半剛性基層瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修處治研究

楊 波

(山西交通控股集團(tuán)有限公司太舊高速公路分公司，山西 太原 030600)

1 引 言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，我國公路網(wǎng)日益完善。然而，不斷增加的交通負(fù)荷加速了路面的退化[1]。因此，為了提高路面性能，延長路面使用壽命，公路工程的重點(diǎn)逐漸從新的設(shè)計(jì)和施工活動(dòng)轉(zhuǎn)移到現(xiàn)有公路網(wǎng)的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)(M&R)任務(wù)上，采用了各種路面養(yǎng)護(hù)措施來減緩路面的老化。然而，養(yǎng)護(hù)和修復(fù)活動(dòng)消耗了大量的公路資金，如何優(yōu)化各公路機(jī)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)措施至關(guān)重要，其中一個(gè)關(guān)鍵因素是對不同養(yǎng)護(hù)措施的有效性進(jìn)行評估，養(yǎng)護(hù)效果的量化比較為公路機(jī)構(gòu)提供了合理的養(yǎng)護(hù)決策支持[2]。

現(xiàn)有的維修效果評價(jià)研究可分為短期評價(jià)和長期評價(jià)。在短期分析中，最常用的指標(biāo)是惡化減少水平(DRL)[3]，是指養(yǎng)護(hù)執(zhí)行后路面退化的后續(xù)減少量，計(jì)算為養(yǎng)護(hù)前后路面狀況的差值。然而，由于在維護(hù)執(zhí)行和惡化監(jiān)控之間存在時(shí)間延遲，惡化減少水平通常會低估維護(hù)的有效性。績效跳躍(Performance jump，PJ)是另一種常用的短期有效性度量。它揭示了在維護(hù)之前和維護(hù)之后的處理可以立即改善路面性能[4，5]。采用PJ測度評價(jià)密封涂層處理的短期效果，結(jié)果表明，PJ與養(yǎng)護(hù)前路面狀況存在顯著的相關(guān)性，說明合理的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)很重要。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

歷史養(yǎng)護(hù)信息的調(diào)查對于通過監(jiān)測數(shù)據(jù)評價(jià)路面養(yǎng)護(hù)處理的有效性具有重要意義。圖1總結(jié)了山西省17年來高速公路的累積維護(hù)里程。研究表明，最常用的路面養(yǎng)護(hù)處理包括就地?zé)峄厥?HIR)、磨銑填充(M&F)、薄HMA覆蓋(THO)和微鋪(MS)。本研究評估了四種處置方法的有效性。

圖1 近年維修處理方式統(tǒng)計(jì)圖

3 維修效果評估

3.1 性能越變測量

作為衡量短期養(yǎng)護(hù)效果的最簡單的指標(biāo)，PJ指標(biāo)評估了養(yǎng)護(hù)執(zhí)行后路面退化的瞬時(shí)減少情況。它被認(rèn)為是維修前和維修后車轍深度的差值，如圖2所示。圖2給出了車轍深度隨時(shí)間的變化，其中，Ri為ti監(jiān)測時(shí)刻的車轍深度。具體來說，點(diǎn)B和點(diǎn)C分別對應(yīng)于維修前的車轍深度和維修后的車轍深度。點(diǎn)A和點(diǎn)D分別為維護(hù)前和維護(hù)后指定時(shí)間段的車轍深度。一般情況下，指定的時(shí)間段為1年。因此，PJ為RB與Rc之差。在本研究中，PJ由公式(1)計(jì)算。

圖2 車轍深度隨時(shí)間變化圖

PJ=RB-RC

(1)

式中：RB為維修前的車轍深度,mm；Rc為維修后的車轍深度,mm。

3.2 降低變質(zhì)率的措施

盡管PJ結(jié)果反映了路面退化的瞬時(shí)減少，但高PJ值并不總是與養(yǎng)護(hù)后的更好性能相關(guān)。其主要原因不僅在于初始路面劣化程度的變化，還在于施工控制水平的差異。一般來說，養(yǎng)護(hù)活動(dòng)的好處是減緩路面的退化，因此，提出了DRR措施來評價(jià)路面隨時(shí)間或累積荷載的退化程度。將DRR定義為車轍深度維修前后的斜率之差，即AB線與CD線的斜率之差。因此，DRR由公式(2)表示。

(2)

式中：RA為維修前的起點(diǎn)；RB為維修前的終點(diǎn)；Rc為維修后的起點(diǎn)，車轍深度代表維修后的終點(diǎn)；tA、tB、tc、tD分別對應(yīng)RA、RB、Rc、RD對應(yīng)的時(shí)刻。

3.3 平均變質(zhì)還原率的量度

為了評估長期的維修效果，長期惡化減少量用ADRR來衡量，ADRR是指維修前的車轍深度與維修后的平均車轍深度之間的減少率，用式(3)表示：

(3)

