基于瀝青路面性能衰變特征的養護效果后評估*

曹明明 喬世哲 岳建洪 陳金蓉 張洲洋 陳 陽

(1.四川省交通勘察設計研究院有限公司 成都 610041; 2.西華大學能源與動力工程學院 成都 611730;3.四川成渝高速公路股份有限公司 成都 610021)

目前，瀝青路面養護后評估著重對養護措施的技術效果和經濟效果進行總結和評估，對其選取的技術措施適宜性和經濟性進行分析，是促進養護決策科學化的重要手段，但受制于不同路段檢測數據的完整性和準確性、維修養護歷史、交通量，以及施工質量等因素，養護效果后評估的應用普適性不足，瀝青路面養護后評估仍處于探索階段。文獻[1]通過跟蹤觀測路面宏、微觀指標在養護措施實施前、后的改善程度，評價預防性養護措施的技術效果，并對比不同路段、不同養護措施、不同實施時機等方面，評價預防性養護措施的合理性和時機的正確性，缺乏后期跟蹤；文獻[2]評價了灌縫處理、路面強化劑、灌漿處理和瀝青再生預養護措施實施前后的短期技術效果；文獻[3]基于北京市多條高速公路的實測數據，評價不同養護模式下路面技術狀況指標的變化規律，但并未將其與具體的養護措施相對應；文獻[4]重點分析了養護評估方法的選擇，如性能提升值、措施使用壽命等指標的選取。整體而言，已有研究多僅關注于養護措施實施前后路用技術指標的變化[5-6]，而維修養護后瀝青路面性能衰變多受制于原路面的技術狀況、施工質量、養護措施的合理性和實施時機的正確性、交通狀況等因素，其衰變特征與新建道路存在較大差異，雖國內外眾多學者對瀝青路面技術狀況衰變特征進行了研究[7]，但鮮有學者將其與瀝青路面養護后評估進行關聯。

基于目前公路養護決策的隨意性和時機選擇的亂象，《“十三五”公路養護管理發展綱要》提出：推行養護決策科學化，加快建立公路養護科學決策機制和技術要求，探索建立以公路病害為導向的回溯機制，分析性能衰減規律和病害成因，合理選用養護技術方案，開展養護成效分析。因此，本文依托成雅高速典型路段在加鋪4 cm改性瀝青AC-13C后，10年內瀝青路面技術狀況檢測數據和養護歷程，分析其演變特征，并將其應用于瀝青路面養護后評估分析中。

1 工程概況

成雅高速公路沿線屬亞熱帶濕潤氣候區，主線路面設計結構為：4 cm抗滑表層AK-13A+5 cm中粒式瀝青混凝土AC-20I+6 cm粗粒式瀝青混凝土AC-25II+20 cm水泥穩定碎石基層+30～36 cm水泥穩定碎石(或砂礫)底基層。成雅高速公路在2010-2012年間全線采用4 cm改性瀝青AC-13C罩面，其余年份均以局部養護為主。

根據養護檢測數據資料和養護歷史情況，本文選取成雅高速下行K1932+000-K1942+000進行養護后評估，該路段于2016年左右再次采用4 cm改性瀝青AC-13C罩面，并在2019年對該路段K1939+700-K1939+478主車道進行了銑刨換鋪。

2 瀝青路面衰變預測模型構建及養護效果評價

2.1 瀝青路面技術狀況衰變預測模型構建及養護效果評價

2011-2015年路面分項指標(PQI、PCI、RQI、RDI、SRI)檢測數據的衰變曲線和擬合方程見圖1和表1。方程模型擬合參數獲取精度受制于檢測數據不完整、檢測設備或條件的波動、樁號換算后的誤差，還包括養護維修歷程不齊全，尤其是日常養護過程對局部嚴重病害處治資料往往無法得到統計等因素，其均可能導致擬合后精度相對較差，但養護維修衰變特征是一個長期演變趨勢的分析，更多關注于其變化趨勢，對預測數值可根據逐年數據的添加進行短期預測以提高預測精度。

