基于沥青路面性能衰变规律的预防养护措施研究

2021-02-26李亚龙

山西交通科技 2021年6期

李亚龙

（山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）

0 引言

随着我国高速公路及农村公路规划建设目标的完成，汽车保有量不断增加，现有公路压力日趋增大。公路养护，特别是高速公路养护需求迫在眉睫，并成为我国公路交通行业的主要工作之一。预防养护是指针对路面整体性能良好但有轻微病害，为延缓性能过快衰减、延长使用寿命而预先采取主动防护工程。在养护市场规模不断扩大，养护需求逐年增加的情况下，预防养护措施也多样化。我国高速公路多采用半刚性基层沥青路面，《公路沥青路面养护设计规范》（JTG 5421—2018）中给出了常用的路面预防养护措施及适用条件，包括：微表处、同步碎石封层、超薄磨耗层、薄层罩面等，合理的养护方案对于延缓路面性能衰减、延长使用寿命有着重要的作用。

为研究养护后路面性能衰变规律，国内外学者通过室内及现场试验、统计分析等方法开展大量工作，郝金海[1]等采用线性指数模型及一般指数模型对不同养护措施长期性能进行分析，但选取模型对数据拟合度差，且主要研究了罩面类养护措施；单岗[2]等采用多元线性回归方法，分析了不同影响因素及交互作用对不同养护措施衰变规律的影响；刘燕燕[3]等采用不同衰变方程对数据进行拟合，并对其参数进行了分析。大部分研究以修复养护研究为主，但针对预防养护的跟踪及其横、纵向对比尚未开展大量研究。随着预防养护理念的不断深入，有必要对预防养护措施使用性能进行研究。

本文基于山西省高速公路养护现状，选取了省内典型养护路段的历史性能数据，对一般指数模型进行修正，综合分析了不同影响因素作用下，路面性能的衰变规律、衰变速率，为有针对性地选择养护方案进行道路养护提供可靠依据。

1 研究方法

本文针对山西省所辖高速公路历史养护数据进行分析，选定省内使用频率高的微表处、超薄磨耗层、同步纤维磨耗层、SMC超薄罩面4种预防养护措施为研究对象，采用一般指数模型[4]及提出的修正指数模型对数据进行拟合，分析不同养护措施下，路面状况指数（PCI）、路面行驶质量指数（RQI）及路面车辙深度指数（RDI）的衰变规律。

上述4种预防养护措施，分别应用在山西省内不同区域，选取的历史性能数据为一般路段及典型重载路段处，对使用性能衰变分析更具普遍性。

2 路面性能评价指标

为了对养护后路面性能进行合理评价，采用了《公路技术状况评定标准》（JTG 5210—2018）中权重较大的路面损坏状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面车辙深度指数RDI这3个性能指标。

本文除一般路段外，还选取了山西省内通车运营15年、交通量大、重载比例高的典型沥青路面路段进行分析，选取的路段均在2015年实施了不同类型的预防养护措施。图1～图3为所选路段采取预防养护措施前后各性能指标的分布图。

图1 PCI随时间变化情况

图2 RQI随时间变化情况

图3 RDI随时间变化情况

在实施预防养护后首次路面性能检测中，PCI指标基本达到“优良”等级，RQI、RDI达到“优”等级，但个别路段指标较低，可能是由于局部再次出现病害或检测时存在差异。从整体来看，随着服役时间的增长，各指标性能均呈下降趋势，但PCI指标下降最为明显；因此，需要对不同养护措施的养护效果及衰变规律进一步研究。

3 不同养护方法的路面性能

针对本文提出的4种预防养护方法，对不同方法养护后首次检测路面性能指标PCI、RQI、RDI情况进行了分析，如图4所示。

图4 不同养护措施路面性能数据

从图4中可以看出：

a）采取不同养护措施后，路面性能指标值均维持在“良”等级水平。针对PCI值，超薄磨耗层处治后效果最优，微表处效果一般，主要原因可能是超薄磨耗层厚度较微表处大，且超薄磨耗层施工采用专用设备进行喷洒、摊铺、碾压成型，施工质量高且对路面病害具有较好的修复效果。

b）对于RQI、RDI指标，上述养护措施均能有效填充车辙、改善路面不平整的现状，但微表处处治效果相对劣于其他预防养护措施；图中微表处MS-2型处治效果优于MS-3型，主要是由于采用MS-2型处治超车道病害，而MS-3型处治行车道病害，重载车辆主要在行车道行驶，导致原路面行车道病害程度大于超车道。

