既有道路長壽命瀝青路面理念及實踐

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針對既有瀝青路面使用壽命短、養護效果不佳等問題，北京市科學技術委員會在2016年中央引導地方科技發展專項中，立項對“基于病害探查的既有道路長壽命技術及綜合管廊運維智能管理系統研究”課題開展研究。研究歷時3年，參研單位包括北京市道路工程質量監督站、北京市市政工程研究院、北京工業大學等單位。

課題立足于1987年至今已有的30余年路面歷史數據的調查，調研了北京市17條高速公路和83條干線公路的建養歷史和典型病害，多特征、多維度對比分析路面性能的演變規律，系統研究了瀝青路面使用性能演變的不同模式和主要影響因素。筆者從理念、評價標準、技術方案設計、實踐應用等方面對課題成果進行梳理呈現。

“十四五”期間是全國公路行業由建設階段向養護階段轉型的重要時期，面臨著降低交通基礎設施維修成本、增強通行保障能力和提高運行效率的直接壓力，解決這些問題已經成為公路管理的基本要求和可持續發展的基礎。隨著公路通車規模的增長和道路服務年限的增加，瀝青路面的維修養護任務日益嚴峻，主要干道逐步進入養護期，公路養護市場開始加速增長。截至2019年，全國公路養護里程達495.31萬公里，占公路總里程的98.8%，公路養護公共財政支出達到832.98億元。

傳統的瀝青路面維修養護年限一般為8年至10年，若按10年一個大修周期計算，全國超過80萬公里的瀝青路面中，每年將有近8萬公里需要維修養護。如果20%既有道路瀝青路面能延長壽命為原來的2倍，就可節約養護資金360億元以上，還可以減少因道路施工造成的交通擁堵，避免因修路開采石料造成的環境破壞。為此，通過合理的養護措施延長既有道路使用壽命具有重大的經濟、社會和環境意義，是實現交通行業高質量發展和建設交通強國的內在需求。

既有道路長壽命路面理念

圖1 北京市市管普通公路大修周期及路段數分布

20世紀80年代起，北京市大規模推廣使用石灰土、石灰粉煤灰砂礫等半剛性基層，并修建現代意義上的瀝青混凝土路面。經過40年的建設與發展，北京市瀝青路面呈現起步早、范圍廣、使用時間長等特點，在全國瀝青路面建設和研究中極具代表性和典型性。根據近年來北京市市管普通公路瀝青路面維修養護資料統計，如圖1所示。15年以上未實施結構性大修的路段有18條，其中7條路段使用年限超過30年。總結這些使用壽命超過設計年限，路面結構狀態良好的既有瀝青路面特征：一是路基和排水良好，二是砂礫層等底基層狀況良好，三是采用的道路材料質量優良，四是施工控制嚴格，五是采取了規范的預防性養護。

為了總結推廣提高公路工程耐久性、延長路面使用壽命等方面的經驗，中國公路學會于2020年組織開展“長壽命路面獎”評審活動。經過周密組織和嚴格評選，G2京津塘高速公路北京段、G20濟青高速公路濟南東段、G4廣深高速公路廣州至深圳段榮獲我國第一屆長壽命路面獎。事實證明：設計年限15年至20年的瀝青路面，經歷30年環境變化和交通荷載的檢驗，路面指數PQI仍然大于85，并未出現路面結構性損壞，已達到長壽命路面標準。

總結國內外長壽命路面的共性特征和成功經驗，既有道路長壽命瀝青路面理念，是以結構使用年限“翻一番”為核心，以“路基永久、基層長久、面層耐久”為目標，在運營10年至15年的既有道路基礎上，通過多指標的檢測和分類評價，采用預防性養護或面層加鋪，將瀝青路面使用壽命延長到30年以上，實現既有道路的保值增值。

其關鍵技術包含四個方面：一是測得出——綜合現有先進技術檢測出既有道路結構損傷狀態；二是評得準——建立既有道路結構狀況評價體系開展準確評價；三是選得對——選擇的設計指標和方法能科學反映道路工作狀態；四是用得久——設計目標能使既有道路的使用年限顯著延長。

既有道路精準化檢測

通過現有先進技術遴選出具備長壽命路面“基因”的既有道路，是實現既有道路長壽命的第一步。

圖2 第一屆長壽命路面獎頒獎現場

圖3 IECAS 探地雷達檢測車

圖4 FWD落錘彎沉車定點檢測

隨著路面無損檢測技術的發展，落錘彎沉儀、路用探地雷達、路況檢測車等先進測試儀器的出現，使得更詳細準確地分析原有路面成為可能。從道路整體承載能力、結構完整性、基層強度和剛度、路表病害等四個方面，通過無損和有損測試技術相結合，以及新興3D雷達檢測技術的研發應用，重點實現既有半剛性基層結構損傷和面層功能損傷的自動判別，瀝青路面層位實時追蹤，降低瀝青面層厚度分析誤差，提高層間剝離、空洞等缺陷的識別精度。最終提出了集路面破損調查、探地雷達探傷、FWD彎沉盆檢測、開挖和取芯試驗等為一體的路面結構綜合檢測方法，二次開發了雷達檢測設備，如圖3所示。研發了基于FWD的路面損傷自動判別技術，如圖4所示。

