机场水泥混凝土道面粗糙度的科学确定与性能平衡研究

机场水泥混凝土道面粗糙度的科学确定与性能平衡研究机场水泥混凝土道面作为飞机起降、滑行的核心承载结构，其表面摩擦性能直接关乎飞行安全。在飞机高速接地、滑行等关键工况下，道面需为机轮提供稳定可靠的摩擦力，而这一性能的核心评价指标便是粗糙度（亦称“粗纹理”）。需明确的是，粗糙度并非直接产生摩擦力，其核心价值在于构建高效排水通道，快速排除机轮与道面接触界面的积水，为道面微观纹理与机轮橡胶之间形成有效摩擦创造先决条件。因此，科学确定机场水泥混凝土道面粗糙度，绝非单纯追求数值高低，而是要在排水能力、摩擦性能与道面耐久性三大核心需求之间寻求精准的最佳平衡，这一过程需融合水力学、接触力学与材料科学等多学科理论，结合机场运行特性与地域环境条件进行系统性决策。一、粗糙度的作用机理与核心价值（一）核心功能：排水主导，奠定摩擦基础道面粗糙度的根本作用是构建机轮下积水的快速逃逸通道，破解“动力水滑”风险。当飞机在潮湿道面高速滑行时，机轮与道面之间会产生动水压力，若积水无法及时排出，动水压力将逐渐抵消机轮对道面的压力，最终形成连续水膜，导致机轮“浮起”，即“动力水滑”现象。此时，轮胎与道面的实际接触面积急剧减小，摩擦系数大幅下降，飞机将面临制动失效、方向失控等致命风险。而道面宏观粗糙度形成的沟槽网络，能够有效切断连续水膜，将积水快速导入沟槽并排出接触区域，确保机轮始终与道面微观纹理保持有效接触，为稳定摩擦系数的形成提供关键保障。（二）形成方式及其技术特性与适用场景机场水泥混凝土道面粗糙度的形成需结合施工阶段与道面强度状态，选择不同工艺，不同工艺形成的粗糙度在尺寸稳定性、排水效率及对道面结构的影响上存在显著差异，直接决定其适用场景与长期性能。施工期形成工艺：主要包括拉毛、拉槽等，核心是在混凝土处于塑性状态时，通过机械或人工手段在表层砂浆层形成凹凸不平的纹理。此类工艺施工便捷、成本较低，可在混凝土浇筑完成后快速实施，但形成的纹理尺寸均匀性较差，且对表层砂浆的扰动较大。其中，拉毛工艺通过毛刷、拉毛机等工具在塑性砂浆表面梳理形成不规则纹理，适用于对粗糙度要求较低的辅助滑行道或小型通用机场；拉槽工艺则通过带有沟槽模具的滚轴在塑性混凝土表面压制形成规则浅槽，纹理一致性优于拉毛，但沟槽深度与宽度受施工压力、混凝土塑性状态影响较大，稳定性相对有限。硬化后形成工艺：以刻槽为典型代表，即在混凝土达到设计强度（通常不低于设计强度的70%）后，通过专业刻槽机切割形成规则沟槽，常见截面形式有矩形、梯形、V形等。刻槽工艺的核心优势在于纹理尺寸精准可控，沟槽的宽度、深度、间距可根据排水需求精准设计，形成的排水路径明确、流畅，排水效率稳定；同时，由于混凝土已硬化，刻槽对表层砂浆层的密实度破坏相对较小，能最大程度保留表层结构的完整性。基于上述优势，刻槽工艺已成为当前民航干线机场、枢纽机场跑道等核心区域的首选粗糙度形成技术。此外，对于已运营道面的粗糙度修复，还可采用铣刨、抛丸等工艺，通过去除表层老化砂浆、露出新鲜骨料形成新的粗糙度，但此类工艺属于养护维修范畴，其技术逻辑与新建道面的粗糙度形成存在本质差异，核心目标是恢复而非初始设计。二、粗糙度与摩擦系数的非线性关联及最佳范围界定（一）排水需求的量化标准与规范依据道面粗糙度的设计核心是满足排水需求，而排水需求的量化需结合飞机运行参数、道面结构参数与地域水文条件。