3.1 模型修正

为了得出养护后路段的使用性能及养护措施的使用寿命，有必要对养护后路面性能指标随时间的衰变规律进行分析。一般养护措施的使用寿命为2～5年，因此本文采集所选路段养护措施实施后5年的性能指标数据，并采用现有数学指数模型对数据进行拟合，为提高拟合度，提出修正指数模型，更准确分析各养护措施的衰变趋势。

式（1）为一般指数模型，是目前简单分析数据的常用模型，但模型拟合结果较差，不能直观地反映指标衰变情况。本文在对大量性能指标数据统计分析的基础上，将指数模型进行修正，如式（2），大大提高了数据拟合度，从而能够较准确地分析路面衰变规律。

式中：PPI为路面性能指数；PPI0为养护后第一次检测时的性能值；t为服役时间，年；a、α为衰变因子。

3.2 路面损坏状况指数PCI

图5为不同养护措施实施后PCI值随服役时间的衰变情况，分别采用一般指数模型（简称A）与修正指数模型（简称B）对数据进行拟合，并对两者相关性R2列于图中。

图5 PCI值随服役时间的衰变情况

从图5中可以看出：

a）采取养护措施后，首次检测PCI大部分达到“优”等级，随着服役时间的增长，各措施PCI值下降趋势明显。微表处在各路段使用较多，离散性较大，部分路段在使用第3年已进行重新处治。

b）采用超薄磨耗层后指标值在5年服役期内衰变速率较小，指标值能在使用第5年保持85分左右，反映出超薄磨耗层在处治路面破损方面的优势。

c）A模型和B模型对于超薄磨耗层的拟合度均较高，但对其他养护方式，B模型拟合度更优，说明B模型适用范围更广。

3.3 路面行驶质量指数RQI

图6为路面行驶质量指数RQI随时间的衰变情况。

图6 RQI值随服役时间的衰变情况

从图6中可以看出：

a）采取养护措施后，RQI指标值均达到95分左右，随着服役时间的增长，各措施RQI值下降趋势平缓。同样，微表处处治后数据较其他措施的离散性大，可能是由于处治厚度小或原路面平整度差所致。

b）各措施实施后指标值在5年服役期内衰变速率较小，说明目前采用预防养护措施能够较好地恢复路面平整度且能够维持较长时间。

c）从两种模型拟合情况可以看出，二者对数据的拟合程度基本接近，说明对于变化幅度小的指标可采用任一模型对指标值进行预测分析。

3.4 车辙深度指数RDI

图7为车辙深度指数RDI随时间的衰变情况。

图7 RDI值随服役时间的衰变情况

从图7中可以看出：

a）采取养护措施后，RDI指标值均有提高，随着服役时间的增长，各措施RDI值呈下降趋势。微表处处治后数据离散性大，可能是由于原路面面层结构或原有车辙类型不同所致。

b）各措施实施后指标值在5年服役期内衰变速率较小，说明各措施能够较好地填充原路面车辙，服役效果良好。

4 衰变速率分析

4.1 数据拟合度分析

根据上述分析，对不同养护措施的一般指数模型（A）和修正指数模型（B）的拟合度总结分析，如图8。

图8 不同模型拟合度变化

从图8中可以看出：

a）对不同的衰变模型而言，修正指数模型对3个路面性能指标拟合程度较一般指数模型均有所提升。由于RQI数据整体相对稳定，变化较小，所以两模型拟合度区别不大。

b）对相同的衰变模型而言，不同养护措施下，RQI拟合度均较高。

4.2 衰变速率分析

当针对路面病害选取养护措施时，不仅要处治病害，还要考虑该养护措施能否有效延长路面的使用寿命，即自身的使用性能衰减是否过快。因此，分析不同养护措施的衰变速率对合理选取养护措施具有重要意义。

从修正指数模型中可以看出，衰变因子α越大，衰减速率越缓；提取不同措施衰变因子列于图9中。

图9 不同措施指标衰变因子

a）整体来看，3个指标中，PCI衰变因子最小，RQI与RDI衰变因子差别较小，说明无论何种养护措施，PCI衰变速率最快。

b）对不同养护措施而言，衰变速率最小的是超薄磨耗层，说明预防养护中保证一定厚度能有效处治病害，延长使用寿命；微表处衰变速率最大，且数据离散程度大，说明微表处虽能处治病害，但容易在短期内失效。SMC超薄罩面与同步纤维磨耗层衰变速率基本持平，说明使用改性沥青与温拌工艺、在层间掺加纤维能够在一定程度上延长路面使用寿命。