顏 俊,馮左峰

(深圳市地質(zhì)局,廣東 深圳 518023)

機(jī)場場道切縫導(dǎo)(倒)角金剛石鋸片及其施工工藝試驗(yàn)研究

顏 俊,馮左峰

(深圳市地質(zhì)局,廣東 深圳 518023)

為減少飛機(jī)輪與路面摩擦?xí)r的應(yīng)力集中及機(jī)械除雪對航道路面的破壞,防止飛機(jī)在起飛降落過程中因飛機(jī)輪與路面伸縮縫摩擦引起的灰塵進(jìn)入飛機(jī)發(fā)動機(jī)而引發(fā)事故,及延長機(jī)場航道路面的使用壽命,機(jī)場航道路面所有暴露的切縫、邊緣及尖角都要進(jìn)行導(dǎo)(倒)角處理。對大型機(jī)場場道切縫導(dǎo)(倒)角金剛石鋸片和切割施工工藝試驗(yàn)進(jìn)行了研究,對于國內(nèi)新機(jī)場建設(shè)極具參考價值。

機(jī)場場道;切縫導(dǎo)(倒)角;金剛石鋸片;切割工藝

1 研究(制)的起因

各種類型的機(jī)場航道路面存在各類切(裂)縫(收縮縫、漲裂縫、施工縫、流水線),這些縱向和橫向的切(裂)縫棱角部位崩裂(崩邊)在飛機(jī)跑道上很常見,主要是由于飛機(jī)日趨大型化,飛機(jī)起降頻繁,較高的輪胎壓力和交通流量及機(jī)場機(jī)械除雪造成縱向和橫向的切(裂)縫棱角部位崩裂(崩邊)。棱角部位崩裂(崩邊)的縱向和橫向的切(裂)縫在氣溫變化、雨水侵蝕、混凝土碳化等自然因素風(fēng)化作用下加劇機(jī)場航道路面的破壞。2006年4月,美國聯(lián)邦航空管理局《對設(shè)計普通水泥混凝土(pcc)機(jī)場航道路面的指南(AC 150/5320-6和AC 150/5320-5)的補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》(下稱《指南》)指出:普通水泥混凝土(pcc)機(jī)場航道路面所有暴露的切縫,邊緣及尖角都要進(jìn)行導(dǎo)(倒)角,除非設(shè)計圖紙上特別注明不需要或用其它方法。很顯然這是美國在當(dāng)前航空交通頻繁形勢下出臺的一個強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。對減少飛機(jī)輪與路面摩擦?xí)r的應(yīng)力集中及機(jī)械除雪對航道路面的破壞,防止飛機(jī)在起飛降落過程中因飛機(jī)輪與路面伸縮縫摩擦引起灰塵進(jìn)入飛機(jī)發(fā)動機(jī)而引發(fā)事故,延長機(jī)場航道路面的使用壽命具有重要意義。對于國內(nèi)新機(jī)場建設(shè)極具參考價值。

在國內(nèi),道面伸縮縫切割是一項(xiàng)普遍應(yīng)用的施工工藝,廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)場、道路、橋梁等領(lǐng)域,用于解決熱脹冷縮原理產(chǎn)生的材料問題以及控制裂縫的延伸。在機(jī)場跑道的建設(shè)和維護(hù)中也已經(jīng)是很成熟的工藝,各項(xiàng)相關(guān)的國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)存在。

但是,長期以來國內(nèi)的機(jī)場跑道的伸縮縫的施工工藝模式存在一定的弊端。由于機(jī)場跑道每天都承受著大量飛機(jī)的起降工作,那么伸縮縫的邊緣也不可避免的每天承受著大量的高負(fù)荷的沖擊。由于在切割縫兩邊的2個斷面是90°的直角形狀,這樣,從應(yīng)力分布和長期的承載運(yùn)行結(jié)果來分析,切縫的邊緣最容易產(chǎn)生破碎和破裂。這樣,原來用于控制裂縫的部分卻帶來了新的裂縫的產(chǎn)生,導(dǎo)致以后的維護(hù)工作量的增加,甚至影響到跑道的正常運(yùn)行。所以,如何盡量減少伸縮縫破壞的幾率和周期將直接影響到機(jī)場的維護(hù)費(fèi)用,以及與是否能提高機(jī)場飛機(jī)流量等有直接的經(jīng)濟(jì)關(guān)系。例如:國內(nèi)某國際機(jī)場道面已有85%的切縫已經(jīng)損壞。因此,對國內(nèi)機(jī)場的切縫進(jìn)行倒角成為了一種急需實(shí)施的施工工藝。

