溫度變化對(duì)機(jī)場(chǎng)道面狀況影響的研究

蘇曉雯　洪剛

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安　710089）

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溫度變化對(duì)機(jī)場(chǎng)道面狀況影響的研究

蘇曉雯洪剛

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安710089）

摘要：為了保證機(jī)場(chǎng)道面的使用壽命，研究了自然因素中溫度對(duì)道面狀況的影響，從碎裂、拱起、唧泥、剝落等方面，闡述了溫度變化引起的道面破壞類型，并提出了道面維護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，為機(jī)場(chǎng)道面的耐久性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)場(chǎng)道面，溫度梯度，熱傳導(dǎo)率

0　引言

機(jī)場(chǎng)跑道道面不僅受到凍融、干濕、侵蝕、氣候等自然因素的影響，還受到飛行架次、飛行荷載等飛行方面的影響。隨著時(shí)間的推移，道面出現(xiàn)凍脹、破裂等現(xiàn)象，道面狀況不斷下降，這對(duì)飛行安全帶來極大隱患，道面耐久性越來越受到人們的重視。

機(jī)場(chǎng)跑道每天有固定架次飛機(jī)起落，每架飛機(jī)通過跑道上某一固定地點(diǎn)，只要不到0. 01 s的時(shí)間，飛機(jī)的活動(dòng)使道面在一天之內(nèi)遭受荷載的作用總時(shí)間不超過0. 3 s，這就意味著跑道在99. 999%的時(shí)間內(nèi)，道面都是在自然因素的作用下。因此，機(jī)場(chǎng)道面受自然因素的作用比受飛機(jī)荷載的作用要大得多。

1　影響道面的自然因素

自然因素對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的影響主要表現(xiàn)在溫度和濕度兩方面，本文主要講在溫度的影響下對(duì)道面的影響。

道面材料和土基的體積隨著道面體系內(nèi)溫度的變化而變化。由于溫度沿深度呈不均勻分布，不同深度體積變化不同，但是這種不均勻的體積變化受到各種因素的制約。

2　機(jī)場(chǎng)道面的溫度狀況

大氣的溫度在不同的時(shí)間會(huì)發(fā)生周期性的變化，道面溫度也相應(yīng)地發(fā)生著周期性變化。例如，夏季晴天，某機(jī)場(chǎng)水泥混凝土面層溫度的日變化結(jié)果如圖1所示。圖1表明，部分太陽輻射熱被道面所吸收，道面溫度較氣溫較高，面層體系內(nèi)在不同深度，溫度隨氣溫呈現(xiàn)周期性的變化，變化幅度隨深度的增加而減小，其峰值也隨深度的增加減小。

圖1　水泥混凝土道面板溫度變化曲線

道面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度隨深度變化的情況，從一晝夜內(nèi)不同時(shí)刻和道面溫度沿深度分布的曲線圖中看出。圖2為水泥混凝土面層的觀測(cè)實(shí)例，板內(nèi)溫度沿深度一般呈曲線分布，在一天之中，頂面和底面之間的溫度梯度變化，由負(fù)（頂溫低于底溫）到正（頂溫高于底溫）再到負(fù)，其周期性同溫度變化幾乎同步（見圖3）。溫度通常在早晨的某一時(shí)刻接近于0℃，午后某一時(shí)刻正溫差達(dá)到最大值，凌晨某一時(shí)刻負(fù)溫差達(dá)到最大值，溫度梯度的周期性與溫度變化幾乎同步。

圖2　不同時(shí)刻面層深度溫度變化曲線

圖3　面層深度隨溫度變化曲線

某機(jī)場(chǎng)位于公路自然規(guī)劃區(qū)一級(jí)區(qū)劃，即黃土高原干濕過渡區(qū)，最大溫度梯度計(jì)算值為Tr= 0. 90～0. 95，板厚為0. 29 m～0. 36 m，溫度梯度修正系數(shù)為ah =0. 86～0. 67。

水泥混凝土板內(nèi)溫度狀況的變化，板會(huì)發(fā)生位移和變形，板截面上溫度的不均勻分布，會(huì)使板產(chǎn)生翹曲變形。道面板由于四周有約束存在，使得變形受阻，板內(nèi)便產(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力和翹曲應(yīng)力。

