（道路与铁道工程专业论文）高速公路沥青路面预防性养护对策研究.pdf

摘要 随着国内高速公路建设的迅速发展，愈来愈多的高速公路需要养护，要改变目前被 动养护的局面，最有效的方法是实施预防性养护。路面预防性养护对延缓路面的破坏速 度，延长路面的使用寿命，降低道路使用寿命周期费用，维持良好的路面性能具有重要 意义。 本文从预防性养护的作用出发，结合沥青路面的发展现状，对高速公路沥青路面预 防性养护对策进行了研究。根据高速公路沥青路面的使用性能的变化情况，重点考虑沥 青路面使用初期路面病害的发展特点，选取了适合评价沥青路面早期性能的指标，建立 了沥青路面早期性能的评价方法；总结分析了国内外的预防性养护措施及其适用性，提 出以沥青路面使用性能为选取养护时机和养护措施的依据；对试验路采取的预防性养护 措施的效果进行了观测和分析；利用寿命周期费用分析法分析了高速公路沥青路面预防 性养护的经济性，提出在预防性养护对策的选择时应考虑技术和经济两方面，为公路管 理和养护部f - l 帛l l 定预防性养护方案提供了参考。通过本文对高速公路沥青路面预防性养 护对策进行的研究，可使国内养护管理单位根据不同的路况选取合适的预防性养护措 施。 关键词：沥青路面，预防性养护，对策，早期性能评价，寿命周期费用 a b s t r a c t a st h ec o n s t r u c t i o no fd o m e s t i ch i g h w a y sd e v e l o p sr a p i d l y , m o r ea n dm o r eh i g h w a y s n e e dm a i n t e n a n c e t h em o s te f f e c t i v ew a yt oc h a n g et h ec u r r e n tp a s s i v ei st oi m p l e m e n t a t i o n p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e p a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c ei sv e r yi m p o r t a n tt od e l a yt h e d a m a g er a t eo fp a v e m e n t ，e x t e n dt h eu s i n gl i f eo ft h ep a v e m e n t ，r e d u c et h eu s i n gl i f ec y c l e c o s to f r o a da n dm a i n t a i nt h ef i n ef u n c t i o no f p a v e m e n t b a s e do nt h eu s eo fh i g h w a yp r e v e n t i v em a i n t e n a n c ea n dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to f a s p h a l tp a v e m e n t ，i tr e s e a r c ht h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c ec o u n t e r m e a s u r eo fh i g h w a ya s p h a l t p a v e m e n t a c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fu s i n gf u n c t i o no fh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n t ，i t c o n s i d e rt h ef e a t u r e so fd i s e a s e so f a s p h a l tp a v e m e n ti nu s a g e i n i t i a ls t a g e ，c h o o s et h ep r