， ， ， ， ， ，

(1.浙江順暢高等級公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州 310051； 2.浙江省交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310051； 3.浙江金利溫高速公路有限公司，浙江 杭州 310051； 4.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

近年來，隨著高速公路建設(shè)的逐漸完善，很多高速公路開始進(jìn)入養(yǎng)護(hù)階段。與道路大修、道路重建不同的是，道路養(yǎng)護(hù)在路表出現(xiàn)大量病害之前執(zhí)行，通過修復(fù)病害和恢復(fù)道路的行駛功能，以較低的費用保持路面的使用性能，而傳統(tǒng)的“被動式”路面大修是在路面出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞的時候進(jìn)行[1]。研究典型的高速公路養(yǎng)護(hù)措施的實際性能和修復(fù)效果，可以更好地指導(dǎo)道路養(yǎng)護(hù)。我國雖然已制定公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)規(guī)范，但由于缺乏路面性能的歷史數(shù)據(jù)，對高速公路的性能衰變規(guī)律的研究依然較少[2]。本研究根據(jù)浙江省高速公路歷史養(yǎng)護(hù)記錄和路面性能數(shù)據(jù)，對比了不同養(yǎng)護(hù)方法對路面性能衰變速率的影響，為進(jìn)行合理的養(yǎng)護(hù)方案選擇提供依據(jù)。

1 研究對象

本文以浙江省的13條高速公路為依托，篩選出了包含3 a以上連續(xù)檢測的路面性能數(shù)據(jù)的45個養(yǎng)護(hù)路段。養(yǎng)護(hù)方法主要包括AC — 13、AC — 16、SMA — 13的3種罩面及微表處、超薄磨耗層、熱再生3種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。圖1統(tǒng)計了各養(yǎng)護(hù)方法的樣本量，可以看出，浙江省高速公路以罩面養(yǎng)護(hù)為主。在這45個項目中，三分之一已開始多次大規(guī)模的病害處理或二次養(yǎng)護(hù)，12個SMA-13罩面路段中僅一個已開始二次養(yǎng)護(hù)。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)方法的樣本量統(tǒng)計Figure 1 Statistic of samples with different maintenance treatments

高速公路路面養(yǎng)護(hù)水平的高低是影響路面使用質(zhì)量的重要因素，合理的選擇路面養(yǎng)護(hù)措施直接關(guān)系到路面養(yǎng)護(hù)質(zhì)量[3]。高速公路養(yǎng)護(hù)一般分為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和矯正性養(yǎng)護(hù)，兩者的區(qū)別在于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)著眼于預(yù)防，是在路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充足，路面表面功能衰減過程中的某一時機(jī)實施的，它不增加結(jié)構(gòu)承載力，卻能推遲矯正性養(yǎng)護(hù)及大修時間，延長路面使用壽命，提高道路服務(wù)質(zhì)量。矯正性養(yǎng)護(hù)相對于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)來說成本較高，投資較大，施工周期長，但它能從根本上治愈路面病害，延長高速公路使用壽命[4]。對各種養(yǎng)護(hù)措施的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，有助于制定更科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)計劃。

熱鋪瀝青混凝土罩面是鋪筑與新建路面結(jié)構(gòu)等效的路面，鋪筑厚度應(yīng)大于或等于40 mm，是我國最常見的路面養(yǎng)護(hù)方法。路面破損嚴(yán)重時，應(yīng)采用銑刨并加鋪瀝青混合料以恢復(fù)路面的服務(wù)功能[5]。本文研究了浙江省最常見的3種熱鋪瀝青罩面：包括AC — 16、AC — 13以及SMA — 13。另外，本文還研究了3種常見的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)：微表處、超薄磨耗層、熱再生。其中，微表處也稱為“聚合物改性乳化瀝青稀漿封層”，可提供10～20 mm的表面處治，用于改善路面抗滑性能、填充路面車轍及不平整、進(jìn)行路表密封、處理路面瀝青老化及路面松散等。但微表處一般在實施2～3 a后就會有不同程度的路面破損[6]；超薄磨耗層的厚度一般為10～20 mm，除糾正微小的路面破損外，還能提供一定的抗滑性能，且對于結(jié)構(gòu)良好的路面有一定的增強(qiáng)作用，但應(yīng)避免在車轍較深，有明顯疲勞裂縫和大量溫度裂縫的路面使用[7]；熱再生可處治大部分路面病害，但僅適用于結(jié)構(gòu)相對較好的路面，處治厚度一般為25～50 mm，且對路面結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)不大[8]。圖2統(tǒng)計了已開始二次養(yǎng)護(hù)的路段對應(yīng)的養(yǎng)護(hù)方法的實施時間，也稱服役時間，由于熱再生項目均未開始二次養(yǎng)護(hù)，故不在統(tǒng)計之列。從圖中可以看出，罩面類養(yǎng)護(hù)的服役時間普遍高于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，其中唯一失效的SMA — 13項目也服役了6.5 a之久，而微表處的壽命最短。