根据《国际民用航空公约附件14》（机场设计与运行）及我国《民用机场飞行区技术标准》（MH5001-2021）的明确规定，道面摩擦系数的标准测试需在1mm积水深度条件下进行，这一标准为粗糙度的设计提供了核心量化依据。从原理层面而言，道面粗糙度的设计目标，是确保在机场所在地区典型暴雨强度下，道面积水深度能够被快速排除至1mm以下，避免因积水超过临界深度导致摩擦系数急剧下降。具体而言，排水需求的量化需综合考虑三大核心参数：一是飞机接地速度，主流民航客机着陆速度通常在250-300km/h，高速下积水排出难度更大，对粗糙度的要求更高；二是道面积水深度，需结合当地暴雨强度、降雨历时，通过水文计算确定可能出现的最大积水深度；三是道面横坡，横坡是引导积水向两侧排水的关键结构参数，通常机场跑道横坡控制在1.5%-2.0%，横坡越大，自然排水能力越强，对粗糙度的依赖度相对降低。三者协同决定了道面所需的最小排水能力，进而反推粗糙度的几何参数。（二）最佳粗糙度原理与影响机制大量试验数据与工程实践表明，道面摩擦系数与粗糙度之间并非单调递增关系，而是存在明确的最佳范围，超出这一范围，无论粗糙度不足或过大，都会导致摩擦系数下降，影响飞行安全。粗糙度不足：排水失效，摩擦系数低位徘徊：当粗糙度未达到排水需求时，积水无法在机轮高速碾压前被完全排除，接触界面形成连续水膜，“动力水滑”效应凸显。此时，机轮与道面的有效接触面积大幅减小，微观纹理与橡胶的摩擦作用无法充分发挥，摩擦系数始终处于较低水平，无法满足飞机制动与转向的安全需求。尤其在暴雨天气下，粗糙度不足的道面将直接成为飞行安全的重大隐患。粗糙度适中：排水高效，摩擦系数达到峰值：当粗糙度参数与排水需求精准匹配时，沟槽网络能够快速切断水膜，将积水及时排出接触区域，机轮与道面微观纹理实现充分接触。此时，微观纹理的切削、咬合作用得以完全发挥，同时宏观沟槽不会过度占用接触面积，摩擦系数达到峰值，能够为飞机提供稳定、充足的制动力与侧向摩擦力，是最理想的设计状态。粗糙度过大：接触不足，摩擦系数反向下降：当粗糙度超出排水需求时，过深、过宽或过密的沟槽会显著减小轮胎橡胶与道面的实际接触面积，导致摩擦面不足。同时，过于粗糙的表面会使轮胎橡胶的“嵌入-卡滞”效应减弱——正常情况下，橡胶嵌入道面纹理间隙产生的剪切阻力是摩擦力的重要组成部分，而过大的沟槽会使橡胶无法有效嵌入，反而降低剪切阻力。此外，若采用拉毛等工艺过度追求粗糙度，会严重破坏表层砂浆的完整性，导致微观细纹理大量损失，进一步削弱摩擦性能。试验表明，当刻槽深度超过6mm、宽度超过3mm时，摩擦系数会呈现明显的下降趋势。综上，粗糙度的设计目标绝非“越大越好”，而是“足够即可”，即精准满足临界工况（如飞机最大着陆重量、最高接地速度、最大暴雨强度）下排除设计积水深度的需求，确保摩擦系数稳定在安全峰值范围。三、道面粗糙度与面层耐久性的内在关联及矛盾协调道面粗糙度的形成过程，本质上是对经过抹面密实处理的表层砂浆层的“可控破坏”，这一过程必然会对道面面层的耐久性产生影响。耐久性作为道面全寿命周期性能的核心指标，直接关系到道面的使用年限与养护成本，因此，在粗糙度设计中，必须充分考量其与耐久性的内在关联，协调二者之间的矛盾。（一）对表层砂浆完整性的直接影响表层砂浆是道面抵御环境侵蚀、承受机轮磨损的第一道防线，其密实度、强度与完整性直接决定道面的耐久性。