高速公路加鋪超薄磨耗層與養(yǎng)護成本分析

蘭姣艷

（廣西北部灣投資集團有限公司沿海高速公路，廣西 欽州 535029）

0 引言

超薄磨耗層（UTAC））屬于鋪裝厚度比較薄、物理粒徑較小的一種瀝青混凝土，最早在法國出現(xiàn)，1979 年法國開始用于恢復瀝青路面的抗滑性能，于是提出3.5cm 厚度的薄面層鋪設，后來發(fā)展也應用在新建路面的修筑[1]。繼而因為交通量增加而逐漸減薄，先后出現(xiàn)有后面層50～90mm、薄面層30～50mm、很薄面層20～30mm 等厚度以及發(fā)展出超薄磨耗層10～20mm 厚度。UTAC 具有抗滑性能好、細粒式、厚度薄主要3 方面特點的相輔相成，從而造就了構造深度大、厚度薄造價低、噪音低等優(yōu)點，使得非常適合應用在高速公路中的路面養(yǎng)護維修。隨著超薄磨耗層的廣泛運用，全球各國紛紛利用超薄磨耗層在瀝青路面的養(yǎng)護和建設之中。超薄磨耗層技術在提高公路服務質量水平的同時，還大量減少了不可再生資源的浪費，具有多方面的良好環(huán)境、社會和經(jīng)濟效益[2]。

1 高速公路養(yǎng)護需求分析

以廣西區(qū)內某高速公路為例，該高速是瀝青混凝土路面結構，沿線屬于濕熱氣候，濕度較大、降雨量大，春季連綿的陰雨和夏季頻繁的暴雨，平均氣溫22℃，極端高溫達到41℃，極端低溫低到-2℃。該高速公路自從建成通車時的大致4500 輛/d 的交通量，到目前的超過18000 輛/d 的逐年增長交通量趨勢，另外一方面重載、超載車輛數(shù)量也隨之增加，高速公路運輸承載壓力不斷加重，對路面耐久性以及結構都產(chǎn)生嚴重影響。日益增加的重載車輛和使用年限增長，使得該高速產(chǎn)生不同程度損壞。路基原因、溫度裂縫原因、疲勞裂縫原因而造成路面車轍、拉裂、抗滑性減弱、坑槽等病害，道路養(yǎng)護迫在眉睫。

1.1 瀝青路面高速公路主要病害

1.1.1 車轍

車轍會使路面出現(xiàn)兩側隆起的轍槽，常伴有泛油或離析現(xiàn)象，不同路段車轍深度有差異，長縱坡路段特別是連續(xù)長縱上坡段深度可達到30mm，車轍是瀝青路面主要病害之一。產(chǎn)生車轍的原因有長時間持續(xù)的高溫天氣，施工材料設計油石比偏高和不均勻，載貨車輛在爬坡路段行駛速度慢使得上坡路面荷載時間明顯增加。

1.1.2 水損壞

高速路面坑槽等類型的水損壞大都產(chǎn)生于降雨量多的雨季，輪跡帶上是該病害位發(fā)生的主要位置，非均勻分布在整條高速路面。造成水損壞的原因主要有：氣候原因，夏季暴雨頻繁加上高溫，加劇了水損害；交通荷載原因，高速路段中發(fā)現(xiàn)車流量偏大的路段水損壞更為明顯；施工問題，施工時瀝青混凝土路面碾壓不及時，壓實度不足，造成路面局部空隙率偏大，接縫處密實性差導致水分滲入內部結構中，加上車輪行駛產(chǎn)生的泵吸、動水壓力使得瀝青與集料出現(xiàn)松散現(xiàn)象。

1.1.3 裂縫

裂縫病害有網(wǎng)狀裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫和龜裂等主要的類型。發(fā)生原因包括路基不均勻沉降、反射裂縫、溫縮裂縫等原因的高速路面拉裂。例如，晝夜溫度下降速度較快以及溫差過大，導致路面收縮產(chǎn)生應力拉伸強度過大。

