陳磊磊 潘尚啟 錢振東 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的病害之一，不僅嚴(yán)重影響行車舒適性與安全性，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，這種維修方式在國外也稱為永久式修補(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.坑槽問題仍是困擾瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理單位的主要問題之一.隨著我國公路事業(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，國內(nèi)外對新型坑槽修復(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，不少國內(nèi)外學(xué)者仍在針對現(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，還需要對其應(yīng)用于工程實(shí)際現(xiàn)場時(shí)的修復(fù)效果進(jìn)行評價(jià).

目前國內(nèi)外鮮有關(guān)于坑槽修復(fù)效果現(xiàn)場評價(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)周期過長，用作評價(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)場修復(fù)效果評價(jià)指標(biāo)，是進(jìn)行坑槽修復(fù)效果評價(jià)的首要條件.本文將對瀝青路面坑槽修復(fù)效果現(xiàn)場量化評價(jià)指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究；并通過具體工程案例探索瀝青路面坑槽修復(fù)效果量化評價(jià)技術(shù)的應(yīng)用，為養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行修復(fù)效果評估及養(yǎng)護(hù)決策提供參考.

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

1.1 評價(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].美國曾對瀝青路面養(yǎng)護(hù)材料的長期性能進(jìn)行觀測，也通過這2個(gè)指標(biāo)對路面的長期效果進(jìn)行初步評價(jià)[9].在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國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)場量化評價(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次對修復(fù)坑槽觀測記錄的存活率平均值；Tt(i)為第i次和第i+1次觀測時(shí)間間隔；Psurv(i)為根據(jù)第i次觀測記錄計(jì)算得到的坑槽存活率；Ti為從坑槽修復(fù)完成至第i次觀測之間的時(shí)間間隔.

坑槽預(yù)期平均修復(fù)壽命Rexp為觀測期內(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次觀測為止已經(jīng)失效的坑槽數(shù)量.

1.2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

美國SHRP計(jì)劃曾對不同類型坑槽修復(fù)材料的平均修復(fù)壽命進(jìn)行過統(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)場調(diào)研結(jié)果，提出的坑槽修復(fù)效果量化評價(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、一級公路、城市道路、重交通荷載等級及其以上的道路時(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及其以下的低等級公路，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)場量化評價(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，且評估周期短，不必等待坑槽全部失效才能給出評價(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)，影響量化評價(jià)的效果.因此，需對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)，這一類破壞直接判定為失效.對于發(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)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20—2007)，提出修復(fù)區(qū)使用性能分級指標(biāo)Rpp：

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

(7)

式中，R為松散剝落評級；D為凹陷評級；S為推移擁包評級；C為修復(fù)區(qū)裂縫評級；E為修復(fù)界面裂縫評級；B為泛油評級；ai為各類二次破損評級的權(quán)重系數(shù).

(a) 結(jié)構(gòu)性破壞

將各類二次破損程度分為0～10共11個(gè)等級，其中，0級代表修復(fù)區(qū)破損極為嚴(yán)重，10級代表修復(fù)區(qū)完好，參考《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》中對瀝青路面各類破損嚴(yán)重程度的定義，確定了坑槽二次破損的評級方式，如表2所示.并規(guī)定某一坑槽Rpp≤3時(shí)為失效.

表2 坑槽二次破損分類分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 修復(fù)區(qū)使用性能分級評價(jià)模型的建立

式(7)中二次破損評級的權(quán)重系數(shù)ai很難依靠力學(xué)方法來判定，一定程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)法.德爾菲法[12]作為一種通過匿名的方式征詢專家意見的評價(jià)方法，可以通過對專家的打分結(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)使用性能分級的定量評價(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)，并且可以對評價(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).本文首先通過應(yīng)用層次分析法對評價(jià)內(nèi)容進(jìn)行分層分析，然后應(yīng)用德爾菲法對指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行專家打分，經(jīng)計(jì)算處理后得到各類二次破損評級的權(quán)重系數(shù)ai，從而建立起修復(fù)區(qū)使用性能分級評價(jià)模型.具體過程如下.

首先應(yīng)用層次分析法對評價(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)使用性能評價(jià)的技術(shù)內(nèi)容，參考《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》中瀝青路面使用性能評價(jià)的技術(shù)內(nèi)容，將坑槽修復(fù)區(qū)使用性能評價(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，即各類二次破損評級.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)用德爾菲法對同一層各因素關(guān)于上一層中某因素的重要性進(jìn)行兩兩比較，按照德爾菲法中劃分的重要程度等級進(jìn)行專家打分，針對打分結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，該判斷矩陣的最大(絕對值)特征值λmax對應(yīng)的歸一化特征向量即為同一層各因素相對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)層中各要素相對目標(biāo)層的重要性權(quán)重，即為各類二次破損評級的權(quán)重系數(shù)ai.最后，對8位專家的判斷結(jié)果進(jìn)行無差別平均化，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)效果量化評價(jià)技術(shù)，可以對不同的坑槽修復(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修復(fù)效果量化評價(jià)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行說明.

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以來，交通量大，重載車輛多，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)單位帶來不必要的損失和麻煩.針對這一情況，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，對進(jìn)行臨時(shí)修復(fù)和永久修復(fù)的坑槽分別采用常見的修補(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)延長巡檢的時(shí)間，確定觀測總時(shí)長為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)對修復(fù)區(qū)使用性能分級數(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)效果的量化評價(jià).

(a) 冷拌料修復(fù)

3.2 修復(fù)效果量化評價(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.對于發(fā)生非結(jié)構(gòu)破壞的坑槽，根據(jù)二次破損評級的標(biāo)準(zhǔn)對其二次破損進(jìn)行分類評級，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，在3種冷補(bǔ)料的預(yù)期平均修復(fù)壽命Rexp中，僅LB-1不滿足要求，LB-2最長，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，達(dá)到138周.

(a) 不同冷補(bǔ)料Rexp(無黏結(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)效果量化評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而提出了修復(fù)效果量化評價(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、一級公路、城市道路、重交通荷載等級及其以上的道路時(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及其以下的低等級公路、重交通荷載等級以下的道路時(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)使用性能分級指標(biāo)Rpp，進(jìn)而建立了修復(fù)區(qū)使用性能分級評價(jià)模型用于判定坑槽的存活與失效.

3) 通過量化評價(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).