CN101016203A - 一种航空跑道压溃型安全拦阻方块及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种航空跑道压溃型安全拦阻方块，是55～85份粉煤灰或细纱分别同10～25份生石灰、5～20份水泥、1～8份石膏以及0.3～10份铝粉经化学发泡制备的粉煤灰加气混凝土方块或者砂加气混凝土方块，或由模具成型的带有中空长孔的混凝土方块，方块底部有由加强筋加固的加强层。本方块厚度自10～90cm递增，在跑道端部沿跑道方向铺设成厚度和压溃强度均递增的斜坡状安全拦阻跑道，对意外冲出跑道的飞机进行拦阻，以确保飞机特别是乘客的安全。模拟试验表明，本方块铺设的安全拦阻跑道适用于包括波音、麦道和空中客车等大型客机和中小型客机的各种民航客机的有效拦阻，并确保安全。本方块也适用于高速公路急弯处、赛车道等设置安全拦阻跑道。

Description

一种航空跑道压溃型安全拦阻方块及其生产方法

一、技术领域

本发明涉及一种航空跑道的安全设施，特别涉及当飞机冲出跑道时的安全拦阻设施，确切地说是一种航空跑道压溃型安全拦阻方块及其生产方法。

二、背景技术

当飞机着陆或放弃起飞程序时，不能够及时停止，出现意外而冲出跑道，飞机和旅客会遇到不同情况：如果飞机滑行在有足够长度的较坚硬土壤上，可能会安全停下来；但是，如果机场跑道之外是土壤或有雨水、下雪结冰，或在山区江河附近等，飞机滑行的距离和结果如何就要看运气了，往往就会造成机毁人亡的事故。为了使冲出跑道而发生事故的损失最小，美国联邦航空管理局(FAA)规定在跑道的端头必须预留出300米长度的安全区域。世界各国也纷纷对在建的和将要兴建的航空跑道规划设计安全区域。但对已有的航空机场或条件有限的在建和将要兴建的机场，由于机场土地面积(如山区)、机场周边居民区、交通道路、环境条件等限制，无法征集到足够的土地、空间作为完整的安全区域。为解决潜在的安全隐患，在跑道端部设置拦阻设施不失为亡羊补牢的安全保护措施。对军用机场和航母机坪多采用拦阻网或拦阻钢缆绳，这是根据军用飞机和舰载飞机的着陆支架结构设计的。对平时主要用于民航的航空机场，鉴于民用飞机着陆支架结构和普通旅客的人身安全考虑，多设置压溃型拦阻安全跑道，这为民航飞机场的最佳安全拦阻设施选择。

该安全拦阻跑道是由厚度以及压溃强度递增的系列方块构成的斜坡状软道面。方块是根据飞机特定的减速阻力设计加工的，其在飞机滑行过程中被碾压，并通过飞机自重造成依次逐渐形变、溃碎对飞机着陆轮组及起落支架做功，产生阻力(压溃拦阻)以衰减滑行速度直至为零，这种拦阻方块的减速力学原理完全符合飞机本身原先的着陆荷载设计要求。拦阻跑道斜面的主要作用是：在飞机对拦阻方块碾压过程中，使拦阻方块与飞机着陆轮组的接触面积和压溃强度依次加大，导致拦阻的作用力逐渐增加，这样安全拦阻跑道可以适用于多种类型飞机的安全拦阻。

对于这种压溃型拦阻方块所用的材料，主要性质应该具备有：脆性、可调控压溃强度、受水影响的材料性质变化较小，不招引各种生物、无静电、不燃或助燃、火灾中不会放出有害气体、可长期保持其材料性能稳定、耐候性好、对飞机和乘客的可能损害最小、便于日常维护、以及可以经济地大批量工业化生产等。

多年以来，对于这种设置在跑道端头区域的压溃型跑道拦阻设施，航空机场研究人员曾建议采用多种可压溃的材料或设施，但是结果都不理想。例如，将河砂装入防水包装袋中作为拦阻块，然而，砂包容易破碎，雨水及冰雪可以进入包装袋之间孔隙，拦阻效果极差。还有选择设置大面积的浅水池，但是在冬季水结冰后，拦阻效果失效，还可能招引野生动物，造成飞行事故。碎石作为另一个选择，与土壤或河砂相比，受到天气的影响较小，但是碎石会阻碍飞机着陆轮压入土壤，还可能造成飞石对飞机发动机的损坏等。

美国专利US5193764公开的飞机拦阻系统采用酚醛泡沫材料或者具有刚性、脆性、耐火性的板材多层组合而成，其厚度和压溃强度因具体航空机场条件而变化。这些材料若伴有火灾，则立即失去拦阻减速作用，并且该材料本身具有一定的压缩回弹性，可导致拦阻减速失败或减弱，即拦阻结果难以预测。

