浙江省典型养护措施路面性能长期衰变研究

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(1.浙江顺畅高等级公路养护有限公司，浙江 杭州 310051； 2.浙江省交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310051； 3.浙江金利温高速公路有限公司，浙江 杭州 310051； 4.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)

近年来，随着高速公路建设的逐渐完善，很多高速公路开始进入养护阶段。与道路大修、道路重建不同的是，道路养护在路表出现大量病害之前执行，通过修复病害和恢复道路的行驶功能，以较低的费用保持路面的使用性能，而传统的“被动式”路面大修是在路面出现严重损坏的时候进行[1]。研究典型的高速公路养护措施的实际性能和修复效果，可以更好地指导道路养护。我国虽然已制定公路沥青路面养护规范，但由于缺乏路面性能的历史数据，对高速公路的性能衰变规律的研究依然较少[2]。本研究根据浙江省高速公路历史养护记录和路面性能数据，对比了不同养护方法对路面性能衰变速率的影响，为进行合理的养护方案选择提供依据。

1 研究对象

本文以浙江省的13条高速公路为依托，筛选出了包含3 a以上连续检测的路面性能数据的45个养护路段。养护方法主要包括AC — 13、AC — 16、SMA — 13的3种罩面及微表处、超薄磨耗层、热再生3种预防性养护。图1统计了各养护方法的样本量，可以看出，浙江省高速公路以罩面养护为主。在这45个项目中，三分之一已开始多次大规模的病害处理或二次养护，12个SMA-13罩面路段中仅一个已开始二次养护。

图1 不同养护方法的样本量统计Figure 1 Statistic of samples with different maintenance treatments

高速公路路面养护水平的高低是影响路面使用质量的重要因素，合理的选择路面养护措施直接关系到路面养护质量[3]。高速公路养护一般分为预防性养护和矫正性养护，两者的区别在于预防性养护着眼于预防，是在路面结构强度充足，路面表面功能衰减过程中的某一时机实施的，它不增加结构承载力，却能推迟矫正性养护及大修时间，延长路面使用寿命，提高道路服务质量。矫正性养护相对于预防性养护来说成本较高，投资较大，施工周期长，但它能从根本上治愈路面病害，延长高速公路使用寿命[4]。对各种养护措施的应用效果进行分析，有助于制定更科学合理的养护计划。

热铺沥青混凝土罩面是铺筑与新建路面结构等效的路面，铺筑厚度应大于或等于40 mm，是我国最常见的路面养护方法。路面破损严重时，应采用铣刨并加铺沥青混合料以恢复路面的服务功能[5]。本文研究了浙江省最常见的3种热铺沥青罩面：包括AC — 16、AC — 13以及SMA — 13。另外，本文还研究了3种常见的预防性养护：微表处、超薄磨耗层、热再生。其中，微表处也称为“聚合物改性乳化沥青稀浆封层”，可提供10～20 mm的表面处治，用于改善路面抗滑性能、填充路面车辙及不平整、进行路表密封、处理路面沥青老化及路面松散等。但微表处一般在实施2～3 a后就会有不同程度的路面破损[6]；超薄磨耗层的厚度一般为10～20 mm，除纠正微小的路面破损外，还能提供一定的抗滑性能，且对于结构良好的路面有一定的增强作用，但应避免在车辙较深，有明显疲劳裂缝和大量温度裂缝的路面使用[7]；热再生可处治大部分路面病害，但仅适用于结构相对较好的路面，处治厚度一般为25～50 mm，且对路面结构承载力的贡献不大[8]。图2统计了已开始二次养护的路段对应的养护方法的实施时间，也称服役时间，由于热再生项目均未开始二次养护，故不在统计之列。从图中可以看出，罩面类养护的服役时间普遍高于预防性养护，其中唯一失效的SMA — 13项目也服役了6.5 a之久，而微表处的寿命最短。

图2 各养护方法服役时间Figure 2 The serving time of each maintenance treatment

2 路面性能评价指标

为了评价养护后路面性能，采用了我国规范中定义的3个路面性能指标[9]。路面损坏状况指数PCI是根据各种病害的严重程度和影响面积加权计算得到，反映了路面的综合病害情况。路面行驶质量指数RQI是根据路面国际平整度指数IRI计算得到，反映了路面行驶舒适程度。路面车辙深度指数RDI反映了路面的车辙状况。

2.1 PCI指标

我国《公路技术状况评定标准》(JTG H20 — 2007)采用PCI指标反映路面破损情况，将沥青路面裂缝、坑槽、拥包、沉陷等11类21项损坏折合成损坏面积，计算路面破损率后按式(1)计算得到。

PCI=100-a0DRa1

(1)