決定道面結(jié)構(gòu)溫度狀況的因素，有外部和內(nèi)部?jī)深?。外部主要是氣候條件，如日照，氣溫，風(fēng)速，降水量和蒸發(fā)量等，其中日照和氣溫是決定道面溫度狀況的兩個(gè)最重要因素。照射到道面的輻射熱，一部分被道面反射，余下部分則被道面吸收而使其溫度升高，道面與大氣的溫度差又形成對(duì)流，風(fēng)的作用加強(qiáng)對(duì)流，使道面喪失部分熱量，降水和蒸發(fā)都會(huì)顯著的降低道面溫度。

內(nèi)部因素則為機(jī)場(chǎng)道面各結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)率，比熱和對(duì)輻射熱的吸收能力。材料的熱傳導(dǎo)率和比熱越高，產(chǎn)生的溫度梯度越低。某機(jī)場(chǎng)道面為水泥混凝土道面，其熱特性參數(shù)為：熱傳導(dǎo)率k =0. 921 W/（m·℃）～3. 475 W/（m·℃），比熱S = 921 J/（kg·℃）～1 046 J/（kg·℃），輻射熱吸收能力b = 60%～65%。

3　溫度變化可能引起道面板的損壞類型

1）碎裂。當(dāng)?shù)烂姘迨艿綔囟扔绊懚a(chǎn)生溫度應(yīng)力時(shí)，由于維護(hù)不當(dāng)，道面板接縫內(nèi)嵌入石塊等堅(jiān)硬物時(shí)，道面板伸縮受阻，在接縫外邊緣產(chǎn)生較高的擠壓應(yīng)力而使道面板接縫處碎裂；填縫料損壞，水分從縫隙滲入，使得接縫附近土基濕度過大，產(chǎn)生松動(dòng)，導(dǎo)致接縫兩側(cè)板底脫空，失去支撐，此時(shí)在機(jī)輪荷載反復(fù)作用下便會(huì)出現(xiàn)碎裂。

2）拱起?；炷恋烂姘迨湛s時(shí)，接縫縫隙張開，填縫料失效，堅(jiān)硬的碎屑落入縫內(nèi)，致使板在受熱膨脹時(shí)產(chǎn)生較大的熱壓應(yīng)力，將板向阻力較小的一側(cè)推移，在失穩(wěn)部位發(fā)生拱起。

3）唧泥。水分積聚在道面上，或通過失效的接縫滲入，造成土基沖刷，自由水飽和，在荷載作用下，土基中細(xì)顆粒材料由于推擠通過接縫被轉(zhuǎn)移到表面，長(zhǎng)久會(huì)造成板體脫空甚至斷裂。

4）剝落。自然因素反復(fù)作用在道面表面，例如冬季積雪的凍融，致使表層混凝土疏松，在機(jī)輪作用下造成表面剝落、露石或形成坑洞。

4　結(jié)語

機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)裸露在地表，直接受自然因素的影響，機(jī)場(chǎng)在選址階段時(shí)就已考慮受其影響，后期在施工時(shí)材料的選取，配合比的設(shè)計(jì)，施工質(zhì)量等的原因，也決定了道面和土基固有的溫度特性，所以機(jī)場(chǎng)道面中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和變形是不可避免的，在維護(hù)中應(yīng)注意的問題是保持道面接縫的完好，接縫內(nèi)雜物及時(shí)清除，道面積水及時(shí)清除，道肩土質(zhì)區(qū)碾壓密實(shí)，冬季積雪后及時(shí)吹除，以及掌握道面受到溫度變化影響后產(chǎn)生損壞的維修方法，才能使道面受溫度變化的影響減至最低，延長(zhǎng)機(jī)場(chǎng)道面的耐久性。

參考文獻(xiàn)：

［1］翁興中，蔡良才.機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，1995.

［2］談至明，劉伯瑩.水泥混凝土公路道面板的溫度應(yīng)力分析［J］.公路，2002（8）：19-23.

Research on the influence of temperature change to airport pavement condition

Su Xiaowen Hong Gang
（China Flight Test Institute，Xi’an 710089，China）

Abstract：In order to ensure that the airport pavement service life，this paper studies the temperature in natural factors influence on road surface conditions，from the fracture，arch，pumping mud，peeling and other aspects，elaborated the types of temperature change to runway damage. Put forward the design scheme of pavement maintenance technology，providing the design basis for airport pavement durability.

Key words：airport pavement，temperature gradient，heat transfer rate

中圖分類號(hào)：V351. 11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）09-0140-02

收稿日期：2016-01-18

作者簡(jiǎn)介：蘇曉雯（1983-），女，工程師；洪剛（1988-），男，助理工程師