根據(jù)我們的反復(fù)試驗(yàn)和研究得出如下結(jié)論:直角狀態(tài)下可能發(fā)生嚴(yán)重的破壞(圖1a);平角狀態(tài)下可能發(fā)生輕微的破壞(圖2b);圓角狀態(tài)下有較好的保護(hù)狀態(tài)(圖3c)。

圖1 各種倒角狀態(tài)下可能發(fā)生的破壞

要保證普通水泥混凝土(pcc)機(jī)場場道路面所有暴露的切縫、邊緣及尖角都具有一定弧度導(dǎo)(倒)角,這對倒角的設(shè)備和金剛石工具提出了更高的要求,國內(nèi)目前尚沒有用于倒角的特殊合金刀具和施工機(jī)械。本項(xiàng)目施工使用的金剛石工具能夠與先進(jìn)的切割設(shè)備(如DIMAS設(shè)備)配套切磨出具有特定圓弧的倒角。在保證機(jī)場路面伸縮縫導(dǎo)(倒)角形式、尺寸、分布方式的合理化方面對金剛石磨削工具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以保證對金剛石工具的高效性,使施工達(dá)到對機(jī)場場道路面所有暴露的切縫、邊緣及尖角導(dǎo)(倒)角達(dá)到美國聯(lián)邦航空管理局的標(biāo)準(zhǔn)。

2 金剛石鋸片的研制

2.1 刀頭的配方設(shè)計

優(yōu)選金剛石的品級、粒度、濃度及胎體材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等性能參數(shù),保證金剛石工具能有效地切割含有鋼筋、混凝土的機(jī)場跑道。

2.2 鋸片的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在金剛石工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計上,設(shè)計異型的金剛石工具刀頭,以滿足切割出具有一定尺寸參數(shù)的圓弧倒角的伸縮縫的要求。為此,可采用2種方法形成符合要求的異型金剛石刀頭。

2.2.1 整體式刀頭金剛石鋸片

利用模具成形符合尺寸要求的金剛石刀頭,整體焊接到鋼基體上一次完成擴(kuò)縫倒角。

2.2.2 分體式刀頭金剛石鋸片

刀頭分2部分,一部分的形狀與常規(guī)刀頭相似,焊接到鋼基體邊緣完成擴(kuò)縫,另一部分則帶有圓弧倒角,焊接到鋼基體的側(cè)面完成導(dǎo)(倒)角。

2.3 不同型號的鋸片在相同施工條件下施工工藝

(1)4 mm鋸片+二片 6 mm 45°導(dǎo)(倒)角組合切割工藝;(2)8 mm導(dǎo)向片+二片6 mm 45°導(dǎo)(倒)角組合切割工藝;(3)8 mm鋸片+二片6 mm 45°導(dǎo)(倒)角分體式組合切割工藝;(4)8 mm鋸片+6 mm 45°導(dǎo)(倒)角整體式組合切割工藝;(5)8 mm鋸片+R4 mm導(dǎo)(倒)角分體式組合切割工藝;(6)8 mm鋸片+R4 mm導(dǎo)(倒)角整體式組合切割工藝;(7)8 mm鋸片+R6 mm導(dǎo)(倒)角分體式組合切割工藝;(8)8 mm鋸片+R6 mm導(dǎo)(倒)角整體式組合切割工藝。

2.4 鋸片種類及特點(diǎn)

