瀝青路面坑槽修復(fù)效果現(xiàn)場(chǎng)量化評(píng)價(jià)技術(shù)

陳磊磊 潘尚啟 錢(qián)振東 劉 剛

(1東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心， 南京210096)(2中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司公路與市政設(shè)計(jì)研究院， 成都610000)

坑槽作為瀝青鋪面最為常見(jiàn)的病害之一，不僅嚴(yán)重影響行車(chē)舒適性與安全性，而且會(huì)縮短路面的使用壽命.坑槽一般采用挖除后填補(bǔ)修復(fù)材料的方式維修，這種維修方式在國(guó)外也稱(chēng)為永久式修補(bǔ)，期望維修壽命可以維持到路面中修[1-2].然而，永久式修補(bǔ)也很難真正永久，坑槽維修后的壽命參差不齊.坑槽問(wèn)題仍是困擾瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理單位的主要問(wèn)題之一.隨著我國(guó)公路事業(yè)進(jìn)入“建養(yǎng)并重”的時(shí)期，解決坑槽養(yǎng)護(hù)維修難題的需求日益凸顯.

為了提高坑槽修復(fù)的效果，國(guó)內(nèi)外對(duì)新型坑槽修復(fù)材料與工藝的研發(fā)進(jìn)行了大量的探索[3-5]，由于缺乏有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，坑槽修復(fù)材料的研發(fā)和選取缺乏指導(dǎo)方向，所研發(fā)出的產(chǎn)品良莠不齊.近年來(lái)，不少?lài)?guó)內(nèi)外學(xué)者仍在針對(duì)現(xiàn)有坑槽修復(fù)產(chǎn)品的不足不斷地調(diào)整修復(fù)材料的組成設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)方法[6-7]，試圖依靠室內(nèi)試驗(yàn)確保修復(fù)材料的有效性.這些研究在一定程度上大幅提高了坑槽修復(fù)材料的修復(fù)壽命，然而，坑槽修復(fù)效果不僅與修復(fù)材料的性能相關(guān)，還與修復(fù)材料與原路面直接的匹配性等直接相關(guān)，優(yōu)良的修復(fù)材料并不能完全等同于坑槽修復(fù)實(shí)際效果，還需要對(duì)其應(yīng)用于工程實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)時(shí)的修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià).

目前國(guó)內(nèi)外鮮有關(guān)于坑槽修復(fù)效果現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)技術(shù)的系統(tǒng)研究，多是粗略地根據(jù)坑槽修復(fù)后的壽命來(lái)確定修復(fù)效果.然而，修復(fù)壽命的影響因素眾多，且統(tǒng)計(jì)周期過(guò)長(zhǎng)，用作評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠準(zhǔn)確，實(shí)用性低.因此，確定一種可量化的坑槽現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，是進(jìn)行坑槽修復(fù)效果評(píng)價(jià)的首要條件.本文將對(duì)瀝青路面坑槽修復(fù)效果現(xiàn)場(chǎng)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究；并通過(guò)具體工程案例探索瀝青路面坑槽修復(fù)效果量化評(píng)價(jià)技術(shù)的應(yīng)用，為養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行修復(fù)效果評(píng)估及養(yǎng)護(hù)決策提供參考.

1 坑槽修復(fù)效果量化評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義

在坑槽的修復(fù)效果上，坑槽的修復(fù)壽命或在一定時(shí)間內(nèi)修復(fù)的坑槽發(fā)生失效的比例是最直觀的指標(biāo)[8].美國(guó)曾對(duì)瀝青路面養(yǎng)護(hù)材料的長(zhǎng)期性能進(jìn)行觀測(cè)，也通過(guò)這2個(gè)指標(biāo)對(duì)路面的長(zhǎng)期效果進(jìn)行初步評(píng)價(jià)[9].在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)瀝青路面坑槽維修效果分析的實(shí)際需求，本文提出平均存活率Rps和預(yù)期平均修復(fù)壽命Rexp作為瀝青路面坑槽修復(fù)效果的現(xiàn)場(chǎng)量化評(píng)價(jià)指標(biāo).首先定義存活率Psurv，其為失效坑槽數(shù)量與坑槽總數(shù)之比，即

(1)

式中，Rip為存活的坑槽數(shù)量；Rf為失效的坑槽數(shù)量.

