基于沥青路面性能衰变特征的养护效果后评估*

曹明明 乔世哲 岳建洪 陈金蓉 张洲洋 陈 阳

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司 成都 610041; 2.西华大学能源与动力工程学院 成都 611730;3.四川成渝高速公路股份有限公司 成都 610021)

目前，沥青路面养护后评估着重对养护措施的技术效果和经济效果进行总结和评估，对其选取的技术措施适宜性和经济性进行分析，是促进养护决策科学化的重要手段，但受制于不同路段检测数据的完整性和准确性、维修养护历史、交通量，以及施工质量等因素，养护效果后评估的应用普适性不足，沥青路面养护后评估仍处于探索阶段。文献[1]通过跟踪观测路面宏、微观指标在养护措施实施前、后的改善程度，评价预防性养护措施的技术效果，并对比不同路段、不同养护措施、不同实施时机等方面，评价预防性养护措施的合理性和时机的正确性，缺乏后期跟踪；文献[2]评价了灌缝处理、路面强化剂、灌浆处理和沥青再生预养护措施实施前后的短期技术效果；文献[3]基于北京市多条高速公路的实测数据，评价不同养护模式下路面技术状况指标的变化规律，但并未将其与具体的养护措施相对应；文献[4]重点分析了养护评估方法的选择，如性能提升值、措施使用寿命等指标的选取。整体而言，已有研究多仅关注于养护措施实施前后路用技术指标的变化[5-6]，而维修养护后沥青路面性能衰变多受制于原路面的技术状况、施工质量、养护措施的合理性和实施时机的正确性、交通状况等因素，其衰变特征与新建道路存在较大差异，虽国内外众多学者对沥青路面技术状况衰变特征进行了研究[7]，但鲜有学者将其与沥青路面养护后评估进行关联。

基于目前公路养护决策的随意性和时机选择的乱象，《“十三五”公路养护管理发展纲要》提出：推行养护决策科学化，加快建立公路养护科学决策机制和技术要求，探索建立以公路病害为导向的回溯机制，分析性能衰减规律和病害成因，合理选用养护技术方案，开展养护成效分析。因此，本文依托成雅高速典型路段在加铺4 cm改性沥青AC-13C后，10年内沥青路面技术状况检测数据和养护历程，分析其演变特征，并将其应用于沥青路面养护后评估分析中。

1 工程概况

成雅高速公路沿线属亚热带湿润气候区，主线路面设计结构为：4 cm抗滑表层AK-13A+5 cm中粒式沥青混凝土AC-20I+6 cm粗粒式沥青混凝土AC-25II+20 cm水泥稳定碎石基层+30～36 cm水泥稳定碎石(或砂砾)底基层。成雅高速公路在2010-2012年间全线采用4 cm改性沥青AC-13C罩面，其余年份均以局部养护为主。

根据养护检测数据资料和养护历史情况，本文选取成雅高速下行K1932+000-K1942+000进行养护后评估，该路段于2016年左右再次采用4 cm改性沥青AC-13C罩面，并在2019年对该路段K1939+700-K1939+478主车道进行了铣刨换铺。

2 沥青路面衰变预测模型构建及养护效果评价

2.1 沥青路面技术状况衰变预测模型构建及养护效果评价

2011-2015年路面分项指标(PQI、PCI、RQI、RDI、SRI)检测数据的衰变曲线和拟合方程见图1和表1。方程模型拟合参数获取精度受制于检测数据不完整、检测设备或条件的波动、桩号换算后的误差，还包括养护维修历程不齐全，尤其是日常养护过程对局部严重病害处治资料往往无法得到统计等因素，其均可能导致拟合后精度相对较差，但养护维修衰变特征是一个长期演变趋势的分析，更多关注于其变化趋势，对预测数值可根据逐年数据的添加进行短期预测以提高预测精度。