o p e r i n d i c a t o ri ne v a l u a t i n gt h ei n i t i a lf u n c t i o no fa s p h a l tp a v e m e n t ，f o u n dt h ee v a l u a t i o nm e t h o d o fi n i t i a lf u n c t i o no fa s p h a l tp a v e m e n t ，a n a l y z et h ea s p h a l tp a v e m e n th o m ea n da b r o a da n di t s s e r v i c e a b i l i t ya sw e l l ，r a i s et h eu s i n gf u n c t i o no fa s p h a l tp a v e m e n ta st h eb a s eo fc h o o s i n gt h e t i m i n go fm a i n t e n a n c ea n dm e a s u r eo fm a i n t e n a n c e ，o b s e r v ea n da n a l y z et h ee f f e c to f p r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo ft e s t i n gr o a d ，u s et h ea n a l y s i so fl i f ec y c l ec o s tt oa n a l y z et h e e c o n o m yo fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo fh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n t ，c o n s i d e rt h et w op a r t s t h a tt e c h n o l o g ya n de c o n o m yi nc h o o s i n gt h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c ec o u n t e r m e a s u r e ， p r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h em a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c ed e p a r t m e n tt ow o r ko u tt h e p r o g r a mo fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho f t h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c e c o u n t e r m e a s u r eo f h i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n ti nt h ea r t i c l e ，i tm a k et h ed o m e s t i cm a n a g e m e n t a n dm a i n t e n a n c ed e p a r t m e n tc h o o s et h ep r o p e rp r e v e n t i v em a i n t e n a n c em e a s u r ea c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tr o a ds i t u a t i o n k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，p a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ， c o