美国专利US5902068、US6726400公开了一种由水泥(建议使用早强水泥，在实际生产中只能使用这种水泥)、发泡剂和水用物理发泡工艺加工的泡沫混凝土拦阻方块。首先用水泥和水制备泥浆，单独用发泡剂和水经剧烈搅拌物理制备有大量泡沫的添加剂，然后将泥浆和添加剂两者混合搅拌后，浇注于模具中，经自然养护形成发泡混凝土方块。

美国专利US5885025、US6971817公开了在泡沫混凝土方块外，再包裹一层水泥薄板材，以保护泡沫混凝土方块避免被喷气飞机尾气的破坏，以及提高耐水性。

三、发明内容

本发明旨在提供构建压溃型安全跑道用的拦阻方块。所要解决的技术问题是：选择适宜的材料及其生产方法，使拦阻方块符合特定的飞机拦阻目的，如具有必要的、均匀的中空结构，以及可被脆性压溃的拦阻所需的强度。

本拦阻方块的技术方案有两种：

(一)、是以铝粉为发气剂制备的粉煤灰加气混凝土方块或者砂加气混凝土方块，其内有通过化学反应所发泡形成的中空气泡，其底部为由加强筋加固的加强层。如图1所示。通过调节加气混凝土原料配比和中空气泡的数量与密度，使拦阻方块获得可调控的脆性压溃拦阻所需的强度。

其生产方法包括原料和水的混合搅拌、浇模发气、脱模切割、预养和蒸养，与现有的物理发泡的泡沫混凝土的拦阻方块技术的区别在于：

(1)本拦阻方块包括下述重量份数的原料

粉煤灰或细砂55～80份，  生石灰10～25份，

水泥5～20份，           石膏1～8份，

铝粉0.3～10份。

优选：

粉煤灰或细砂60～70份，  生石灰15～20份，

水泥10～15份，          石膏2～5份，

铝粉0.5～8份。

将粉煤灰同生石灰等其他原料混合后加水搅拌成浆料或者细砂同生石灰等其他原料混合后加水搅拌成浆料，浇注于预设有加强筋和隔离剂的模具中，任其化学反应发气，形成多孔结构的粉煤灰加气混凝土方块或者砂加气混凝土方块。细砂为建筑业作骨料用的河砂、陶砂等。按水料比0.55∶1～0.75∶1或者0.6∶1～0.7∶1的比例加水搅拌制备浆料。加强筋选自金属丝网或钢筋网片或耐碱玻璃纤维或其网布等，其作用是在方块底部形成加强层，以减少搬运、安装施工过程中的损坏。隔离剂选自塑料薄膜或机油，旨在方便脱模。

(2)待发气反应结束后移至预养室中，于50～70℃条件下预养1～2小时，然后脱模，切割成方块。

(3)切割后的方块移至蒸养釜中，蒸气压力10～14kg/cm²、180～195℃条件下蒸养5～7小时。冷却、降压后出料，即得到其内具有中空气泡的多孔结构的粉煤灰加气混凝土拦阻方块或者砂加气混凝土拦阻方块。

(二)、是以水泥浆料经模具成型的混凝土方块，其中有中空长孔(空洞)，底部为由加强筋加固的加强层。如图2所示。通过调节混凝土的配方比，如添加不同重量份数的粉煤灰或/和细砂等，以及中空长孔的疏密分布及其截面形状和大小不同比如或圆形或椭圆形或矩形或三角形或梯形或菱形等措施，使拦阻方块获得可调控的脆性压溃拦阻的强度。

其生产方法是将普通水泥和水搅拌混合成浆料或者水泥40～80份，粉煤灰或/和细砂20～60份与水搅拌混合成浆料，然后浇注到预置有芯模、加强筋和隔离剂的模具中，初凝后抽出芯模、常规养护便得到具有中空长孔结构的混凝土拦阻方块。粉煤灰或/和细砂的相对比例，可根据具体拦阻方块的脆性压溃强度要求来确定。

在本两种技术方案中，所使用的水泥是一般建筑行业用的水泥，比如硅酸盐水泥或/和矿渣水泥或/和粉煤灰水泥或/和碱激活水泥等。碱激活水泥是土壤聚合物水泥、碱矿渣水泥、碱激活粉煤灰水泥、碱激活火山灰水泥等。与硅酸盐类水泥的硅酸钙的水化反应机理完全不同，碱激活水泥以偏高岭石等无定形硅铝氧化合物材料为主要活性成分，以及高炉矿渣、电厂粉煤灰、硅灰等工业废渣组成，在生石灰等碱盐或碱的激活作用下，聚合反应形成大量网络状沸石型结构的硅铝链胶凝产物，起到水泥的胶凝作用。

