机场水泥道面不同深度弯拉强度试验离散性研究及建议

机场水泥道面不同深度弯拉强度离散性研究及建议

民航专业工程质量监督总站检测专班

一、概述

水泥混凝土离散性控制是工程质量的重要环节，直接关乎结构安全性、耐久性及全生命周期服役能力。在公路工程领域，受原材料批次波动、搅拌不均及摊铺振捣工艺缺陷等因素影响，路面水平方向的离散成为质量管控焦点；而机场道面作为航空器安全起降的核心基础设施，水泥混凝土厚度为34~46cm，远超公路的15~28cm，这种显著的厚度差异不仅加剧了施工工艺的复杂性，更使得原本被忽视已久的道面深度方向质量离散问题逐渐显现。

具体而言，民航专业工程质量监督总站（简称质监总站）在近期的检测监督工作中，通过对国内多个机场道面钻取的水泥混凝土芯样进行弯拉强度检测，发现普遍存在同一芯样不同深度（上、下部）存在明显强度差异的现象，这种层间性能差异不仅削弱道面整体结构性能和使用寿命，更可能在长期运营中带来脱皮、掉块、裂缝等损坏乃至形成FOD侵入隐患，对机场安全运行构成潜在威胁。本文即是基于对道面不同深度弯拉强度实测数据的整理和分析，以期为场道工程施工质量控制提出风险警示，为民航行业规范标准提供技术参考。

二、试验数据分析

1. 整体数据特征

  本次研究共获取了国内西北、东南、西南、华东四个不同地域4E级代表性机场道面混凝土的68根芯样的136个弯拉强度检测数据，数据分布见图1所示。

图1 芯样分布图

  按照试验结果，将整体汇总和四个不同机场的弯拉强度数据分别进行统计分析，见图2所示。

图2 芯样强度统计情况图

图中可看到，这四个机场整体而言，60.3%芯样的下部弯拉强度高于上部，仅39.7%芯样的上部强度更高；按照不同机场分别统计的情况，该趋势在各机场均不同程度存在，A机场最高为68.8%，B机场最低也为55.3%。这表明，国内机场道面混凝土下部弯拉强度高于上部是一个较为显著且稳定的现象。

从统计学理论角度分析，在样本数量足够多的情况下，同一芯样上、下部强度差值应服从以0为中值的正态分布（即上高、下高各占50%）。然而，实测数据（整体及分机场）均显著偏离此理论分布，下部强度系统性偏高成为主导现象。这反应出当前机场水泥混凝土道面确实在深度方向上存在一定程度的质量离散现象。

2.道面混凝土均质性评估

混凝土作为一种典型的复合非均质性材料，其内部组成成分复杂，无法像金属材料、高分子材料等实现各向均质性，因此在强度上存在一定差异属于正常现象。通常情况下，可通过标准差或变异系数评价其整体均匀性。然而，对于来自不同机场（不同材料、配合比）的钻芯样本，直接使用这些统计量评估其均匀性存在局限。鉴于上、下部试件源于同一芯样，分析其强度差值（Δf）是评估混凝土均质性的相对有效方法。

由于样本数据有限，缺乏足够的数据通过数理统计分析确定Δf的均匀性判定限值，本文通过设定不同Δf限值计算了相应的“均质性系数”（即Δf小于强度差限值的样本比例），以此比例指标来反应整体的离散偏离程度，结果详见图3。

图3 整体均质性系数统计图

数据显示，现场施工的水泥混凝土均质性系数要想达到95%，强度差限值应设置为不小于2.0MPa，如此大的强度差限值对于机场道面严苛的质量要求而言过于宽松，这一数值显然无法满足工程实际需求，是不可接受的。

参考借鉴《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420-2020)对圆柱体劈裂抗拉强度试验的规定（同组芯样，极值超中值15%则舍弃），本文以样本整体均值(6.29MPa)代替中值，以15%为极限偏离度，估算强度差限值约为0.972MPa(≈1.0MPa)。若以1.0MPa为判据，总体的均质性系数不到80%，充分凸显当前机场道面混凝土质量均匀性问题的严峻性。