式中：Rpre為維修前的車轍深度，mm;Ravg為維修后的長期平均車轍深度,mm。

在短期有效性分析中，與PJ和DRR措施相比，ADRR顯示了平均PJ百分比在治療壽命中的演變。因此，本研究除了分析路面養(yǎng)護(hù)后短時(shí)間內(nèi)的劣化減少情況外，還納入了各種因素在處理使用壽命期間對路面性能的影響，ADRR結(jié)果越高，車轍深度的長期改善越好，即長期維護(hù)效果越好。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

以高速公路G55和G5的車轍深度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用PJ、DRR和ADRR評價(jià)HIR、M&F、THO和MS 4種處理的短期和長期有效性。

4.1 性能跳

為了避免在評估調(diào)查公路的短期有效性時(shí)出現(xiàn)時(shí)間相關(guān)誤差，本研究采用PJ測度，該測度反映了養(yǎng)護(hù)前和養(yǎng)護(hù)后車轍深度的瞬時(shí)差異，并通過公式(2)計(jì)算。在PJ分析中，使用維修前的車轍深度，因?yàn)樗窃诜治銎陂g累積交通負(fù)荷和環(huán)境負(fù)荷的共同因素。因此，收集并計(jì)算2條調(diào)查公路養(yǎng)護(hù)前的PJ結(jié)果和車轍深度，如圖3所示。

由圖3可知，隨著養(yǎng)護(hù)前車轍深度的增加，各調(diào)查公路的PJ也呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢。最高的PJ與養(yǎng)護(hù)前車轍深度相近，說明養(yǎng)護(hù)施工質(zhì)量較高。此外，維修前的PJ結(jié)果與各種車轍深度有明顯的分類。養(yǎng)護(hù)前車轍深度小于9 mm時(shí)，高強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)公路的PJ最高。養(yǎng)護(hù)前車轍深度超過10 mm時(shí)，養(yǎng)護(hù)后的公路PJ最高。

圖3 通過四種處理方法對調(diào)查的公路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)前的PJ與車轍深度對比

4.2 平均變質(zhì)還原率

為了評價(jià)長期維護(hù)的有效性，長期惡化的減少量用ADRR來衡量。在本研究中，根據(jù)公式(3)得到ADRR，其中考慮維修前的車轍深度和維修后5年內(nèi)的平均車轍深度。四種處理的ADRR結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，HIR維持的公路的ADRR最高，而MS維持的公路的ADRR最低。根據(jù)定義，ADRR是維護(hù)前車轍深度的減少率和維護(hù)后車轍深度的平均減少率。因此，ADRR越高，維修后的平均車轍深度越低，說明維修提高的長期抗車轍性能越好。由此可見HIR維持的高速公路的長期抗轍性能最佳，MS維持的高速公路的長期抗轍性能最差。結(jié)合短期養(yǎng)護(hù)效果，高強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)后的高速公路無論在長期還是短期都具有最佳的抗車轍性能。

圖4 四種處理方法維持調(diào)查公路的ADRR

4.3 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性

通過車轍試驗(yàn)，分析了2條養(yǎng)護(hù)公路圓柱形試件的動(dòng)力穩(wěn)定性。結(jié)果如圖5所示，各樣品的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性隨時(shí)間呈穩(wěn)定上升趨勢，說明維修活動(dòng)提高了抗車轍能力，這種改善主要是由于瀝青老化和路面致密化造成的。對于瀝青來說，由于輕組分的揮發(fā)、氧、熱、光的作用以及溫度的變化，瀝青在應(yīng)用養(yǎng)護(hù)后就會發(fā)生老化。老化瀝青的滲透性和延性降低，軟點(diǎn)和黏度增加，導(dǎo)致瀝青硬化。硬化后的瀝青提高了路面在高溫下的抗車轍性能。路面結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)后存在大量孔隙。隨著時(shí)間的推移，路面在交通荷載的作用下逐漸致密化。因此，這兩個(gè)因素進(jìn)一步提高了路面的抗車轍能力。值得注意的是，MS養(yǎng)護(hù)高速公路巖芯樣品的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性在養(yǎng)護(hù)3～4年后略有下降趨勢，說明MS的使用壽命只有3～4年。

圖5 四種處理方法處理下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性

5 結(jié) 論

本研究利用2個(gè)公路路段的車轍深度數(shù)據(jù)，對HIR、M&F、THO和MS 4種處理方法的有效性進(jìn)行了評價(jià)。根據(jù)評估結(jié)果，確定最有效的治療方法。主要結(jié)論總結(jié)如下。

(1)提出的PJ、DRR和ADRR可以綜合評價(jià)短期和長期的維修效果。

(2)PJ結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)前車轍深度對養(yǎng)護(hù)后路面抗車轍性能起著至關(guān)重要的作用，尤其是HIR和M&F處理。養(yǎng)護(hù)前車轍深度小于9 mm時(shí)，HIR的路面抗車轍性能最好。而當(dāng)養(yǎng)護(hù)前車轍深度大于10 mm時(shí)，M&F的抗車轍性能最好。