本两种技术方案所产生的拦阻方块所组成的安全拦阻跑道，是由系列方块构成的斜坡状安全拦阻道面，从正常跑道端部向外沿着跑道长度方向，方块厚度以及压溃强度递增。如图3所示。

本方块是根据飞机特定的减速阻力设计加工的，其在飞机滑行过程中被碾压，并通过飞机自重造成依次逐渐形变、溃碎，对飞机着陆轮组及起落支架做功产生阻力(压溃拦阻)以衰减滑行速度直至为零，这种拦阻方块的减速力学原理完全符合飞机本身原先的着陆荷载设计要求。

本方块的铺设是根据方块的厚度，沿着跑道长度方向，将整个安全拦阻跑道分为2-3个拦阻区域。在同一区域中的拦阻方块的强度相同，方块的厚度由10公分至90公分范围递增。区域的交替处，方块可以上下重叠排列，使相邻的两区域间的压溃强度呈渐增高式过渡。拦阻方块的底部用沥青或其它防水型粘合剂与地面相固定，以免拦阻方块移动。

拦阻跑道斜面的主要作用是：在飞机对拦阻方块碾压过程中，使拦阻方块与飞机着陆轮组的接触面积依次加大，导致拦阻的作用力逐渐增加，本拦阻跑道可以适用于多种类型飞机的安全拦阻。

粉煤灰加气混凝土拦阻方块或者砂加气混凝土拦阻方块其湿密度和干密度可通过改变原料配比，特别是铝粉的用量进行调整，从而得到不同容重和脆性压溃强度的粉煤灰加气混凝土拦阻方块或者砂加气混凝土拦阻方块，以满足具体安全拦阻跑道的设计要求。以铝粉为发气剂，通过化学反应膨胀发泡形成多孔结构，气泡的大小较为均匀，只要物料搅拌混合均匀，其气泡分布、密度也较为一致，特别是经过高温高压蒸养处理，胶结料中水化反应完全，使方块的整体性能各向同性且稳定，不随时间的推移而变化，其产品完全可以满足飞机压溃型拦阻方块的技术要求。

与加气混凝土相比，泡沫混凝土虽然同属多孔结构，有相似的外观和相近的力学性能，但是多孔结构形成的方法不同，泡沫混凝土中的中空气泡是由泡沫借助物理强力搅拌方法，掺入料浆中固化形成的，泡沫大小不同，也无法均匀排布，在固化过程中还会游走、上浮、形变甚至破灭，致使气泡的大小和分布不可能均匀、一致，其力学性能各向异性，容易开裂，而且只经过常规养护，水化反应不充分，其力学性能甚至几何尺寸都不稳定，耐候性差，其产品在实际工业应用极其有限。

更具体地说，虽然泡沫混凝土的组成的原材料简单，但是，泡沫混凝土的生产工艺是相当复杂和难以控制。世界上至今为止，生产制造泡沫混凝土的技术和设备还远不如生产加气混凝土的技术和设备成熟，泡沫混凝土生产必须要大量人工操作控制。由于在水泥浆中产生气泡的原理、搅拌方式和搅拌过程所用时间、水泥的水合反应速度及温度对气泡的稳定性等影响，因此导致泡沫混凝土内部密度很不均匀，这样也就造成其力学强度以及其它性质的很不均匀性(各向异性)。特别是，在大批量产品生产过程中，这些材料不均匀缺陷是难以避免，而且不可进行调控，作为跑道安全拦阻方块用途来使用时，是不能接受的。也就是说，泡沫混凝土的拦阻作用和效果难以预测。

实验表明，加气混凝土气孔率60～80％，密度为200～1500Kg/m³，其抗压强度与密度正相关，并可稳定保持10年以上，700℃以下不会损失强度，可抵抗喷气飞机尾气的伤害。

具有中空长孔结构的混凝土拦阻方块生产方法简单，可通过改变配方比如添加粉煤灰或细砂以及中空长孔的数量及其截面形状和大小，可以得到不同脆性压溃强度的拦阻方块以满足具体安全拦阻跑道的设计要求。

模拟试验表明，本两种技术方案所产生的拦阻方块适用于包括波音、麦道和空中客车等大型客机和小型客机的各种民航客机的有效拦阻，对飞机的破坏最小，特别是能充分保护乘客的人身安全。本拦阻方块，不仅适用于民航机场跑道，也适用于高速公路急弯处、赛车道等正常跑道端部设置安全拦阻跑道。