結構狀態多指標評價

由于瀝青路面的損壞具有多樣性和復雜性，單一的指標和標準無法準確評價路面的結構損傷狀態，需要建立多指標的路面結構狀況評價體系。根據路面結構綜合檢測方法，選取了路表病害、裂縫程度、基層材料強度和剛度、路面彎沉作為評價指標，新增路面結構損傷評價參數新指標——路面損傷指數PDI、路面結構模量Ep、層間剝離指數，輔以高速公路路面結構評價的面層損傷指數SDI和基層損傷指數BDI，共同構建出定量化的既有瀝青路面結構狀態多指標評價體系。基于半剛性基層三階段性能演化規律和不同的瀝青路面長期性能變化規律，提出了既有瀝青路面結構狀況的四類分類評價標準，如表1所示。

表1 既有瀝青路面結構狀況的四類分類評價標準

通過高速公路10條養護路段的346組數據、普通公路7條維修養護路段的402組數據，如圖5所示，開展了結構狀況分類評價驗證。高速公路既有瀝青路面無損檢測評價與鉆芯取樣的符合度達到89.88%；普通公路無損檢測評價與現場銑刨檢驗的符合度達到96.02%。總體來看，既有瀝青路面結構狀態分類評價標準，可以合理評價出既有瀝青路面結構狀態，可以作為既有道路長壽命路面的評價標準。

維修保養精細化決策

既有道路瀝青路面的養護設計更加復雜，涉及舊路性能的評價、材料的選擇、維修時機等多方面問題，目前尚無系統的理論研究結果。我國當前的既有道路瀝青路面維修養護設計還主要是基于經驗的設計方法。合理的路面維修保養方案，需要經過既有道路的資料調查、交通綜合分析、路況演變分析、結構狀況檢測和評價、病害診斷和對策選擇、技術經濟比選等環節。基于既有瀝青路面結構狀況的四分類標準，在歸納總結路面維修養護設計經驗的基礎上，構建了既有分類處置流程，如圖6所示。

圖5 典型路段瀝青路面結構狀態分類評價統計

圖6 既有道路瀝青路面分類處置流程

首先，根據路面結構綜合檢測方法精細化檢測，準確分類既有道路瀝青路面。當路面結構承載力足夠，瀝青路面只存在表面病害的情況下，可以評價為A類。這種情況下，可以對既有瀝青路面進行局部病害處理后，直接加鋪新的路面結構層。

當路面結構承載力足夠，但瀝青路面病害不僅限于表面病害，中下瀝青路面層也出現了裂縫、車轍、松散等情況，則可以將路面評價為B類。這種情況下，應該對瀝青面層進行局部的深度處理，開展基層疲勞損傷驗算，并根據目標設計年限確定加鋪層厚度，對新鋪結構開展安定分析，確保加鋪層不出現結構性車轍。

評價為C類和D類的路面，由于結構性破壞需要恢復結構功能，即按照瀝青路面養護設計規范開展設計。

技術方案定量化設計

半剛性基層材料是一種應力敏感性材料，其疲勞曲線的斜率比瀝青混合料更為平緩。如果通過面層加厚將半剛性基層所承受的拉應力進一步降低，半剛性基層材料的疲勞壽命還將進一步延長，從而減緩半剛性基層材料模量衰減對結構疲勞壽命的不利影響。在既有瀝青路面結構狀況分類評價的基礎上，對結構狀況較好的A類和B類路面，通過預防性養護或面層加鋪的方式來延長路面的使用壽命。

圖7 既有道路長壽命瀝青路面設計流程

基于半剛性基層的非線性疲勞損傷，通過大量半剛性基層在不同應力水平下的疲勞試驗，獲得以模量變量表征的疲勞損傷因子表達式，從而建立基層模量的非線性衰減模型。以基層疲勞損傷和加鋪結構永久變形為設計指標，以舊路模量確定為關鍵設計參數，建立既有道路長壽命路面設計流程，如圖7所示，開展定量化的長壽命路面結構和材料設計。按照結構壽命匹配的理念，應通過增加瀝青層厚度、變化層位及更換材料來調整各結構層間的壽命匹配，使之達到最合理、最經濟的目標，從而使維修后的結構滿足長壽命路面要求。

