В статье рассмотрены техническое состояние взлетно-посадочных полос авиабаз, вопросы организации их реконструкции и ремонта в России. Даны предложения стройиндустрии в области производства и применения аэродромного бетона.

УДК 693

В.П. КУЗЬМИНА, академик АРИТПБ, канд. техн. наук, генеральный директор ООО «Колорит-Механохимия», технический эксперт

После реформы 2008-2009 гг. из 245 авиабаз в России осталось около 70 активно действующих, остальные ныне законсервированы или используются эпизодически. В ближайшие годы процесс сокращения сети авиабаз продолжится, таким образом, в стране останется лишь 27 основных авиабаз. Капитальный ремонт взлетно-посадочной полосы на одной авиабазе стоит около 8 млрд руб.

Большинство авиабаз в России имеют взлетно-посадочную полосу (ВПП) с искусственным покрытием (бетон, армированный бетон, асфальтобетон, реже – металл), что обеспечивает их всесезонную эксплуатацию. Некоторые авиабазы имеют грунтовые ВПП (как правило, такие авиабазы используются для учебно-тренировочных целей или для базирования вертолетов).

В зависимости от размеров ВПП и предназначения авиабазы можно условно разделить на 3 вида.

Крупные (с длиной ВПП 3000 м и более), способные принимать воздушные суда (ВС) 1-го класса: стратегические бомбардировщики, тяжелые транспортные самолеты с полной загрузкой, крупные пассажирские лайнеры и все ВС 2-4 классов.

Средние (с длиной ВПП 2000-2800 м), способные принимать ВС 2-го класса (например, Ан-12, Як-42), а также тяжелые транспортные самолеты (Ил-76, Ан-22) с частичной загрузкой и все ВС 3-4 классов.

Небольшие (с длиной ВПП (1200-1800 м), способные принимать ВС 3-го класса (Ан-24, Ан-26 и так далее) и 4-го класса (Ан-2, Ан-3Т, Л-410 и т.п.), а также вертолеты всех типов.

Классификационное число покрытия, или классификационное число прочности покрытия (англ. Pavement Classification Number, PCN) – нормативный параметр Международной организации гражданской авиации (ИКАО), выражающий несущую способность (грузонапряженность) покрытия взлетно-посадочной полосы аэродрома для эксплуатации без ограничений, используемый совместно с классификационным числом воздушного судна. Классификационное число содержит информацию о прочности взлетно-посадочной полосы. Например, PCN 44/R/B/X/T, где:

PCN 44	— классификационное число покрытия
/R	— тип покрытия
	R	— жесткое покрытие, работающее на изгиб
	F	— нежесткое покрытие, работающее на сжатие
/B	— прочность основания
	A	— высокая прочность: k=150 или CBR=15
	B	— средняя прочность: k=80 или CBR=10
	C	— низкая прочность: k=40 или CBR=6
	D	— очень низкая прочность: k=20 или CBR=3
/X	— коэффициент упругости
	W	— высокое, давление более 1,5 МПа
	X	— среднее, давление не более 1,5 МПа
	Y	— низкое, давление не более 1,0 МПа
	Z	— очень низкое, давление не более 0,5 МПа
/T	— метод определения
	T	— величина определена техническим путем
	U	— величина определена опытным путем

Классификационные числа искусственных покрытий (PCN) аэродромов определяются по действующей в гражданской авиации «Методике оценки прочности покрытий гражданских аэродромов», а в государственной военной авиации по «Методике определения классификационных чисел воздушных судов и жестких покрытий аэродромов авиации Вооруженных Сил». Для жесткого покрытия используется коэффициент Вестергарда (k), выражающий реакцию покрытия взлетно-посадочной полосы в меганьютонах на кубический метр (МН/м³). Для нежесткого покрытия используется коэффициент грузонапряженности грунтового покрытия – CBR (англ. California Bearing Ratio – калифорнийское число), выражающий воздействие нагрузки на грунтовое покрытие по отношению к воздействию на стандартный материал.