而粗糙度形成工艺对表层砂浆的扰动程度，是影响其完整性的关键因素：密实度与强度降低：拉毛、拉槽等塑性阶段形成工艺，会扰动表层未硬化的砂浆，破坏其内部颗粒排列的密实性，导致表层砂浆孔隙率增加、抗压强度与抗折强度下降。尤其拉毛工艺，若操作不当，可能导致表层砂浆与基层混凝土粘结力减弱，为后续剥落、起皮埋下隐患。耐磨性下降：机轮长期高速滑行会对道面表层产生持续的磨损作用，密实的表层砂浆是抵御磨损的核心。粗糙度形成过程中产生的孔隙与微裂缝，会降低砂浆的耐磨性，加速表层骨料暴露、脱落，导致道面粗糙度快速衰减。渗透性增加：表层砂浆的密实性被破坏后，其抗渗透能力大幅下降，雨水、冰雪融水及其中含有的氯离子、硫酸盐等腐蚀性介质，会更容易渗透至道面内部，引发钢筋锈蚀、混凝土碳化等问题，进一步加剧道面劣化。相比之下，刻槽工艺由于在混凝土硬化后实施，对表层砂浆的扰动较小，能够最大程度保留其密实结构，因此对耐久性的负面影响显著小于拉毛、拉槽工艺。（二）全寿命周期视角下的粗糙度衰减规律道面设计需兼顾全寿命周期性能，而非仅关注初期粗糙度。一个初期粗糙度极高的道面，若因形成工艺不当导致耐磨性差，其粗糙度衰减速率会显著加快；反之，初期粗糙度适中但表层砂浆完整性好、耐磨性强的道面，粗糙度衰减更为平缓，在设计使用年限末期，其粗糙度可能仍高于前者。例如，某北方机场跑道采用拉毛工艺形成高初期粗糙度，由于表层砂浆密实度差，经过5年运营，道面表层磨损严重，粗糙度已降至规范最低要求以下；而相邻采用刻槽工艺的滑行道，初期粗糙度略低于跑道，但运营8年后，粗糙度仍维持在安全范围内。这一案例充分说明，确保道面在整个设计使用年限（通常为20-30年）内始终维持不低于规范最低要求的粗糙度，比单纯追求高初始值更为重要，而这一目标的实现，核心在于通过合理的工艺选择保护表层砂浆完整性，减缓粗糙度衰减速率。（三）与抗冻耐久性的关键矛盾及应对难点在寒冷地区，道面抗冻耐久性是制约其使用寿命的核心因素，而粗糙度与抗冻耐久性之间存在显著的矛盾关系，这一矛盾常被忽视，却可能成为道面冻融破坏的主要诱因。冻融破坏机理：粗糙度的增大会显著增加表层砂浆的暴露表面积与孔隙率，为水分渗透和滞留提供了更多空间。在寒冷地区，冬季气温反复交替于冰点上下，孔隙中的水分会经历“结冰-融化”的循环过程：水结冰时体积膨胀约9%，会对孔隙壁产生巨大的膨胀应力；融化时，水分会进一步渗透至更深的孔隙中。反复的冻融循环会使表层砂浆产生微裂缝，随着裂缝不断扩展，最终导致砂浆层剥落（俗称“脱皮”）、骨料暴露，道面结构遭到严重破坏。表层与本体抗冻性的差异：需明确的是，道面表层砂浆的抗冻性与混凝土本体的抗冻性是两个独立概念。工程中通常通过掺加引气剂来提升混凝土整体的抗冻性，引气剂能在混凝土内部形成均匀分布的微小气泡，缓解冻胀应力。但这一措施无法完全补偿因粗糙度不当导致的表层砂浆抗冻性缺陷——表层砂浆在粗糙度形成过程中已产生大量宏观孔隙与微裂缝，这些孔隙尺寸远大于引气剂形成的微小气泡，冻胀应力的缓解效果有限。因此，在寒冷地区，若盲目追求高粗糙度，即使混凝土本体抗冻性达标，表层砂浆仍可能发生严重的冻融破坏。统计数据显示，我国北方寒冷地区机场道面的冻融破坏案例中，超过60%与粗糙度设计过大或工艺选择不当相关，这一数据充分凸显了寒冷地区协调粗糙度与抗冻耐久性的重要性。