CN111074717A - 一种多年冻土地区机场跑道结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多年冻土地区机场跑道结构及其施工方法，该跑道结构自上而下依次为环氧树脂混凝土磨耗层、土工格室固化土层和土工格室压实土层，所述土工格室压实土层设置在多年冻土道基基床上；其中，土工格室固化土层包括土工格室和填充在土工格室内的水泥‑水玻璃发泡固化土；其中水泥‑水玻璃发泡固化土是以就地获取的土为主要材料，以土体固化剂普通硅酸盐水泥和水玻璃作为次要材料和满足流动性和水化反应过程所需要的水以及发泡剂，经过搅拌的可固化拌合物，与多年冻土地区传统跑道建设技术相比较，利用本发明建造的机场跑道具有热工性能好、抗冻胀能力强、工后沉降及差异沉降小、施工造价低、道面不开裂、服役寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明属于铺装领域，具体为一种多年冻土地区机场跑道结构及其施工方法。
背景技术
我国境内多年冻土面积约占国土面积的21.5%，根据我国机场建设的中长期规划，未来将在多年冻土地区及部分季节冻土地区陆续开展机场建设，到 2020 年将陆续新增数十个小型支线及通勤机场。在黑龙江省境内，已建成漠河和加格达奇机场，规划有五大连池、抚远等支线机场。在青海省境内，将新建花土沟通用机场，以及德令哈、果洛、祁连、青海湖等支线机场。西藏境内还会新建那曲机场。以上这些机场大部分位于多年冻土地区，机场跑道的修建将无法回避冻土工程问题。
总结分析国内外多年冻土区机场跑道修筑技术的现状，其跑道类型主要有：基岩跑道、开挖换填法修筑的跑道、铺设隔热层的跑道、安装热管的跑道，共4类。鉴于我国多年冻土区的特殊性，国外的跑道修筑经验只能在一定程度上参考。国内在冻土区铁（公）路的修建过程中发展了很多稳定冻土地基的工程措施，但是由于飞机跑道的特殊性（宽幅、更高的平整度要求、较大的飞机荷载等），使得铁（公）路的建设经验不能照搬到机场跑道的建设上。
就机场道面的材料而言，一般有沥青混凝土混合料、硅酸盐水泥混凝土、复合道面。而一些小型的冻土区机场，则直接采用粗糙的砾石道面。在多年冻土地区，气候一般都比较恶劣，普通道面混凝土难以满足机场道面抗冻性和耐久性要求。寒区机场道面混凝土耐久性破坏的根本原因是混凝土抗渗性差，水分及腐蚀性介质易渗入混凝土内部孔隙中，导致混凝土抗冻融性及耐腐蚀性劣化。通过往混凝土中掺入高效减水剂和引气剂，所配制的混凝土强度和和易性则可以满足机场跑道的正常设计要求，抗冻等级可以达到F350以上（注：混凝土抗冻等级为F350，是指混凝土能抵抗不低于350次的冻融循环而不失效）。
由于相对车辆荷载而言更大的飞机荷载，以及飞机燃料泄漏、气流冲击、沥青道面的强度问题和流变性能、飞机荷载的重复作用和环境条件，使得沥青或者沥青混凝土等复合材料建造的跑道道面会随着时间形成逐渐积累的永久变形，如飞机轮辙。这种现象在多年冻土区的机场跑道尤为明显。如何解决这样的道面病害问题，还需要做进一步研究。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种多年冻土地区机场跑道结构及其施工方法，它抗冻能力强、抗开裂性能好、道面沉降及差异沉降小。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种多年冻土地区机场跑道结构，该跑道结构自上而下依次为环氧树脂混凝土磨耗层、土工格室固化土层和土工格室压实土层，在所述环氧树脂混凝土磨耗层与土工格室固化土层之间设置有环氧树脂粘层，所述土工格室压实土层设置在多年冻土道基基床上；其中，土工格室固化土层包括土工格室和填充在土工格室内的水泥-水玻璃发泡固化土。
进一步的，所述环氧树脂混凝土磨耗层厚度为5cm；所述土工格室固化土层和土工格室压实土层均为20cm。
进一步的，所述水泥-水玻璃发泡固化土成分由质量占比：天然土60~70，土体固化剂15~30，占天然土和土体固化剂总和10~20的水以及占拌合物总体积10~20的发泡剂组成；其中，天然土采用黏土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、粗砂中任意一种或几种组合；所述土体固化剂采用普通硅酸盐水泥、水玻璃和添加辅料组成，其中水泥掺入占总质量比为15%，水泥与水玻璃的体积比采用1:0.5；所述水玻璃的模数为2.4~3.4，其浓度按照施工所需要的固化速度根据试验确定，必要时可采用磷酸氢二钠作为缓凝剂。