圖1 路面技術狀況指標擬合

表1 路面技術狀況指標擬合方程

由圖1和表1可得：RQI和RDI規律性并不強，未呈現明顯的加速衰減趨勢，不適宜作為養護時機選擇或后評估的觸發指標；PQI、PCI和SRI在2011-2015年其測值前期衰減較為緩慢，隨通車運營時間的延長，衰減速率顯著增加，而后衰減趨勢逐年變緩，但整體而言，僅SRI測值出現了大幅度衰減，其余各指標測值變化并不大。以2016年4 cm改性瀝青AC-13C加鋪前后數據對比，2015年SRI測值降至78.41，接近下限75，加鋪罩面后瀝青路面抗滑性能得到大幅度改善，SRI測值提升至86.5，其余指標在加鋪罩面前后改善效果并不明顯(PQI、PCI測值提升值2～3)，主要是PQI、PCI尚處于一個相對較高的測值，加鋪前后變化幅度較小，而原路面抗滑性能較差，加鋪罩面后抗滑性能測值提升了10.3%，即該批次罩面主要需改善抗滑性能，養護時機的把握尚可。另將2016年與2018年各指標測值對比分析發現，養護2年后各指標，衰減幅度較小，仍維持在相對較高的水準，原病害處治和加鋪罩面施工質量尚可，可認為該批次養護維修基本達到預期效果。

2.2 瀝青路面裂縫發展狀況分析及養護效果評價

成雅高速公路典型路段病害以裂縫和修補為主，修補多反映養護歷史，裂縫更能體現路面的病害變化特征，因此選取裂縫率CR予以分析。據成雅高速下行K1932+000-K1942+000在2010-2018年路面檢測病害數據擬合曲線(見圖2)和擬合方程(CR=1.64×10-9×t6.37，t為自衰減擬合起點的運營時間,年)可得：2010-2013年瀝青病害數據更體現了這一特征。

2010-2013年該路段裂縫率呈減小趨勢，2013年幾乎無裂縫類病害，間接反映了成雅高速公路針對病害的日常養護較為及時，對路面病害維修極為及時，病害發展抑制較為明顯。但2013-2015年修補類病害大幅度攀升，2016年修補病害為0，可見在2016年該路段進行過加鋪罩面，與養護資料一致(養護資料顯示該路段2016年加鋪過4 cm改性瀝青AC-13C罩面)。經上述分析，結合裂縫類和修補等病害的演變規律，瀝青路面病害的逐年演變趨勢可作為無可靠養護資料時，反演瀝青路面養護歷史的一種近似途徑。裂縫率可作為最為直觀的瀝青路面維修養護決策指標，并結合裂縫率的各類病害構成，選取合適的養護時機和養護措施。

圖2 裂縫率演變規律擬合

3 養護措施觸發指標后評價

結合文獻[8]和JTG 5421-2018《公路瀝青路面養護設計規范》[9]確定相應養護措施的觸發指標為：預防性養護措施實施觸發區間為PQI和PCI均為85～92，RQI為85～90，RDI為80～85，SRI為75，CR為1%～2%；4～5 cm加鋪罩面實施觸發區間為PQI和PCI均為80～85，RQI為85，RDI為80，SRI為75，CR為2%。

前文衰變規律擬合發現，RQI和RDI衰變規律性較差，觸發指標控制時不再考慮RQI和RDI的影響。根據成雅高速下行K1932+000-K1942+000段瀝青路面技術狀況演變特征擬合所得衰變方程，計算各觸發指標標準值對應的典型路段養護實施時機見圖3，發現最先觸發預防性養護措施實施的控制指標為PQI(養護后運營年限為4.4年)，最后觸發預防性養護措施實施的控制指標為裂縫率CR(養護后運營年限為8.4年)；最先觸發4～5 cm加鋪罩面實施的控制指標為PQI(養護后運營年限為7.6年)，但PCI觸發的養護后運營年限為7.9年，與PQI控制指標所得無實質性區別，最后觸發4～5 cm加鋪罩面實施的控制指標為裂縫率CR(養護后運營年限為8.8年)。由此可得，剔除RQI和RDI的影響，該路段養護措施實施的控制指標為PQI，實質上而言，PCI是構成PQI的主體指標之一，其觸發狀況不容忽視，尤其是在確定修復養護措施實施時機時。

結合PQI和PCI指標的綜合影響，預防性養護措施實施的最佳年限在通車運營后的4～6年內，4～5 cm加鋪罩面實施的最佳年限在通車運營后的7.5～8年內。在成雅高速下行K1932+000-K1942+000段養護措施實施時機選取中，瀝青路面抗滑性能指標SRI不容忽視，瀝青路面抗滑性能是行車安全的前提，為強制進行養護實施的最后時機，因此，在養護后運營6.2年時必須進行針對抗滑性能的維修養護措施實施，可采用預防性養護措施，也可采用4～5 cm加鋪罩面，即在2016年左右應進行抗滑性能專項處治，養護資料顯示2016年進行過4 cm改性瀝青AC-13C罩面，顯然這一措施實施時機較為合適。

