如何理解机场水泥混凝土道面的粗糙度?

文摘   2024-09-16 00:10   北京  


       为了保证飞机在道面上滑行、滑跑的安全,机轮与道面表面之间必须有一定的摩擦力,摩擦力的大小表征为道面的摩擦特性。道面的摩擦特性通常用道面的摩擦系数表示。国际民航组织(ICAO)定义的摩擦系数是保持接触面(飞机机轮与道面表面)相对运动的切向力与接触面支承飞机垂直力(分配到机轮的重量)的比值。


         一、道面的表面纹理特性


       道面表面的摩擦特性可以由道面纹理特征来描述。道面纹理对摩擦的作用是道面的摩擦特性最重要的方面。道面表面不同特征对摩擦系数的影响主要随着道面纹理的不同而产生的。道面的纹理由两部分组成:细纹理和粗纹理,见图1。

图1 细纹理(Micro-texture)和粗纹理(Macro-texture)


       细纹理是指单个集料的表面(texture of stone)的纹理状况。由于单个集料的表面纹理细小,不容易用肉眼观察和测量。细纹理是直接与飞机机轮相接触,使机轮与道面之间产生摩擦力。机轮与道面之间要产生摩擦力必须要保证机轮与道面的紧密接触。


       粗纹理是指集料间(overall texture of road)的纹理,是通过拉毛、拉槽和刻槽等实现的。飞机在道面上高速滑行时,粗纹理是影响机轮与道面接触面排水能力的主要因素。在机轮与道面之间,通过粗纹理通道可将水排出,以防止飞机轮胎出现“飘滑现象”,从而保证机轮与道面的紧密接触产生摩擦力。刻槽增加了粗纹理,增加了多少取决于槽的宽度、深度和间距。


       道面的细纹理和粗纹理一起构成了道面的纹理特性。对于水泥混凝土道面,由于道面表面是砂浆层,细纹理是指单个集料的表面纹理,粗纹理是集料颗粒间的平均深度。
《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(MH /T5004-2010)规定:“道面表面纹理深度采用填砂法测量”,并提出了表面纹理深度要求。因填砂法只能测量道面粗纹理,规范中的道面表面纹理深度即为道面的粗纹理,通常也称谓粗糙度。细纹理目前还没有相应的测量方法。


         二、道面的纹理与摩擦系数的关系


      NCHRP的研究报告《Guide for Pavement Friction》给出了不同滑动速度下道面细纹理和粗纹理与滑动摩擦系数的关系见图2。从图中可以看出,细纹理会影响滑动摩擦系数的大小,而粗纹理会影响滑动摩擦系数下降速度的梯度。在低速时,细纹理在湿摩擦和干摩擦水平上占主导地位。在更高的速度下,粗纹理的存在促进了机轮下水的排放,因此细纹理提供的摩擦粘合成分通过高于水面而重新建立。


图2 不同滑动速度下细纹理和粗纹理与滑动摩擦系数


       在低速状态时,细纹理对摩擦系数起到决定性的作用。也就是说,只要是在低速状态下,不管是晴天还是雨天,决定摩擦系数大小的还是细纹理,而不是粗纹理。细纹理越大,摩擦系数越大;粗纹理如果超过一定的值,则粗纹理越大,摩擦系数越小。飞机在停机坪上滑行速度一般不会超过10km/h~20km/h,属于低速滑行状态。按相关规范的要求,停机坪相对于跑道、滑行道等,其坡度小、宽度大,表面不易排水,是机场道面最易冻融损坏的部位。增大粗纹理会降低道面表面砂浆层的密实度,更易引发道面的冻融损坏。


       综合考虑道面摩擦系数和抗冻性,停机坪的粗纹理(粗糙度)应该有一个最大值的限制,即小于0.4,同时为了确保安全,在目前没有系统研究的情况下,建议参考ESDU的分级,将B级或C级作为下限。


        如果停机坪粗纹理(粗糙度)仅规定一个最小值,施工单位为了方便施工,跑道、滑行道和停机坪常常采用同一个拉毛(槽)工具,使得停机坪的粗纹理与跑道和滑行道的粗纹理相同,对在低速状态下工作的停机坪的摩擦系数起决定作用的细纹理并没有实质性的影响。但相对于跑道和滑行道而言,停机坪更易出现冻融损坏。


         三、如何看待道面的粗糙度?


       《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》(征求意见稿)规定“面层水泥混凝土使用的天然砂细度模数宜在2.6~3.2之间,同一配合比用砂的细度模数变化范围不应超过0.3”。可以认为规范规定的道面表面纹理深度(粗纹理)是基于面层混凝土细集料采用天然砂,其细度模数宜在2.6~3.2的中、粗砂。《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(MH /T5004-2010)规定的道面表面纹理深度(粗纹理)的要求,是基于细集料为细度模数宜在2.6~3.2的天然砂,这样构成的道面细纹理和粗纹理形成的摩擦特性才能符合道面摩擦系数要求。


       由于道面的细纹理没有相应的测试方法,无法用技术指标表征细纹理。现行规范用粗纹理(即粗糙度)表征道面的摩擦性能。这里是默认表征细纹理特征的细集料为天然的中、粗砂。只有这样的细集料所具有的细纹理和规范规定的粗纹理构成的道面表面纹理特征才能符合道面所要求的摩擦特性。目前,存在着一种认识上的误区,即认为只要粗糙度(粗纹理)满足规范的要求,其摩擦性能就能符合要求。具体表现在两个方面:一是预制道面板实施的反打技术,利用模板形成道面表面的纹理;这样形成的道面表面是水泥浆体,与现浇的混凝土道面形成的砂浆层不同,其细纹理几乎是不存在的;虽然粗纹理可以满足规范要求,但构成的摩擦特性是不符合要求的。二是用薄层修补的材料,其修补厚度为10mm左右;组成材料中的颗粒达不到中、粗砂的级配要求,其细纹理要比中、粗砂要小;虽然粗纹理满足规范要求,构成的摩擦特性也不能符合规范规定。所以,对于不同于现行规范规定的现浇混凝土的施工工艺和材料组成,仅用粗纹理(粗糙度)表示道面摩擦特性是有局限性的。它无法反映施工和材料与现有规范不同带来的细纹理减小,导致与粗纹理组成的道面摩擦特性下降,无法满足道面摩擦系数的要求。对于这样的问题应该用摩擦系数测试方法测定摩擦系数来表示其摩擦特性,而不是用道面粗糙度表示摩擦特性。


        另外,除了在水泥混凝土道面上刻槽以外,还有一种促进道面上积水分散的替代方法是铺设多孔摩擦层 (PFC),它允许水垂直穿过表面层,然后在道面表面层之中水平移动,有助于道面表面积水分散,从而增加道面摩擦力。

       

      Porous Friction Course (PFC):Many traditional runways require grooves to facilitate surface water disposal to prevent aquaplaning, and laying a porous friction course serves as an alternative. As suggested by its name, PFCs allow water to pass vertically through the material and then move horizontally clear of the runway.


       多孔性摩擦层在沥青道(路)面中应用较多,国内水泥混凝土道面还没有应用先例,这方面的研究试验也较少。



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