基于瀝青路面性能衰變規(guī)律的預(yù)防養(yǎng)護措施研究

李亞龍

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國高速公路及農(nóng)村公路規(guī)劃建設(shè)目標的完成，汽車保有量不斷增加，現(xiàn)有公路壓力日趨增大。公路養(yǎng)護，特別是高速公路養(yǎng)護需求迫在眉睫，并成為我國公路交通行業(yè)的主要工作之一。預(yù)防養(yǎng)護是指針對路面整體性能良好但有輕微病害，為延緩性能過快衰減、延長使用壽命而預(yù)先采取主動防護工程。在養(yǎng)護市場規(guī)模不斷擴大，養(yǎng)護需求逐年增加的情況下，預(yù)防養(yǎng)護措施也多樣化。我國高速公路多采用半剛性基層瀝青路面，《公路瀝青路面養(yǎng)護設(shè)計規(guī)范》（JTG 5421—2018）中給出了常用的路面預(yù)防養(yǎng)護措施及適用條件，包括：微表處、同步碎石封層、超薄磨耗層、薄層罩面等，合理的養(yǎng)護方案對于延緩路面性能衰減、延長使用壽命有著重要的作用。

為研究養(yǎng)護后路面性能衰變規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗、統(tǒng)計分析等方法開展大量工作，郝金海[1]等采用線性指數(shù)模型及一般指數(shù)模型對不同養(yǎng)護措施長期性能進行分析，但選取模型對數(shù)據(jù)擬合度差，且主要研究了罩面類養(yǎng)護措施；單崗[2]等采用多元線性回歸方法，分析了不同影響因素及交互作用對不同養(yǎng)護措施衰變規(guī)律的影響；劉燕燕[3]等采用不同衰變方程對數(shù)據(jù)進行擬合，并對其參數(shù)進行了分析。大部分研究以修復(fù)養(yǎng)護研究為主，但針對預(yù)防養(yǎng)護的跟蹤及其橫、縱向?qū)Ρ壬形撮_展大量研究。隨著預(yù)防養(yǎng)護理念的不斷深入，有必要對預(yù)防養(yǎng)護措施使用性能進行研究。

本文基于山西省高速公路養(yǎng)護現(xiàn)狀，選取了省內(nèi)典型養(yǎng)護路段的歷史性能數(shù)據(jù)，對一般指數(shù)模型進行修正，綜合分析了不同影響因素作用下，路面性能的衰變規(guī)律、衰變速率，為有針對性地選擇養(yǎng)護方案進行道路養(yǎng)護提供可靠依據(jù)。

1 研究方法

本文針對山西省所轄高速公路歷史養(yǎng)護數(shù)據(jù)進行分析，選定省內(nèi)使用頻率高的微表處、超薄磨耗層、同步纖維磨耗層、SMC超薄罩面4種預(yù)防養(yǎng)護措施為研究對象，采用一般指數(shù)模型[4]及提出的修正指數(shù)模型對數(shù)據(jù)進行擬合，分析不同養(yǎng)護措施下，路面狀況指數(shù)（PCI）、路面行駛質(zhì)量指數(shù)（RQI）及路面車轍深度指數(shù)（RDI）的衰變規(guī)律。

上述4種預(yù)防養(yǎng)護措施，分別應(yīng)用在山西省內(nèi)不同區(qū)域，選取的歷史性能數(shù)據(jù)為一般路段及典型重載路段處，對使用性能衰變分析更具普遍性。

2 路面性能評價指標

為了對養(yǎng)護后路面性能進行合理評價，采用了《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG 5210—2018）中權(quán)重較大的路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面車轍深度指數(shù)RDI這3個性能指標。

本文除一般路段外，還選取了山西省內(nèi)通車運營15年、交通量大、重載比例高的典型瀝青路面路段進行分析，選取的路段均在2015年實施了不同類型的預(yù)防養(yǎng)護措施。圖1～圖3為所選路段采取預(yù)防養(yǎng)護措施前后各性能指標的分布圖。

圖1 PCI隨時間變化情況

圖2 RQI隨時間變化情況

圖3 RDI隨時間變化情況

在實施預(yù)防養(yǎng)護后首次路面性能檢測中，PCI指標基本達到“優(yōu)良”等級，RQI、RDI達到“優(yōu)”等級，但個別路段指標較低，可能是由于局部再次出現(xiàn)病害或檢測時存在差異。從整體來看，隨著服役時間的增長，各指標性能均呈下降趨勢，但PCI指標下降最為明顯；因此，需要對不同養(yǎng)護措施的養(yǎng)護效果及衰變規(guī)律進一步研究。

