机场沥青混凝土道面预防性养护技术

沥青混凝土道面具有平整、抗滑、舒适、对飞机震动小等优良的表面使用性能，以及具有可以机械化施工、施工工期短、养护方便等优点，是目前机场道面最主要的道面结构形式。根据国际民航组织1998年公布的数据，其147个成员国的1038个机场中，沥青混凝土跑道占了62.6%[1]；欧洲沥青路面协会也于2003年对欧美机场进行了统计，其中全柔性的沥青混凝土道面占到了62.4%[2]。我国早先由于机场沥青混凝土道面设计方法并不完善，机场道面主要采用的是水泥混凝土道面，但随着设计方法的逐渐成熟，沥青混凝土道面在我国的应用越来越广泛，最为突出的代表就是昆明新机场新建的4f等级跑道即采用的沥青混凝土道面。
沥青混凝土道面早期的使用性能非常好，但通常在使用寿命中后期，道面会出现大量损坏，道面使用性能会急剧下滑。国内外研究及工程应用经验表明，要维持沥青混凝土道面使用性能，对道面采取的改善措施越晚，所需要的成本就越高，如图1所示。
图1 道面性能、时间及维护成本的关系
因此，为了维持道面具有较高的使用性能，同时也为了减少维护费用，对于沥青混凝土道面的维护提倡适时采用预防性养护措施。道面预防性养护（pavement preventive maintenance，简称ppm）是指在道面状况尚良好，未出现明显损坏或出现轻微损坏时，对道面实施费用效益良好的维护措施，以达到延缓道面损坏、保持或改善道面使用性能、延长道面使用寿命、减少道面寿命周期养护费用的目的。
1国内外研究现状
1999年美国aashto对美国50个州、哥伦比亚、波多黎各和加拿大6个省的公路部门进行了预养护计划和预养护技术大调查。返回调查表的41家公路部门中，其中36家（85%）已经建立了路面预养护计划，有2家正在建立，所有41家都采用了预养护措施。从调查的结果来看，预养护措施和预养护计划在美国已相当普遍，它所带来的效果也已经得到了政府和社会的普遍认可[3]。
1998年10月aashto、fhwa、fp2（foundation for pavement preservation）联合主办了在kansas city，missouri举行的未来路面保养论坛，对路面的预养护技术和未来的发展进行了探讨，并形成了会议文集“pavement preservation: a road map for the future”。在此基础上，2001年6月aashto、fhwa和fp2在california的sacramento举行了预养护研究规划会议。这次会议确定了包括施工实践、材料选择和混合料设计、处理对策和选择、使用性能评价、培训和政策6大方面21个课题项目，以指导美国各州预养护技术研究的方向和经费申请，统一建立系统的预养护技术标准和规范[4,5]。
根据fhwa对法国、南非和澳大利亚的调查，这些国家也都已经开始大范围地使用预养护措施，并根据各国的特点建立了预养护计划，展开了对各项关键技术的研究。
目前，预养护技术已得到了国际上的广泛认可和应用，并取得了显著的成果。但目前主要的研究和应用都集中在公路上，机场沥青混凝土道面的预养护技术研究相对较少。由于机场道面和公路路面在荷载形式、路/道面受力状态有明显差异，使其在预养护措施的选择和要求也有不同。因此，有必要对机场沥青混凝土道面预养护技术开展相关研究。

2常见预养护措施比选
国外经过公路上多年的应用实践已形成了十余种比较成熟的预养护措施，包括稀浆封层（slurry seal）、微表处（microsurfacing）、碎石封层（chip seal）、砂封层（sand/flush seal）、复合封层（cape seal）、薄热拌沥青混凝土加铺层（thin hot-mix overlays，简称thmo）、超薄磨耗层（ultrathin friction courses）、灌缝（crack filling）、封缝（crack sealing）、雾状封层（fog seal）等，其中稀浆封层、微表处、碎石封层在美国和欧洲家得到了广泛的应用[6]。
其中稀浆封层、微表处、碎石封层、砂封层、复合封层、薄热拌沥青混凝土加铺层和超薄磨耗层这7种预养护措施不适合应用于机场道面预防性养护，主要原因是这些预养护措施都为薄层加铺形式，加铺厚度一般都在1～4 cm。由于机场飞机在降落时会对道面产生非常大的水平剪力，超薄层很容易被“搓”开，且以上措施的施工原材料都含有石料，如粘结不牢固很容易出现石料剥落现象，会危害机场运行安全。

