基于路面使用性能衰變規(guī)律的瀝再生實(shí)施時(shí)機(jī)研究＊*

曾 勝，韋 慧

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

養(yǎng)護(hù)成功與否及其效益的好壞與實(shí)施養(yǎng)護(hù)的時(shí)機(jī)密切相關(guān)，養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇過(guò)早或過(guò)晚，不僅達(dá)不到預(yù)期的效果，而且還可能造成養(yǎng)護(hù)資金的浪費(fèi)［1］。對(duì)此，國(guó)內(nèi)有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。姚玉玲等［2］提出了基于生命周期費(fèi)用的瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)的確定方法;董瑞琨等［3－5］則針對(duì)瀝青路面老化后對(duì)其中、低溫性能的影響提出基于瀝青路面老化的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)指標(biāo)及其養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，但對(duì)瀝再生的研究?jī)H限于材料的再生試驗(yàn)上，而對(duì)其實(shí)施時(shí)機(jī)的研究幾乎沒(méi)有。筆者在對(duì)瀝再生應(yīng)用情況進(jìn)行跟蹤觀測(cè)的基礎(chǔ)上，建立瀝青路面性能衰變方程參數(shù)修正方程，計(jì)算得到不同PCI條件下實(shí)施瀝再生對(duì)路面使用性能衰變的影響規(guī)律，為確定瀝再生實(shí)施時(shí)機(jī)提供理論參考。

1 瀝再生的基本性質(zhì)

瀝再生是一種高質(zhì)量的用于瀝青路面的三合一維護(hù)劑，是由高純度優(yōu)質(zhì)的石油溶劑，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)及多次在極高溫下過(guò)濾處理的改質(zhì)瀝青和瀝青活性再生劑構(gòu)成。其中石油蒸餾液占32%～42%，煤瀝青35% ～50%，再生劑15% ～40%，比重＞1.04 g/m3［6］。瀝再生噴灑在瀝青路面表面形成密封層可抵抗外來(lái)雜質(zhì)侵蝕，同時(shí)還可滲透到瀝青路面表面以下1 cm左右或更深，與原瀝青結(jié)構(gòu)層融為一體，補(bǔ)充瀝青組中由于揮發(fā)或骨料吸收減少的油分，激活老化膠質(zhì)，改善瀝青的粘結(jié)性和內(nèi)聚力，恢復(fù)老化瀝青活性，基本不影響路面的抗滑性能，其材料參數(shù)見(jiàn)表 1［7－8］。

表1 瀝再生材料參數(shù)Table 1 Material parameters of ReJuvaSeal

2 瀝再生對(duì)路面使用性能影響的跟蹤觀測(cè)

2.1 瀝再生應(yīng)用概況

京港澳高速公路臨長(zhǎng)段自2002年通車(chē)以來(lái)，在交通荷載和氣候條件等因素共同作用下，路面出現(xiàn)了裂縫、車(chē)轍等病害，尤其是經(jīng)歷2008年特大低溫雨雪冰凍災(zāi)害后，裂縫病害較為嚴(yán)重。針對(duì)該情況，臨長(zhǎng)高速公路選取K150+000～K170+000雙向4車(chē)道進(jìn)行瀝再生，以解決路面裂縫問(wèn)題。

2.2 瀝再生對(duì)路面使用性能的影響

2.2.1 路面使用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20—2007)中規(guī)定路面破損狀況指數(shù)PCI是反映路面表面破損的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，但有時(shí)不同破損狀況的路面可能具有相同的PCI，PCI僅代表調(diào)查時(shí)的路況。為了綜合反映路面的使用性能，在此選取路面破損狀況指數(shù) PCI、裂縫率［9］(每公里裂縫長(zhǎng)度 m/km)作為路面使用性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2.2 路面使用性能發(fā)展?fàn)顩r

對(duì)京港澳高速公路臨長(zhǎng)段裂縫類(lèi)病害進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，路面使用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)展情況見(jiàn)圖3～4和表2。從圖3～4及表2可見(jiàn)，PCI的衰變曲線呈反S形，2008年前兩路段裂縫數(shù)量及路面破損狀況指數(shù)PCI相當(dāng)，但路段2實(shí)施瀝再生后，裂縫的增長(zhǎng)速率、PCI的衰減速率慢于路段1，這說(shuō)明瀝再生對(duì)于延緩路面使用性能衰變是有效的。

圖1 不同路段裂縫發(fā)展情況圖Fig.1 The development of crack fracture in different sections

圖2 不同路段PCI變化情況圖Fig.2 Changes of PCI in different sections

表2 不同路段每公里裂縫長(zhǎng)度和PCI發(fā)展情況Table 2 Crack length(Per km)and changes of PCI in different sections

3 瀝再生養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)理論模型與實(shí)施時(shí)機(jī)的確定

3.1 基于路面使用性能衰變規(guī)律的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)理論模型

瀝再生屬于表面涂刷型預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，短期內(nèi)對(duì)路面使用性能的提高效果并不明顯，如圖3所示，其中曲線1為未實(shí)施瀝再生的路面使用性能衰變曲線，曲線2為實(shí)施瀝再生后路面使用性能的衰變曲線，假定路面性能指標(biāo)PPI存在一個(gè)臨界值，當(dāng)路面性能指標(biāo)PPI達(dá)到此臨界值時(shí)路面損壞顯著加速，實(shí)施瀝再生應(yīng)在臨界值到達(dá)之前。

圖3 瀝再生對(duì)路面使用性能影響計(jì)算示意圖Fig.3 Diagram of ReJuvaSeal impact on pavement performance