圖3 成雅高速下行K1932+000-K1942+000段

4 不同養護措施經濟性后評價

據上文分析，4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面觸發養護年限為7.6年，從養護計劃的年度計劃安排角度考慮，此文采用7年。微表處的使用壽命往往較短，此處根據文獻[9]以2～3年計算，超薄磨耗層預期使用壽命在3～4年計算。銑刨恢復措施未對路面結構進行補強，病害處治往往不徹底，壽命期較短，使用壽命依交通量不同常為3～5年，此處以4年計算。復拌就地熱再生處治按文獻[9]服役壽命應不少于5年，但復拌就地熱再生處治若不進行罩面，極易出現裂縫和水損壞，且抗疲勞性能較差，其服役壽命受施工單位施工水平影響較大，預期壽命為3～4年，但采用4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面后，使用壽命大大延長至8～10年[10-11]。常用養護措施經濟性比較匯總見表2。

表2 常用養護措施經濟性比較

由表2可得，路面性能或服役年限由長到短依次為：就地熱再生+4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面>4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面>4 cm SBS改性瀝青AC-13C銑刨換鋪>就地熱再生(不罩面)>微表處。壽命期年度投入總費用平均值從大到小依次為就地熱再生(不罩面)>4 cm SBS改性瀝青AC-13C銑刨換鋪>就地熱再生+4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面>4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面>微表處。

表3 各措施適用的路況條件

整體而言，不進行罩面的就地熱再生處治工藝由于新料添加量較低，施工難度較大，往往壓實后空隙率較大，舊瀝青老化嚴重，路用性能較差，且小面積施工費用較高，從性價比上不作為推薦方案選用，若采用復拌就地熱再生處治，建議對其采用4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面。同時，加鋪4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面后，對附屬設施影響較大，往往需要對防護欄進行提升、對天橋進行頂升，且交通組織費用較大，占道施工給高速公路運營帶來不良的社會影響，但路用性能可得到大幅度提升，服役壽命長，同時，路用性能衰減速度較慢，后期服役性能仍優于微表處等簡易型的預防性養護措施。相對而言，4 cm SBS改性瀝青AC-13C銑刨換鋪并未對結構強度有所提升，且受原路面深層次病害的制約較大，原路面病害嚴重，其服役年限更短，性能衰減更快，好處在于附屬設施影響較小，可占道施工，對交通影響也小。超薄磨耗層和微表處均僅適用于抗滑性能不足或路面病害較少，尤其是深層次病害的情況，以起到防水、耐磨和抗滑的作用，其中，超薄磨耗層應用案例相對較少，其耐久性未知，但其施工速度較快，性能優于微表處，對附屬設施影響較小，更適用于凈高受限、恒重受限的特殊工況下提升路面性能的維修處治。所以，從路用性能改善、維修養護措施的性價比、行車舒適性、服役年限和交通組織等方面綜合考慮，大面積加鋪4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面是一種相對穩妥的提升路面路用性能的處治方案。

5 結論

1) 4 cm改性瀝青AC-13C加鋪罩面后，PCI、 PQI和SRI呈現顯著的衰變趨勢，RQI指標和RDI指標在典型路段中衰變規律性并不強。裂縫率的增長更多服從冪函數，加鋪4 cm改性瀝青AC-13C罩面對裂縫增長速率的抑制效果顯著，裂縫率的增長規律擬合應結合典型路段的養護歷程，充分考慮不同養護措施對裂縫率增長的干涉效應。

2) 典型路段SRI測值在分析期出現顯著衰減特征，且呈現4 cm改性瀝青AC-13C加鋪罩面在前2年SRI基本保持不變，隨后出現大幅度衰退的現象。

3) 養護措施觸發指標的后評價分析，控制瀝青路面維修養護觸發指標多為PQI和PCI，但當抗滑指標衰減至接近臨界值時，應優先采取相應的維修養護措施。

4) 通過壽命期年度投入總費用和路用性能的對比，小規模就地熱再生(不罩面)處治并不是一種高性價比的養護方案，4 cm SBS改性瀝青AC-13C銑刨換鋪性價比并不如4 cm SBS改性瀝青AC-13C罩面，而短期臨時的維修養護措施可考慮微表處和超薄磨耗層，在資金允許的條件下，各類工況均建議優先選用4～5 cm SBS改性瀝青混合料加鋪罩面。