摘要：通过对钢纤维混凝土、水泥混凝土和沥青混凝土三种不同材料道面寿命周期单位成本的调研, 以及三种材料道面军事性能的评价, 运用费用- 效果分析原理, 对各种道面的军事经济性进行分析,发现钢纤维混凝土尽管其投资较高, 但是军事经济效益显著, 是军用机场道面的理想材料。
关键词：钢纤维混凝土; 费用- 效果分析; 军事经济性分析
1 引言
钢纤维混凝土是在水泥混凝土中均匀乱向地掺入短而不连续的钢纤维, 使混凝土变成了以钢纤维为拉结料的复合混凝土材料。它显著地提高了混凝土的抗拉、抗弯、抗裂、抗冲击、抗疲劳和韧性、延性、抗磨性能, 是具有良好塑性的新型建筑材料[1]。
20世纪70年代以来, 美、日、英、法、德等发达国家已将钢纤维混凝土应用于机场道面和公路路面。如美国的坦帕国际机场和肯尼迪国际机场的跑道、滑行道和停机坪, 日本的国家公路4号黑矶公路等。我国也在同一时期将钢纤维混凝土开始应用于军事工程中的防护抗爆结构、桩基工程、水工结构及锚喷支护, 80年代初开始在路面工程中应用[1]。
但是长期以来, 钢纤维混凝土机场道面的经济性, 制约了其在我国的推广和应用。人们通常只以一次性投资的费用作为衡量其经济性的标准, 而缺乏对道面寿命周期费用的综合考虑, 对于军用机场来说, 就是缺乏对道面的军事经济性分析。
2 不同材料机场道面的投资、维护费用分析
目前, 我国的机场道面, 大多采用水泥混凝土道面,也修过少量沥青混凝土道面。
水泥混凝土道面应用最广, 其缺点是: 在机轮重复荷载作用下, 抗弯拉和抗疲劳的能力会大大降低, 因此,此类道面厚度较大, 道面厚, 所需材料用量多、投资大、施工期相应增长; 水泥混凝土属脆性材料, 抗裂性能低, 抗冲击韧性较差, 一旦出现裂缝, 很容易引起道面板的断裂损坏而丧失承载能力, 道面的维护工作量很大; 水泥混凝土道面受温度应力影响较大, 使道面板的平面尺寸通常限制在4~6米, 道面接缝数量相应要多, 造成道面抗剥落、耐磨耗能力较低。这些缺点对于军用机场而言, 将大大降低机场的防护能力。此类道面的优点是: 材料价格低, 初始投资适中。
沥青混凝土道面已经少有使用, 一次性投资较大, 使用年限较短。一些年代久的机场使用这类道面也面临着工程维护和翻新的问题, 试验和应用表明, 钢纤维混凝土在力学性能方面大大优于前者, 比较水泥混凝土, 其抗拉强度提高了4~5倍, 抗剪强度提高了2倍多, 抗爆破冲击强度提高了5~10倍, 抗裂能力提高了近7倍, 韧性提高了30~200倍, 抗冻融破坏指标提高了1.9倍, 耐疲劳和抗磨性能均有很大提高, 而且道面厚度减薄40%~50% 。缺点是费用较高, 仅普通钢纤维的价格就在每吨4800元, 影响了钢纤维混凝土的推广和应用[3- 4]。
通过调查比较首都机场、东北某军用机场、华东济宁机场、华中某军用机场、上海浦东机场、西北某军用机场和广州花都机场等不同区域的七个正在施工或刚竣工的民航和军用机场所使用的机场道面的材料价格、初始投资、维护费用,按照军用机场级别, 将不同材料、不同级别的机场道面投资、维护费用列入表1中。
其中, 军用机场按使用飞机的类型将机场划分为一、二、三、四级[2]。为了使评价方案具有可比性, 本文假定同一级别不同材料的道面基层以下条件一样, 仅评价不同材料的道面面层; 表中水泥混凝土道面板厚度取各级军用机场初估厚度参考范围; 表中钢纤维混凝土道面板厚度取水泥混凝土道面板厚度的60%; 表中钢纤维混凝土掺入钢纤维体积率取1%; 增加的水泥量取30kg/m3; 表中水泥为低碱或道路水泥, 其价格取360元/t , 混凝土价格取410元/m3, 沥青混凝土取每厘米厚10元/m2; 钢纤维价格取4800元/t ; 表中钢纤维和水泥混凝土造价包含板缝灌缝价格; 表中沥青混凝土道面板厚度取半刚性基层上沥青层推荐厚度; 各级沥青混凝土道面达到使用年限后, 按铲除原面层再投资建设考虑。