3 不同養(yǎng)護方法的路面性能

針對本文提出的4種預(yù)防養(yǎng)護方法，對不同方法養(yǎng)護后首次檢測路面性能指標PCI、RQI、RDI情況進行了分析，如圖4所示。

圖4 不同養(yǎng)護措施路面性能數(shù)據(jù)

從圖4中可以看出：

a）采取不同養(yǎng)護措施后，路面性能指標值均維持在“良”等級水平。針對PCI值，超薄磨耗層處治后效果最優(yōu)，微表處效果一般，主要原因可能是超薄磨耗層厚度較微表處大，且超薄磨耗層施工采用專用設(shè)備進行噴灑、攤鋪、碾壓成型，施工質(zhì)量高且對路面病害具有較好的修復(fù)效果。

b）對于RQI、RDI指標，上述養(yǎng)護措施均能有效填充車轍、改善路面不平整的現(xiàn)狀，但微表處處治效果相對劣于其他預(yù)防養(yǎng)護措施；圖中微表處MS-2型處治效果優(yōu)于MS-3型，主要是由于采用MS-2型處治超車道病害，而MS-3型處治行車道病害，重載車輛主要在行車道行駛，導(dǎo)致原路面行車道病害程度大于超車道。

3.1 模型修正

為了得出養(yǎng)護后路段的使用性能及養(yǎng)護措施的使用壽命，有必要對養(yǎng)護后路面性能指標隨時間的衰變規(guī)律進行分析。一般養(yǎng)護措施的使用壽命為2～5年，因此本文采集所選路段養(yǎng)護措施實施后5年的性能指標數(shù)據(jù)，并采用現(xiàn)有數(shù)學(xué)指數(shù)模型對數(shù)據(jù)進行擬合，為提高擬合度，提出修正指數(shù)模型，更準確分析各養(yǎng)護措施的衰變趨勢。

式（1）為一般指數(shù)模型，是目前簡單分析數(shù)據(jù)的常用模型，但模型擬合結(jié)果較差，不能直觀地反映指標衰變情況。本文在對大量性能指標數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，將指數(shù)模型進行修正，如式（2），大大提高了數(shù)據(jù)擬合度，從而能夠較準確地分析路面衰變規(guī)律。

式中：PPI為路面性能指數(shù)；PPI0為養(yǎng)護后第一次檢測時的性能值；t為服役時間，年；a、α為衰變因子。

3.2 路面損壞狀況指數(shù)PCI

圖5為不同養(yǎng)護措施實施后PCI值隨服役時間的衰變情況，分別采用一般指數(shù)模型（簡稱A）與修正指數(shù)模型（簡稱B）對數(shù)據(jù)進行擬合，并對兩者相關(guān)性R2列于圖中。

圖5 PCI值隨服役時間的衰變情況

從圖5中可以看出：

a）采取養(yǎng)護措施后，首次檢測PCI大部分達到“優(yōu)”等級，隨著服役時間的增長，各措施PCI值下降趨勢明顯。微表處在各路段使用較多，離散性較大，部分路段在使用第3年已進行重新處治。

b）采用超薄磨耗層后指標值在5年服役期內(nèi)衰變速率較小，指標值能在使用第5年保持85分左右，反映出超薄磨耗層在處治路面破損方面的優(yōu)勢。

c）A模型和B模型對于超薄磨耗層的擬合度均較高，但對其他養(yǎng)護方式，B模型擬合度更優(yōu)，說明B模型適用范圍更廣。

3.3 路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI

圖6為路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI隨時間的衰變情況。

圖6 RQI值隨服役時間的衰變情況

從圖6中可以看出：

a）采取養(yǎng)護措施后，RQI指標值均達到95分左右，隨著服役時間的增長，各措施RQI值下降趨勢平緩。同樣，微表處處治后數(shù)據(jù)較其他措施的離散性大，可能是由于處治厚度小或原路面平整度差所致。