u n t e r m e a s u r e ， e v a l u a t i o no fi n i t i a lf u n c t i o n ，l i f ec y c l ec o s t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 赵 l 珉口0 7 年多月8e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 怒 明 导师签名： 嘲年占其o o e l 力叨7 年多月g e t 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的必要性及意义 我国高速公路发展起源于2 0 世纪8 0 年代，回顾二十多年的发展历程，我国高速公 路走过了两个发展阶段。从1 9 8 8 年到1 9 9 7 年为起步阶段，这一阶段相继建成了沈大、 京津塘、成渝、济青、京石、沪宁、广深等一大批具有重要区域性影响的高速公路，高 速公路通车里程累计达到4 0 0 0 余公里。从1 9 9 8 年至今，为高速发展阶段，高速公路以 年均通车里程超过3 0 0 0 公里的速度发展。高速公路从起步到通车l 万公里，我们花了 1 2 年的时间，从1 万公里到突破3 万公里，我们仅用了5 年时间。可以说仅仅1 7 年中 国高速公路的发展走过了许多发达国家一般需要4 0 年才能完成的发展进程，创造了世 界瞩目的中国速度。 近年来，我国高速公路的建设进入了一个高峰期，到2 0 0 6 年底，已建成高速公路 4 5 万公里，位居世界第二。随着一条条高速公路的投入运营，养护工作量不断增大。 由于我国尚缺乏高速公路养护经验，有许多高速公路养护技术难题急需解决。 沥青路面是我国高速公路的主要结构形式，目前我国已经建成的高速公路7 5 左右 是沥青混凝土路面，由于沥青路面工程的复杂性、多变性及结构设计和施工质量控制等 种种原因，这些高速公路建成通车后，受交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重、行 驶渠道化及水损坏，尤其是冻融循环交替作用，使得沥青路面出现不同程度的裂缝、车 辙、表面松散、坑槽等早期损坏，降低了路面使用性能，甚至引起路面结构破坏。另外， 随着高速公路里程的增加和使用时间的延长必然会带来路面不断的损坏，养护工程量将 越来越大。可以预计今后一个时期，我国高速公路将由建设为主，转为建设与养护并举， 并逐步以养护为主。在这种形势下，研究开发高速公路沥青路面养护新技术，探索养护 管理模式具有重要意义。 由于受多种因素的影响，高速公路沥青路面使用寿命普遍缩短，一般5 8 年即需 大修处理，造成较大的资金投入和不良的社会影响。因此，减少路面病害的发生，延缓 病害的发展，保持路面的使用性能，延长路面使用寿命，降低养护成本，是高速公路沥 青路面养护管理的主要任务。 美国联邦公路局对预防性养护措施的定义是：为了防止路面早期破坏和延迟路面破 坏的进程而采取的措施，其目的是延缓路面的破坏速度，延长路面的使用寿命，降低道 路使用寿命周期费用。发达国家非常重视路面的预防性养护，而我国目前在沥青路面预 防性养护专门技术方面的研究基本上处于刚刚起步阶段。 第一章绪论 在路面养护和维修的关系上，长期以来人们总是习惯于等到路面开始出现破坏后， 才想起进行维修，整个公路养护行业存在着“重建轻养 、“以建代养 的倾向。对于路 面还处于良好状态下进行预防性养护的意义则往往认识不足，而是把有限的养护资金， 主要用于对破坏后的公路进行修复甚至改建再造，走进一个恶性循环的怪圈，陷入了捉 襟见肘高投入低产出的境况。预防性养护通过采用先进的检测技术努力拓宽人们对于道 路早期病害的认识空间，提前发现道路隐藏的隐形病害的存在，并施以正确的预防性养 护措施。 美国科氏公司路面解决方案中提到，美国道路业曾通过对几十万公里不同等级道路 进行跟踪，发现这些道路的使用性能和寿命有一个共同的变化特征：一条质量合格的道 路，在使用寿命7 5 的时间内性能下降4 0 ，这一阶段称之为预防性养护阶段。如不能 及时养护，在随后1 2 的使用寿命时间内，性能再次下降4 0 ，从而造成养护成本大幅 度的增加，这一阶段称之为纠正性养护阶段。