再分别选取两个样本数量相对较多的机场按照上述方法计算假定强度差值Δf的均质性系数，结果见图4。

图4 匀质性系数对比统计图

数据表明B机场的均质性系数要明显高于A机场，在强度差限值为1.0MPa的情况下，B机场的均质性系数接近90%，而同样的条件下A机场的均质性系数仅50%。这表明国内各机场对于道面混凝土施工质量的控制水平确实存在一定差距。

3.芯样劈裂形貌特征分析

   通过对芯样劈裂试验图片的分析，能够更加直观地观察到芯样上下部的结构差异，从而进一步揭示强度差异的原因。

图5 芯样劈裂图（上部）

图6 芯样劈裂图（下部）

图5和图6清晰显示芯样下部骨料数量多、级配均匀；上部骨料数量少、级配不均,此现象提示施工摊铺过程中上部混凝土发生离析，导致下部骨料富集而上部浆体偏多。

三、强度差异原因分析

机场道面混凝土上下部强度离散性显著、均质性系数低，是由多种因素共同作用导致的，产生的原因主要有以下几个方面：

1.混凝土施工离析导致上下部差异：混凝土运输和浇筑过程中，骨料沉降、浆体分布不均易引发离析。机场道面厚度大，若振捣不规范（如局部漏振、过振），粗骨料会因重力下沉聚集，导致下部骨料堆积、上部浆体偏多。下部因骨料集中强度较高，上部则因水泥石收缩大、孔隙率高，强度较低，造成上下部强度差异显著。严重时，下部强度过高，上部强度与耐久性明显下降。

2.养护条件差异导致强度发展不同步：道面上部混凝土直接暴露于空气中，水分蒸发快。若养护（覆盖、洒水）不及时、不充分，上部混凝土早期易脱水收缩，水泥水化受阻。下部混凝土靠近潮湿基层，水分保持好，水泥水化更充分。水泥水化程度决定水泥石强度，水化不充分使上部水泥石与骨料粘结力弱；而下部混凝土水化较充分，其界面过渡区更为致密，最终导致混凝土上下部强度出现差异。

3.原材料及配合比波动的累积效应：混凝土拌合物的坍落度波动、骨料级配变化（如骨料含泥量突然增加）等情况，在道面浇筑过程中会产生显著影响。下部初始坍落度大时，骨料沉降加剧；上部坍落度损失大，浆体分布不均。配合比的波动会直接改变混凝土的和易性，坍落度大时离析风险高，下部骨料堆积严重；坍落度较小时振捣困难，下部易出现蜂窝，均会造成混凝土强度差异。

四、建议

机场道面混凝土上下部强度离散性大，主要源于施工中材料离析、密实度不均、养护差异及配合比波动。为提升道面混凝土均匀性与耐久性，保障工程质量，建议参建单位重点把控以下环节：

1.规范振捣工艺：混凝土振捣是确保其密实性和均匀性的核心环节。施工时需严格控制振捣方式与时间，避免因漏振或过振导致骨料分层，确保混凝土强度均匀性，提升道面整体性能。

2.严控下料与摊铺工序：混凝土下料与摊铺不当易引发离析。应精准控制下料高度和速度，防止骨料因自由下落高度过高而分离；采用适配的摊铺设备与工艺，保证混凝土均匀摊铺，避免出现局部骨料堆积或砂浆富集的现象。

3.强化集料质量管控：集料质量直接影响混凝土性能。应严格控制集料的各项指标，尤其是含泥量、泥块含量和软弱颗粒含量等关键指标。强化原材料进场检验，建立严格检测制度，严禁不合格集料入场。通过筛选优质集料、优化级配等措施，确保混凝土强度、耐久性等指标满足机场道面工程高标准要求。集料质量直接影响混凝土性能。

4.优化检测评定标准：当前民航弯拉强度检测评定难以反映道面混凝土不同深度的强度差异。亟需根据民航行业特点和实际需要，优化检测评定标准，更好服务于场道工程施工，确保机场道面混凝土质量的稳定性和可靠性。