2.4.1 “600 mm進(jìn)口金剛石鋸片切縫

該進(jìn)口金剛石鋸片切縫寬度4 mm;用于混凝土升溫階段切伸縮縫,切深達(dá)120 mm;由于鋸片基體較薄切割直線性較難控制。

2.4.2 兩片進(jìn)口 “500 mm 45°角金剛石鋸片倒角

該金剛石鋸片中間夾導(dǎo)向板用于倒角;由于導(dǎo)向板不具有切割能力,切割碎屑容易卡住導(dǎo)向板。

2.4.3 整體式刀頭金剛石鋸片(見圖2)

圖2 “350 mm整體式鋸片(R=6 mm)

利用模具成形符合尺寸要求的金剛石刀頭,整體焊接到鋼基體上一次完成擴(kuò)縫倒角。整體式刀頭金剛石鋸片分以下2種:

(1)“350 mm整體式刀頭。金剛石鋸片擴(kuò)縫寬度8 mm,用于將伸縮縫寬度擴(kuò)大到8 mm,同時進(jìn)行倒角。由于受地面平整度的影響其倒角效果不穩(wěn)定,地面高時鋸片切入較深,倒角后擴(kuò)縫表面變寬;地面低時鋸片切入較淺,可能有切不出倒角的情況發(fā)生。

(2)“560 mm整體式刀頭。金剛石鋸片擴(kuò)縫寬度8 mm,用于將伸縮縫寬度擴(kuò)大到8 mm,同時切出倒角。受地面平整度的影響其倒角效果不穩(wěn)定,地面高時切入較深,地面低時切入較淺。

2.4.4 分體式刀頭金剛石鋸片(見圖3)

圖3 分體式刀頭金剛石鋸片

刀頭分2部分,一部分的形狀與常規(guī)刀頭相似,焊接到鋼基體邊緣完成擴(kuò)縫,另一部分則帶有圓弧倒角,焊接到鋼基體的側(cè)面完成導(dǎo)(倒)角。有2種型號的分體式刀頭金剛石鋸片:(1)“350 mm分體式刀頭金剛石鋸片,其應(yīng)用范圍及特點(diǎn)同 “350 mm整體式刀頭金剛石鋸片;(2)“560 mm分體式刀頭金剛石鋸片,其應(yīng)用范圍及特點(diǎn)同 “560 mm整體式刀頭金剛石鋸片。

3 DIMAS FS-6600D型鋸切機(jī)及改進(jìn)

DIMAS FS-6600D型鋸切機(jī)具有功率大、操作平穩(wěn)等特點(diǎn),適合機(jī)場場道切縫施工。另外具備勻速自行行走、方位自動補(bǔ)償功能,只要在機(jī)場跑道路面標(biāo)定(切割)基線或已存在切割完的收縮縫時,存在明顯易觀測標(biāo)志就能保證切縫的順直。應(yīng)用范圍廣,可安裝不同類型及規(guī)格的金剛石鋸片。

在切割時,如果鋸片方位從切割線側(cè)偏,通過調(diào)整后軸來補(bǔ)償這個偏差,這種補(bǔ)償方式可以保障切割時的方位即直線性;每條切縫起始切割2～3 m可采取強(qiáng)制措施控制切割標(biāo)準(zhǔn)縫作為導(dǎo)向縫,或使用具導(dǎo)向功能的特種異型金剛石工具進(jìn)行切割。由于起支撐作用的前輪離鋸片較遠(yuǎn),鋸片不能及時跟隨地表起伏調(diào)整切深,為此,我們對該設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn),在鋸片下方加裝深度控制輪,達(dá)到控制切深的目的。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)

試驗(yàn)在國內(nèi)某機(jī)場內(nèi)已經(jīng)廢棄的水泥混凝土路面進(jìn)行。

4.1 試驗(yàn)要求和目的

(1)切割擴(kuò)(收縮)縫標(biāo)準(zhǔn):深度30 mm±1 mm;寬度8 mm±015 mm;導(dǎo)(倒)角弧度 R=4 mm、R=6 mm和倒角45°。