在路面寿命的头几年，很难发现路面破坏。 但是路面破坏是积累的，路况从很好到好然后到良。到路面寿命的第1 2 年，7 5 的路 面寿命已经过去了，路况质量下降了4 0 。仅3 年后，路面性能水平从良降到了非常差。 更重要的是，如果在第1 2 年进行预防性养护，此时只需要进行表面处治，如稀浆封层。 如果等到第1 5 年再进行养护，此时需要更昂贵的维修措施，如罩面。路况从良到非常 坏的维护费用将近5 倍或更高! 仅仅推迟3 年的预防性养护时间竟带来如此高的费用， 可见预防性养护时间的关键性! 路面养护从概念上可划分为预防性养护、反应性养护和应急性养护。所谓路面预防 性养护即通过定期路况调查，及时发现路面轻微破损与病害迹象，分析研究其产生原因， 对症采取保护性养护措施，防止微小病害进一步扩大，以减缓路面使用性能恶化速度， 使路面始终处于良好的服务状态。高速公路实施路面预防性养护，能及时修复路面微小 病害，防止水分侵入破坏路基，使路面整体结构始终得到保护，不致产生严重损伤，从 而减少铣刨、翻修次数，大大节省大修费用，并延长路面使用寿命，保持路面良好的服 务状态。 预防性养护最佳实施时机应该是在路面尚处于良好状况，或者只有某些病害先兆时 进行。通过科学的检测手段，用沥青路面早期性能的指标刻画其处于什么样的状态，选 取合适的预防性养护措施，从而达到预防性养护的目的。虽然预防性养护需要投入某些 费用，但它是一种效益费用比非常良好的养护措施。通过科学的、有针对性的、预防性 的养护技术手段，可以保持和提高高速公路的使用品质；及时地、科学地做好路面预防 2 长安大学硕士学位论文 性养护工作，能够将路面养护大修往后推移。从长远来看，预防性养护可以减少今后长 期养护费用的支出，保持公路良好的服务水平，延长路面使用寿命，并得到经济效益和 社会效益的双重回报。 预防性养护的重要意义体现在四个方面：保持路面良好的使用性能；延长路面的使 用寿命；减少路面寿命周期费用；节约养护维修成本。所以，研究开发高速公路路面预 防性养护技术，实施路面预防性养护是我国高速公路发展的迫切需要。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外的研究现状 自1 9 3 2 年德国建成世界上第一条高速公路起，至今已经有6 0 多年的历史。第二次 世界大战后，国外高速公路发展很快，大部分发达国家的高速公路网早就已经建成，随 着交通量迅速增长、超重荷载的作用及自然因素的侵蚀，沥青路面老化、裂缝、车辙、 坑槽等病害日趋严重，全面进入维修养护时期。 在老路面上敷设一层防护层来保护原有路面的方法很早以前就有，但是预防性养护 作为二个完整的概念出现在2 0 世纪8 0 年代，它是许多国家在公路网重建过程中总结了 以往经验教训后提出来的。 美国在2 0 世纪8 0 年代开始进行大规模路网重建工程时，面对未来公路交通日益强 化的挑战，于1 9 8 7 年启动了一个庞大的战略性公路研究项目( s h r p ) ，其中第三个子项 目“养护费用效益 就是专门从费用效益的角度来研究养护技术的，它包括了两个主要 研究课题h 1 0 1 和h 1 0 6 ，前者的研究对象是四种预防性养护技术：预防性养护、修复性 养护、面层翻修工程和道路重建。后者的研究对象则是坑洞修补和裂缝( 接缝) 填封等 两种修复性的养护方法。 s h r ph 1 0 1 和l t p ps p s 3 课题的一个重要研究成果，就是明确了预防性养护在延 长路面寿命周期、节约寿命周期费用方面的良好费用效益。通过路面使用性能的衰减与 养护维修费用的分析和比较，路面经过四次预防性养护而终结其寿命周期，可延长使用 寿命1 5 年，养护维修工程总费用可节省约4 5 。正是由于预防性养护的巨大经济和社 会效益，使这一技术得到了迅速发展。 美国s h r p 计划一个重要成果就是指出了预防性养护在延缓路面使用性能恶化速 率、延长其使用寿命周期费用方面的重要意义。正确实施预防性养护可保持路面良好的 使用性能，延长路面的使用寿命，减少寿命周期费用和节约养护维修资金。根据s h r p 计划估算，在整个路面寿命周期内进行3 4 次的预防性养护可以延长使用寿命1 0 - - - 1 5 年， 3 第一章绪论 节约养护费用4 5 5 0 。 在密歇根，预防性养护不仅仅能维持好的路况，最终还会带来好的效益。