В процессе эксплуатации аэродромов происходит разрушение покрытий, которое проявляется в виде различных дефектов (МАДИ (ТУ) от 1999-01-01). К наиболее характерным деформациям и разрушениям аэродромных покрытий относятся:

– на цементобетонных и других покрытиях жесткого типа: шелушение и выкрашивание верхнего слоя покрытия, образование выбоин, раковин и трещин, отколы углов и краев, вертикальные смещения плит, потеря продольной устойчивости плит, разрушение стыковых соединений, сколы кромок плит и разрушение заполнителей швов;

– на асфальтобетонных покрытиях: трещины, волны, наплывы, сдвиги, шелушение и выкрашивание поверхности покрытия, просадки и проломы, расплавление и выдувание;

– на облегченных и переходных покрытиях: разрушения поверхностной обработки, образования колей, наплывов, волн, сдвигов, трещин и изломов, выбоин, просадок и проломов.

Одной из самых острых проблем при эксплуатации российских авиабаз является выход из строя двигателей самолетов при попадании в них частиц бетона или щебня.

В РФ работы по усилению и ремонту аэродромного бетона ведутся фактически постоянно. Летательные аппараты постоянно модернизируются, и для их эксплуатации необходимо качественно изменить подход к системе обслуживания и ремонта ВПП.

К примеру, авиабаза в Кореновске Краснодарского края имеет 2 полосы: 09л/27п размером 380×40 м с асфальтовым покрытием и 09п/27л размером 1800×50 м с грунтовым покрытием. 14 марта 2013 г. началась реконструкция аэродрома. В ходе работ предстояло забетонировать более 356 тыс. м2. Работы проводились в два этапа. В ходе второго этапа реконструкции аэродрома были созданы взлетно-посадочная полоса и весь комплекс объектов аэродромной инфраструктуры (склады и автопарк). ВПП длиной 2500×42 м позволяет принимать различные типы самолетов и вертолетов в любых условиях. Стоимость работ – 6,5 млрд руб. Основной подрядчик проведения работ по реконструкции военного аэродрома в Кореновске – Калужский филиал ФГУП «ГУ СДА при Спецстрое России». На 2016 г. было запланировано выполнение работ на сумму 25,8 млрд руб., в т.ч. своими силами – на сумму 12,9 млрд руб. На 2017 г. – 26,4 млрд руб., в т.ч. на выполнение работ своими силами предусмотрено выделение 13,2 млрд руб.

В этом ракурсе представляет интерес диссертационная работа Д.Н. Внукова «Проектирование полимербетонных слоев усиления монолитных бетонных аэродромных покрытий». Работа выполнена в Воронежском военном авиационном инженерном институте (ведущая организация – ОАО «ГипродорНИИ», г. Воронеж). В работе, в частности, отмечается, что в условиях ограничения средств на строительство новых покрытий актуальной становится модернизация существующих. В этой связи приоритетными направлениями являются разработка способов и методов повышения несущей способности покрытий, применение эффективных материалов, рациональное использование имеющейся материальной базы. Повышение несущей способности покрытия аэродромного комплекса – одна из задач проектирования слоев усиления, уменьшающих напряжения в покрытии. Перспективным материалом для оперативного ремонта аэродромных покрытий является полимербетон, дающий возможность быстрого ввода отремонтированного покрытия в эксплуатацию.

Объектом исследования стали монолитные бетонные покрытия с полимербетонным слоем усиления, лежащие на упругом основании, в условиях воздействия многоколесных опор воздушного судна. Целью работы было проектирование полимербетонных слоев усиления монолитных бетонных аэродромных покрытий достаточной толщины, при их реконструкции на основе математической модели напряженно-деформированного состояния слоя усиления аэродромного покрытия, с учетом коэффициента постели основания.

Эксперимент проводили на аэродроме Пушкин Ленинградской области. Было залито 7 площадок из эпоксидного и фурфуролацетонового полимербетона. Сопоставление результатов экспериментов с полученными данными по параметрическому уравнению оптимальной толщины полимербетонного слоя позволило получить модель влияния слоя усиления на покрытие в период эксплуатации аэродрома. Основой модели явилось утверждение о сложном влиянии полимербетонного слоя усиления на основные напряжения в аэродромном покрытии, лежащем на упругом Винклеровском основании, при этом учитывалось изменение модуля упругости полимербетона от температуры.