1.2 加鋪超薄磨耗層對養(yǎng)護需求分析

依據(jù)高速公路路面不同程度的病害破壞，采用不同養(yǎng)護處理方法。若基層完好，以“圓洞方補，斜洞正補”原則換填面層材料。裂縫類病害通常會采用填充瀝青砂、灌縫、粘貼貼縫帶等封縫措施，各種措施方法也會存在一些缺點。通常采用的養(yǎng)護維修措施存在的問題包括：瀝青路面病害發(fā)生點比較分散，養(yǎng)護作業(yè)也變得分散且作業(yè)區(qū)較小，重新鋪筑時壓實時間相對短，施工質量難以得到保證；都是以缺陷性、矯正性養(yǎng)護措施，缺乏系統(tǒng)的、預防性的養(yǎng)護；若是自下而上發(fā)展的瀝青路面病害，修復工程量較大，需要銑刨重鋪，對交通產(chǎn)生很大干擾，造價成本高；大部分的搶救性養(yǎng)護措施，成本都比較高。

超薄磨耗層是一種優(yōu)質瀝青混凝土，加鋪超薄磨耗層具有較高經(jīng)濟性的一種技術方案。超薄磨耗層領域國內外都有較長時間的研究和工程實例成果展現(xiàn)，超薄磨耗層在眾多研究表明能夠提高使用功能耐久性和行車舒適性，節(jié)約養(yǎng)護維修成本、降低建設成本的特點，延長高速公路使用壽命，推遲大修周期[3]。從超薄磨耗層的結構特點和組成材料上看，超薄磨耗層合適各種氣候條件和交通等級的公路工程。在新建公路表面層應用能很好的提高耐久性和抗滑性能，也應用在高速公路水泥路面或瀝青路面的恢復表面功能以及預防性養(yǎng)護工程，還用在水泥混凝土橋面或鋼管拱橋橋面橋梁結構的橋面鋪裝利用較薄的鋪裝厚度來降低恒載。但是，對于舊路養(yǎng)護工程，在原有路面已經(jīng)出現(xiàn)了結構性的明顯破壞或者嚴重的車轍時也不宜使用超薄磨耗層養(yǎng)護施工技術。

2 超薄磨耗層施工方案

采用攤鋪機、碾壓機進行超薄磨耗層施工。首先對高速公路原路面處理，需要修復病害嚴重的路面位置，進而在公路表面灑布黏層油。做好準備工作之后是進行超薄磨耗層的混合物料拌和以及運輸、攤鋪、碾壓等過程[4]。施工路面嚴禁車輛通行，對交通需要采取限制措施。

2.1 原路面處理

對于初始狀況較好的原路面養(yǎng)護施工前，僅需對路面病害進行處理。對于裂縫問題，當裂縫寬度大于6mm 時采取裂縫開槽和回填的方式修復，小于6mm 寬度的裂縫則不需要特別處理僅需要將縫里的垃圾、雜物采用吹風機清理干凈；對于公路車轍病害問題，如果深度大于12.5mm 時需要進行銑刨施工并將路面恢復原狀，而如果車轍深度小于12.5mm 則無須處理。對病害路面修復后再用清水清理干凈。最后，還要對原路面的驗收，合格后才能進行超薄磨耗層的加鋪施工[5]。

2.2 材料組成與混合料拌和

集料采用玄武石碎石材料，有分細集料與粗集料2種，質量要求應滿足如吸水率小于2%、壓碎值小于28%、黏附性大于5 級、磨光值大于42PSV 等《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）相關集料質量要求。瀝青的選擇上，其延度大于20、針入度需要大于50、48h 內離析率小于2.5、軟化點應大于60℃的SBS改性乳化瀝青。此外，在施工前需要采取避免日曬雨淋的合理存儲，并檢測確定性能能夠滿足要求。其他材料方面，顆粒木質素纖維穩(wěn)定劑、石灰?guī)r礦粉、干凈的飲用水等所有材料都需要滿足規(guī)范要求。