圖2 各養(yǎng)護(hù)方法服役時間Figure 2 The serving time of each maintenance treatment

2 路面性能評價指標(biāo)

為了評價養(yǎng)護(hù)后路面性能，采用了我國規(guī)范中定義的3個路面性能指標(biāo)[9]。路面損壞狀況指數(shù)PCI是根據(jù)各種病害的嚴(yán)重程度和影響面積加權(quán)計算得到，反映了路面的綜合病害情況。路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI是根據(jù)路面國際平整度指數(shù)IRI計算得到，反映了路面行駛舒適程度。路面車轍深度指數(shù)RDI反映了路面的車轍狀況。

2.1 PCI指標(biāo)

我國《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20 — 2007)采用PCI指標(biāo)反映路面破損情況，將瀝青路面裂縫、坑槽、擁包、沉陷等11類21項損壞折合成損壞面積，計算路面破損率后按式(1)計算得到。

PCI=100-a0DRa1

(1)

式中:PCI為路面損壞狀況指數(shù)；DR為路面破損率，為各種損壞的這和損壞面積之和與路面調(diào)查面積之和百分比；系數(shù)a0、a1對瀝青路面而言分別取15.00和0.412。

2.2 RQI指標(biāo)

路面平整度不僅直接關(guān)系到行車舒適性，還間接反映出路面的破損情況及整體技術(shù)狀況水平，是反映路面耐久性的重要參數(shù)?！豆芳夹g(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20 — 2007)采用RQI指標(biāo)反映路面平整度水平，由國際平整度指數(shù)IRI通過式(2)計算得到：

(2)

式中:RQI為路面行駛質(zhì)量指數(shù)；IRI為國際平整度指數(shù)；參數(shù)a0、a1對于高速公路分別采用0.026和0.65。

2.3 RDI指標(biāo)

車轍是我國高速公路瀝青路面的主要病害形式之一，車轍的大量出現(xiàn)不僅會影響瀝青路面的使用性能，降低路面使用壽命，還會對行車安全構(gòu)成威脅?！豆芳夹g(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20 — 2007)采用路面車轍深度指數(shù)RDI反映路面車轍的嚴(yán)重程度，根據(jù)路面車轍深度RD通過式(3)計算得到：

(3)

式中:RDI為車轍深度指數(shù)；RD為車轍深度；RDa為車轍深度參數(shù)，取20 mm；RDb為車轍深度限值，取35 mm；a0、a1為模型參數(shù)，分別取2.0和4.0。

圖3所示為所選路段各項路面性能綜合指標(biāo)的分布圖，可以看出在進(jìn)行了一次養(yǎng)護(hù)之后，目前90%以上的路段PCI、RQI和RDI的等級均為優(yōu)，但仍有少量路段的綜合性能為良。且路面車轍及不平整現(xiàn)象普遍較為嚴(yán)重，RDI指標(biāo)有40%位于90～92分之間，90分以下也有10%，因此需要深入研究各養(yǎng)護(hù)措施對不同路面性能指標(biāo)的實際養(yǎng)護(hù)效果及其衰變規(guī)律。

圖3 路面性能數(shù)據(jù)分布直方圖Figure 3 Distribution histogram of pavement performance data

3 養(yǎng)護(hù)后路面平均性能

針對本文所研究的6種養(yǎng)護(hù)方法，在不考慮交通量和壽命的情況下，對3個路面性能綜合指標(biāo)PCI、RQI、RDI進(jìn)行了檢驗，如圖4所示。圖4中虛線代表了不同養(yǎng)護(hù)方法對應(yīng)的平均路面性能，標(biāo)準(zhǔn)線代表了95%置信區(qū)間，即這個范圍內(nèi)有95%的可能性覆蓋了真實值。從圖中可以看出：

a. 相比預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，3種罩面養(yǎng)護(hù)后的PCI、RQI、RDI指標(biāo)均保持在較高水平。SMA — 13由于其良好的骨架結(jié)構(gòu)，對病害、不平整、車轍都有較好的修復(fù)預(yù)防效果；本研究中AC — 16路段性能稍差于AC — 13，主要原因是AC — 16罩面對應(yīng)的路段交通量更高且多為彎道及特殊路段，另一方面AC — 13混合料的集料均勻性和嵌擠性更好。

