第四章 机场道面的表面要求 现代飞机对机场道面的要求是不仅应有足够的强度，而且还必需具有满足飞机高速滑跑的通行性有，即跑道道面应有合适的粗糙度(抗滑性)和良好的平整度。跑道道面只有同时满足强度、粗糙度和平整度三方面技术指标的要求，才能保障现代飞机的起飞、降落时的安全、舒适，才能延长飞机和道面的使用寿命。一个完整的机场道面设计应包括上述三个方面的设计内容，本间将地机场道面表面的粗糙度和平整度进行讨论。 §4-1 机场道面的防滑要求 一、概述 为了执行作战和训练任务，以及满足不断发民的航空事业的需要，都要求机场道面允许飞机在较恶劣的气象条件下进行起飞和着陆。这样，机轮与道面间有足够的摩阻力，是防止飞机制动时打滑和方向失控的重要保证。此外，无论是高速喷气式歼击机，还是大质量的轰炸机、大型客机，对飞机着陆时的操纵和制动的可靠性都有较高的要求。而这种可靠性在很大程度上取决于机轮与道面之间有无足够的摩阻力。因此，机场道面的防滑问题就是飞机滑跑的安全问题。美国空军武器试验研究所的报告指出，美空军由于飞机在有积水层的跑道上滑跑而发生的“水上飘滑”事故，在1973年一年内就达20次。而航空和宇宙航行局的报告则指出，有35%的飞行事故是与道面的摩阻力不适当有关。其中28%是发生在跑道有冰雪的情况下，有42%是在水导上滑跑的情况下发生的。在这两种情况下道面的摩擦系数可能都小于0.1。其余30%的事故发生在湿跑道上，摩擦系数可能在0.1～0.2之间。报告指出，飞机在湿跑道上滑跑，道面摩擦系数小于0.2是危险的。 表示机场道面抗滑性能的主要指标有道面摩擦系数和道面粗糙度。影响轮胎与道面之间摩擦系数大小的因素很多，诸如飞机滑行速度、道面粗糙度、道面状态(干燥、潮湿或被污染)、轮胎的构成、胎面的花纹、轮胎磨损状况、轮胎压力、制动效率、制协扭矩和季节因素等。摩擦系数的测定方法和仪器有很多，目前，我国应用较普遍的是摆式摩擦系数测定仪。该仪器是一种可携带的室内仪器，其摆锤底面装有轮胎面组成的滑块，以一定高度自由下摆，经潮湿道面时因摩擦而损失部分能量。由回摆高度可知损失能量的大小，根据功能原理确定道面的抗滑性能，试验条件大致相当于以50km/h速度滑跑时的摩擦情况。 测定道(路)面摩擦系数的方法很多，表4-1列出了一些国家采用的测定抗滑性的仪器。 道面的粗糙度也称为纹理深度，系指道面的表面构造，包括宏观构造(粗纹理)和微观构造(细纹理)。粗纹理是指道面表面外露集料之间的平均深度，用填砂法测定；细纹理是指集料表面的粗糙度，用磨光值表示。道面表面的纹理构造使道面表面雨天不会形成较厚的水膜，避免飞机滑跑时产生“水上飘滑”现象。在飞机滑跑速度不高时，道面表面的水来得及从滚动的机轮下排除，一部分水则被控制在集料表面的纹理之中。这时，轮胎同道面表面能保持有摩阻作用的接触。细纹理地潮湿表面的抗滑起决定的作用。当滑跑速度较高时，粗纹理对道面抗滑起决定作用。其功能是提供通路，使道面表面的水能从高速滚协的机轮下迅速排除，从而避免形成水腊，使轮胎仍有同道面保持接触；而细纹理提供的低速抗滑效能在高速滑跑条件下仍能发挥作用。显然，飞机滑跑速度越大，为迅速排除表面水，所需纹理深度越大。因此，在道面设计和施工时，应当有效发控制道面表面的纹理深度，以控制道面的摩阻力。 各国测定道(路)面抗滑性的仪器 表4-1 二、水泥混凝土道面防滑要求 水泥混凝土道面的表面均有3～5mm左右的水泥砂浆层，由水泥石和砂粒构成。其表面的纹理形成许多微凸体，当轮胎与其接触时，发生在接触面上的情形如图4-1所示。在接触面上产生的摩阻力，分别由粘附作用和变形作用产生的两个摩阻分力所组成。当道面光滑(没有纹理)时，变形分力减小；当道面湿润(有水膜)或有其它介质(泥土等污染物)时，则粘附分力减小。所 ，增大道面的纹理深度或保持道面处于干燥洁净状态，都能有效地增大水泥混凝土道面的摩擦系数。 水泥混凝土道面的摩擦系数与纹理深度的关系，如图4-2所示。图中的136个测点是根据9个机场的跑道现场测试值绘制的。