混合料拌和必須按照設計的集料用量與順序來加料，要合理控制混合料的拌和溫度與時間，拌和轉速保持均勻，對混合料應進行質量檢查等。例如控制瀝青加熱溫度在175℃，控制其拌和溫度宜在180℃，拌和時間35s。

2.3 攤鋪與碾壓施工

超薄磨耗層攤鋪需要能夠連續(xù)施工的要求和保證施工平整度，并在攤鋪機熨平板上涂抹防黏結劑，熨平板預熱到設計施工溫度后進行攤鋪作業(yè)。攤鋪機行進速度在1.2～1.5km/h 間的勻速攤鋪、混合料溫度要保持在165～170℃之間，保持整個攤鋪連續(xù)進行，不能隨意的施工中斷。攤鋪完成之后要防止混合料溫度下降低于120℃，因此需要及時進行12t 重量的雙鋼輪壓路機碾壓施工。碾壓行進速度以1.5～1.7km/h 為宜，碾壓不需要振動壓實，因為超薄磨耗層的厚度小，碾壓保證的是混合料均勻性。

3 養(yǎng)護成本分析

成本分析主要集中在壽命周期成本分析上，通常使用IRI（平整度指數(shù)）作為性能指標來估計路面的使用壽命。然而，在考慮用戶和環(huán)境成本時，這種分析的缺點是，在分析中很少考慮路面性能的好處。例如，更高的表面摩擦會因燃油消耗而增加成本，但不會給道路安全改善帶來好處。因此，工程效益分析包括每種混合物的性能評級和成本分析，還包括用戶成本[6]。

3.1 養(yǎng)護措施壽命預估模型

全壽命費用分析（LCCA）是以經(jīng)濟分析原理為基礎來評價可選投資方案的長期經(jīng)濟效益的一種技術，它考慮了比選投資方案的初始修建費以及未來的管理費用和分析期內的其他相關費用，其目的是為投資效益確定最佳值，即獲得滿足所求性能目標下的長期費用最低的方案。道路全壽命費用分析被認為是一種選擇最經(jīng)濟合理的路面結構厚度組合和罩面改建方案的有效工具。采用全壽命費用分析方法合適為高速公路制定未來養(yǎng)護規(guī)劃。全壽命分析首先要確定路面的分析期，根據(jù)高速公路的運營管理周期確定項目的分析期。從高速公路的養(yǎng)護需求出發(fā)，個別性能指數(shù)較低的路段可進行相應的專項處治，結合必要的中修和大修措施，對高速公路進行養(yǎng)護和規(guī)劃。當然也必須認識到加鋪超薄磨耗層養(yǎng)護雖然具有長期成本優(yōu)勢，但只是養(yǎng)護策略的一部分，高速公路養(yǎng)護規(guī)劃應根據(jù)路段的具體狀況制定相應的養(yǎng)護方案。

根據(jù)對高速公路所在地區(qū)常用養(yǎng)護措施的調查查，選用該地區(qū)常用的應用效果較好的養(yǎng)護措施，防止路面破壞進一步惡化，從性質上來說也可歸類為預防性養(yǎng)護。不同狀況的路面應用不同的養(yǎng)護措施以后，必然帶來衰變規(guī)律的變化。而不同養(yǎng)護措施對路面衰變規(guī)律的影響也不同。為了分析養(yǎng)護的效益費用，首先應對不同養(yǎng)護措施的使用壽命進行預估。預估使用壽命可以有兩種方法，一種是根據(jù)從實施養(yǎng)護措施時原路面的路況條件（PCI）出發(fā)到處理后路面的路況條件衰減至同一水平時所經(jīng)過的時間來確定；另一種是根據(jù)處理后路面的路況條件衰減至某一臨界值與原路面不做處理衰減至同一臨界值的時間差來確定。養(yǎng)護措施的壽命預估需利用路面使用性能預測方程，確定采取養(yǎng)護措施后的路面等效厚度是正確使用路面性能預測方程的前提。