机场沥青混凝土道面常见的预养护措施主要有以下3种：
（1）灌缝。将灌缝料填充裂缝，需要先对裂缝进行清理，必要时需先对裂缝进行开槽，以便灌缝料可以更好的填充裂缝。
（2）封缝。将灌缝料将裂缝表面均匀平整覆盖，覆盖区域应包括裂缝两侧的次生裂缝区域。
灌缝和封缝有相似点，但也有明显的区别。灌缝强调将灌缝料灌入裂缝内，主要适用于密级配沥青混凝土道面，如ac-13、ac-16等。这种类型道面的裂缝一般较为整齐，很少出现次生裂缝和剥落现象，裂缝走向也较为平直，灌缝料可以较好的灌入裂缝内。封层主要是针对于开级配类型的道面，如sma-13、sma-16等。这种类型道面的裂缝一般很容易形成次生裂缝，裂缝走向很难清楚分辨，并伴随剥落等现象。因此这种裂缝很难直接灌缝，一般建议采用封缝，直接用封缝料将裂缝涉及区域全面覆盖。
（3）雾封层。将封层材料用机械设备（沥青喷洒车）均匀的喷洒在道面上，用量一般为0.25~0.55l/m2。用量多少主要取决于道面损坏状况。损坏越严重，用量越大。常见的封层材料主要有以下3种类型：
① 氧化沥青类
是一种溶剂型渗透性封层剂，材料内不含集料。该材料以氧化沥青为粘结料，含有多种能在紫外线下保持稳定的芳香族化合物及与水分反应较为迟钝的有机硅化合物。有机硅化合物使材料具有极低的粘度、低表面张力以及较好的憎水性。因此，该类材料渗透性强，能够渗入紧密的毛细孔内，封堵道面细微裂缝的效果最佳。材料的还原性是通过弥补老化沥青流失的芳香族成分实现的。
② 煤焦油类
通常是由乳化煤焦油、陶土和其他有机成分组成。乳化煤焦油渗入道面表层，能够软化老化沥青、增加沥青粘性；陶土是一种完全破碎成粉状的集料，可以填补道面因裂缝、松散等病害导致的集料缺失现象。煤焦油类材料可使道面具有良好的封水效果，同时可固定道面上松动的细小骨料，缓解道面病害发展。
③ 改性乳化沥青类
通常包括聚合物改性乳化沥青和表面活性剂。其作用机理与煤焦油类材料类似，通过激活老化沥青增加沥青的粘性，同时可为道面提供一层抗氧化、防水和抗油污的微表层。
预养护最主要的目的是提高道面封水性能。水是沥青混凝土道面最主要的危害源之一，道面在使用过程中，抗渗水性能都会逐渐下降。水的渗入会加速已有损坏的进一步发展，如裂缝、剥落、松散等病害。因此，对于预养护效果的检测中，需包括道面渗水性能的检测。
3最佳预养护时机确定方法
道面最佳预养护时间的确定一般有两种方法[7,8]：
（1）以道面状况为依据，当道面状况下降到指定水平时，则实施预养护。
在这种方法中，首先要建立道面使用性能的预估模型（pci、iri、ssi等），然后采用百分制把不同的措施划分分值范围，再根据道面状况调查结果确定措施类型。假定以pci作为表征道面状况的指标，利用预估模型可以得到道面使用时间和pci之间的关系，再把pci分段，如80~100分为日常养护，60~80分为预养护，30~60分为维修措施，小于30分为改建。如果道面调查得到pci在60~80分，则应该对道面采取预养护措施，如图2所示。不同机场对道面性能要求不同，可依据实际情况确定划分标准。机场等级越高，对道面性能要求越高，预养护触发的pci值越高。
图2 不同养护和维修措施的适用时间
（2）对预养护措施进行费用效益分析，费用效益达到最大的时间即为最佳预养护时间。
为了达到同样服务水平的道面，养护措施采取的越晚所要花费的成本越高，如图3。但是如果采取的养护措施太早则会浪费不必要的资金，养护（维修）时间和年度费用之间关系如图4，从图中可以看出过早的养护则会导致较高的年度费用。因此，由预养护延迟而增加的成本和由于提前养护引起的年度费用增加之间存在一个最佳关系，如图5。
图3 养护或维修成本和时间的关系
图4 年度养护费用和时间的关系
图5 养护（维修）道面的最佳时间
采用费用效益法需要对所采取的措施进行成本和年度费用分析，建立起两者和时间的关系。不同措施的最佳时间还与航空交通量和环境等因素有关，所以不同地区的机场管理部门都需要建立自己的最佳养护时间，以使道面使用寿命期内的费用最省。最佳费用效益分析方法有寿命周期费用、费用-效益分析、等效年度费用和长寿命费用指数4种。