进一步的，所述水泥-水玻璃发泡固化土的塌落度介于100~200mm。
进一步的，所述添加辅料为粉煤灰或砂中至少一种。
进一步的，所述环氧树脂混凝土磨耗层为混凝土集料与环氧树脂胶结材料混合凝固而成；其中所述环氧树脂胶结材料由着色剂、环氧树脂、增韧剂、稀释剂、水和固化剂组成；所述着色剂采用无机颜料铁红或铁黑；所述环氧树脂采用亲水性环氧树脂，稀释剂为水；所述固化剂采用聚酰胺类固化剂；所述混凝土集料采用密实级配空隙率不大于6%的硬度大于三级的中粗粒径碎石集合料或石英砂。
进一步的，所述土工格室压实土层包括土工格室和填充在土工格室内的粘土或级配砂或级配碎石土。
一种多年冻土地区机场跑道结构的施工方法，包括如下步骤：
① 准备工作：A：在跑道位置就地取天然土卸荷20cm厚，将天然土运至就近设立的搅拌站预拌流态的水泥-水玻璃固化土；B：制作直径为3-5cm、长度40cm的楔子，楔子可采用竹楔或木楔或钢楔；
② 挂网：A：将高度20cm，膜片有孔，孔径1cm，膜片焊距25cm的土工格室张拉，使格室处于张力状态，不允许有松弛感；B：铺设土工格室的始端，按土工格室的铆距尺寸用铁锤将准备好的楔子打入路基，楔子露出部分不高于格室高度；C：将土工格室按格挂在楔子上；D：铺设土工格室；E：在土工格室未张拉开之前，用格室连接件将各格连接；F：将连接好的土工格室统一张拉到规定的尺寸，并用楔子或人工固定；
③ 将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端进行填充构成土工格室压实土层，填土高度宜高出土工格室5cm左右，并填至剩三层土工格室，连接其它土工格室再次填土，依次重复至需铺设的格室的长度为止，对土工格室填土进行平整碾压至压实度的规定要求；
④ 重复步骤②将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端进行预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土的浇筑构成土工格室固化层，并浇筑至剩三层土工格室，用带振动器的刮杠沿土工格室上沿抹平，连接其它土工格室再次浇筑抹平，依次重复至需铺设的格室的长度为止；
本发明的有益效果：
1、 本发明中水泥-水玻璃发泡固化土主要材料为就地获得的天然土，减少了材料的运输成本。
2、本发明中的水泥-水玻璃发泡固化土由于加入了发泡剂，使得土工格室固化土的重度比天然土低，减轻了道基的重量；水泥-水玻璃发泡固化土中的微气泡起到隔热、保温的作用，并可以增加土工格室固化土的弹性及抗冲击能力。
3、本发明中水泥-水玻璃发泡固化土相对于现有技术的水泥稳定土基层，它是一种隔热、不透水、弯曲刚度大、抗冲击能力强的弹性半刚性结构层，有很好的水稳定性和冻稳定性，固化土中土工格室的三维应力分散作用以及均匀分布的微气泡的存在，使得固化土道基能够充裕地应对飞机动荷载的震动冲击。
4、本发明中道面结构采用空隙率不超过6%的密实级配环氧树脂类混凝土磨耗层，基本不透水，与土工格室固化土基层有很好的变形协调性，较传统的沥青混合料和水泥混凝土材料相比，环氧树脂类混合料道面具有强度形成速度快、强度更高、抗冻胀能力超强、服役期限长、易于彩色化且性能稳定等优势；此外，面层厚度仅为5.0cm，与现有的道面层设计方案相比较，其造价大大降低。
5、本发明中土工格室的口袋约束效应限制了因冻胀与动载引起的跑道基层的侧向变形和裂缝的产生和发展，土工格室厚板效应能大幅度提高基层的抗弯刚度，减少了跑道的差异沉降，增加了飞机滑行的安全性和舒适性。固化土中发泡剂的引入能够降低固化土的比重，增强固化土的保温隔热性能。
6、本发明中预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土既可选择在搅拌站集中生产，利用泵车布料机浇筑；也可在现场搅拌，采用机械喷射方式浇筑，施工方便且施工速度快。由于预拌固化土具有流动性，自密实性好，固化速度快，因此施工效率高。
附图说明