平均存活率Rps表征在一定觀測(cè)期內(nèi)存活率的平均水平，公式如下：

(2)

其中

Apart(i)=Pavg(i)Tt(i)

(3)

(4)

Tt(i)=Ti+1-Ti

(5)

式中，Apart(i)為第i次和第i+1次觀測(cè)記錄的坑槽存活率-時(shí)間曲線分段積分面積；Pavg(i)為第i次和第i+1次對(duì)修復(fù)坑槽觀測(cè)記錄的存活率平均值；Tt(i)為第i次和第i+1次觀測(cè)時(shí)間間隔；Psurv(i)為根據(jù)第i次觀測(cè)記錄計(jì)算得到的坑槽存活率；Ti為從坑槽修復(fù)完成至第i次觀測(cè)之間的時(shí)間間隔.

坑槽預(yù)期平均修復(fù)壽命Rexp為觀測(cè)期內(nèi)所有坑槽存活的總時(shí)間與坑槽總數(shù)之比，表征在一定觀測(cè)期內(nèi)所有坑槽存活時(shí)間的近似平均水平，公式如下：

(6)

式中，Rf(i)為從坑槽修復(fù)完成至第i次觀測(cè)為止已經(jīng)失效的坑槽數(shù)量.

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

美國(guó)SHRP計(jì)劃曾對(duì)不同類(lèi)型坑槽修復(fù)材料的平均修復(fù)壽命進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)[10-11]，結(jié)果表明冷補(bǔ)料在潮濕和干燥狀況下修復(fù)的坑槽平均壽命分別為0.31～0.38 a和0.76～1.15 a；熱拌瀝青混合料在潮濕和干燥狀況下修復(fù)的坑槽平均壽命分別為0.27～0.89 a和1.78～4.41 a.本文參考現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，提出的坑槽修復(fù)效果量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，建議當(dāng)冷補(bǔ)料、熱拌瀝青混合料用于高速公路、一級(jí)公路、城市道路、重交通荷載等級(jí)及其以上的道路時(shí)，其預(yù)期平均修復(fù)壽命技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別為Rexp≥20周,Rexp≥104周；當(dāng)冷補(bǔ)料、熱拌瀝青混合料用于二級(jí)及其以下的低等級(jí)公路，其預(yù)期平均修復(fù)壽命技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別為Rexp≥26周,Rexp≥156周；在此平均修復(fù)壽命內(nèi)，建議坑槽平均存活率Rps≥60%.

表1 坑槽修復(fù)效果量化評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

2 坑槽失效的判定

本文提出的瀝青路面坑槽修復(fù)效果現(xiàn)場(chǎng)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)從定義上看，直接基于坑槽修復(fù)的壽命與失效率，較為直觀，且評(píng)估周期短，不必等待坑槽全部失效才能給出評(píng)價(jià)，可實(shí)施性強(qiáng).然而，坑槽失效目前缺乏統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)，多是依靠病害巡查人員人為確定，主觀性強(qiáng)，影響量化評(píng)價(jià)的效果.因此，需對(duì)坑槽失效判定方式進(jìn)行深入研究.

2.1 修復(fù)區(qū)使用性能分級(jí)Rpp的提出

為了更加準(zhǔn)確地判定坑槽失效，同時(shí)也便于修復(fù)效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)二次破壞的影響程度，將修復(fù)后坑槽的存活、失效判別標(biāo)準(zhǔn)定義如下：① 結(jié)構(gòu)性破壞；② 非結(jié)構(gòu)性破壞.

如圖1所示，結(jié)構(gòu)性破壞指各種原因?qū)е滦迯?fù)材料喪失，坑槽底面再次暴露，形成二次坑槽，其出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響修復(fù)區(qū)域的表面功能、平整度和結(jié)構(gòu)承載力，還會(huì)引發(fā)病害向坑槽周邊發(fā)展，顯著加快整個(gè)修復(fù)結(jié)構(gòu)的解體，必須重新修復(fù)，這一類(lèi)破壞直接判定為失效.對(duì)于發(fā)生非結(jié)構(gòu)性破壞的坑槽，修復(fù)后修復(fù)材料沒(méi)有顯著減少或喪失，但修復(fù)材料發(fā)生了輕微松散剝落、變形、裂縫、泛油等二次破損.破壞程度輕微者不影響修復(fù)結(jié)構(gòu)的服役，也不會(huì)顯著加速修復(fù)結(jié)構(gòu)的破壞，應(yīng)判定為存活；破壞程度嚴(yán)重者雖然也能服役，但若不進(jìn)行重新修復(fù)，已有的破壞會(huì)顯著加速病害的擴(kuò)展，使后期修復(fù)成本大幅增加，這類(lèi)情況應(yīng)判定為失效.為了判定發(fā)生非結(jié)構(gòu)性破壞的坑槽是存活還是失效，參考《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20—2007)，提出修復(fù)區(qū)使用性能分級(jí)指標(biāo)Rpp：

