基于瀝青路面性能衰變規律的預防養護措施研究

李亞龍

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國高速公路及農村公路規劃建設目標的完成，汽車保有量不斷增加，現有公路壓力日趨增大。公路養護，特別是高速公路養護需求迫在眉睫，并成為我國公路交通行業的主要工作之一。預防養護是指針對路面整體性能良好但有輕微病害，為延緩性能過快衰減、延長使用壽命而預先采取主動防護工程。在養護市場規模不斷擴大，養護需求逐年增加的情況下，預防養護措施也多樣化。我國高速公路多采用半剛性基層瀝青路面，《公路瀝青路面養護設計規范》（JTG 5421—2018）中給出了常用的路面預防養護措施及適用條件，包括：微表處、同步碎石封層、超薄磨耗層、薄層罩面等，合理的養護方案對于延緩路面性能衰減、延長使用壽命有著重要的作用。

為研究養護后路面性能衰變規律，國內外學者通過室內及現場試驗、統計分析等方法開展大量工作，郝金海[1]等采用線性指數模型及一般指數模型對不同養護措施長期性能進行分析，但選取模型對數據擬合度差，且主要研究了罩面類養護措施；單崗[2]等采用多元線性回歸方法，分析了不同影響因素及交互作用對不同養護措施衰變規律的影響；劉燕燕[3]等采用不同衰變方程對數據進行擬合，并對其參數進行了分析。大部分研究以修復養護研究為主，但針對預防養護的跟蹤及其橫、縱向對比尚未開展大量研究。隨著預防養護理念的不斷深入，有必要對預防養護措施使用性能進行研究。

本文基于山西省高速公路養護現狀，選取了省內典型養護路段的歷史性能數據，對一般指數模型進行修正，綜合分析了不同影響因素作用下，路面性能的衰變規律、衰變速率，為有針對性地選擇養護方案進行道路養護提供可靠依據。

1 研究方法

本文針對山西省所轄高速公路歷史養護數據進行分析，選定省內使用頻率高的微表處、超薄磨耗層、同步纖維磨耗層、SMC超薄罩面4種預防養護措施為研究對象，采用一般指數模型[4]及提出的修正指數模型對數據進行擬合，分析不同養護措施下，路面狀況指數（PCI）、路面行駛質量指數（RQI）及路面車轍深度指數（RDI）的衰變規律。

上述4種預防養護措施，分別應用在山西省內不同區域，選取的歷史性能數據為一般路段及典型重載路段處，對使用性能衰變分析更具普遍性。

2 路面性能評價指標

為了對養護后路面性能進行合理評價，采用了《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）中權重較大的路面損壞狀況指數PCI、路面行駛質量指數RQI、路面車轍深度指數RDI這3個性能指標。

本文除一般路段外，還選取了山西省內通車運營15年、交通量大、重載比例高的典型瀝青路面路段進行分析，選取的路段均在2015年實施了不同類型的預防養護措施。圖1～圖3為所選路段采取預防養護措施前后各性能指標的分布圖。

圖1 PCI隨時間變化情況

圖2 RQI隨時間變化情況

圖3 RDI隨時間變化情況

在實施預防養護后首次路面性能檢測中，PCI指標基本達到“優良”等級，RQI、RDI達到“優”等級，但個別路段指標較低，可能是由于局部再次出現病害或檢測時存在差異。從整體來看，隨著服役時間的增長，各指標性能均呈下降趨勢，但PCI指標下降最為明顯；因此，需要對不同養護措施的養護效果及衰變規律進一步研究。

3 不同養護方法的路面性能

針對本文提出的4種預防養護方法，對不同方法養護后首次檢測路面性能指標PCI、RQI、RDI情況進行了分析，如圖4所示。

圖4 不同養護措施路面性能數據

從圖4中可以看出：

a）采取不同養護措施后，路面性能指標值均維持在“良”等級水平。針對PCI值，超薄磨耗層處治后效果最優，微表處效果一般，主要原因可能是超薄磨耗層厚度較微表處大，且超薄磨耗層施工采用專用設備進行噴灑、攤鋪、碾壓成型，施工質量高且對路面病害具有較好的修復效果。

b）對于RQI、RDI指標，上述養護措施均能有效填充車轍、改善路面不平整的現狀，但微表處處治效果相對劣于其他預防養護措施；圖中微表處MS-2型處治效果優于MS-3型，主要是由于采用MS-2型處治超車道病害，而MS-3型處治行車道病害，重載車輛主要在行車道行駛，導致原路面行車道病害程度大于超車道。

3.1 模型修正

為了得出養護后路段的使用性能及養護措施的使用壽命，有必要對養護后路面性能指標隨時間的衰變規律進行分析。一般養護措施的使用壽命為2～5年，因此本文采集所選路段養護措施實施后5年的性能指標數據，并采用現有數學指數模型對數據進行擬合，為提高擬合度，提出修正指數模型，更準確分析各養護措施的衰變趨勢。

式（1）為一般指數模型，是目前簡單分析數據的常用模型，但模型擬合結果較差，不能直觀地反映指標衰變情況。本文在對大量性能指標數據統計分析的基礎上，將指數模型進行修正，如式（2），大大提高了數據擬合度，從而能夠較準確地分析路面衰變規律。