Таблица 1. Категории разрушения жестких аэродромных покрытий

Категория разрушения плит	Число плит, имеющих разрушения, %
Категория разрушения плит	Шелушение глубиной свыше 1 см	Отколы кромок в местах швов	Сквозные трещины (продольные и поперечные)	Отколы углов, диагональные сквозные трещины наряду со сквозными продольными и поперечными
I	менее 10	—	—	—
II	от 10 до 30	менее 30	менее 20	—
III	св. 30	30 и более	от 20 до 30	менее 20
IV	не норм.	не норм.	св. 30	20 и более

Было определено влияние толщины полимербетонного слоя на характер изменения напряжений в плите аэродромного покрытия, что позволило прогнозировать нормальные и касательные напряжения в бетоне.

В результате выполнения экспериментов в натурных условиях получена аналитическая зависимость максимальных растягивающих напряжений на нижней границе бетонного покрытия со слоем усиления от физико-механических свойств полимербетонного слоя усиления, его толщины и температуры эксплуатации.

Кроме того, было установлено, что при использовании полимербетонного слоя усиления с коэффициентом Пуассона, меньшим, чем у бетона, касательные напряжения в слое усиления изменяются по квадратичному закону, а при использовании полимербетона с большим коэффициентом Пуассона изменение близко к линейному закону. Также установлено влияние изменения температуры полимербетонного слоя усиления на напряженно-деформированное состояние покрытия. Повышение температуры полимербетона на 10°С эквивалентно увеличению коэффициента Пуассона полимербетона на величину 0,015.

Теоретическую основу исследования составили классические решения задач теории упругости методом конечных элементов и технические решения задач по расчету многослойных плит на упругом основании.

Работа, безусловно, имеет практическое значение. Вполне возможно, что ремонт ВПП таким способом возможен, однако не раскрыты следствия явления скольжения и торможения, а также величина износа колес шасси. Остались «за кадром» воздействие ультрафиолетового облучения на процесс старения полимерного покрытия и изменения прочности на удар и хрупкости слоя полимерного бетона. Неизвестно поведение полимербетонного слоя в результате попеременного замораживания и оттаивания – влияние на работу контактного слоя между цементным и полимерным бетоном, а также на сохранение первичных строительно-технических свойств указанных бетонов и их долговечность. Каков процесс трещинообразования в этом «слоеном» покрытии? Какова окупаемость затрат на такой ремонт во времени?

Прочность и несущая способность покрытия могут быть достаточными, однако наличие на поверхности покрытия большого количества дефектов может привести к предельному его состоянию из-за снижения безопасности полетов в результате возможного попадания в двигатели продуктов разрушения поверхности покрытия.

Капремонт покрытий производят в случае, когда образование повреждений покрытия на ВПП, РД и МС происходит настолько интенсивно, что дальнейшее поддержание покрытия в эксплуатационной готовности с помощью текущего ремонта становится экономически нецелесообразным.

Капитальный ремонт жестких покрытий может быть произведен с использованием монолитного предварительно напряженного железобетона, армобетона, цементобетона, сборных железобетонных плит и асфальтобетона.

Определение состава бетонной смеси, технология производства работ, контроль качества приготовления и укладки смеси, а также приемка готового покрытия должны осуществляться и проводиться как для нового строительства и отвечать требованиям СНиП 3.06.06-88.

Тип асфальтобетонной смеси и ее маркировку для различных участков аэродрома назначают в соответствии с ГОСТ 9128-97 с учетом категории расчетной нормативной нагрузки и климатической зоны расположения аэропорта.

Для аэродромных бетонов применяются различные комплексные функциональные добавки V группы ОМД (органоминеральные добавки).

Патент РФ на изобретение №2167114. Способ приготовления вяжущего (основа – микрокремнезем). Патентообладатель: Дальневосточный государственный университет путей сообщения.