密歇根运 输部门估计，大修和重建的费用是预防性养护的1 0 - - 1 4 倍，自1 9 9 2 年密歇根执行预防 性养护计划以来，节省资金超过$ 7 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 。密歇根运输部门已经计划到2 0 0 7 年， 使9 5 的高速公路和8 5 的非高速公路路况达到良好。 高速公路的维修养护和新建一样，需要一整套先进的科学技术，发达国家如美国、 英国、德国等对沥青路面采用预防性养护，即在上述病害发生前根据路面行驶质量选择 养护方法与材料，如预防性养护稀浆封层法、采用美国派克森公司推出的沥青路面复原 剂恢复沥青的使用性能等方法。对于裂缝、坑槽等病害，日本、英国、加拿大、美国、 德国还研制开发了存储式冷铺沥青修补材料。 美国各州公路及运输工作者协会( a a s h t o ) 在1 9 9 9 年对4 1 个运输部门进行了调 查，3 6 个( 8 5 ) 运输部门已经制定了路面预防性养护计划( p a v e m e n tp r e v e n t i v e m a i n t e n a n c ep r o g r a m s ) ，2 个运输部门正在制定p p m 计划，4 1 个运输部门都已开始应用 各种路面预防性养护措施。 近年来，美国的公路管理部门，包括联邦公路管理局( f h w a ) 、路面维护机构( f p 2 ： t h ef o u n d a t i o no f p a v e m e n tp r e s e r v a t i o n ) 和美国各州公路工作者协会( 从s h t o ) 联合 发起推动实行路面预防性养护策略。为了推动预防性养护技术，已经在6 个方面资助了 5 0 个研究子课题。f h w a 、a a s h t o 和f p 2 已经主办过多次预防性养护专题讨论会和 论坛。为了解决预防性养护时机问题，f h w a 专门资助了专门的项目n c 冲p 1 4 - 1 4 ( t h en a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a mp r o j e c t1 卜1 4 ) 。同时，a a s h t o 、 f p 2 和f h w a 用三年的时间另外再投资$ 3 5 0 ，0 0 0 来支持预防性养护时机选择的研究项 目。 到目前为止，除了美国开始使用路面预防性养护技术外，南非广泛使用了石屑封层， 这项技术已用于日交通量在5 0 ，0 0 0 及以上的路面，其路面管理系统已经证明表面封层 ( s u r f a c es e a l s ) 对于维持路面寿命是一项有效的措施。在澳大利亚，石屑封层应用得也 很成功。加拿大在2 0 年前就意识到路面预防性养护的好处，早在7 0 年代晚期安大略省 ( o n t a r i o ) 运输部就系统地应用预防性养护的观念实施了一个路面管理计划。在8 0 年 代早期，渥太华的市政部门就意识到及时进行路面养护的重要性。 国外高速公路养护经验表明，路面预防性养护可以延缓由于交通荷载和环境因素的 作用而引起的路面性能的恶化并延长它的寿命、减少路面周期养护费用，其经济效益十 4 长安大学硕士学位论文 分显著。 1 2 2 国内的研究现状 我国高速公路建设起步较晚，8 0 年代后期才开始逐年增加，目前国内在高速公路沥 青路面预防性养护的专门技术方面基本上处于刚起步阶段，少数省份如河北、河南、江 苏、山东等开始在这方面进行尝试，大部分地区至今仍未引起重视，国内普遍习惯于采 用中低级公路的维修养护方法，施工过程通常中断交通或改道，维修养护方法几乎都是 铺筑沥青混凝土罩面层，处于落后的状态，及早开发完善高速公路沥青路面预防性养护 的成套技术已经成为当前迫切需要解决的重要问题。 为了满足高速公路维修养护的需要，一些单位已经开始开发研制用高分子聚合物改 性沥青的稀浆封层。通过“八五 期间交通部重点新技术推广项目“乳化沥青稀浆封层 成套技术 的推广和研究，稀浆封层技术有了一定的发展。河南省公路管理局、新乡市 公路科技研究所和前西安公路交通大学合作，采用丁苯胶乳与c r s 一1 型慢裂快凝阳离 子乳化剂混合加上助剂制成改性乳化沥青，进行了改性稀浆封层施工。