非洲某公路項目瀝青路面預防性養護應用研究

和 志

中國路橋工程有限責任公司

1 引言

非洲欠發達地區普遍面臨公路基礎設施需求巨大但資金緊缺的矛盾，很多新建成道路由于缺乏及時有效的養護管理，瀝青路面極易出現早期損害，使用壽命和服務水平遠不及預期，使得地區內基建供需矛盾更為突出。重視并主動使用預養護技術，能夠有效處理瀝青路面早期病害、改善路面功能狀況，延緩路面性能衰減，從而降低路面全壽命周期養護費用，一定程度上能夠緩解當地面臨的基礎設施供需矛盾。

2 路面預防性養護

路面預防性養護即PAVEMENT PREVENTIVE MAINTENNANCE（簡稱PPM）于1980 年代由美國SHRP 提出，是指為了提高路面全壽命周期養護效益，在沒有發生損害或者只有病害跡象或輕度病害的路面，采取不影響原路面結構和強度的主動養護措施，達到阻止病害進一步發展，以保持和改善路面使用性能。根據國內外有關機構統計資料顯示，公路實際使用壽命僅為設計壽命的40%～50%，某些高速公路運行2～3 年后就出現比較嚴重的病害。設計階段對路面結構方案的優化和使用階段及時采取預防性養護措施對路面功能的發揮都具有重要影響。分析認為，道路壽命周期內進行至少3次預防性養護可以延長實際使用壽命約38%，節約道路大修費用27%。安哥拉自上世紀70年代獨立以來，長期處于內戰，公路管理和養護水平很低，很少考慮采用預防性養護。根據我們的調查，2020年內戰結束后，安哥拉政府開始大規模修復國內公路網，但公路養護管理水平卻不能及時跟進，安國境內約70%以上的新建公路僅僅在通車2～3年后就要進行中大規模修補。因此，無論對當地道路主管部門的道路養護管理還是承包商的合同風險管理，都必須高度重視預防性養護。

3 安哥拉某高速公路概況

安哥拉CN 項目位于該國北部，全長208km，是該國北部第一條高速公路，也是該國自內戰結束后建設的第一條高速公路，2015 年5 月竣工初驗。項目沿線區域為熱帶草原氣候，常年濕熱多雨，年平均降雨量1650mm，路面早期病害多為水損害。根據項目部現場調查統計，病害有為坑槽、橫向裂縫、局部路基沉降（低洼地段涵洞處尤甚）、表面層松散和麻面以及車轍和平整度下降。安哥拉當地當年10 月至次年3 月為雨季，降水十分頻繁，路面病害處于高發期，如無針對性采取預防性養護措施，雨季期間很難對路面病害進行有效維修，且道路養護成本高于預期。2018年以前，安哥拉國內尚未全面控制車輛超載，貨車超載現象十分普遍，更是加劇了路面損壞。對此，該項目承包商在竣工交驗后，精心制定了養護工作計劃（該國法律規定道路缺陷養護期為3年），并加強道路檢測和評價，大力開展道路預防性養護工作，積極開展相關研究，保證了養護期內路面的良好使用性能，順利完成項目最終竣工交驗。

4 預防性養護技術對策選擇

預防性養護強調“針對不同路面采取及時有效的養護措施”，預防性養護的關鍵是養護工作的介入時間和采用的養護技術。

4.1 路面技術狀況評價和決策

路面技術狀況評價是決策預防性養護時機的基礎，通過對目標道路的路面狀況評價，可以判斷該決策時原路面狀況是否適合預養護。由于安哥拉當地無相關規范和統計數據，經過分析并咨詢業主，我們采用中國規范推薦評價方案，即對不同等級公路瀝青路面的預養護宏觀路況技術標準采用路面使用性能指數（PQI）和5個的分項指標進行評價。公路路面技術狀況分為5個等級，具體如表1所示。

