ： 人民 交通 出版社 ， 2 0 0 1 2 曹文贵 ， 罗宾 ， 张竣淞 基于 O u n c a n c h a n g 模 型的静 力贯入 路基压实度确定方法E J 中国公路学报 ， 2 0 1 3 ， 2 6 ( 5 ) ： 1 8 3 张宏 振动压路机工作参数对施 工过程 的影 响 J 山西建 筑 ， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 1 2 ) ： 1 8 1 - 1 8 2 4 张 中华 ， 王莉 振动压路机最佳压实频率研究 J 建 筑机械 技术与管理 ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： l 1 9 - 1 2 2 5 冯建亮 ， 赵真 ， 冯忠绪 振动压路 机碾压速度 的选择 J 建 筑 机 械 ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 7 6 7 8 6 徐秀维 振动压路机的压实施工参数 对路基压 实度的影 响因 素研究口 建设机械技术与管理 ， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 7 5 7 8 责任编辑 ： 谭忠华 6 5