特别指出是，本拦阻方块也很适用于军用机场跑道。军用机场多设置在山区或较隐蔽的地区，本压溃型拦阻跑道可增加机场跑道的有效长度，提高机场跑道的利用率。除了需要人工时刻监视控制的拦阻网和拦阻钢缆绳设施之外，还可以再附加一种长期自我维持的飞行安全设施，无需人工值守，对于军用机场的安全保障有重要意义。

四、附图说明

图1：粉煤灰加气混凝土拦阻方块或砂加气混凝土拦阻方块结构示意图。

图2：中空长孔混凝土拦阻方块结构示意图。

图1和图2中，1为粉煤灰加气混凝土拦阻方块或砂加气混凝土拦阻方块内的中空气泡，2为加强层，3为混凝土拦阻方块内的中空长孔。

图3：冲出跑道的飞机、压溃型拦阻方块及其拦阻跑道示意图。

五、具体实施方式

现以定点浇注法(浇注机固定、模具移动)加工1米×1米、厚10～900mm的拦阻方块为例，非限定实施例叙述如下：

取金属组装模具，内喷130#机油作隔离剂，底部置放耐碱玻璃纤维布。对加工中空长圆孔混凝土拦阻方块来说还需平行置放若干根圆芯模。

1、取粉煤灰67份，生石灰17份，硅酸盐水泥13份，石膏3份，铝粉5份，投入浇注搅拌机中混合搅拌，再加入65份水继续搅拌成浆料，然后浇注于模具中，控制料浆厚度约为模具高度的2/3，浆料在模具中反应发气并膨胀，待料浆不再升温、膨胀时移入预养室中，60℃保温2小时，然后脱模切割，送高压蒸养釜中蒸气养护，温度190℃、蒸气压力12kg/cm²，维持6小时，最后冷却、降压、出料即得到粉煤灰加气混凝土拦阻方块。

2、取细砂65份，生石灰18份，碱激活水泥15份，石膏5份，铝粉6份，水65份，其余操作同实施例1。得到砂加气混凝土拦阻方块。

3、取100份矿渣水泥、60份水，或者80份粉煤灰水泥、20份河砂和60份水，或者75份碱激活水泥、15份河砂、10份粉煤灰和65份水，投入浇注搅拌机中混合搅拌成浆料，然后浇注于预设有圆芯模的模具中，初凝后抽出圆芯模，切割，蒸气养护，得到具有中空长圆孔结构的混凝土拦阻方块。

Claims (7)

1、一种航空跑道压溃型安全拦阻方块，其特征在于：由化学发泡制备的底部为由加强筋加固的加强层(2)的粉煤灰加气混凝土方块或者砂加气混凝土方块，各原料重量份数如下：

粉煤灰或细砂55～85份，    生石灰10～25份，

水泥5～20份，             石膏1～8份，

铝粉0.3～10份。

2、根据权利要求1所述的压溃型安全拦阻方块，其特征在于：各原料重量份数如下：

粉煤灰或细砂60～70份，    生石灰15～20份，

水泥10～15份，            石膏2～5份，

铝粉0.5～8份。

3、由权利要求1所述的压溃型安全拦阻方块的生产方法，包括混合搅拌、浇模发气、脱模切割、预养和蒸养，其特征在于：将55～85份粉煤灰或细砂、10～25份生石灰、5～20份水泥、1～8份石膏和0.3～10份铝粉投入浇注搅拌机中混合搅拌，然后按0.55∶1～0.75∶1的水料比加入水制备浆料并浇模、待发气反应结束后于50～70℃条件预养1～2小时，最后于蒸养釜180～195℃、10～14kg/cm²蒸养5～7小时。

4、一种航空跑道压溃型安全拦阻方块，其特征在于：由水泥浆料经模具成型的混凝土方块，其中有中空长孔(3)，底部为由加强筋加固的加强层(2)。

5、根据权利要求4所述的压溃型安全拦阻方块，其特征在于：由水泥、粉煤灰或/和细砂浆料经模具成型的混凝土方块，其中有中空长孔(3)，底部为由加强筋加固的加强层(2)。

6、根据权利要求4或5所述的压溃型安全拦阻方块，其特征在于：所述的中空长孔(3)其截面为圆形或椭圆形或矩形或三角形或梯形或菱形的中空长孔。

7、由权利要求1或4所述的压溃型安全拦阻方块所组成的安全拦阻跑道，其特征在于：由厚度为10cm～90cm不等的系列方块自跑道端部沿跑道长度方向延伸且方块厚度和压溃强度递增的斜坡状安全拦阻跑道，方块用沥青或防水粘合剂与地面固定，整个安全拦阻跑道划分为2～3个拦阻区域，同一区域中压溃强度相同，相邻两区域的交替处方块可上下重叠排列。

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