文獻(xiàn)［10－11］建立的路面使用性能標(biāo)準(zhǔn)衰變方程為

其中:PPI為各路面性能指標(biāo)(包括 PCI，RDI，RQI和PSSI)，PPI0為路面初始性能指數(shù);t為路齡;α和β為方程參數(shù)(其中α為壽命因子，β為形狀因子)。任一瀝青路面使用性能曲線都與α和β一一對(duì)應(yīng)，采用某一(α和β)組合，可確定唯一的路面衰變方程。同樣，瀝再生實(shí)施后路面使用性能的衰變曲線也可用標(biāo)準(zhǔn)衰變方程擬合。

參數(shù)α和β受外界影響，隨路齡變化。α是表征路面使用性能衰減速度的主要參數(shù)，養(yǎng)護(hù)措施實(shí)施必然影響參數(shù)α。文獻(xiàn)［10－11］認(rèn)為，參數(shù)β的取值在0.2～1.8之間，路面使用性能曲線形狀主要受參數(shù)β控制。對(duì)于具體分析路段而言，瀝再生的實(shí)施短期內(nèi)對(duì)路面使用性能的提高效果并不明顯，同時(shí)參數(shù)β受交通量、結(jié)構(gòu)、環(huán)境等因素影響較小。本文的主旨是分析瀝再生對(duì)路面使用性能衰變速率的響應(yīng)，而參數(shù)β對(duì)瀝再生實(shí)施后的路面使用性能影響甚小。因此，采用簡(jiǎn)化處理，可假定參數(shù)β不變，即只對(duì)α參數(shù)進(jìn)行參數(shù)修正，建立路面破損狀況指數(shù)PCI的參數(shù)修正方程為

式中:k為改善系數(shù)，表征瀝再生對(duì)路面使用性能的改善程度。

該參數(shù)修正方程只適用于用路面破損狀況指數(shù)PCI評(píng)價(jià)瀝再生養(yǎng)護(hù)技術(shù)，對(duì)微表處、熱再生、超薄磨耗層的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 瀝再生實(shí)施時(shí)機(jī)的確定

3.2.1 參數(shù)α和β的計(jì)算

設(shè)瀝再生實(shí)施前的路面使用性能衰變方程的參數(shù)為 PCI0，α1，β1，瀝再生實(shí)施后的路面使用性能衰變方程的參數(shù)為 PCIt0，α2，β2。運(yùn)用式(1)和路面使用性能檢測(cè)數(shù)據(jù)反算參數(shù) α1，β1，α2和 β2，但計(jì)算α2和β2的自變量時(shí)間t應(yīng)從瀝再生實(shí)施完畢時(shí)刻起算。

3.2.2 參數(shù)α的修正

α2受瀝再生實(shí)施前路面損壞狀況指數(shù)PCI，α1影響，建立參數(shù)α和PCI的函數(shù)關(guān)系式為

忽略施工質(zhì)量等因素，建立改善系數(shù)k和α的函數(shù)關(guān)系為

k≥0，當(dāng)k=0時(shí)，即路面未采取瀝再生養(yǎng)護(hù)，α2=0。

3.2.3 改善系數(shù)k的計(jì)算

對(duì)京港澳高速公路臨長(zhǎng)段路面性能檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量數(shù)值分析，同時(shí)考慮路面結(jié)構(gòu)、基層類(lèi)型、交通因素、路齡等因素的影響，對(duì)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得出改善系數(shù)k的回歸方程為

以改善系數(shù)k為因變量，路面損壞狀況指數(shù)PCI為自變量，建立k與PCI的關(guān)系圖，如圖4所示。由圖4可以看出，隨著PCI的增大，改善系數(shù)k呈凸函數(shù)變化，k值開(kāi)始變化不大，進(jìn)入一定的PCI范圍內(nèi)時(shí)急劇增加，隨后又減少。k值越大，說(shuō)明瀝再生實(shí)施的效果越好，PCI在88－89分之間對(duì)路面使用性能的影響最顯著，這也進(jìn)一步說(shuō)明了只有在最佳的時(shí)機(jī)實(shí)施養(yǎng)護(hù)措施，才能得到最大的效益，應(yīng)用時(shí)間過(guò)早或過(guò)晚，將會(huì)降低效益。

圖4 不同PCI條件下實(shí)施瀝再生的改善系數(shù)k變化圖Fig.4 Improvement coefficient k change chart under different PCI conditions

4 實(shí)例驗(yàn)算

為驗(yàn)證方法的有效性，選取路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型、路齡、交通量以及環(huán)境因素不同的兩路段進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)如表3所示，實(shí)施瀝再生路段路面破損狀況指數(shù)PCI衰減速度變緩。圖5中實(shí)施瀝再生路段路面狀況指數(shù)PCI參數(shù)修正方程預(yù)測(cè)值比文獻(xiàn)［10－11］的標(biāo)準(zhǔn)方程預(yù)測(cè)值更接近實(shí)測(cè)值。

5 結(jié)論

(1)對(duì)瀝青路面性能標(biāo)準(zhǔn)衰變方程進(jìn)行α參數(shù)修正，歸化統(tǒng)一瀝再生實(shí)施前后路面使用性能衰變方程。在對(duì)瀝再生實(shí)施后路面使用性能衰變模式的擬合上，參數(shù)修正方程擬合效果更佳。

(2)不同PCI條件下實(shí)施瀝再生，改善系數(shù)k呈凸函數(shù)變化，開(kāi)始變化不大，進(jìn)入一定的PCI范圍內(nèi)時(shí)急劇增加，隨后又減少。合理的選擇瀝再生養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)可以顯著提高路面抗衰變效果，改善系數(shù)k取0.14左右，即PCI在88～89分為實(shí)施瀝再生的最佳時(shí)機(jī)。

表3 路面使用性能檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Pavement performance test data

圖5 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.5 Comparison diagram of predicted value and measured value

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