式中:PCI为路面损坏状况指数；DR为路面破损率，为各种损坏的这和损坏面积之和与路面调查面积之和百分比；系数a0、a1对沥青路面而言分别取15.00和0.412。

2.2 RQI指标

路面平整度不仅直接关系到行车舒适性，还间接反映出路面的破损情况及整体技术状况水平，是反映路面耐久性的重要参数。《公路技术状况评定标准》(JTG H20 — 2007)采用RQI指标反映路面平整度水平，由国际平整度指数IRI通过式(2)计算得到：

(2)

式中:RQI为路面行驶质量指数；IRI为国际平整度指数；参数a0、a1对于高速公路分别采用0.026和0.65。

2.3 RDI指标

车辙是我国高速公路沥青路面的主要病害形式之一，车辙的大量出现不仅会影响沥青路面的使用性能，降低路面使用寿命，还会对行车安全构成威胁。《公路技术状况评定标准》(JTG H20 — 2007)采用路面车辙深度指数RDI反映路面车辙的严重程度，根据路面车辙深度RD通过式(3)计算得到：

(3)

式中:RDI为车辙深度指数；RD为车辙深度；RDa为车辙深度参数，取20 mm；RDb为车辙深度限值，取35 mm；a0、a1为模型参数，分别取2.0和4.0。

图3所示为所选路段各项路面性能综合指标的分布图，可以看出在进行了一次养护之后，目前90%以上的路段PCI、RQI和RDI的等级均为优，但仍有少量路段的综合性能为良。且路面车辙及不平整现象普遍较为严重，RDI指标有40%位于90～92分之间，90分以下也有10%，因此需要深入研究各养护措施对不同路面性能指标的实际养护效果及其衰变规律。

图3 路面性能数据分布直方图Figure 3 Distribution histogram of pavement performance data

3 养护后路面平均性能

针对本文所研究的6种养护方法，在不考虑交通量和寿命的情况下，对3个路面性能综合指标PCI、RQI、RDI进行了检验，如图4所示。图4中虚线代表了不同养护方法对应的平均路面性能，标准线代表了95%置信区间，即这个范围内有95%的可能性覆盖了真实值。从图中可以看出：

a. 相比预防性养护措施，3种罩面养护后的PCI、RQI、RDI指标均保持在较高水平。SMA — 13由于其良好的骨架结构，对病害、不平整、车辙都有较好的修复预防效果；本研究中AC — 16路段性能稍差于AC — 13，主要原因是AC — 16罩面对应的路段交通量更高且多为弯道及特殊路段，另一方面AC — 13混合料的集料均匀性和嵌挤性更好。

图4 养护后路面平均性能Figure 4 Average pavement performance after maintenance treatment

b. 对于3种预防性养护，微表处能有效修补路面破损，但对改善路面不平整的效果并不理想，超薄磨耗层的路面平整相对更高。微表处对路面破损的改善效果相对较好的原因是本研究中微表处路段通车时间只有2 a，而其它如超薄磨耗层使用时间已达5 a。

4 养护后路面衰变规律

图4中给出了养护措施使用后路面的平均性能，为了调查养护后路段的长期性能，有必要进一步比较分析养护后路面性能指标随时间的衰变规律。单个项目连续检测的时间大多仅为3 a左右，因此以项目为单位对衰变速率进行统计得到的结果变异性较大。本文将相同养护方法的路段归类分析，虽然拟合结果较差，但能明显反映出各性能指标的衰变趋势。线性及指数模型由于简单、直观、对数据要求不高，是目前应用最多的两种路面性能衰变模型[10]。因此，本研究采用线性及指数模型描述养护后路面性能指标的衰变规律。式(4)、式(5)为相应的衰变模型(以PCI为例)：

PCIi=PCI0-Ky

(4)

PCIi=PCI0-aey

(5)