Rpp=a1R+a2D+a3S+a4C+a5E+a6B

(7)

式中，R為松散剝落評(píng)級(jí)；D為凹陷評(píng)級(jí)；S為推移擁包評(píng)級(jí)；C為修復(fù)區(qū)裂縫評(píng)級(jí)；E為修復(fù)界面裂縫評(píng)級(jí)；B為泛油評(píng)級(jí)；ai為各類(lèi)二次破損評(píng)級(jí)的權(quán)重系數(shù).

(a) 結(jié)構(gòu)性破壞

將各類(lèi)二次破損程度分為0～10共11個(gè)等級(jí)，其中，0級(jí)代表修復(fù)區(qū)破損極為嚴(yán)重，10級(jí)代表修復(fù)區(qū)完好，參考《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)瀝青路面各類(lèi)破損嚴(yán)重程度的定義，確定了坑槽二次破損的評(píng)級(jí)方式，如表2所示.并規(guī)定某一坑槽Rpp≤3時(shí)為失效.

表2 坑槽二次破損分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 修復(fù)區(qū)使用性能分級(jí)評(píng)價(jià)模型的建立

式(7)中二次破損評(píng)級(jí)的權(quán)重系數(shù)ai很難依靠力學(xué)方法來(lái)判定，一定程度上依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)法.德?tīng)柗品╗12]作為一種通過(guò)匿名的方式征詢(xún)專(zhuān)家意見(jiàn)的評(píng)價(jià)方法，可以通過(guò)對(duì)專(zhuān)家的打分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、處理、分析和歸納，客觀、綜合地考慮多位專(zhuān)家實(shí)際客觀經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，能夠?qū)π迯?fù)區(qū)使用性能分級(jí)的定量評(píng)價(jià)做出合理的估算.層次分析法[13]可以將主觀判斷的定性結(jié)果用定量的形式表達(dá)，并且可以對(duì)評(píng)價(jià)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)化、層次化的分析，非常適用于修復(fù)區(qū)使用性能分級(jí)這種由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜而又缺少定量數(shù)據(jù)的系統(tǒng).本文首先通過(guò)應(yīng)用層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)內(nèi)容進(jìn)行分層分析，然后應(yīng)用德?tīng)柗品▽?duì)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行專(zhuān)家打分，經(jīng)計(jì)算處理后得到各類(lèi)二次破損評(píng)級(jí)的權(quán)重系數(shù)ai，從而建立起修復(fù)區(qū)使用性能分級(jí)評(píng)價(jià)模型.具體過(guò)程如下.

首先應(yīng)用層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)內(nèi)容進(jìn)行分層：第1層為目標(biāo)層，應(yīng)反映修復(fù)區(qū)使用性能；第2層為準(zhǔn)則層，應(yīng)反映修復(fù)區(qū)使用性能評(píng)價(jià)的技術(shù)內(nèi)容，參考《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中瀝青路面使用性能評(píng)價(jià)的技術(shù)內(nèi)容，將坑槽修復(fù)區(qū)使用性能評(píng)價(jià)的技術(shù)內(nèi)容歸納為防水、恢復(fù)路面平整度、恢復(fù)路面抗滑性能和恢復(fù)路面局部承載力4個(gè)方面；第3層為指標(biāo)層，即各類(lèi)二次破損評(píng)級(jí).建立的三層遞階結(jié)構(gòu)的修復(fù)區(qū)使用性能層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示.在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用德?tīng)柗品▽?duì)同一層各因素關(guān)于上一層中某因素的重要性進(jìn)行兩兩比較，按照德?tīng)柗品ㄖ袆澐值闹匾潭鹊燃?jí)進(jìn)行專(zhuān)家打分，針對(duì)打分結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，該判斷矩陣的最大(絕對(duì)值)特征值λmax對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量即為同一層各因素相對(duì)于上一層中某因素的重要性權(quán)重，進(jìn)而計(jì)算出指標(biāo)層中各要素相對(duì)目標(biāo)層的重要性權(quán)重，即為各類(lèi)二次破損評(píng)級(jí)的權(quán)重系數(shù)ai.最后，對(duì)8位專(zhuān)家的判斷結(jié)果進(jìn)行無(wú)差別平均化，得到各項(xiàng)指標(biāo)最終權(quán)重系數(shù)均值，如表3所示.將權(quán)重系數(shù)代入式(7)后，可以得到修復(fù)區(qū)使用性能分級(jí)Rpp的計(jì)算模型：