圖4 養(yǎng)護(hù)后路面平均性能Figure 4 Average pavement performance after maintenance treatment

b. 對于3種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，微表處能有效修補路面破損，但對改善路面不平整的效果并不理想，超薄磨耗層的路面平整相對更高。微表處對路面破損的改善效果相對較好的原因是本研究中微表處路段通車時間只有2 a，而其它如超薄磨耗層使用時間已達(dá)5 a。

4 養(yǎng)護(hù)后路面衰變規(guī)律

圖4中給出了養(yǎng)護(hù)措施使用后路面的平均性能，為了調(diào)查養(yǎng)護(hù)后路段的長期性能，有必要進(jìn)一步比較分析養(yǎng)護(hù)后路面性能指標(biāo)隨時間的衰變規(guī)律。單個項目連續(xù)檢測的時間大多僅為3 a左右，因此以項目為單位對衰變速率進(jìn)行統(tǒng)計得到的結(jié)果變異性較大。本文將相同養(yǎng)護(hù)方法的路段歸類分析，雖然擬合結(jié)果較差，但能明顯反映出各性能指標(biāo)的衰變趨勢。線性及指數(shù)模型由于簡單、直觀、對數(shù)據(jù)要求不高，是目前應(yīng)用最多的兩種路面性能衰變模型[10]。因此，本研究采用線性及指數(shù)模型描述養(yǎng)護(hù)后路面性能指標(biāo)的衰變規(guī)律。式(4)、式(5)為相應(yīng)的衰變模型(以PCI為例)：

PCIi=PCI0-Ky

(4)

PCIi=PCI0-aey

(5)

式中:PCIi為養(yǎng)護(hù)措施實施i年后的PCI；PCI0為養(yǎng)護(hù)后第一次檢測時的PCI；y為距上一次養(yǎng)護(hù)間隔的時間，以年為單位；K、a為模型參數(shù)，本文稱之為衰變速率。

4.1 PCI指標(biāo)

圖5為各養(yǎng)護(hù)措施實施后路面損壞狀況指數(shù)PCI隨時間的衰變情況，其中直線為線性衰變模型，曲線為指數(shù)衰變模型，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

a. 目前研究路段的PCI指標(biāo)普遍為優(yōu)，罩面類養(yǎng)護(hù)的路段多，PCI數(shù)據(jù)離散性較大，說明不同路段的PCI值差異較大。

b. SMA — 13罩面后的PCI指標(biāo)衰變速率幾乎為0，并且在很長一段時間內(nèi)保持較高值，反映了SMA — 13罩面在修復(fù)路面破損方面的優(yōu)越性。

c. 線性衰變模型能大致刻畫出各養(yǎng)護(hù)措施實施后路面損壞狀況指數(shù)PCI的衰變速率，而指數(shù)衰變模型擬合較差，易造成極端。

圖5 養(yǎng)護(hù)后PCI指標(biāo)隨時間的衰變規(guī)律Figure 5 Deterioration law of PCI over time

4.2 RQI指標(biāo)

圖6為各養(yǎng)護(hù)措施實施后路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI隨時間的衰變情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

圖6 養(yǎng)護(hù)后RQI指標(biāo)隨時間的衰變規(guī)律Figure 6 Deterioration law of RQI over time

a. 與PCI指標(biāo)近100分的初始值不同，RQI的初始值均在94分上下，這可能是由于養(yǎng)護(hù)前路面的平整度水平較差造成的。

b. RQI指標(biāo)的衰變速度普遍較慢，相比之下預(yù)防性養(yǎng)護(hù)后的RQI衰變較快，其中最明顯的是微表處。

4.3 RDI指標(biāo)

圖7為各養(yǎng)護(hù)措施實施后路面車轍深度指數(shù)RDI隨時間的衰變情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

a. 目前部分路段的RDI指標(biāo)等級已為良，因此有必要對這些路段進(jìn)行再次養(yǎng)護(hù)。

b.RDI初始值在93分上下，說明養(yǎng)護(hù)前路面的車轍病害已經(jīng)較為嚴(yán)重。

c. 與RQI相似，RDI指標(biāo)的衰變速率也不高。

圖7 養(yǎng)護(hù)后RDI指標(biāo)隨時間的衰變規(guī)律Figure 7 Deterioration law of RDI over time