Патент РФ на изобретение №2177919. Бетонная смесь и добавка в бетонную смесь (основа – дисперсный кремнезем). Патентообладатели: Морозов Юрий Леонидович, Цельнер Михаил Ефимович.

Патент РФ на изобретение №2247090. Бетонная смесь, добавка для бетонной смеси «Биотех-НМ», модифицированный добавкой «Биотех-НМ» цемент (варианты) (основа – трепел или метасиликат кальция). Патентообладатель: Цельнер Михаил Ефимович.

Патент РФ на изобретение №2385302. Комплексная добавка и способ ее получения (основа – техногенный глауконитовый песок). Патентообладатель: Брянская государственная инженерно-технологическая академия.

Патент РФ на изобретение №2096372. Способ приготовления комплексного модификатора бетона (основа – микрокремнезем). Патентообладатель: ООО «Предприятие Мастер Бетон».

Патент РФ на изобретение №2144519. Способ приготовления комплексной добавки для бетонной смеси (варианты) (основа – песок кварцевый, или шлак доменный гранулированный, или зола ТЭЦ, или известняк, или цеолитсодержащая порода, молотый цементный бетон). Патентообладатель: Хозин Вадим Григорьевич, 1998 г. Согласно данному патенту органоминеральную комплексную добавку готовят путем смешивания минерального наполнителя, пластификатора и неорганического ускорителя твердения. Смешивание компонентов комплексной добавки осуществляют путем их сухого измельчения до удельной поверхности 2000-6000 см²/г, при этом соотношение компонентов составляет, масс. %: минеральный наполнитель – 75-87,5, пластификатор – 5-10, неорганический ускоритель твердения – 7,5-15. Таким образом, реализуется основной принцип модификации минерального наполнителя, способствующей повышению его поверхностной реакционной способности и степени сродства с компонентами реакции. Присутствие ПАВ предотвращает агрегацию высокодисперсных частиц наполнителя и стабилизирует его свойства, а сам он становится носителем ПАВ. По аналогии с вяжущими низкой водопотребности органоминеральные добавки снижают водопотребность бетонной смеси и становятся более активными элементами в процессе структурообразования бетона по сравнению с добавками, вводимыми в смесь раздельно.

Наивысший результат можно получить, например, при таком же соотношении компонентов добавки при механоактивации в мельнице планетарного типа.

Патент РФ №2182137. Сухая строительная смесь и способ ее получения. Основа добавки – портландцемент + механоактивированный суперпластификатор С-3 и по меньшей мере одна из следующих добавок: противоморозная, уплотняющая, водоудерживающая, дисперсно-армирующая, ускоритель или замедлитель твердения цемента, красящая. 2000 г.

Патент РФ на изобретение №2382004. Органоминеральный модификатор для бетонных смесей и строительных растворов и способ его получения. Основа: активный кремнезем/и микронаполнитель + пластификаторы = Микрокремнезем + нафталинформальдегидный (НФ) или нанокремнезем+ меламинформальдегидный, или зола-унос + поликарбоксилатный (ПК), или метакаолин + лигносульфонатный (ЛС), или гранулированный доменный шлак + (ПК+ЛС), или + (НФ+ЛС). Автор: Вовк Анатолий Иванович. Патентообладатель: ОАО «Полипласт». Микронаполнители: молотые известняк, доломитизированный известняк, доломит. Принудительное смешение до насыпной массы 650 кг/м³, 2008 г.

Комплексные и полифункциональные добавки для бетонных смесей, прочно вошедшие в повседневную строительную практику, можно рекомендовать к применению, как для портландцемента, так и для глиноземистых цементов с применением новых технологий их предподготовки.

Выводы:

1. Установлены направления развития ремонтных работ взлетно-посадочных полос авиабаз.

2. Установлены условия применения комплексных функциональных добавок V группы ОМД (органоминеральные добавки) для ремонтных аэродромных бетонов. Подобное лечат подобным!

3. Установлены направления модернизации производства аэродромных бетонных строительных смесей при установке дополнительного оборудования в виде помольной установки с мельницей планетарного типа.