Rpp= 0.38R+0.12D+0.11S+0.13C+

0.20E+0.06B

(8)

圖2 坑槽修復(fù)區(qū)使用性能層次結(jié)構(gòu)模型

松散剝落權(quán)重a1凹陷權(quán)重a2推移擁包權(quán)重a3修復(fù)區(qū)裂縫權(quán)重a4修復(fù)界面裂縫權(quán)重a5泛油權(quán)重a60.380.120.110.130.200.06

3 工程案例

運(yùn)用修復(fù)效果量化評(píng)價(jià)技術(shù)，可以對(duì)不同的坑槽修復(fù)新材料、新工藝的修復(fù)效果進(jìn)行比選，決策出最優(yōu)的修復(fù)方案.本節(jié)以具體的工程案例對(duì)修復(fù)效果量化評(píng)價(jià)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明.

3.1 工程背景

昆山市某公路養(yǎng)護(hù)單位管轄的某繞城公路自建成通車(chē)以來(lái)，交通量大，重載車(chē)輛多，導(dǎo)致了不同程度的路面破壞.其中，坑槽病害修復(fù)后容易反復(fù)破損，給養(yǎng)護(hù)單位帶來(lái)不必要的損失和麻煩.針對(duì)這一情況，昆山市某養(yǎng)護(hù)單位希望從3種冷補(bǔ)料(LB-1，LB-2和LB-3)、2種熱補(bǔ)料(SBS改性SMA-13和普通AC-13)與2種修復(fù)界面黏結(jié)劑[14-15]中選出用于臨時(shí)修復(fù)和永久修復(fù)的材料方案.其中，冷補(bǔ)料用于臨時(shí)修復(fù)，不涂刷界面黏結(jié)劑，不同材料方案組合如表4所示.

表4 材料方案比選

據(jù)調(diào)查，坑槽修復(fù)后的二次破壞與坑槽修補(bǔ)時(shí)的挖補(bǔ)面積有關(guān)，但在一定范圍內(nèi)影響不大.但是挖補(bǔ)面積影響了坑槽的維修方式，這在一定程度上間接影響了修復(fù)效果.因此，為了優(yōu)選坑槽修復(fù)材料，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)按表3的材料組合方案，統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的切槽修補(bǔ)工藝，對(duì)進(jìn)行臨時(shí)修復(fù)和永久修復(fù)的坑槽分別采用常見(jiàn)的修補(bǔ)尺寸進(jìn)行切槽修復(fù)，其中，冷補(bǔ)料修復(fù)的坑槽尺寸為1.0 m×0.8 m×5 cm，熱拌瀝青混合料修復(fù)的坑槽尺寸為1.5 m×3.5 m×5 cm，如圖3所示.為了使計(jì)算的坑槽預(yù)期平均修復(fù)壽命更能代表坑槽實(shí)際的壽命水平，在預(yù)期平均壽命標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)巡檢的時(shí)間，確定觀測(cè)總時(shí)長(zhǎng)為120周.修復(fù)完成后根據(jù)修復(fù)材料破壞發(fā)生時(shí)間的特點(diǎn)確定時(shí)間間隔，分別在修復(fù)后1, 4, 8, 13周直到120周的各時(shí)間點(diǎn)對(duì)修復(fù)區(qū)使用性能分級(jí)數(shù)據(jù)和修復(fù)坑槽的存活數(shù)據(jù)進(jìn)行巡檢采集，進(jìn)而進(jìn)行巡檢數(shù)據(jù)的分析和修復(fù)效果的量化評(píng)價(jià).