式中：PPI為路面性能指數；PPI0為養護后第一次檢測時的性能值；t為服役時間，年；a、α為衰變因子。

3.2 路面損壞狀況指數PCI

圖5為不同養護措施實施后PCI值隨服役時間的衰變情況，分別采用一般指數模型（簡稱A）與修正指數模型（簡稱B）對數據進行擬合，并對兩者相關性R2列于圖中。

圖5 PCI值隨服役時間的衰變情況

從圖5中可以看出：

a）采取養護措施后，首次檢測PCI大部分達到“優”等級，隨著服役時間的增長，各措施PCI值下降趨勢明顯。微表處在各路段使用較多，離散性較大，部分路段在使用第3年已進行重新處治。

b）采用超薄磨耗層后指標值在5年服役期內衰變速率較小，指標值能在使用第5年保持85分左右，反映出超薄磨耗層在處治路面破損方面的優勢。

c）A模型和B模型對于超薄磨耗層的擬合度均較高，但對其他養護方式，B模型擬合度更優，說明B模型適用范圍更廣。

3.3 路面行駛質量指數RQI

圖6為路面行駛質量指數RQI隨時間的衰變情況。

圖6 RQI值隨服役時間的衰變情況

從圖6中可以看出：

a）采取養護措施后，RQI指標值均達到95分左右，隨著服役時間的增長，各措施RQI值下降趨勢平緩。同樣，微表處處治后數據較其他措施的離散性大，可能是由于處治厚度小或原路面平整度差所致。

b）各措施實施后指標值在5年服役期內衰變速率較小，說明目前采用預防養護措施能夠較好地恢復路面平整度且能夠維持較長時間。

c）從兩種模型擬合情況可以看出，二者對數據的擬合程度基本接近，說明對于變化幅度小的指標可采用任一模型對指標值進行預測分析。

3.4 車轍深度指數RDI

圖7為車轍深度指數RDI隨時間的衰變情況。

圖7 RDI值隨服役時間的衰變情況

從圖7中可以看出：

a）采取養護措施后，RDI指標值均有提高，隨著服役時間的增長，各措施RDI值呈下降趨勢。微表處處治后數據離散性大，可能是由于原路面面層結構或原有車轍類型不同所致。

b）各措施實施后指標值在5年服役期內衰變速率較小，說明各措施能夠較好地填充原路面車轍，服役效果良好。

4 衰變速率分析

4.1 數據擬合度分析

根據上述分析，對不同養護措施的一般指數模型（A）和修正指數模型（B）的擬合度總結分析，如圖8。

圖8 不同模型擬合度變化

從圖8中可以看出：

a）對不同的衰變模型而言，修正指數模型對3個路面性能指標擬合程度較一般指數模型均有所提升。由于RQI數據整體相對穩定，變化較小，所以兩模型擬合度區別不大。

b）對相同的衰變模型而言，不同養護措施下，RQI擬合度均較高。

4.2 衰變速率分析

當針對路面病害選取養護措施時，不僅要處治病害，還要考慮該養護措施能否有效延長路面的使用壽命，即自身的使用性能衰減是否過快。因此，分析不同養護措施的衰變速率對合理選取養護措施具有重要意義。

從修正指數模型中可以看出，衰變因子α越大，衰減速率越緩；提取不同措施衰變因子列于圖9中。

圖9 不同措施指標衰變因子

a）整體來看，3個指標中，PCI衰變因子最小，RQI與RDI衰變因子差別較小，說明無論何種養護措施，PCI衰變速率最快。

b）對不同養護措施而言，衰變速率最小的是超薄磨耗層，說明預防養護中保證一定厚度能有效處治病害，延長使用壽命；微表處衰變速率最大，且數據離散程度大，說明微表處雖能處治病害，但容易在短期內失效。SMC超薄罩面與同步纖維磨耗層衰變速率基本持平，說明使用改性瀝青與溫拌工藝、在層間摻加纖維能夠在一定程度上延長路面使用壽命。

5 結語

在路面養護過程中，存在諸多的影響因素：原路面病害程度、原材料特性、混合料結構、環境因素、施工工藝等。本文選取不同路段養護歷史性能數據研究分析，主要得到以下結論：

a）選取的4種常用預防養護措施中，超薄磨耗層處治路面病害后效果最優，SMC超薄罩面和同步纖維磨耗層次之，微表處最差。這可能是由于薄層罩面成型厚度、施工工藝使其衰減速率變小、使用壽命延長；SMC超薄罩面則通過采用改性瀝青與溫拌工藝減緩性能衰減，同步纖維磨耗層中纖維增加了層間黏結，提高了路面整體性。

b）養護措施實施后，PCI指標提升最為明顯，但衰減速率也最快，RQI與RDI在運營多年的公路中變化基本穩定。說明厚度在1 cm內的預防養護措施對遏制路面破損發展效果較差。在后續預防養護措施選取時應主要考慮修復路面破損病害。

c）修正指數模型對數據的擬合效果優于一般指數模型，可采用該模型對各指標發展趨勢進行簡單預測，作為養護措施選取的參考依據。