式中:PCIi为养护措施实施i年后的PCI；PCI0为养护后第一次检测时的PCI；y为距上一次养护间隔的时间，以年为单位；K、a为模型参数，本文称之为衰变速率。

4.1 PCI指标

图5为各养护措施实施后路面损坏状况指数PCI随时间的衰变情况，其中直线为线性衰变模型，曲线为指数衰变模型，从图中可以发现：

a. 目前研究路段的PCI指标普遍为优，罩面类养护的路段多，PCI数据离散性较大，说明不同路段的PCI值差异较大。

b. SMA — 13罩面后的PCI指标衰变速率几乎为0，并且在很长一段时间内保持较高值，反映了SMA — 13罩面在修复路面破损方面的优越性。

c. 线性衰变模型能大致刻画出各养护措施实施后路面损坏状况指数PCI的衰变速率，而指数衰变模型拟合较差，易造成极端。

图5 养护后PCI指标随时间的衰变规律Figure 5 Deterioration law of PCI over time

4.2 RQI指标

图6为各养护措施实施后路面行驶质量指数RQI随时间的衰变情况，从图中可以发现：

图6 养护后RQI指标随时间的衰变规律Figure 6 Deterioration law of RQI over time

a. 与PCI指标近100分的初始值不同，RQI的初始值均在94分上下，这可能是由于养护前路面的平整度水平较差造成的。

b. RQI指标的衰变速度普遍较慢，相比之下预防性养护后的RQI衰变较快，其中最明显的是微表处。

4.3 RDI指标

图7为各养护措施实施后路面车辙深度指数RDI随时间的衰变情况，从图中可以发现：

a. 目前部分路段的RDI指标等级已为良，因此有必要对这些路段进行再次养护。

b.RDI初始值在93分上下，说明养护前路面的车辙病害已经较为严重。

c. 与RQI相似，RDI指标的衰变速率也不高。

图7 养护后RDI指标随时间的衰变规律Figure 7 Deterioration law of RDI over time

5 路面使用性能衰变模型

根据以上分析中，不同养护路段的性能衰变模型，可以对比不同养护措施的线性和指数衰变速率。图8根据线性及指数模型统计了不同养护方法所对应的路面性能指标衰变速率，从图中可以看出：

a. 在PCI、RQI、RDI 3个性能指标中，衰变最快的是PCI指标，SMA — 13罩面后的PCI衰变速率几乎为零，说明SMA — 13罩面能有效延迟路面病害出现的时间。衰变速率最小的是RQI指标，这是由于我国高速公路的主要结构形式是半刚性基层沥青路面，半刚性基层的刚度较大，因此路面平整度变化不明显。

b. 相比罩面类养护，预防性养护后的路面性能衰变速率较高，尤其是热再生和微表处，这一现象在指数衰变模型中更为明显。说明预防性养护更容易失效，故应综合考虑实际情况，对于病害较为严重的路段及时进行铣刨罩面处理。

c. AC — 13罩面后的路面平均性能都比较好，但它的衰变速率却是3种罩面材料中最快的，RDI甚至接近预防性养护措施的衰变速率，这可能是因为进行AC — 13罩面的路段交通量增长率较高造成的。

d.PCI的初始值均接近100，但除了SMA — 13罩面，其余养护方法的PCI衰变速率都十分高，说明这些养护方法虽能有效修补路面破损，但也很容易失效，无法使路面长期维持完好状态，因此在养护方案选择中应重点考虑养护行为对路表破损发展速度的控制。

图8 路面性能衰变速率Figure 8 Deterioration rate of pavement performance

6 结论

已有研究表明：材料特性、结构特性、环境因素、养护前路面性能指标及施工技术水平等都会对养护效果产生很大影响[11]。因此，随着路面历史性能数据的逐渐积累，在后续的研究中应综合考虑各种因素，更科学、全面地探究各种养护方法及养护材料的适用性。本文对浙江省45个养护路段的研究分析，主要可以得到以下几个结论：

a. 与预防性养护相比，罩面类养护后的路面性能指标较高且衰变速率更低，尤其对路面平整度相关的性能指标RQI的改善效果明显高于预防性养护。尽管罩面类养护成本较高，但在路面病害严重或病害发展速度过快(尤其是路面平整度)而预防性养护无法有效遏制病害进一步恶化时，必须及时采取铣刨加铺罩面的形式对路段进行养护。

b.PCI指标整体较高，但衰变速率却远大于RQI及RDI指标，说明所调查路段的破损情况并不严重但恶化速度较快，仅SMA — 13罩面能显著减缓破损的发展速度，其它养护方法尤其是预防性养护均无法对其进行有效控制。

c. 在3种罩面材料中，SMA — 13由于其良好的骨架结构，对病害、不平整、车辙都有较好的修复效果，并且能使养护后的路面性能长期保持较高水平；AC — 16罩面后的各项性能指标不及AC — 13罩面，而AC — 16罩面对应的路段交通量较高且多为弯道及特殊路段；但AC — 13罩面后的路面性能衰变速度较快，这与AC — 13罩面的路段交通量增长率较高有关。

d. 超薄磨耗层在改善路面平整度及车辙修复方面均好于微表处，本研究中微表处对路面破损的修复效果较好是因为微表处的样本量较少且服务时间仅为2.5 a。此外，微表处后的路面性能衰变速度显著高于超薄磨耗层，说明微表处极其容易失效，每隔一段时间就要进行再次养护。

e. 热再生对路面抗车辙能力的恢复及病害的修补具有显著效果，但无法很好地改善路面平整度，且热再生养护后的路面各项性能指标衰变速度较快，仅次于微表处。