铲除费用取30 元/m2/10cm; 35 元/m2/12cm; 40 元/m2/15cm; 各级沥青混凝土道面按照每5年罩面一次, 罩面厚度取3cm; 年维修养护费综合调研及据有关文献资料[3- 4]而定。
根据工程经济学原理分析各种材料道面的单平方米成本[6]。令设计年限用n表示、建设投资( 万元/m2) 用P表示、每年维修养护费( 万元/m2) 用A表示, 每隔若干年增加的维护费用为Pi, 按照当前的社会折现率i=12% , 则三种材料道面的每平方米成本C计算公式为:
计算可得不同等级不同材料道面厚度单方成本, 见表2。
由分析数据可知, 以三级机场为例, 由于沥青混凝土
道面的后期维护费用远远大于另外两种材料道面混凝土, 其单方成本最高, 平均约为28 万元/m2·年; 钢纤维混凝土的单方成本比水泥混凝土道面单方成本略高, 平均约为17万元/m2·年, 但是厚度要远远小于水泥混凝土道面, 在二者投资相差不多的情况下, 能大大节约材料; 水泥混凝土道面材料价格、维护费用适中, 单方成本约为15万元/m2·年, 但厚度最厚, 材料用量增多, 施工时间也相应增长。
3 不同材料机场道面的军事经济性分析
机场道面的军事特性指标可以用环境适应性、服役时间、抗打击能力、快速修复能力四个指标来评价。环境适应性主要考虑材料受温度应力影响的大小; 服役时间主要以道面设计年限为参考; 抗打击能力主要以材料的抗拉、抗剪、抗裂、抗爆破性能为参考; 快速修复能力主要以材料的价格、损伤程度、修复难易程度为参考。
根据层次分析法( AHP) 可大致确定出四个指标的权重, 再按照满分100分对不同材料道面的四个指标分别打分, 可得出各个材质道面的军事性能综合得分, 见表3。
由此, 我们可以看出, 钢纤维混凝土道面的军事综合能力要远远高于其他两种材料道面的军事性能。我们可以根据费用- 效果分析的原理, 进行各种材质道面的军事费效分析。道面的军事费用- 效果比可用军事效果与费用的比值来大致表示[7]。
按照上式结果, 可计算出不同道面的军事费用- 效果比。见表4。
由表4可知, 钢纤维混凝土道面的军事经济性要大大优于其他两种材料的道面, 是军事工程项目的理想选择。
4 结语
通过对钢纤维混凝土道面、水泥混凝土道面、沥青混凝土道面三种常用的机场道面的物理特性、费用分析和军事费效分析, 可得:
尽管钢纤维混凝土的初始投资较高, 其寿命期使用成本介于普通混凝土道面和沥青混凝土道面之间, 但钢纤维混凝土道面力学特性使得其厚度较小, 抗拉、抗剪、抗裂性能卓越, 因此在军事抗打击、快速抢修、服役年限等方面的优势更加明显, 使得其军事费用- 效果比例最优。此类道面的应用可以大大提高机场的防护能力, 也降低了战时机场的破坏程度, 抢修工程量减小, 抢修时间缩短, 可为战争胜利赢得宝贵时间。因此, 它是一种适合军队工程建设的优良材料。"
参考文献：
[1]王璋水, 章文刚, 等.机场钢纤维混凝土道面的试验研究及工程应用[C].北京: 全国第五届纤维水泥与纤维混凝土会议, 1994.
[2]翁兴中, 蔡良才.机场道面设计[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.
[3]蒙云.钢纤维混凝土路面经济效益评价[C].北京: 全国第四届纤维水泥与纤维混凝土会议, 1992.
[4]卢亦焱.钢纤维混凝土材料及其在路面工程中的应用[J].公路, 1999( 4) .
[5]王国强, 任金兰.高沥青价格下的水泥路面与沥青路面路用经济性能比较[J].陕西公路造价, 2006( 4) .
[6]刘晓君.工程经济学[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2003.
[7]范珉, 余承华, 史业宏.综合费- 效分析的军用机场建设项目灰色评价[J].空军工程大学学报, 2007( 1) .