表1 公路路面技術狀況評定標準

指標權重系數高速公路、一級公路二、三、四級公路WPCI 0.35 0.60 WRQI 0.40 0.40 WRDI 0.15-WSRI 0.10-

式中：

PCI——路面損壞狀況指數；

RQI——路面行駛質量指數；

RDI——路面車轍深度指數；

SRI——路面抗滑性能指數；

PSSI——路面結構強度指數。

根據規范要求，當路面結構強度充足（PSSI≥85）且路面破損狀況指數PCI≥85，即可判斷原路面適宜采用預防性養護。

在宏觀路況標準滿足預防性預防性養護要求的前提下，需要對原路面作評價微觀路況，具體標準為以下幾點。

（1）輕微程度橫向裂縫、縱向裂縫、細小裂縫。

（2）深度小于15mm車轍。

（3）輕微的表面不平整（擁包、沉陷）。

（4）各種程度的泛油、老化、松散。

（5）輕微程度的抗滑不足、輕微滲水。

根據2015年8月對項目標段1的路況調查和檢測結果，原路面調查基本情況見表2（節選）。

表2 CN公路的基本情況

綜合分析CN項目標段1路面宏觀和微觀路況評價結果，可以得出原路面狀況符合預養護的結論，應當及時采取預養護措施。

工作實踐中，結合國內規范推薦的預防性養護措施應用的時間（從路面新建、上一次大修或預防性養護后起算），對安排預養護計劃也有很大的參考價值，碎石封層3～5年，微表處3～5年，薄層罩面3～6年。

4.2 預防性養護對策選擇

對策選擇通常要技術、經濟和工程等多個因素進行綜合考慮。在數據充足情況下，對策選擇分為三個步驟，分別考慮技術、經濟和適用性因素。

4.2.1 技術因素分析

該環節中，路面病害類型及損壞程度、道路等級和交通量是重點考慮的因素，一般選擇在技術方面適用的預防性養護措施，見表3。

根據表2 和表5，針對CN 公路項目標段1，我們選取的預防性養護措施有（1）微表處、（2）復合封層、（3）薄層罩面。

4.2.2 費用效益分析

通過費用效益分析，可以比選出費用效益良好的預養護措施。目前常用等效年度費用法進行費用效益分析（Equivalent Annual Cost Method，簡稱EAC）。

等效年度費用法方程為：

EAC=單位成本/期望壽命單位成本可根據預養護措施所需的的材料、施工等費用確定。

期望壽命一般根據使用經驗確定，結合規范推薦值，微表處期望壽命3～5 年，復合封層3～5 年，薄層罩面4～5 年。規范推薦各類措施使用壽命如表4。

表3 各等級道路適用的預防性養護措施

表4 預防性養護措施的使用壽命

單位成本由項目部根據擬定的養護方案和成本資料測算，期望壽命采用規范推薦值，考慮到安哥拉的氣候和交通量因素，我們采用期望壽命下限值，分別計算微表處、復合封層和薄層罩面的EAC 值，即5.38美元/年、9.5美元/年和14.38美元/年。值得注意的是，盡管微表處具有最佳的費用效益，仍需要進一步分析才能最終確定最佳預養護措施。

4.2.3 措施適用性分析

在費用效益分析的基礎上，針對具體的項目還需要進一步分析和考慮施工質量、氣候、材料可用性、交通干擾等因素，分別對三種初選的預養護措施進行評價，確保預養護措施的工程適用性。一般采用項目級綜合評判法評價，計算方程為：

式中：

K——綜合評判系數；

Cij——第i 種待選養護措施針對第j 種影響因素的特征屬性值；

Wj——第j種影響因素的權重系數；

N——影響因素的數目。

由于安哥拉公路主管部門缺少相關統計資料，我們采用國內規范給出常見養護措施特征屬性分值范圍及推薦值。通過對三種擬選養護措施的綜合評價，微表處、復合封層和薄層罩面的k 值分別為5.67/3.25/4.66，即可選定微表處為該路段預養護措施。

4.3 養護效果

CN 項目在2015 年雨季來臨前制定了預養護計劃并采取微表處養護，明顯減少了因裂縫滲水引起路面和基層的損壞。2016 年在全線開展了路面技術狀況評價和預養措施決策，多個路段經過分析評價后采取了更具有針對性的預養護措施，路面病害情況明顯改善，極大提升了路面使用性能。2017年5月，安哥拉國家公路局聯合國家工程試驗室對CN 項目全線進行了彎沉、平整度和基層完整性、路面破損狀況檢測，檢測結果符合南部非洲規范要求，項目順利通過業主最終驗收，CN 項目也成為中資企業在該國首個按期終驗項目。

5 預防性養護技術

5.1 微表處

微表處與稀漿封層類似，且在材料彈性和高低溫性能、強度形成和抗滑西能上有顯著改善，適用范圍更廣。一般適用于路面早期出現輕微病害情況，避免病害的發展，在預防性養護措施中使用較為普遍。

5.1.1 材料

微表處施工材料主要是改性乳化瀝青、礦料、填料、添加劑、水和玻璃纖維，各項材料的性能應該滿足規范要求。混合料的配合比設計應滿足規范要求，并與項目環境和施工方案（單層或分層攤鋪，是否車轍填充等）相適應。混合料按礦料粒徑不同，可分為MS-2型（主要用于高等級公路罩面和車轍填充）和MS-3型（適用于二級及以下等級公路）。