四、合理确定粗糙度的技术路径与实践建议结合上述分析，合理确定机场水泥混凝土道面粗糙度需遵循“功能导向、工艺适配、全寿命平衡”的核心原则，通过系统化的技术路径，实现排水能力、摩擦性能与耐久性的精准匹配。（一）基于排水需求的功能化设计粗糙度的设计应首先以排水需求为核心，通过精准的水文与水力学计算，确定量化的设计参数：基础参数调研：收集机场所在地区的暴雨强度、降雨历时、年降水量等水文数据，结合道面横坡、纵坡等结构参数，以及机场主要运行飞机的接地速度、最大着陆重量等运行参数，明确道面可能面临的最不利排水工况。排水能力计算：基于最不利工况，通过水力学公式计算道面所需的最小排水流量，进而反推宏观纹理的几何参数，包括沟槽深度、宽度、间距及截面形式。例如，对于主流民航客机运行的跑道，结合1.5%的横坡，通常推荐刻槽深度为3-5mm、宽度为2-3mm、间距为20-30mm，这一参数组合能够确保在50年一遇的暴雨强度下，道面积水深度控制在1mm以下。动态校验：结合标准摩擦系数测试要求，通过室内模拟试验或现场试验段测试，校验设计的粗糙度参数是否能满足1mm积水深度下的摩擦系数标准（通常要求干燥道面摩擦系数不低于0.65，潮湿道面不低于0.45），若不满足，需对参数进行迭代优化。（二）基于地域环境的工艺适配选择不同地域环境的气候条件差异显著，需结合环境特点选择对耐久性影响更小的粗糙度形成工艺：寒冷冰冻地区：优先选择刻槽工艺，且应严格控制沟槽深度不超过5mm，避免过度增大表层砂浆孔隙率；严禁采用拉毛工艺用于跑道等核心区域；同时，可配合在表层砂浆中掺加专用抗冻剂，进一步提升表层抗冻性。南方非冰冻地区：可根据道面类型选择工艺，跑道、快速出口滑行道等核心区域仍推荐刻槽工艺，确保排水稳定性；辅助滑行道、停机坪等对摩擦性能要求较低的区域，可在严格控制施工质量的前提下采用拉槽工艺，降低施工成本。养护维修场景：对于已运营道面的粗糙度修复，若表层砂浆完好，可采用抛丸工艺轻度处理，恢复微观纹理；若表层砂浆已发生磨损劣化，应采用铣刨+刻槽的组合工艺，去除劣化表层后重新形成粗糙度，确保新纹理与基层混凝土的粘结力。（三）全寿命周期的性能平衡优化设计过程中需摒弃“重初期、轻长期”的误区，从全寿命周期视角优化粗糙度参数：耐久性优先原则：在满足排水与摩擦性能需求的前提下，尽量选择对表层砂浆完整性破坏小的工艺和适中的粗糙度参数，避免盲目追求高初始粗糙度。例如，寒冷地区可在排水达标的基础上，将刻槽深度取下限（3mm），以提升抗冻耐久性。材料协同优化：配合粗糙度设计，优化表层砂浆的材料配比，通过掺加硅灰、粉煤灰等矿物掺合料提升砂浆密实度与耐磨性；对于寒冷地区，在表层砂浆中掺加适量引气剂，弥补粗糙度对表层抗冻性的影响。建立长期监测机制：道面运营期间，定期监测粗糙度与摩擦系数的衰减情况，结合监测数据制定针对性的养护维修计划。例如，当摩擦系数降至临界值前，及时通过抛丸、补刻槽等手段恢复粗糙度，避免道面过早劣化。五、结论机场水泥混凝土道面粗糙度的确定是一项融合多学科理论与工程实践的系统性工作，其核心原则是“按需定量，兼顾长远”。粗糙度的核心价值在于保障排水效率，为稳定摩擦性能提供基础，而非单纯追求数值最大化；同时，其设计必须充分考量对道面耐久性的影响，尤其在寒冷地区，需重点协调粗糙度与抗冻性的矛盾。实践中，通过“基于排水需求的功能化设