(a) 冷拌料修復(fù)

3.2 修復(fù)效果量化評(píng)價(jià)及方案決策

3.2.1 統(tǒng)計(jì)存活與失效的坑槽數(shù)目

在養(yǎng)護(hù)單位日常巡檢中，記錄修復(fù)后存活坑槽、發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞坑槽以及非結(jié)構(gòu)性破壞坑槽的數(shù)目.對(duì)于發(fā)生非結(jié)構(gòu)破壞的坑槽，根據(jù)二次破損評(píng)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其二次破損進(jìn)行分類(lèi)評(píng)級(jí)，然后按照2.2節(jié)中的方法計(jì)算得到修復(fù)區(qū)性能分級(jí)Rpp，當(dāng)Rpp≤3時(shí)判定坑槽失效，統(tǒng)計(jì)非結(jié)構(gòu)性破壞坑槽中存活與失效的坑槽數(shù)目，得到Rpp與時(shí)間關(guān)系曲線，如圖4所示.

圖4 非結(jié)構(gòu)性破壞坑槽的Rpp與時(shí)間關(guān)系曲線

3.2.2 不同修復(fù)材料的預(yù)期平均修復(fù)壽命

根據(jù)日常巡檢統(tǒng)計(jì)得到存活與失效的坑槽數(shù)目，按式(6)計(jì)算不同材料方案修復(fù)的坑槽預(yù)期平均修復(fù)壽命，結(jié)果如圖5所示.由圖可見(jiàn)，在3種冷補(bǔ)料的預(yù)期平均修復(fù)壽命Rexp中，僅LB-1不滿(mǎn)足要求，LB-2最長(zhǎng)，Rexp達(dá)到24周；在涂刷不同修復(fù)界面黏結(jié)劑的熱補(bǔ)料中，采用SBS改性SMA-13為修復(fù)材料并用環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)劑處理修復(fù)界面時(shí)，修復(fù)的坑槽預(yù)期平均修復(fù)壽命最長(zhǎng)，達(dá)到138周.

(a) 不同冷補(bǔ)料Rexp(無(wú)黏結(jié)劑)

(b) 不同熱補(bǔ)料Rexp(有黏結(jié)劑)

3.2.3 不同修復(fù)材料的平均存活率

根據(jù)日常巡檢統(tǒng)計(jì)得到存活與失效的坑槽數(shù)目，按式(1)～(5)計(jì)算不同材料修復(fù)的坑槽存活率-時(shí)間曲線，并計(jì)算其平均存活率，結(jié)果如圖6和圖7所示.從圖6和圖7中可看出，在Rexp標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，所有修復(fù)材料的平均存活率均大于60%，滿(mǎn)足要求.

圖6 不同修復(fù)材料的存活率-時(shí)間曲線

圖7 不同修復(fù)材料的平均存活率

3.2.4 方案決策

根據(jù)上述分析，最終確定考慮預(yù)期平均修復(fù)壽命的坑槽臨時(shí)修復(fù)方案與永久修復(fù)方案材料組合，如表5所示.

表5 坑槽修復(fù)材料方案決策

4 結(jié)論

1) 提出了平均存活率RPS和預(yù)期平均修復(fù)壽命Rexp等修復(fù)效果量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而提出了修復(fù)效果量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：建議當(dāng)冷補(bǔ)料、熱拌瀝青混合料用于高速公路、一級(jí)公路、城市道路、重交通荷載等級(jí)及其以上的道路時(shí)，其預(yù)期平均修復(fù)壽命技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別為Rexp≥20周，Rexp≥104周；當(dāng)冷補(bǔ)料、熱拌瀝青混合料用于二級(jí)及其以下的低等級(jí)公路、重交通荷載等級(jí)以下的道路時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬.

2) 定義了坑槽存活、失效標(biāo)準(zhǔn)，然后提出了修復(fù)區(qū)使用性能分級(jí)指標(biāo)Rpp，進(jìn)而建立了修復(fù)區(qū)使用性能分級(jí)評(píng)價(jià)模型用于判定坑槽的存活與失效.

3) 通過(guò)量化評(píng)價(jià)技術(shù)可以得到不同坑槽修復(fù)方案下的坑槽平均存活率及預(yù)期平均修復(fù)壽命，為養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行坑槽修復(fù)決策提供依據(jù).