b）各措施實施后指標值在5年服役期內(nèi)衰變速率較小，說明目前采用預(yù)防養(yǎng)護措施能夠較好地恢復(fù)路面平整度且能夠維持較長時間。

c）從兩種模型擬合情況可以看出，二者對數(shù)據(jù)的擬合程度基本接近，說明對于變化幅度小的指標可采用任一模型對指標值進行預(yù)測分析。

3.4 車轍深度指數(shù)RDI

圖7為車轍深度指數(shù)RDI隨時間的衰變情況。

圖7 RDI值隨服役時間的衰變情況

從圖7中可以看出：

a）采取養(yǎng)護措施后，RDI指標值均有提高，隨著服役時間的增長，各措施RDI值呈下降趨勢。微表處處治后數(shù)據(jù)離散性大，可能是由于原路面面層結(jié)構(gòu)或原有車轍類型不同所致。

b）各措施實施后指標值在5年服役期內(nèi)衰變速率較小，說明各措施能夠較好地填充原路面車轍，服役效果良好。

4 衰變速率分析

4.1 數(shù)據(jù)擬合度分析

根據(jù)上述分析，對不同養(yǎng)護措施的一般指數(shù)模型（A）和修正指數(shù)模型（B）的擬合度總結(jié)分析，如圖8。

圖8 不同模型擬合度變化

從圖8中可以看出：

a）對不同的衰變模型而言，修正指數(shù)模型對3個路面性能指標擬合程度較一般指數(shù)模型均有所提升。由于RQI數(shù)據(jù)整體相對穩(wěn)定，變化較小，所以兩模型擬合度區(qū)別不大。

b）對相同的衰變模型而言，不同養(yǎng)護措施下，RQI擬合度均較高。

4.2 衰變速率分析

當針對路面病害選取養(yǎng)護措施時，不僅要處治病害，還要考慮該養(yǎng)護措施能否有效延長路面的使用壽命，即自身的使用性能衰減是否過快。因此，分析不同養(yǎng)護措施的衰變速率對合理選取養(yǎng)護措施具有重要意義。

從修正指數(shù)模型中可以看出，衰變因子α越大，衰減速率越緩；提取不同措施衰變因子列于圖9中。

圖9 不同措施指標衰變因子

a）整體來看，3個指標中，PCI衰變因子最小，RQI與RDI衰變因子差別較小，說明無論何種養(yǎng)護措施，PCI衰變速率最快。

b）對不同養(yǎng)護措施而言，衰變速率最小的是超薄磨耗層，說明預(yù)防養(yǎng)護中保證一定厚度能有效處治病害，延長使用壽命；微表處衰變速率最大，且數(shù)據(jù)離散程度大，說明微表處雖能處治病害，但容易在短期內(nèi)失效。SMC超薄罩面與同步纖維磨耗層衰變速率基本持平，說明使用改性瀝青與溫拌工藝、在層間摻加纖維能夠在一定程度上延長路面使用壽命。

5 結(jié)語

在路面養(yǎng)護過程中，存在諸多的影響因素：原路面病害程度、原材料特性、混合料結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素、施工工藝等。本文選取不同路段養(yǎng)護歷史性能數(shù)據(jù)研究分析，主要得到以下結(jié)論：

a）選取的4種常用預(yù)防養(yǎng)護措施中，超薄磨耗層處治路面病害后效果最優(yōu)，SMC超薄罩面和同步纖維磨耗層次之，微表處最差。這可能是由于薄層罩面成型厚度、施工工藝使其衰減速率變小、使用壽命延長；SMC超薄罩面則通過采用改性瀝青與溫拌工藝減緩性能衰減，同步纖維磨耗層中纖維增加了層間黏結(jié)，提高了路面整體性。

b）養(yǎng)護措施實施后，PCI指標提升最為明顯，但衰減速率也最快，RQI與RDI在運營多年的公路中變化基本穩(wěn)定。說明厚度在1 cm內(nèi)的預(yù)防養(yǎng)護措施對遏制路面破損發(fā)展效果較差。在后續(xù)預(yù)防養(yǎng)護措施選取時應(yīng)主要考慮修復(fù)路面破損病害。

c）修正指數(shù)模型對數(shù)據(jù)的擬合效果優(yōu)于一般指數(shù)模型，可采用該模型對各指標發(fā)展趨勢進行簡單預(yù)測，作為養(yǎng)護措施選取的參考依據(jù)。