機場水泥道面不同深度彎拉強度離散性研究及建議

民航專業(yè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站檢測專班

一、概述

水泥混凝土離散性控制是工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)乎結(jié)構(gòu)安全性、耐久性及全生命周期服役能力。在公路工程領(lǐng)域，受原材料批次波動、攪拌不均及攤鋪振搗工藝缺陷等因素影響，路面水平方向的離散成為質(zhì)量管控焦點；而機場道面作為航空器安全起降的核心基礎(chǔ)設(shè)施，水泥混凝土厚度為34~46cm，遠(yuǎn)超公路的15~28cm，這種顯著的厚度差異不僅加劇了施工工藝的復(fù)雜性，更使得原本被忽視已久的道面深度方向質(zhì)量離散問題逐漸顯現(xiàn)。

具體而言，民航專業(yè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站（簡稱質(zhì)監(jiān)總站）在近期的檢測監(jiān)督工作中，通過對國內(nèi)多個機場道面鉆取的水泥混凝土芯樣進(jìn)行彎拉強度檢測，發(fā)現(xiàn)普遍存在同一芯樣不同深度（上、下部）存在明顯強度差異的現(xiàn)象，這種層間性能差異不僅削弱道面整體結(jié)構(gòu)性能和使用壽命，更可能在長期運營中帶來脫皮、掉塊、裂縫等損壞乃至形成FOD侵入隱患，對機場安全運行構(gòu)成潛在威脅。本文即是基于對道面不同深度彎拉強度實測數(shù)據(jù)的整理和分析，以期為場道工程施工質(zhì)量控制提出風(fēng)險警示，為民航行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)參考。

二、試驗數(shù)據(jù)分析

1. 整體數(shù)據(jù)特征

  本次研究共獲取了國內(nèi)西北、東南、西南、華東四個不同地域4E級代表性機場道面混凝土的68根芯樣的136個彎拉強度檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分布見圖1所示。

圖1 芯樣分布圖

  按照試驗結(jié)果，將整體匯總和四個不同機場的彎拉強度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計分析，見圖2所示。

圖2 芯樣強度統(tǒng)計情況圖

圖中可看到，這四個機場整體而言，60.3%芯樣的下部彎拉強度高于上部，僅39.7%芯樣的上部強度更高；按照不同機場分別統(tǒng)計的情況，該趨勢在各機場均不同程度存在，A機場最高為68.8%，B機場最低也為55.3%。這表明，國內(nèi)機場道面混凝土下部彎拉強度高于上部是一個較為顯著且穩(wěn)定的現(xiàn)象。

從統(tǒng)計學(xué)理論角度分析，在樣本數(shù)量足夠多的情況下，同一芯樣上、下部強度差值應(yīng)服從以0為中值的正態(tài)分布（即上高、下高各占50%）。然而，實測數(shù)據(jù)（整體及分機場）均顯著偏離此理論分布，下部強度系統(tǒng)性偏高成為主導(dǎo)現(xiàn)象。這反應(yīng)出當(dāng)前機場水泥混凝土道面確實在深度方向上存在一定程度的質(zhì)量離散現(xiàn)象。

2.道面混凝土均質(zhì)性評估

混凝土作為一種典型的復(fù)合非均質(zhì)性材料，其內(nèi)部組成成分復(fù)雜，無法像金屬材料、高分子材料等實現(xiàn)各向均質(zhì)性，因此在強度上存在一定差異屬于正常現(xiàn)象。通常情況下，可通過標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)評價其整體均勻性。然而，對于來自不同機場（不同材料、配合比）的鉆芯樣本，直接使用這些統(tǒng)計量評估其均勻性存在局限。鑒于上、下部試件源于同一芯樣，分析其強度差值（Δf）是評估混凝土均質(zhì)性的相對有效方法。

由于樣本數(shù)據(jù)有限，缺乏足夠的數(shù)據(jù)通過數(shù)理統(tǒng)計分析確定Δf的均勻性判定限值，本文通過設(shè)定不同Δf限值計算了相應(yīng)的“均質(zhì)性系數(shù)”（即Δf小于強度差限值的樣本比例），以此比例指標(biāo)來反應(yīng)整體的離散偏離程度，結(jié)果詳見圖3。

圖3 整體均質(zhì)性系數(shù)統(tǒng)計圖

數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)場施工的水泥混凝土均質(zhì)性系數(shù)要想達(dá)到95%，強度差限值應(yīng)設(shè)置為不小于2.0MPa，如此大的強度差限值對于機場道面嚴(yán)苛的質(zhì)量要求而言過于寬松，這一數(shù)值顯然無法滿足工程實際需求，是不可接受的。

參考借鑒《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420-2020)對圓柱體劈裂抗拉強度試驗的規(guī)定（同組芯樣，極值超中值15%則舍棄），本文以樣本整體均值(6.29MPa)代替中值，以15%為極限偏離度，估算強度差限值約為0.972MPa(≈1.0MPa)。若以1.0MPa為判據(jù)，總體的均質(zhì)性系數(shù)不到80%，充分凸顯當(dāng)前機場道面混凝土質(zhì)量均勻性問題的嚴(yán)峻性。