3.2 費用現(xiàn)值法分析養(yǎng)護成本

現(xiàn)值法是把加鋪超薄磨耗層項目全壽命期內的節(jié)省的費用和花費的支出都折算成現(xiàn)值，用折算的現(xiàn)值進行對比分析。通常適宜以壽命開始時間（即幾何計數(shù)坐標中零點的時間）作為時間基準來折算現(xiàn)值?，F(xiàn)值法可以作為其他計算方法的基礎，也是工程經(jīng)濟分析中最常用、最基本的方法。現(xiàn)值法包括費用凈值與現(xiàn)值兩種，進行費用的對比與分析為主要目的，而不是為了給各設計方案提供很準確的效益或者費用的估算，僅對各個設計方案做出相對的經(jīng)濟價評價，因此，沒必要考慮到所有的效益或費用項非常準確和全面的數(shù)值，重心在于考察各方案評估結果中的關鍵效益與費用的現(xiàn)值影響，以及相關的重要參數(shù)，要求對各個方案在選用時的協(xié)調一致。考慮到跟高速公路路面性能相關的一些效益是難以建立可靠模型計量的，因此僅計費用而不去考慮效益，也就是使用費用現(xiàn)值法。從這個方法來看，加鋪超薄磨耗層養(yǎng)護要求提前支付養(yǎng)護費用，但因為能產(chǎn)生推遲昂貴的路面大修時間的效應，這帶來的是很顯著養(yǎng)護效益。時間是有價值的，在不同時期支付相同費用產(chǎn)生的經(jīng)濟價值是不一樣的，因此加鋪超薄磨耗層養(yǎng)護進行工程經(jīng)濟現(xiàn)值分析，分析的方法是把分析期內不同時期支出的養(yǎng)護費用，按照當?shù)亟?jīng)濟狀況對應的合理折現(xiàn)率轉換為現(xiàn)在相對費用（現(xiàn)值），通過轉化成簡單容易對比的現(xiàn)值。研究表明對比加鋪超薄磨耗層養(yǎng)護與采取其他養(yǎng)護措施，加鋪超薄磨耗層養(yǎng)護具有現(xiàn)在的更低現(xiàn)值費用話費，成本上經(jīng)濟效益明顯。

3.3 工程造價與用戶成本分析

工程造價分析是一種基于性能的成本分析，同時考慮加鋪超薄磨耗層養(yǎng)護的成本分析和性能評級，是成本效益評估提供了關鍵投入。成本分析包括施工成本和用戶成本。施工成本包括每個路段的初始施工成本和材料成本。材料成本包括耐磨表面和整平黏合劑等方面的成本。超薄磨耗層養(yǎng)護允許在較便宜的整平黏合劑上建造更薄的磨損表面。根據(jù)實驗室試驗結果表明超薄磨耗層在干燥和潮濕條件下均具有優(yōu)異的間接拉伸強度，且其產(chǎn)生裂縫和車轍可能性也與所考慮的對照混合料相當。用戶成本方面，通過性能測試表明，超薄磨耗層與所考慮的控制混合料相比，具有顯著更低的噪聲級和更高的摩擦，IRI 指數(shù)得到顯著下降，這些方面直接或間接的降低用戶的成本，例如事故經(jīng)濟損失、節(jié)省汽車行駛油耗等。

4 結語

目前，我國高速公路養(yǎng)護依然存在許多問題需要解決，使得養(yǎng)護成本較高，有限的養(yǎng)護經(jīng)費不能充分發(fā)揮作用。因早期養(yǎng)護不及時進行，以及未采取科學合理的成本預測和更加經(jīng)濟的技術手段，而不得不在后期進行修復養(yǎng)護或專項養(yǎng)護而花費更多的養(yǎng)護資金。因此，針對適合的高速路段，采用超薄磨耗層養(yǎng)護策略能有效解決養(yǎng)護成本居高不下的矛盾，以提高高速公路設施的養(yǎng)護質量，延長路面的使用年限，養(yǎng)護資金得到充分利用，實現(xiàn)投資收益最大化。