(2)檢測操作人員、設(shè)備共同工作的協(xié)調(diào)性。

(3)檢測DIMAS FS-6600D型鋸切機(jī)對切割深度、方向性的控制及對路面的適應(yīng)性。

(4)檢測新研發(fā)的切割刀具的適用性及切割效果。

(5)檢測新研發(fā)的切割刀具切縫和倒角的質(zhì)量能否達(dá)到美國聯(lián)邦航空管理局《指南》和FAA(聯(lián)邦航空局)《西北山區(qū)普通水泥混凝土機(jī)場跑道道面設(shè)計指南的補(bǔ)充規(guī)定》要求。

(6)找出最佳的施工工藝。

4.2 試驗(yàn)過程

根據(jù)跑道路面混凝土施工的要求,以及路面混凝土伸縮縫的構(gòu)造和用途,針對特種異型金剛石工具的加工制作工藝,我們在施工現(xiàn)場進(jìn)行了4種切縫(見圖4)的施工工藝試驗(yàn),施工試驗(yàn)平面分布狀況見圖5。

圖4 施工現(xiàn)場4類切縫示意圖

圖5 試驗(yàn)平面分布圖

(1)Ⅰ類切縫的導(dǎo)(倒)角分三步成型方案:第一步切割4 mm窄誘導(dǎo)縫;第二步切割8 mm擴(kuò)縫;第三步切割4 mm或6 mm導(dǎo)角。I類切縫的優(yōu)點(diǎn)是對施工機(jī)具的集成要求低,缺點(diǎn)是施工程序復(fù)雜。施工效率為3 min/m。

(2)Ⅱ類切縫的導(dǎo)(倒)角分二步成型方案:第一步切割4 mm窄誘導(dǎo)縫;第二步切割8 mm擴(kuò)縫和6 mm導(dǎo)角。Ⅱ類切縫的優(yōu)點(diǎn)是施工工藝簡單、易操作、能減小應(yīng)力集中,缺點(diǎn)是對施工機(jī)具的集成要求高。施工效率為2 min/m。

(3)Ⅲ類切縫導(dǎo)(倒)角分二步成型方案:第一步切割4 mm窄誘導(dǎo)縫;第二步切割8 mm擴(kuò)縫和 R4 mm導(dǎo)角。Ⅲ類切縫的優(yōu)點(diǎn)是施工工藝簡單、易操作、圓弧型倒角能夠更好消除應(yīng)力集中現(xiàn)象,缺點(diǎn)是對施工機(jī)具的集成要求高。施工效率為2 min/m。

(4)Ⅳ類切縫導(dǎo)(倒)角分二步成型方案:第一步切割4 mm窄誘導(dǎo)縫;第二步切割8 mm擴(kuò)縫和 R6 mm導(dǎo)角。Ⅳ類切縫的優(yōu)點(diǎn)是施工工藝簡單、易操作、圓弧型倒角能夠更好消除應(yīng)力集中現(xiàn)象,缺點(diǎn)是對施工機(jī)具的集成要求高。施工效率為2 min/m。

4.3 施工方法

(1)清掃場地,利用經(jīng)緯儀定點(diǎn)劃線,切縫時導(dǎo)向輪對準(zhǔn)基準(zhǔn)線以保證切縫順直度。

(2)用FS-6600D型鋸切機(jī)的刀片和導(dǎo)向?qū)?zhǔn)基線,利用機(jī)械的仿形輪控制切割的深度進(jìn)行道面的切割工作。

(3)在切縫范圍外的槽深漸變段利用切縫機(jī)的提升機(jī)構(gòu)上升或下降刀片完成。

(4)利用高壓清洗機(jī),清洗機(jī)場道面因切縫而產(chǎn)生的浮漿。

(5)在每天施工段的兩邊鋪設(shè)半圓形流水槽,以便收集沿跑道橫波方向流下的因切縫而產(chǎn)生的浮漿,用泥漿泵抽入移動式沉淀池,經(jīng)沉淀后,清水回用,泥漿用污泥車運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。

4.4 施工工藝試驗(yàn)過程

4.4.1 第一次試驗(yàn)