纵坐标是道面湿润状态下的摆式摩擦系数测试值(μ)，横坐标是用填砂法测定的地应点的表面纹理深度(Hmm)。可以看出，比较密集的点有一趋势，即随着道面纹理深度的增加道面摩擦系数也随之增大。变化的规律可用一直线来表示。图中测点离散的原因主要是测试时风速、温度、道面上的水膜厚度和污染程度，以及填砂摊铺的均匀程度等因素所致。图中所示的直线可用下式表示： 式中 μ——道面湿润状态下的摩擦系数； H——填砂法测定的道面纹理深度(mm)。 利用最小二乘法得到回归方程的参数a、b，则式(4-1)变为： 水泥混凝土道面在干、湿状态下的摩擦系数随速度的变化情况如图4-3所示。干燥状态下道面的摩擦系数随速度的增加几乎保持不变，而潮湿状态下道面摩擦系数不信小于干燥状态，而且随速度的增大而迅速减小。因此，从防滑角度分析，在进行道面设计时，要合理设计道面的纵横坡度。通常，跑道应采用双面横坡，坡度值应适当大于纵坡，以保证降水及时排除，不沿跑道纵向流淌而形成飞机水上滑跑的条件。 为了提高水泥混凝土道面的抗滑性能，通常采取表面处理措施，增大其纹理深度。按照实施处理的时机分为两大类，一类是在新铺筑道面时采用的，在混凝土初凝后强度不高时进行处理，如拉毛、拉槽、压槽、裸石、嵌石等。另一类是在恢复旧道面的抗滑性有时采取的措施，如刻槽、打毛(喷砂、喷丸)、酸蚀、冷粘磨擦层等。各种抗滑处理措施的效果、费用情况见表4-2。就处理效果而言，以拉毛拉槽组合法为最好，其次是嵌石法、拉槽法和裸石法。就费用情况比较，以拉槽法和拉毛拉槽组合法最为经济。机场道面多采用拉槽法，嵌石法和裸石法不适合机场道面，因裸露的石料容易脱落，打坏飞机蒙皮和发动机，影响飞行安全。 水泥混凝土路面各种抗滑处理措施比较表 表4-2 用刻槽法改善旧水泥混凝土道面的抗滑性能效果明显，国外在机场道面和高速公路上应用较多。刻槽的深度为2～4mm。槽的间距为10～21mm，可以是等间距，也可以采用随机间距，1980年首都机场用刻槽法改善了跑道的抗滑性能，其费用为7.33元/m。 《军用机场水泥混凝土道面设计规范(GJB1278-91)》中地道面粗糙度用平均纹理深度表示。用填砂法量测的道面平均纹理深度应满足下列要求：跑道为0.40～0.65mm；滑行道和停机坪为0.30～0.40mm。 国际民航组织规定机场道面表面平均纹理深度为0.8～1.2mm，地摩擦系数没有具体规定，我国民航按此标准执行。 三、沥青混凝土道面防滑要求 同水泥混凝土道面一样，沥青混凝土道面也采用摩擦系数和纹理深度表示其抗滑性能。摩擦系数用摆式仪测定，纹理深度用填砂法测定，在水泥混凝土道面中，作为胶结料的水泥硬化后形成的水泥石具有较高的抗磨耗能力，而沥青作为粘结剂在施工成型后的道面中其抗磨耗能力较水泥石要低得多，因此，影响沥青道面抗滑性能的主要因素是石料的性质、颗粒级配、沥青质量和用量、施工质量等。 1、石料的性质 石料的磨耗值是评价石料抵抗摩擦、撞击和剪切等综合作用性能的指标，石料的压碎值是评价其在受压情况下破碎性能的指标。沥青道面中的骨料是承担机轮荷载的主要骨架，为保持沥青道面表面抗滑性能的耐久性，必须对石料的磨耗值、压碎值和磨光值提出要求。同时，石料与沥青的粘附性能好坏将影响表面石料的稳定性，因此，应对石料与沥青的粘附性作出规定。 研究和实际观测表明，选用耐磨石料是提高沥青面层抗滑性能的根本措施，安山岩、玄武岩和辉缘岩的抗滑性比石灰岩要好，若石料来源有困难，大量选用耐磨骨料会增大工程造价，则可采用设置抗滑表层的办法，面层石料可适当降低要求，而保证抗滑表层石料的质量。 机场沥青道面对集料的要求，见第十一章表11-8。 表4-3为江苏100多个料场石料磨光值的试验结果，由表中数据可知，在我国分布广泛的石灰岩的磨光值较低，不能满足表11-8的要求，其余石料都可以应用，但对酸性石料，拌和前应进行碱化处理或掺加沥青抗剥落剂，以提高其与沥青的粘附性能。 2、颗料级配 沥青道面表面的宏观构造指表面石料间的孔隙，用纹理深度表示。