浙江省在杭甬高 速公路试用改性稀浆封层。山东省在济聊高速公路上试用稀浆封层。河北沧州市盛通乳 化沥青有限公司等单位引进了h d l 0 型稀浆封层摊铺机及用于修补车辙的v 字形摊铺 箱，在京石高速公路、石安高速公路上铺筑了改性乳化沥青稀浆封层试验段。近年来； 在沪嘉高速、沪宁高速、四川内宜高速等公路路面上进行了微表处施工。可以说，在国 外预防性养护中应用比较成熟和成功的乳化沥青稀浆封层技术在我国大都用作粘层、封 层，而用作路面的预防性养护还处于试验阶段或刚刚开始，其性能有待进一步验证。 河北省在国内首次开发并初步完成了“高速公路沥青路面养护维修成套技术 。该 课题以高速公路沥青路面养护为重点，从高速公路的路况调查开始，包括使用性能评价 和预测、养护决策、维修罩面补强设计、施工实施、施工管理等内容，以期形成高速公 路沥青路面养护的实用性成套技术。 江苏省公路养护资料统计表明：国产改性稀浆封层厚度为l c m 时，其成本为1 3 1 0 5 元m 2 ；而对路面维修时其上、中、下及补强层的铣刨成本分别为4 6 3 元m 2 、6 5 0 8 元 m 2 、6 6 1 8 元m 2 和1 6 1 3 3 元m 2 ，合计为3 3 8 9 元m 2 ；沥青混凝土其上、中、下及补 强层摊铺成本分别为4 6 3 4 9 元。m 2 、5 9 7 2 4 元r n 2 、6 0 7 3 4 元m 2 和1 4 8 0 5 4 元r n 2 ，合 计为3 1 4 8 6 元m 2 ( 还不包括铣刨废料及沥青混凝土的运输成本2 0 8 元r n 3 k m ) ，这 些数据说明了重视预防性养护的经济意义。 高速公路早期病害预防措施的研究是交通部西部交通建设科技项目的一个研究 5 第一章绪论 课题( 合同编号：2 0 0 13 1 82 2 36 2 ) 。承担单位是交通部公路科学研究所。提出了多雨潮 湿地区防止沥青路面水损坏、重载路段发生车辙等永久性变形、以及寒冷地区防止路面 裂缝的综合技术措施，能明显降低养护成本，延长使用寿命。对高速公路早期病害防止 效果显著。 同济大学孙立军教授和董瑞琨博士从预防性养护的作用出发，提出了基于老化的沥 青路面预防性养护时机的判定方法。并对沥青路面老化指标进行了深入研究。针对沥青 路面的预防性养护策略，进行了大量的室内老化试验，结合现场老化，提出了沥青路面 的老化模式：沥青路面的老化主要体现为表面的氧化老化及路面内部的热老化。路面表 面老化用薄膜烘箱试验( t f o t ) + 压力老化容器试验法( p a v ) 模拟，路面内部老化用 t f o t + 1 0 0 缺氧加热模拟。试验和现场都表明路面内部老化比表面老化缓慢得多。对 于表面密封性能良好的路面，在一定的服务期内，可以不考虑路面内部的老化。为基于 沥青路面老化的预防性养护提供了理论依据。并提出第一次预防性养护的时机应在相当 于1 0 - - 2 0 h p a v 老化程度之前的某个时间，大致相当于路面投入使用4 - 8 年。基于老化 的方法在确定养护时机时需采用p a v 法模拟沥青路面表面老化，该项试验需要专门的 实验设备，试验比较复杂，一般养护部门没有此实验仪器。此方法确定的预防性养护时 机是一个范围，没有给出确定的时间。故此方法的实用性不是很好。 高速公路沥青路面的预防性养护就是要在路况良好或很好而没有出现结构破坏时 采取预防性养护措施，矫正已经出现的微小病害，使路面保持较好的使用性能，延缓路 面的破坏，增加路面的使用寿命，从而减少路面的大、中修频率，降低养护成本。国内 的高速公路普遍存在早期损坏，有的是建成初期就出现大规模的严重病害，有的是使用 不到设计年限就严重破坏，需要进行大修工程。在这种情况下，预防性养护就显得尤为 重要。 尽管国外已经有了较为完善的沥青路面预防性养护经验和模式，但他们根据的是本 国公路的结构形式、材料性质和地理环境条件，其性能评价指标和方法不适合我国高速 公路的路面结构和行车特点，故无法直接应用于我国高速公路。 国内预防性养护技术正处在重新认识和推广的过程。预防性养护技术虽然已经引起 管理部门和专家、学者们的高度重视，但其使用和推广正处在起步阶段，与之相配套的 机械设备的技术水平、实用性能与国外相比还有很大的差距，也不能满足预防性养护技 术在实际工程中使用和推广的需要。 