4预养护费用效益分析
预养护的效益包括经济效益和社会效益，在量化上比较复杂。加拿大安大略省交通局的kher和cook(1985)[9]提出了一种评估用户效益（简称用户效益）的新方法，它以路面性能曲线下的面积代替用户效益。其基本原理是路面性能越好，越可提供更大的用户效益。同年，在北美路面管理会议上，加拿大的shahin、kohn、lytton和mcfarland[10]在paver的财政优化技术中也采用路面性能曲线下的面积表征路面性能。o’brien(1989)[11]在nchrp报告153中指出，当采用费用-效益分析法比较不同预养护对策时，可采用路面性能曲线下的面积表示预养护的效益。加拿大安大略省的joseph(1992)[12]以路面性能曲线下的面积、年平均日交通量和路段长度的乘积为标准来比较预养护对策的费用效益。1992年，美国纽约州公路局使用路面性能曲线下的面积作为效益来比较各种待选预养护对策方案的费用效益。2004年7月，nchrp报告523在研究预养护措施实施的最佳时间时，也采用路面性能曲线下的面积来表示预养护措施取得的效益。
虽然路面性能曲线下的面积没有明确的物理意义，但是它与路面的服务水平和使用寿命紧密相关。路面的服务水平越高，使用寿命越长，路面性能曲线下的面积就越大。理论上，在路面状况良好的情况下，较早地使用预养护措施，可使路面服务水平将保持在一个较高的水平，路面的使用寿命也较长，因此路面性能曲线下的面积较大，具有较大的效益。反之，预养护措施使用得较晚，所获得的效益一般较小。
综上所述，借鉴公路相关经验，本文采用道面性能曲线下的面积来表征预养护措施的效益，不仅综合反映了道面状况的好坏和使用寿命的长短，而且其分析结果也符合预养护的理念和规律，因而，本文采用性能曲线下的面积（简称效益面积）来表征预养护费用效益。
衡量道面使用性能的指标有很多，比较常见的有：道面损坏状况指数（pavement condition index，简称pci）、国际平整度指数来（international roughness index，简称iri）、表面摩擦系数（bpn）和服务能力指数（present serviceability index，简称psi）等。其中以pci值应用最为普遍。
以下介绍效益面积的计算方法。
如图6所示，预养护前道面pci衰减曲线为y=pci0(x)，y0(pci)是道面允许pci的最低值，由机场管理部门确定。预计道面pci在x1时间下降到y0(pci)。当道面使用年限为x0时，道面pci值接近但尚未达到y0(pci)，即对道面进行预养护，使道面pci提高，提高后道面pci衰减曲线为y=pcij(x)。提高后道面pci在x2时间达到y0(pci)。则本次预养护的费用效应即为图中阴影部分面积，记为aj(pci)。其计算公式如式1所示。
图6 预养护费用效应计算图示


（式1）

5案例分析
上海某机场跑道道面为“白+黑”结构类型，上面层为沥青混凝土加铺层，加铺时间为2005年。该跑道由于道面性能持续下降，于2010年对其实施了雾封层预养护，以下针对该案例进行分析。
依据同济大学对该跑道道面性能的长期监测数据，回归得到道面功能性能衰变规律的经验回归模型，如式2所示。
（式2）
该机场飞行区等级为4e，日平均航空交通量近600架次，对于单跑道机场已属非常大。为此，对跑道道面使用性能要求较高。机场管理部门确定的实施道面预养护措施临界pci值为90。依据该衰变模型，2010年道面pci值为92.7，2011年道面pci值为87.6。为此，2010年下半年是实施道面预养护的最佳时机。
依据同济大学室内试验的测试结果，提出了雾封层材料的性能指标要求，即分别满足以下6方面的标准：
（1）还原老化沥青的能力
（2）渗透性能
（3）对道面抗滑性能的影响
（4）封水性能
（5）对沥青混合料水稳定性能的改善
（6）对沥青混合料抗松散性能的改善
雾封层材料会影响道面抗滑性能，施工后道面摩擦系数会显著降低，摩擦系数通常会下降到0.3～0.4，甚至会低于0.3，对道面运行影响很大。摩擦系数的恢复时间与环境因素影响很大，主要取决于温度和湿度条件。因此，建议雾封层施工时间选在夏季或秋初。
6结论
（1）以公路常见预养护措施为依据，根据机场道面实际情况，筛选了适用于机场沥青混凝土道面预防性养护措施。
（2）分别以道面性能状况和预养护费用效益为依据，建立了确定道面最佳预养护时机的方法。
（3）以效益面积为衡量指标，建立了评价预养护费用效益的计算方法及公式。
（4）以上海某机场跑道雾封层工程为案例，分析了确定实施预养护最佳时机的方法，并给出了评价雾封层材料性能的6大指标。