采用的施工工藝組合為:(1)4 mm鋸片+二片6 mm 45°導(dǎo)(倒)角組合切割工藝;(2)8 mm導(dǎo)向片+二片6 mm 45°導(dǎo)(倒)角組合切割工藝。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用4 mm鋸片+二片6 mm 45°導(dǎo)(倒)角組合切割工藝,切割縫寬窄不一,直線度彎曲。主要原因是由于4 mm的鋸片較薄,整體剛度差,鋸片在高速切割中產(chǎn)生了很大的振動,使得切縫出現(xiàn)了上述的現(xiàn)象。而8 mm導(dǎo)向片+二片6 mm 45°導(dǎo)(倒)角組合切割工藝,在操作過程中出現(xiàn)了縫的深淺不一,而造成了有的地方導(dǎo)(倒)角較大,有的部位沒有切割到,嚴(yán)重影響了外觀的效果。

4.4.2 第二次試驗(yàn)

采用的組合為8 mm導(dǎo)向片+二片6 mm 45°導(dǎo)(倒)角組合切割工藝,經(jīng)過了一段時間的操作,情況有所改變,但是效果仍然不理想,達(dá)不到設(shè)計和業(yè)主的要求,仍然是直線度和切割縫寬窄不一。主要的原因是地面不平,設(shè)備的操控系統(tǒng)掌握不好,鋸片沒有達(dá)到設(shè)計的要求,此外是由于鋸片過于單薄,剛度不夠所引起。

4.4.3 第三次試驗(yàn)

首先進(jìn)行了8 mm鋸片+R4 mm導(dǎo)(倒)角分體式組合切割工藝的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行過程中,出現(xiàn)了鋸片“啃邊”的現(xiàn)象。主要原因是刀片齒輪的間距過大,成槽過程中它是切而不是磨,就出現(xiàn)了“啃邊”的現(xiàn)象。然后進(jìn)行了8 mm鋸片+R4 mm導(dǎo)(倒)角整體式組合切割工藝,進(jìn)行了多道切割試驗(yàn),效果比較好,特別是切縫的倒角處比較平順。存在的問題主要還是地面對機(jī)器設(shè)備精度的影響,表現(xiàn)為有的地方倒角比較深,而有的部位沒有切到。但是行走的直線度問題已經(jīng)基本得到了解決。

4.4.4 第四次試驗(yàn)

采用了以下2種工藝:(1)8 mm鋸片+二片6 mm 45°導(dǎo)(倒)角分體式組合切割工藝;(2)8 mm鋸片+6 mm 45°導(dǎo)(倒)角整體式組合切割工藝。本次試驗(yàn)主要是解決設(shè)備和倒角切縫的深度控制的問題。經(jīng)過現(xiàn)場的檢測性施工,發(fā)現(xiàn)切縫深度主要還是由地面的平整度所引起的。我們采取對切縫的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),增加深度控制輪來控制,使設(shè)備能夠適應(yīng)地面高低的變化。

4.4.5 第五次試驗(yàn)

采用了以下2種工藝:(1)8 mm鋸片+R6 mm導(dǎo)(倒)角分體式組合切割工藝;(2)8 mm鋸片+R6 mm導(dǎo)(倒)角整體式組合切割工藝。本次試驗(yàn)采用了深度控制輪來控制切割深度,使得切縫的深度得到了有效的控制,進(jìn)而控制了切縫的寬度,使得切縫在外觀上順直、勻稱,加上 R6 mm導(dǎo)(倒)角的弧型縫口使切縫更加美觀(圖6)。

5 結(jié)論

(1)目前國外的導(dǎo)(倒)角刀片與擴(kuò)縫刀片是分開的,不能夠一次成型。而我們在這次試驗(yàn)中,將擴(kuò)縫和導(dǎo)(倒)角刀片壓縮在一塊鋸片上,能夠有效地解決刀片與導(dǎo)板之間因連接空隙而引起的鋸縫寬度不均勻的問題。

(2)將原來的三次切割改進(jìn)成二次切割,加快了施工進(jìn)度,降低了工程成本,提高了切縫的外觀質(zhì)量。

圖6 R=6 mm的倒角切縫

(3)改進(jìn)了切縫設(shè)備的自動化系統(tǒng),提高了設(shè)備的智能化程度。 (4)特種異型金剛石工具的配方設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計保證了切縫的質(zhì)量。