5 路面使用性能衰變模型

根據(jù)以上分析中，不同養(yǎng)護(hù)路段的性能衰變模型，可以對比不同養(yǎng)護(hù)措施的線性和指數(shù)衰變速率。圖8根據(jù)線性及指數(shù)模型統(tǒng)計了不同養(yǎng)護(hù)方法所對應(yīng)的路面性能指標(biāo)衰變速率，從圖中可以看出：

a. 在PCI、RQI、RDI 3個性能指標(biāo)中，衰變最快的是PCI指標(biāo)，SMA — 13罩面后的PCI衰變速率幾乎為零，說明SMA — 13罩面能有效延遲路面病害出現(xiàn)的時間。衰變速率最小的是RQI指標(biāo)，這是由于我國高速公路的主要結(jié)構(gòu)形式是半剛性基層瀝青路面，半剛性基層的剛度較大，因此路面平整度變化不明顯。

b. 相比罩面類養(yǎng)護(hù)，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)后的路面性能衰變速率較高，尤其是熱再生和微表處，這一現(xiàn)象在指數(shù)衰變模型中更為明顯。說明預(yù)防性養(yǎng)護(hù)更容易失效，故應(yīng)綜合考慮實際情況，對于病害較為嚴(yán)重的路段及時進(jìn)行銑刨罩面處理。

c. AC — 13罩面后的路面平均性能都比較好，但它的衰變速率卻是3種罩面材料中最快的，RDI甚至接近預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施的衰變速率，這可能是因為進(jìn)行AC — 13罩面的路段交通量增長率較高造成的。

d.PCI的初始值均接近100，但除了SMA — 13罩面，其余養(yǎng)護(hù)方法的PCI衰變速率都十分高，說明這些養(yǎng)護(hù)方法雖能有效修補路面破損，但也很容易失效，無法使路面長期維持完好狀態(tài)，因此在養(yǎng)護(hù)方案選擇中應(yīng)重點考慮養(yǎng)護(hù)行為對路表破損發(fā)展速度的控制。

圖8 路面性能衰變速率Figure 8 Deterioration rate of pavement performance

6 結(jié)論

已有研究表明：材料特性、結(jié)構(gòu)特性、環(huán)境因素、養(yǎng)護(hù)前路面性能指標(biāo)及施工技術(shù)水平等都會對養(yǎng)護(hù)效果產(chǎn)生很大影響[11]。因此，隨著路面歷史性能數(shù)據(jù)的逐漸積累，在后續(xù)的研究中應(yīng)綜合考慮各種因素，更科學(xué)、全面地探究各種養(yǎng)護(hù)方法及養(yǎng)護(hù)材料的適用性。本文對浙江省45個養(yǎng)護(hù)路段的研究分析，主要可以得到以下幾個結(jié)論：

a. 與預(yù)防性養(yǎng)護(hù)相比，罩面類養(yǎng)護(hù)后的路面性能指標(biāo)較高且衰變速率更低，尤其對路面平整度相關(guān)的性能指標(biāo)RQI的改善效果明顯高于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。盡管罩面類養(yǎng)護(hù)成本較高，但在路面病害嚴(yán)重或病害發(fā)展速度過快(尤其是路面平整度)而預(yù)防性養(yǎng)護(hù)無法有效遏制病害進(jìn)一步惡化時，必須及時采取銑刨加鋪罩面的形式對路段進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

b.PCI指標(biāo)整體較高，但衰變速率卻遠(yuǎn)大于RQI及RDI指標(biāo)，說明所調(diào)查路段的破損情況并不嚴(yán)重但惡化速度較快，僅SMA — 13罩面能顯著減緩破損的發(fā)展速度，其它養(yǎng)護(hù)方法尤其是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)均無法對其進(jìn)行有效控制。

c. 在3種罩面材料中，SMA — 13由于其良好的骨架結(jié)構(gòu)，對病害、不平整、車轍都有較好的修復(fù)效果，并且能使養(yǎng)護(hù)后的路面性能長期保持較高水平；AC — 16罩面后的各項性能指標(biāo)不及AC — 13罩面，而AC — 16罩面對應(yīng)的路段交通量較高且多為彎道及特殊路段；但AC — 13罩面后的路面性能衰變速度較快，這與AC — 13罩面的路段交通量增長率較高有關(guān)。

d. 超薄磨耗層在改善路面平整度及車轍修復(fù)方面均好于微表處，本研究中微表處對路面破損的修復(fù)效果較好是因為微表處的樣本量較少且服務(wù)時間僅為2.5 a。此外，微表處后的路面性能衰變速度顯著高于超薄磨耗層，說明微表處極其容易失效，每隔一段時間就要進(jìn)行再次養(yǎng)護(hù)。

e. 熱再生對路面抗車轍能力的恢復(fù)及病害的修補具有顯著效果，但無法很好地改善路面平整度，且熱再生養(yǎng)護(hù)后的路面各項性能指標(biāo)衰變速度較快，僅次于微表處。