图4-4所示为各种表面纹理情况下湿摩擦系数随速度提高而变化的关系，显然，粗糙的表面在速度较高的 机场沥青道面的抗滑标准，中国民航按国际民航的规定执行(平均纹理深度为0.8～1.2mm)，这个规定没有区别道面类型，对沥青道面似乎偏于严格。 目前，我国尚未制定军用机场沥青道面抗滑技术标准，1990年5月，对正在使用的四个机场沥青道面的抗滑性能进行了测定。用摆式仪测定摩擦系数，用填砂法测定纹理深度，结果示于表4-6、4-7。由表列数据可见，摆值大于45的点，四个机场都在90%以上，而平均纹理深度都在0.3mm左右，通过与飞行员座谈，他们都认为四个机场的抗滑性能可以满足使用要求，尚未发生因抗滑能力不足而使飞机冲击跑道的事故，因此，参照国际民航的规定和我国沥青路面抗滑标准，建议军用机场沥青道面的摩擦系数竣工验收摆式仪测定值不低于52，纹理深度不低于0.8mm；而在使用中摆值不得低于45，纹理深度不得低于0.3mm。 机场沥青道面纹理深度测试结果 表4-6 机场沥青道面摆式仪测试结果 表4-6 §4-2 机场道面的平整度要求 一、概述 机场道面表面的平整度是表征道面表面特性的一个重要指标，所谓道面平整度是指道面的表面对于理想平面的偏差，它对飞机在滑行中的动力性能、行驶质量和道面承受的动力荷载三者的数值特征起着决定性的作用。 无论是人为的或自然因素引起的道面上较大的隆起或凹陷，例如弹坑或由不均匀冻胀产生的道面突然隆起，均称之为障碍。障碍对机场道面而言是绝对不允许的，它不属于道面平整度的范畴。 实践表明，机场道面不可能是一个理想的平面，机场道面的不平整度主要由下列诸因素引起： 首先是道面固有的不平整度，例如，道面设计中的纵向变坡、施工中道面板在接缝处允许的邻板高差和达不到设计高程的偏差等，即使这些偏差都在设计和施工规范规定的允许范围内，它们对道面不平整度的影响也是不容忽视的。 其次是道面在使用过程中由于受到荷载和自然因素的长期反复作用的影响，产生的新的不平整度，或使固有的不平整度，或使固有的不平整度增大，例如，由于飞机荷载的重复作用使道面在垂直方向产生的塑性累积变形；由于地下水位变化引起土基和基层的不均匀沉陷；由于冰冻引起的道面鼓胀；由于温度应力引起的道面板的翘曲、抬高；由于道面表层的磨耗、剥落、腐蚀、拥包形成的表面缺损等。 道面的平整度影响飞机滑跑的稳定性和舒适性。飞机滑过道面的不平整处将产生冲击和振动。随着道面平整度的变坏和恶化，不仅影响乘客的舒适、货物的完好，而且还会影响飞行员操纵飞机和判读仪表，引起机件的磨损，危及飞行安全。某机场跑道由于平整度恶化曾发生飞机空整管因振动过大而折断。 道面平整度的表示方法很多，可归纳为以下几种： 1、用一定区间内的间隙表示； 2、用跑道道面的实际高程表示(好用道面的纵剖面表示)； 3、用读取标准线和实际道面上的高差值表示； 4、用飞机在跑道上滑跑时的飞机的加速度振动速度响应表示； 5、用跑道高程的功率频谱密度函数表示； 6、用标准线和道面表面各点间连接之交角值表示。 以上六种方法中，前三种是我们比较熟悉的，其它几种方法在我国尚未广泛使用。 用一定区间内的间隙来表示道面的平整度，就是我们常用的直尺法。其测量工具是直尺，直尺有无支脚直尺和有支脚直尺(或称滚协直尺或滑动直规)，直尺的长度除3m外，尚有4m和5m尺，我国机场和公路上都采用无支脚3m长直尺。 用跑道道面的实际高程表示和用道面高程的功率频谱密度函数表示平整度的方法，通常采用的量测仪器是水准仪、塔尺和卷尺，近年来已研制出新的量测仪器，在测试高程等数据的同时还有描绘出道面的纵断面，60年代开始用强光源作准直，并利用电位计、跟随轮、水平伺服系统、光电敏感元件、数字编码器和磁带系统等量测手段，进入80年代又用激光作准直，经数字存贮示波器进行数据采集和用微机进行数据处理后，可进行现场断面显示和现场数据处理，并能将测得的数据存储供以后分析。 用飞机在跑道上滑跑的振动和加速度响应表示，这是测试和研究道面平整度地飞机影响的最直接方法。测试仪器包括压力计、加速度计、位移传感器等，所这些仪器安装在飞机的重心、驾驶舱和起落架等相应部位，选定各种不同平整度的跑道以不同的速度滑跑、起飞和降落进行测试。