图1为本发明立体多年冻土地区机场道面结构剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
如图1所示，本发明的具体结构为：一种多年冻土地区机场跑道结构，该跑道结构自上而下依次为环氧树脂混凝土磨耗层1、土工格室固化土层3和土工格室压实土层4，在所述环氧树脂混凝土磨耗层3与土工格室固化土层之间设置有环氧树脂粘层2，所述土工格室压实土层4设置在多年冻土道基基床5上；其中，土工格室固化土层3包括土工格室和填充在土工格室内的水泥-水玻璃发泡固化土。
优选的，所述环氧树脂混凝土磨耗层厚度为5cm；土工格室固化土层和土工格室压实土层4均为20mm。
具体的，土工格室固化土层3中的填充的水泥-水玻璃发泡固化土成分由质量占比：天然土60~70，土体固化剂15~30，占天然土和土体固化剂总和10~20的水以及占拌合物总体积10~20的发泡剂组成；其中，天然土采用黏土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、粗砂中任意一种或几种组合；所述土体固化剂采用普通硅酸盐水泥、水玻璃和添加辅料组成，其中水泥掺入占总质量比为15%，水泥与水玻璃的体积比采用1:0.5；所述水玻璃的模数为2.4~3.4，其浓度按照施工所需要的固化速度根据试验确定，必要时可采用磷酸氢二钠作为缓凝剂。
优选的，所述添加辅料为粉煤灰或砂中的至少一种。
进一步的，所述水泥-水玻璃发泡固化土的塌落度介于100mm-200mm之间。
由于在水泥中加入水玻璃，能改善水泥的固化性能，提高水泥的固化速度，水泥中的氢氧化钙由于水玻璃的存在而生成强度更高的纤维状或网状水化硅酸钙凝胶，进而包裹黏土颗粒形成较大颗粒起到加固作用，因此水泥-水玻璃固化土比水泥土的强度更高、冻胀稳定性更好，且更有韧性，在土工格室的共同作用下，水泥-水玻璃固化土既能够承受道面飞机荷载的反复作用，也能够承受严寒地区温度的反复变化而不开裂。另外由于加入了发泡剂，所得土工格室固化土的重度比天然土低，减轻了道基的重量。固化土中的微气泡起到隔热、保温的作用，并可以增加土工格室固化土的弹性及抗冲击能力。
具体的，所述土工格室压实土层4包括土工格室，其内设置压实土，该压实土为就近获得的粘土、砂或碎石土等，其中粘土的含水量应控制在最优含水量附近。
优选的，所述土工格室选用200mm高度，焊距优选200mm~400mm的HDPE纹面片材经焊接而成的三维网状格室。
具体的，所述环氧树脂混凝土磨耗层为混凝土集料与环氧树脂胶结材料混合凝固而成；其中所述环氧树脂胶结材料由着色剂、环氧树脂、增韧剂、稀释剂、水和固化剂组成；所述着色剂采用无机颜料铁红或铁黑；所述环氧树脂采用亲水性环氧树脂，稀释剂为水；所述固化剂采用聚酰胺类固化剂；所述混凝土集料采用硬度大于三级的级配碎石或砂；该环氧树脂混凝土磨耗层空隙率不超过6%。
一种多年冻土地区机场跑道结构的施工方法，包括如下步骤：
① 准备工作：A：在跑道位置就地取天然土卸荷20cm厚，将天然土运至就近设立的搅拌站预拌流态的水泥-水玻璃固化土；B：制作直径为3-5cm、长度40cm的楔子，楔子可采用竹楔或木楔或钢楔；
② 挂网：A：将高度20cm，膜片有孔，孔径1cm，膜片焊距25cm的土工格室张拉，使格室处于张力状态，不允许有松弛感；B：铺设土工格室的始端，按土工格室的铆距尺寸用铁锤将准备好的楔子打入路基，楔子露出部分不高于格室高度；C：将土工格室按格挂在楔子上；D：铺设土工格室；E：在土工格室未张拉开之前，用格室连接件将各格连接；F：将连接好的土工格室统一张拉到规定的尺寸，并用楔子或人工固定；
③ 将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端进行填充构成土工格室压实土层4，填土高度宜高出土工格室5cm左右，并填至剩三层土工格室，连接其它土工格室再次填土，依次重复至需铺设的格室的长度为止，对土工格室填土进行平整碾压至压实度的规定要求；
④ 重复步骤②将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端进行预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土的浇筑构成土工格室固化层3，并浇筑至剩三层土工格室，用带振动器的刮杠沿土工格室上沿抹平，连接其它土工格室再次浇筑抹平，依次重复至需铺设的格室的长度为止；