再分別選取兩個樣本數(shù)量相對較多的機場按照上述方法計算假定強度差值Δf的均質(zhì)性系數(shù)，結(jié)果見圖4。

圖4 勻質(zhì)性系數(shù)對比統(tǒng)計圖

數(shù)據(jù)表明B機場的均質(zhì)性系數(shù)要明顯高于A機場，在強度差限值為1.0MPa的情況下，B機場的均質(zhì)性系數(shù)接近90%，而同樣的條件下A機場的均質(zhì)性系數(shù)僅50%。這表明國內(nèi)各機場對于道面混凝土施工質(zhì)量的控制水平確實存在一定差距。

3.芯樣劈裂形貌特征分析

   通過對芯樣劈裂試驗圖片的分析，能夠更加直觀地觀察到芯樣上下部的結(jié)構(gòu)差異，從而進(jìn)一步揭示強度差異的原因。

圖5 芯樣劈裂圖（上部）

圖6 芯樣劈裂圖（下部）

圖5和圖6清晰顯示芯樣下部骨料數(shù)量多、級配均勻；上部骨料數(shù)量少、級配不均,此現(xiàn)象提示施工攤鋪過程中上部混凝土發(fā)生離析，導(dǎo)致下部骨料富集而上部漿體偏多。

三、強度差異原因分析

機場道面混凝土上下部強度離散性顯著、均質(zhì)性系數(shù)低，是由多種因素共同作用導(dǎo)致的，產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：

1.混凝土施工離析導(dǎo)致上下部差異：混凝土運輸和澆筑過程中，骨料沉降、漿體分布不均易引發(fā)離析。機場道面厚度大，若振搗不規(guī)范（如局部漏振、過振），粗骨料會因重力下沉聚集，導(dǎo)致下部骨料堆積、上部漿體偏多。下部因骨料集中強度較高，上部則因水泥石收縮大、孔隙率高，強度較低，造成上下部強度差異顯著。嚴(yán)重時，下部強度過高，上部強度與耐久性明顯下降。

2.養(yǎng)護(hù)條件差異導(dǎo)致強度發(fā)展不同步：道面上部混凝土直接暴露于空氣中，水分蒸發(fā)快。若養(yǎng)護(hù)（覆蓋、灑水）不及時、不充分，上部混凝土早期易脫水收縮，水泥水化受阻。下部混凝土靠近潮濕基層，水分保持好，水泥水化更充分。水泥水化程度決定水泥石強度，水化不充分使上部水泥石與骨料粘結(jié)力弱；而下部混凝土水化較充分，其界面過渡區(qū)更為致密，最終導(dǎo)致混凝土上下部強度出現(xiàn)差異。

3.原材料及配合比波動的累積效應(yīng)：混凝土拌合物的坍落度波動、骨料級配變化（如骨料含泥量突然增加）等情況，在道面澆筑過程中會產(chǎn)生顯著影響。下部初始坍落度大時，骨料沉降加劇；上部坍落度損失大，漿體分布不均。配合比的波動會直接改變混凝土的和易性，坍落度大時離析風(fēng)險高，下部骨料堆積嚴(yán)重；坍落度較小時振搗困難，下部易出現(xiàn)蜂窩，均會造成混凝土強度差異。

四、建議

機場道面混凝土上下部強度離散性大，主要源于施工中材料離析、密實度不均、養(yǎng)護(hù)差異及配合比波動。為提升道面混凝土均勻性與耐久性，保障工程質(zhì)量，建議參建單位重點把控以下環(huán)節(jié)：

1.規(guī)范振搗工藝：混凝土振搗是確保其密實性和均勻性的核心環(huán)節(jié)。施工時需嚴(yán)格控制振搗方式與時間，避免因漏振或過振導(dǎo)致骨料分層，確保混凝土強度均勻性，提升道面整體性能。

2.嚴(yán)控下料與攤鋪工序：混凝土下料與攤鋪不當(dāng)易引發(fā)離析。應(yīng)精準(zhǔn)控制下料高度和速度，防止骨料因自由下落高度過高而分離；采用適配的攤鋪設(shè)備與工藝，保證混凝土均勻攤鋪，避免出現(xiàn)局部骨料堆積或砂漿富集的現(xiàn)象。

3.強化集料質(zhì)量管控：集料質(zhì)量直接影響混凝土性能。應(yīng)嚴(yán)格控制集料的各項指標(biāo)，尤其是含泥量、泥塊含量和軟弱顆粒含量等關(guān)鍵指標(biāo)。強化原材料進(jìn)場檢驗，建立嚴(yán)格檢測制度，嚴(yán)禁不合格集料入場。通過篩選優(yōu)質(zhì)集料、優(yōu)化級配等措施，確保混凝土強度、耐久性等指標(biāo)滿足機場道面工程高標(biāo)準(zhǔn)要求。集料質(zhì)量直接影響混凝土性能。

4.優(yōu)化檢測評定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)前民航彎拉強度檢測評定難以反映道面混凝土不同深度的強度差異。亟需根據(jù)民航行業(yè)特點和實際需要，優(yōu)化檢測評定標(biāo)準(zhǔn)，更好服務(wù)于場道工程施工，確保機場道面混凝土質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。