图1 路面技术状况指标拟合

表1 路面技术状况指标拟合方程

由图1和表1可得：RQI和RDI规律性并不强，未呈现明显的加速衰减趋势，不适宜作为养护时机选择或后评估的触发指标；PQI、PCI和SRI在2011-2015年其测值前期衰减较为缓慢，随通车运营时间的延长，衰减速率显著增加，而后衰减趋势逐年变缓，但整体而言，仅SRI测值出现了大幅度衰减，其余各指标测值变化并不大。以2016年4 cm改性沥青AC-13C加铺前后数据对比，2015年SRI测值降至78.41，接近下限75，加铺罩面后沥青路面抗滑性能得到大幅度改善，SRI测值提升至86.5，其余指标在加铺罩面前后改善效果并不明显(PQI、PCI测值提升值2～3)，主要是PQI、PCI尚处于一个相对较高的测值，加铺前后变化幅度较小，而原路面抗滑性能较差，加铺罩面后抗滑性能测值提升了10.3%，即该批次罩面主要需改善抗滑性能，养护时机的把握尚可。另将2016年与2018年各指标测值对比分析发现，养护2年后各指标，衰减幅度较小，仍维持在相对较高的水准，原病害处治和加铺罩面施工质量尚可，可认为该批次养护维修基本达到预期效果。

2.2 沥青路面裂缝发展状况分析及养护效果评价

成雅高速公路典型路段病害以裂缝和修补为主，修补多反映养护历史，裂缝更能体现路面的病害变化特征，因此选取裂缝率CR予以分析。据成雅高速下行K1932+000-K1942+000在2010-2018年路面检测病害数据拟合曲线(见图2)和拟合方程(CR=1.64×10-9×t6.37，t为自衰减拟合起点的运营时间,年)可得：2010-2013年沥青病害数据更体现了这一特征。

2010-2013年该路段裂缝率呈减小趋势，2013年几乎无裂缝类病害，间接反映了成雅高速公路针对病害的日常养护较为及时，对路面病害维修极为及时，病害发展抑制较为明显。但2013-2015年修补类病害大幅度攀升，2016年修补病害为0，可见在2016年该路段进行过加铺罩面，与养护资料一致(养护资料显示该路段2016年加铺过4 cm改性沥青AC-13C罩面)。经上述分析，结合裂缝类和修补等病害的演变规律，沥青路面病害的逐年演变趋势可作为无可靠养护资料时，反演沥青路面养护历史的一种近似途径。裂缝率可作为最为直观的沥青路面维修养护决策指标，并结合裂缝率的各类病害构成，选取合适的养护时机和养护措施。

图2 裂缝率演变规律拟合

3 养护措施触发指标后评价

结合文献[8]和JTG 5421-2018《公路沥青路面养护设计规范》[9]确定相应养护措施的触发指标为：预防性养护措施实施触发区间为PQI和PCI均为85～92，RQI为85～90，RDI为80～85，SRI为75，CR为1%～2%；4～5 cm加铺罩面实施触发区间为PQI和PCI均为80～85，RQI为85，RDI为80，SRI为75，CR为2%。

前文衰变规律拟合发现，RQI和RDI衰变规律性较差，触发指标控制时不再考虑RQI和RDI的影响。根据成雅高速下行K1932+000-K1942+000段沥青路面技术状况演变特征拟合所得衰变方程，计算各触发指标标准值对应的典型路段养护实施时机见图3，发现最先触发预防性养护措施实施的控制指标为PQI(养护后运营年限为4.4年)，最后触发预防性养护措施实施的控制指标为裂缝率CR(养护后运营年限为8.4年)；最先触发4～5 cm加铺罩面实施的控制指标为PQI(养护后运营年限为7.6年)，但PCI触发的养护后运营年限为7.9年，与PQI控制指标所得无实质性区别，最后触发4～5 cm加铺罩面实施的控制指标为裂缝率CR(养护后运营年限为8.8年)。由此可得，剔除RQI和RDI的影响，该路段养护措施实施的控制指标为PQI，实质上而言，PCI是构成PQI的主体指标之一，其触发状况不容忽视，尤其是在确定修复养护措施实施时机时。

结合PQI和PCI指标的综合影响，预防性养护措施实施的最佳年限在通车运营后的4～6年内，4～5 cm加铺罩面实施的最佳年限在通车运营后的7.5～8年内。在成雅高速下行K1932+000-K1942+000段养护措施实施时机选取中，沥青路面抗滑性能指标SRI不容忽视，沥青路面抗滑性能是行车安全的前提，为强制进行养护实施的最后时机，因此，在养护后运营6.2年时必须进行针对抗滑性能的维修养护措施实施，可采用预防性养护措施，也可采用4～5 cm加铺罩面，即在2016年左右应进行抗滑性能专项处治，养护资料显示2016年进行过4 cm改性沥青AC-13C罩面，显然这一措施实施时机较为合适。