(5)改進(jìn)了對切縫深度的控制,采用了深度控制輪。

(6)特種異型金剛石刀頭可一次完成切縫導(dǎo)(倒)角,切割效率可以達(dá)到1～115 m/min;既有效保證了質(zhì)量又提高了切縫導(dǎo)(倒)角效率。

(7)根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果,可以比較得出8 mm鋸片+R6 mm導(dǎo)(倒)角分體式組合切割工藝和8 mm鋸片+R6 mm導(dǎo)(倒)角整體式組合切割工藝切割的效果較好(整體式更好,但造價高),因此推薦整體組合工藝。

(8)改進(jìn)后的DIMAS FS-6600D型鋸切機(jī)與我們研發(fā)的整體式特種金剛石工具匹配,在4 mm切縫完成的基礎(chǔ)上一次性完成8 mm切縫的切割導(dǎo)(倒)角工序,能夠達(dá)到美國聯(lián)邦航空管理局《指南》的要求;可以大大提高工作效率(切縫速度比原先提高了40%),降低成本,達(dá)到切導(dǎo)(倒)角最佳效果;可選定最佳優(yōu)化方案。

本研究、研制取得的成果使機(jī)場航道路面維護(hù)更加方便,在其他切縫工程上的推廣應(yīng)用亦有廣泛的前景。

[1] AC 150/5320-6D,美國聯(lián)邦航空管理局對設(shè)計普通水泥混凝土(pcc)機(jī)場場道道面的指南(第二版)[S].

[2] 美國聯(lián)邦航空管理局.美國FAA(聯(lián)邦航空局)西北山區(qū)普通水泥混凝土機(jī)場跑道道面設(shè)計指南的補(bǔ)充[M].2003.

[3] 美國聯(lián)邦航空管理局.美國聯(lián)邦航空航天管理局關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充文件[M].2006.

[4] 美國聯(lián)邦航空管理局.混凝土道面創(chuàng)新研發(fā)基金關(guān)于機(jī)場剛性混凝土道面結(jié)構(gòu)施工工藝的研究報告[R].2003.

[5] 潘秉鎖,方小紅,楊凱華.自潤滑孕鑲金剛石鉆頭胎體材料初步研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(1).

[6] 謝北萍,段隆臣,孟大維.金剛石鉆頭鈷基胎體材料沖蝕磨損的量化研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(12):67-69.

[7] 孫秀梅,劉建福.堅硬“打滑”地層孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計與選用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(2).

[8] 李天明,李大佛,雷艷,等.自激振蕩脈沖射流提高PDC鉆頭機(jī)械鉆速實(shí)踐[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,25(11).

[9] 孫丙倫,孫友宏,徐良.金礦復(fù)雜地層金剛石取心鉆頭選型試驗(yàn)研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(8).

Experimental Study on Chamfering Diamond Saw Blade for Airport Runway and the Construction Technology

YA N J un,FEN G Zuo-f eng(Shenzhen Bureau of Geology,Shenzhen Guangdong 518023,China)

To reduce the stress concentration on the friction between aircraft wheel and road surface and reduce the channel pavement destruction by snow-clean vehicle,to prevent the dust produced in the friction of aircraft wheel and road joints from entering to aircraft engine and to prolong the service life of airport runway,all the exposed kerfs,edges and sharp corners in large airport field road should be chamfered.The study was made on the chamfe-ring diamond saw blade and the chamfering construction technology,which was considerably valuable for domestic airport construction.

airport runway;kerf chamfering;diamond saw blade;chamfering technology

TF125. 3;U416.043

A

1672-7428(2011)08-0059-05

2011-07- 11;

2011-08-01

顏俊(1960-),男(漢族),吉林人,深圳市地質(zhì)局副局長、高級工程師,探礦工程專業(yè),從事技術(shù)和管理工作,廣東省深圳市羅湖區(qū)寶崗路7號,yanjunsz@sina.cn。