总之，高速公路沥青路面预防性养护时机如何把握? 针对不同的路况采取什么预防 6 长安大学硕士学位论文 性养护措施效果最好? 预防性养护经济效益怎样? 这些问题引起国内外高速公路沥青 路面养护工作者普遍关注。本文通过系统研究找出适合于我国国情和现实的预防性养护 方法。 1 3 本文研究的主要内容 1 3 1 研究的主要内容 高速公路沥青路面预防性养护这一问题比较复杂，涉及学科范围广泛，目前很多问 题亟待解决。纵观国内外研究现状，本文对国内高速公路管理和养护部门最为关心的沥 青路面预防性养护技术问题进行分析和研究，具体内容包括以下几点： 1 通过高速公路沥青路面的使用性能的变化情况，重点考虑沥青路面使用初期路 面病害的发展特点，选取适合评价沥青路面早期性能的指标，建立沥青路面早期性能的 评价方法。 2 对国内外一些行之有效的预防性养护对策的适用性和使用效果进行分析和总结， 使养护部门可以根据路况选择合适的预防性养护措施。 3 对试验路采取的预防性养护措施的效果进行观测，分析预防性养护的效果。 4 利用寿命周期费用分析法对预防性养护方案进行经济性分析，比较不采取预防 性养护和采取预防性养护以及采取不同的预防性养护方案之间的经济性。 1 3 2 研究的技术路线 1 根据高速公路路面使用状况，提出早期性能评价指标。对提出的指标进行深入 分析，确定适合于评价高速公路沥青路面早期性能的评价指标。 2 对京秦高速公路路况进行调查，根据历年路面性能实测结果，对评价指标进行 定性、定量分析，提出适合预防性养护阶段沥青路面使用性能的评价方法。 3 通过采用不同预防性养护措施试验路段效果观测，提出针对不同路况的预防性 养护措施。 4 调查不同预防性养护方案的造价，结合各种预防性养护方案的有效使用年限， 进行寿命周期费用分析，研究预防性养护的经济性。 7 第二章 高速公路沥青路面早期性能评价方法 第二章高速公路沥青路面早期性能评价方法 为了使沥青路面的预防性养护有针对性，首先要知道沥青路面的使用性能处于什么 样的状态，那么如何评价高速公路沥青路面的使用性能处于怎样的状态是研究预防性养 护的关键，因此，高速公路沥青路面早期性能评价方法的确定很重要。 目前，我国公路沥青路面养护技术规范( j t j 0 7 3 争屯0 0 1 ) 中将路面使用性能评 价分为单项指标评价和综合指标评价。单项指标评价包括路面状况指标、路面结构强度 指标、道路行驶质量指标和路面抗滑性能指标。综合指标评价是上述单项指标的加权和。 单项指标评价从不同的侧面反映了路面满足使用要求的情况，综合指标使路网或各个路 段的使用性能具有可比性。 这种评价方法的优点是，它是一种确定性的评价方法，评价模型简单，路面综合评定 指标的各分指标清楚、直接，数据易于采集。但对于预防性养护所对应的路面早期性能评 价而言，这种方法的评价指标组成没有充分考虑沥青路面使用初期的特点，而且各指标 所关心的数值范围都太大，不能很好的评价沥青路面早期使用性能比较微小的变化，而 研究预防性养护技术就必须首先解决沥青路面早期性能的评价问题。因此本文研究在沥 青路面使用初期，各项使用性能的评价指标，制定出沥青路面早期路面性能评价方法。 2 1 评价指标的确定 现行的公路沥青路面养护技术规范( j t j 0 7 3 2 - 2 0 0 1 ) 中，用路面破损状况、路 面结构强度、路面平整度、路面抗滑能力四项内容评价沥青路面质量，高速公路养护 质量检评方法( 试行) 中，采用高速公路养护质量指数m q i 和相应分项指标来评价高 速公路养护质量，路面养护质量用路面状况p c i 、路面强度p s s i 、行驶质量r q i 和抗滑 性能s k i 四项指标以及相应的权重计算确定。在国外，有的机构，例如密西根州运输部 在路网管理中用行驶质量指数和破坏指数来表示路面性能。这些评价体系都是针对高速 公路沥青路面的整个寿命周期或使用年限内的路面性能，而预防性养护所关心的是沥青 路面使用初期的路面性能，因此，在借鉴这些评价体系的基础上要提出新的合理的评价 指标和评价指标的分级。 2 1 1 路面结构强度 在沥青路面的早期使用性能变化中，路面结构强度始终处于良好的状态，反过来说， 如果路面的结构强度不满足要求的话，那么针对路面结构强度的养护已经不属于预防性 养护的范围。