图3 成雅高速下行K1932+000-K1942+000段

4 不同养护措施经济性后评价

据上文分析，4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面触发养护年限为7.6年，从养护计划的年度计划安排角度考虑，此文采用7年。微表处的使用寿命往往较短，此处根据文献[9]以2～3年计算，超薄磨耗层预期使用寿命在3～4年计算。铣刨恢复措施未对路面结构进行补强，病害处治往往不彻底，寿命期较短，使用寿命依交通量不同常为3～5年，此处以4年计算。复拌就地热再生处治按文献[9]服役寿命应不少于5年，但复拌就地热再生处治若不进行罩面，极易出现裂缝和水损坏，且抗疲劳性能较差，其服役寿命受施工单位施工水平影响较大，预期寿命为3～4年，但采用4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面后，使用寿命大大延长至8～10年[10-11]。常用养护措施经济性比较汇总见表2。

表2 常用养护措施经济性比较

由表2可得，路面性能或服役年限由长到短依次为：就地热再生+4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面>4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面>4 cm SBS改性沥青AC-13C铣刨换铺>就地热再生(不罩面)>微表处。寿命期年度投入总费用平均值从大到小依次为就地热再生(不罩面)>4 cm SBS改性沥青AC-13C铣刨换铺>就地热再生+4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面>4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面>微表处。

表3 各措施适用的路况条件

整体而言，不进行罩面的就地热再生处治工艺由于新料添加量较低，施工难度较大，往往压实后空隙率较大，旧沥青老化严重，路用性能较差，且小面积施工费用较高，从性价比上不作为推荐方案选用，若采用复拌就地热再生处治，建议对其采用4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面。同时，加铺4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面后，对附属设施影响较大，往往需要对防护栏进行提升、对天桥进行顶升，且交通组织费用较大，占道施工给高速公路运营带来不良的社会影响，但路用性能可得到大幅度提升，服役寿命长，同时，路用性能衰减速度较慢，后期服役性能仍优于微表处等简易型的预防性养护措施。相对而言，4 cm SBS改性沥青AC-13C铣刨换铺并未对结构强度有所提升，且受原路面深层次病害的制约较大，原路面病害严重，其服役年限更短，性能衰减更快，好处在于附属设施影响较小，可占道施工，对交通影响也小。超薄磨耗层和微表处均仅适用于抗滑性能不足或路面病害较少，尤其是深层次病害的情况，以起到防水、耐磨和抗滑的作用，其中，超薄磨耗层应用案例相对较少，其耐久性未知，但其施工速度较快，性能优于微表处，对附属设施影响较小，更适用于净高受限、恒重受限的特殊工况下提升路面性能的维修处治。所以，从路用性能改善、维修养护措施的性价比、行车舒适性、服役年限和交通组织等方面综合考虑，大面积加铺4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面是一种相对稳妥的提升路面路用性能的处治方案。

5 结论

1) 4 cm改性沥青AC-13C加铺罩面后，PCI、 PQI和SRI呈现显著的衰变趋势，RQI指标和RDI指标在典型路段中衰变规律性并不强。裂缝率的增长更多服从幂函数，加铺4 cm改性沥青AC-13C罩面对裂缝增长速率的抑制效果显著，裂缝率的增长规律拟合应结合典型路段的养护历程，充分考虑不同养护措施对裂缝率增长的干涉效应。

2) 典型路段SRI测值在分析期出现显著衰减特征，且呈现4 cm改性沥青AC-13C加铺罩面在前2年SRI基本保持不变，随后出现大幅度衰退的现象。

3) 养护措施触发指标的后评价分析，控制沥青路面维修养护触发指标多为PQI和PCI，但当抗滑指标衰减至接近临界值时，应优先采取相应的维修养护措施。

4) 通过寿命期年度投入总费用和路用性能的对比，小规模就地热再生(不罩面)处治并不是一种高性价比的养护方案，4 cm SBS改性沥青AC-13C铣刨换铺性价比并不如4 cm SBS改性沥青AC-13C罩面，而短期临时的维修养护措施可考虑微表处和超薄磨耗层，在资金允许的条件下，各类工况均建议优先选用4～5 cm SBS改性沥青混合料加铺罩面。