各种测试仪器自动记录数据后再进行分析整理，或将各种测试数据直接输入微机进行整理和存储。这项测试工作必须由空勤、机务、指挥和测试人员协同配合才能完成，开支是很昂贵的。美国航空和航天局、美国空军与美军工程兵夭特韦斯试验站进行过这项测试。 以标准线和实际道面上的差值表示平整度的方法，采用平整度仪进行测试，平整度仪的种类很多，应用普遍，在国外有美国加州公路局和密执安大学合作研制的纵断面测绘仪；英国道路研究室垢验平仪(RRL)等。 我国近几年研制的路面平整度测试仪有：西安公路研究所研制，中国船舶工业总公司东风仪表厂生产的1.0XLPY-D型平整度仪，上海市政管理处研制的L0LPY-3型平整度电测仪，江苏沐阳公路工程仪器石生产的P-1路面测平仪等。上述设备的基准长度均为3m，都有进行连续的路面平整度测量。其中XLPY-D型平整度仪被交通部推选为贯彻我国沥青路面养护、施工及验收的标准仪器。它的主要技术性能及参数如下： 1、外形尺寸：伸长时4031mm×800mm×760mm，缩短时2036mm×800mm×760mm。总质量为280kg。 2、可自动测定、打算、找印均方差值。取样间距0.1m。 3、由人工输入可自动打印测试段长度。 4、自动运算并打印测试段的单向累计值，测试段纵断面曲线与基准线间的图形面积。 5、自动测定并打印正负超差值，计算并打印测试速度。 6、自动绘制测试段断面图，竖向比例1：1，水平比例1：200。 7、工作环境温度0～40℃，测试速度≤6km/h，牵引方式为人力拉动或汽车低速牵引，最小转弯半径为5m。 以标准线和道面表面各点间连线的交角表示平整度的方法，其测试仪器有美国AASHO的坡度验平仪和HLOE验平仪。我国长春汽车研究所研制的斜率式双迹路面计也属此类仪器。这类仪器的测量速度在10～60km/h之间。 二、水泥混凝土道面平整度要求 为了满足飞机的使用要求，地水泥混凝土道面不平整度允许值的上限。《军用机场水泥混凝土道面设计规范(GJB1278-91)》和《军用机场场道工程施工及验收规范(GJB1112-91)》规定如下： 1、3m直尺与道面之间的间隙值不大于3mm。每500m检查二块板，在板中垂直于板边交叉量2尺，在两对角线各量2尺，取各尺间隙最大值的平均值。 2、邻板高差允许值。纵缝处为3mm，横缝处为2mm。胀缝每50m检查1点，横缝每10条检查一条，每条检查1～2点。 3、每块板的实际高程与设计高程偏差，用水准仪测量不得大于±5mm。 二、沥青混凝土道面平整度要求 我国机场采用沥青混凝土道面的为数不多，军用机场中只有大约5%左右为沥青道面，一般为Ⅲ级机场，都是公路部门利用小型摊铺机铺以手工操作铺筑的。其平整度只达到公路路面的标准。1990年5月，对其中正在使用的四个机场沥青道面的平整度用3m直尺法进行测量。测试时沿跑道中心线每100m为一测段，从每一测段的起点开始连续测10尺。测试结果列于表4-8。从表中数值可以看出，榆中机场道面平整度较好，小于3mm测点占72.5%。其次是东塔机场，小于3mm的测点占63.5%。柳州和中川机场道面的平整度较差，小于3mm的测点只占50%左右，上述测试结果与飞行员的反映基本一致，榆中和东塔机场道面滑跑舒适程度较好，而柳州和中川机场道面滑跑舒适程度较差。 机场沥青道面平整度测试结果(%) 表4-8 国际民航组织对机场道面平整度的规定没有区分道面类型，3m直尺下间隙不得大于3mm。 我国《公路工程质量检验评定标准(JTJ071-85)》地沥青混凝土面导平整度的要求，高速公路3m直尺下间隙为3mm，一级公路为5mm。 目前，我国尚没有机场沥青道面的平整度标准。但是，根据近几年修筑的高速公路沥青路面的平整度实测情况，以及南京大校场机场和上海虹桥机场沥青道面的平整度要求，都达到了3m直尺下间隙不大于3mm的标准。因此，建议我国机场沥青道面平整度标准与国际民航的要求取得一致，其验收标准应为3m直尺下间隙不得大于3mm。 此外，对正在使用中的机场沥青道面，当其平整度测试中小于3mm的点达不到60%时，应采取措施改善其道面平整度。