5.1.2 施工工藝流程

施工準備（配合比、試驗段、設備調試、原路面處理或補強）、路面清掃、測量放樣、攤鋪混合料、初期養護、開放交通。

5.1.3 注意事項

微表處攤鋪機的拌和箱推薦大功率雙軸強制拌和攪拌式，同時配有專用的V 型車轍攤鋪槽。原路面整體結構強度不足的，不能直接采用罩面，必須根據情況選擇合適的方法進行補強。微表處施工過程中關鍵環節較多，技術含量高，需對操作人員做專門系統培訓，確保施工中的質量控制滿足規范要求。初期養護較為重要，封閉期間禁止一切車輛和行人通行。

5.2 復合封層

復合封層是在碎石封層上在施工一層稀漿封層、微表處或薄層罩面的雙層處置層技術。根據不同的道路狀況，選擇不同的復合封層方案，同時能發揮兩種預防性養護措施的優點，達到更好的養護效果。目前，非洲地區使用較多的開普封層（CAPE SEAL），它是在碎石封層上進行微表處或稀漿封層，形成復合表面磨耗層。上層稀漿封層的使用，能夠改善底層碎石封層石料早期脫落的問題，同時能夠提高封層的防水性能和抗滑構造深度，改善路面其他和美觀。最初開普封層主要用于低等級公路，但隨著瀝青材料的發展，以改性瀝青或橡膠瀝青碎石封層為底層的開普封層，在高等級公路養護中也有廣泛應用。

5.2.1 材料

早期的開普封層主要使用中凝稀釋瀝青/乳化瀝青碎石封層和稀漿封層，隨著材料科技的發揮，橡膠瀝青、SBS改性瀝青在封層中廣泛適用，稀漿封層中也多添加玻璃纖維，以改善封層的使用性能。石料、稀漿封層混合料均應滿足規范要求，混合料配合比設計應充分考慮工程因素和施工因素。

5.2.2 施工工藝流程

先施工底層碎石封層，碎石封層施工完畢后，其表面干燥、不粘輪時即可攤鋪稀漿封層，通常晴朗天氣條件下，碎石封層與稀漿封層施工間隔時間24h。碎石封層和稀漿封層各自施工工藝仍應遵循其原有工藝要求。

5.2.3 注意事項

底層碎石封層集料粒徑和上層稀漿封層混合料類型搭配相對固定，但不同國家運用有差異。美國國內多采用6mm～7mm單一粒徑碎石封層，南非多采用10mm～12mm 單一粒徑碎石封層。用于高等級路面養護，建議采用橡膠瀝青，可以很好地抑制裂縫的反射。

5.3 薄層罩面

薄層罩面是一種具有較大構造深度、抗滑性能好的磨耗層，主要用于提高道路瀝青表面層服務功能，厚度一般在25mmmm～35mm。薄層罩面適用于結構強度足夠、瀝青層表面狀況尚好的路面，允許路面有輕微病害；多用于大交通量的路面及路面出現量大且范圍廣的非結構性病害情況。

5.3.1 材料

原材料和瀝青混合料指標應滿足規范要求。試驗室檢測項目和施工現場檢測頻率應符合規范要求。

5.3.2 施工工藝流程

由于罩面層較薄，混合料攤鋪碾壓過程中易冷卻，同時需要控制振動碾壓作業，避免集料碾壓破碎。工藝控制重點為混合料設計、施工過程溫度控制、壓實機械選型和碾壓方案制定。

5.3.3 注意事項

混合料攤鋪時避免離析，確保攤鋪和碾壓溫度，表面無明顯輪跡。罩面成型后須根據混合料溫度（＜50°C）控制開放交通時間。罩面層橫坡應與整幅路面保持一致，避免路面橫向排水順暢。

6 結語

預防性養護的良好經濟效益已經得到公路基礎設施行業各方的認可，相關技術的運用已經日趨普遍。預防性養護的關鍵在于“及時介入”，即對擬養護路面進行宏觀和微觀評價確定養護時機。養護效果的發揮取決于能否“對癥下藥”，即根據評價結果，綜合考慮技術、經濟和適用性，靈活地選用最佳預養護技術。以安哥拉CN項目為例，詳細分析了預養護技術的決策和使用后效果，決策流程和養護技術在南部非洲地區比較具有典型性，可供其他項目參考。