既有道路長壽命瀝青路面實踐

北京順密路建于1992年，日均交通量3萬輛次，客貨車比例達15%。原有路面結構為6厘米瀝青混合料+18厘米二灰穩定砂礫+18厘米石灰土。2006年，舊路加鋪一層4厘米瀝青混合料。2014年的路面大修工程中將k13+000～k14+000路段左幅，作為既有道路長壽命路面的試驗路段。采用既有瀝青路面結構狀況綜合檢測方法開展檢測，試驗路結構狀況分類評價，結果如表2所示。

如表2所示，前500米既有瀝青路面狀況評定為B類，可通過保留原有路面基層，銑刨老化瀝青混合料加鋪新的瀝青路面結構層，實現路面使用壽命的延長。后500米路面狀況評定為A類，可全部保留原瀝青面層，通過拉毛后加鋪適當厚度的瀝青面層，延長既有道路使用年限。

表3 半剛性基層模量取值計算結果

圖8 既有道路長壽命試驗段與普通路段結構與材料對比

表4 不同路面結構組合的力學響應計算結果

通過試驗路段鉆芯取樣和FWD彎沉盆模量反算，可以獲得既有道路半剛性基層模量，計算基層模量代表值。依據公路瀝青路面設計規范，計算舊路半剛性基層的疲勞壽命，并計算基于損傷度的累計當量軸次。通過歷年實測交通狀況，計算基于交通統計的累計當量軸次。對比確定設計用半剛性基層模量取值，計算結果如表3所示。

試驗路段2014年日平均當量軸次為5318次，設計年限取20年，考慮沿線經濟發展及歷年的交通量增長規律，設計年限交通量的平均年增長率取5%，該試驗路的設計期累計當量軸次約6400萬次。借鑒長壽命路面按功能層位選取瀝青混合料的思想，基于瀝青路面受力特征，擬定試驗段的路面結構組合。試驗段及普通路段結構和材料組合如圖8所示。不同路面結構組合的力學響應計算結果如表4所示。

圖9 試驗路混合料質量監測

圖10 應變傳感器布設

試驗路建設過程中開展了嚴格的質量控制，如圖9所示。同時，在試驗路埋設瀝青應變傳感器，如圖10所示，長期監測加鋪結構變化規律；試驗路建成以后，利用自動彎沉車每年檢測試驗路和普通路段的彎沉變化。如圖11所示，為典型的瀝青應變計監測情況，其中，左圖為A類路面瀝青層底典型應變，右圖為B類路面瀝青層底典型應變，監測結果符合力學分析計算值。

如圖12所示，為豎向應變傳感器監測到的最大豎向應變變化規律。可以看出，瀝青路面結構的永久變形在路面鋪筑后存在明顯的快速增長階段，該階段受外界溫度影響較小，主要反映了交通荷載對瀝青混合料的壓密作用過程。經過8個月的快速增長后，永久變形迅速趨于穩定，永久變形總量緩慢增長，部分階段存在較大的波動。夏季和秋季的變形增長較快，但冬季又會出現少量的變形恢復，反映了瀝青混合料的溫度敏感性特征。從3年的豎向應變監測數據來看，加鋪層永久變形速率逐漸減小，已達到相對穩定狀態。

圖11 瀝青層底應變監測情況

圖12 最大豎向變形監測情況

圖13 試驗段與普通路段的代表彎沉發展趨勢

如圖13所示，為2014年至2020年試驗路段和普通路段代表彎沉值的對比圖。相對于普通路段，試驗路段的代表彎沉值變化速率更小，其代表彎沉由通車時的9.1(0.01毫米)增加到2020年的14.7(0.01毫米)。同時，試驗段的彎沉增加量也在逐年降低，2020年代表彎沉僅比2019年增大了0.2(0.01毫米)，說明試驗路段結構性能已趨于穩定。普通路段經過4年使用運營后，路表已出現開裂和車轍，在2018年進行了預防性養護，實測代表彎沉有所下降。

同時，如圖14所示，從4年的車轍情況來看，試驗路段基本無車轍，而普通路段使用3年后已出現明顯車轍，最大車轍深度達12毫米。說明優質的材料與合理的結構組合，能夠極大地減小加鋪的厚瀝青面層出現永久變形的風險。

既有道路長壽命路面的目標，與交通強國目標一致。路面結構壽命“翻一番”是更普遍的、第一階段目標。推行長壽命路面理念并不復雜，更不神秘。除了要考慮公路政策、地域環境、氣候條件、建設和養護費用等因素以外，長壽命路面的基礎是材料生產和施工質量的標準化及相對穩定。是一個在嚴肅的政策、嚴密的理論、嚴格的標準和嚴謹的步驟保證下的完整體系，既有道路長壽命路面技術應考慮路面結構和材料組合，按照結構壽命匹配，應通過改變瀝青層功能、變化層位、更換材料，來實現長壽命目標。

圖14 試驗路段與普通路段的車轍對比