Claims (8)
1.一种多年冻土地区机场跑道结构，其特征在于，该跑道结构自上而下依次为环氧树脂混凝土磨耗层、土工格室固化土层和土工格室压实土层，在所述环氧树脂混凝土磨耗层与土工格室固化土层之间设置有环氧树脂粘层，所述土工格室压实土层设置在多年冻土道基基床上；其中，土工格室固化土层包括土工格室和填充在土工格室内的水泥-水玻璃发泡固化土。
2.根据权利要求1所述的一种多年冻土地区机场跑道结构，其特征在于，所述环氧树脂混凝土磨耗层厚度为5cm；所述土工格室固化土层和土工格室压实土层均为20cm。
3.根据权利要求1所述的一种多年冻土地区机场跑道结构，其特征在于，所述水泥-水玻璃发泡固化土成分由质量占比：天然土60~70，土体固化剂15~30，占天然土和土体固化剂总和10~20的水以及占拌合物总体积10~20的发泡剂组成；其中，天然土采用黏土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、粗砂中任意一种或几种组合；所述土体固化剂采用普通硅酸盐水泥、水玻璃和添加辅料组成，其中水泥掺入占总质量比为15%，水泥与水玻璃的体积比采用1:0.5；所述水玻璃的模数为2.4~3.4。
4.根据权利要求3所述的一种多年冻土地区机场跑道结构，其特征在于，所述水泥-水玻璃发泡固化土的塌落度介于100mm~200mm。
5.根据权利要求3所述的一种多年冻土地区机场跑道结构，其特征在于，所述添加辅料为粉煤灰或砂中至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种多年冻土地区机场跑道结构，其特征在于，所述环氧树脂混凝土磨耗层为混凝土集料与环氧树脂胶结材料混合凝固而成；其中所述环氧树脂胶结材料由着色剂、环氧树脂、增韧剂、稀释剂、水和固化剂组成；所述着色剂采用无机颜料铁红或铁黑；所述环氧树脂采用亲水性环氧树脂，稀释剂为水；所述固化剂采用聚酰胺类固化剂；所述混凝土集料采用密实级配空隙率不大于6%的硬度大于三级的中粗粒径碎石集合料或石英砂。
7.根据权利要求1所述的一种多年冻土地区机场跑道结构，其特征在于，所述土工格室压实土层包括土工格室和填充在土工格室内的粘土或级配砂、碎石土。
8.根据权利要求1所述的一种多年冻土地区机场跑道结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
① 准备工作：A：在跑道位置就地取天然土卸荷20cm厚，将天然土运至就近设立的搅拌站预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土；B：制作直径为3-5cm、长度40cm的楔子，楔子可采用竹楔或木楔或钢楔；
② 挂网：A：将高度20cm，膜片有孔，孔径1cm，膜片焊距25cm的土工格室张拉，使格室处于张力状态，不允许有松弛感；B：铺设土工格室的始端，按土工格室的铆距尺寸用铁锤将准备好的楔子打入路基，楔子露出部分不高于格室高度；C：将土工格室按格挂在楔子上；D：铺设土工格室；E：在土工格室未张拉开之前，用格室连接件将各格连接；F：将连接好的土工格室统一张拉到规定的尺寸，并用楔子或人工固定；
③ 将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端进行填充构成土工格室压实土层，填土高度宜高出土工格室5cm左右，并填至剩三层土工格室，连接其它土工格室再次填土，依次重复至需铺设的格室的长度为止，对土工格室填土进行平整碾压至压实度的规定要求；
④ 重复步骤②将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端进行预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土的浇筑构成土工格室固化层，并浇筑至剩三层土工格室，用带振动器的刮杠沿土工格室上沿抹平，连接其它土工格室再次浇筑抹平，依次重复至需铺设的格室的长度为止；
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