通常来讲，路面弯沉值的增长意味着路面结构层承载力的逐渐降低，由于 8 长安大学硕士学位论文 承载力降低到一定程度往往需要修复基层或以下层，通常不能通过采取预防性养护措施 来解决路面结构强度不足的问题。因此，在本文中不把路面结构强度作为评价沥青路面 使用性能的指标。 2 1 2 路面破损状况 路面破损状况是路面养护决策的重要指标，也是道路使用者评价公路管理部门工作 效率的最直观依据。在路面的使用初期，路面破损最主要的就是裂缝，尤其是微裂缝， 是路面破损和路面病害最开始的表现，单条裂缝从无到有，裂缝宽度从d , n 大，裂缝深 度从浅到深，以及裂缝在路面的分布从少到多、从疏到密，随着裂缝的深入和开展，各 种病害如水损坏，坑槽等随之而来，最终导致路面使用性能的下降。因此把裂缝作为评 价路面使用性能的一个指标，意图通过研究裂缝的状态来研究沥青路面的状态。 2 1 3 车辙 车辙是指沿道路纵向在车辆集中通过的位置处路面产生的带状凹槽。在一个行车道 上它总是成双出现，使路表面呈现凹陷，如w 的形状。随着我国高等级公路建设的迅 猛发展，交通量、车辆轴载的不断增大和车辆行驶的渠道化，车辙已成为高速公路沥青 路而的一种主要病害，是导致沥青路面破坏的重要原因，必须给予充分的关注。2 0 世 纪7 0 年代末美国各州公路局曾经做过调查统计，在被调查的4 4 条主要公路中有1 3 条 公路的破坏是由车辙引起的，占调查总数的2 9 5 ；日本的高速公路路面维修、罩面的 原因，8 0 以上是由车辙引起的。我国已建成的高速公路中，沥青路面的车辙是主要病 害之一，已经引起道路建设与管理部门的高度重视。车辙的出现不仅影响行车的舒适性， 也影响行车的安全性。车辙达到一定深度后，车辙内的积水不容易排出，一方面降低路 面的抗滑性能，容易引发交通事故，另一方面积水向下渗入路面，如果不能及时排出， 在行车荷载和冻融循环的作用下，极易引发其他病害的发生。因此增加车辙指标评价路 面使用性能。 2 1 4 路面平整度 平整度是路面行驶舒适性、经济性和安全性最普通和最重要的标志。路面平整度可 定义为路面表面诱使行驶车辆出现振动的高程变化，由于路面不平整引起车辆振动，它 便对车辆磨损、燃油消耗、行驶舒适、路面损坏和交通安全等产生直接影响。路面平整 度不仅是评定沥青路面行驶质量的重要指标，而且是道路使用者判断道路好坏的直接依 据。1 9 6 0 年a a s h t o 道路试验研究表明大约9 5 的路面服务性能来自于道路表面的平 9 第二章高速公路沥青路面早期性能评价方法 整度。l t p p 的研究表明，路面平整度特别是初始路面平整度，严重影响路面使用寿命。 因此平整度成为度量路面使用性能的一项重要指标。 2 1 5 路面抗滑性能 目前，我国是世界上道路交通事故万车死亡率最高的国家之一，每年在道路交通 事故中死亡的约5 万多人，直接经济损失近3 0 亿元。交通事故频繁发生的原因，一方 面是交通管理水平方面的问题，另一方面和道路路面的技术性能有着密切关系，尤其是 路面的抗滑性能。粗糙、抗滑的路面是保证行车安全的一个必要条件。有关部门对我国 7 个省市约5 0 0 0 k m 干线公路沥青路面的调查表明，摩擦系数小于4 0 的路段占5 3 。 路面的表面应具备足够的抗滑能力，以保证行车安全。若路面抗滑能力不足时，汽 车起动，会发生空转打滑现象；汽车在弯道上行驶，会产生横向滑移；高速行车时紧急 制动，所需的制动距离就会增长。这些现象极易引发交通事故。经调查，交通事故大部 分与路面滑溜有关，即与路面摩擦系数较低有关。因此，对于路面来说，抗滑性能是一 项非常重要的质量评定指标。针对路面性能来讲，路面抗滑能力是影响道路行车安全性 的重要因素，是保证公路行车安全及维护必要的允许行车速度的一项重要指标。 参考国内外现有的规范和经验，考虑到高速公路沥青路面早期性能容易出现的问 题，本文研究以裂缝、车辙、平整度、抗滑性能为评价指标的评价方法。 2 2 裂缝的评价方法 裂缝是沥青路面破损最为常见的一种。由于环境温度、交通荷载等因素的影响，沥 青路面在建成通车后会在路表面产生微小裂纹，并逐渐扩展，在雨水的作用下，可能形 成坑槽，对路面结构造成进一步的危害，从而使道路结构逐渐减少承载能力。 如何认识沥青路面开裂机理，阻止或延缓裂缝的发展，延长沥青路面使用寿命，是世 界性的难题。国内外有关部门对此进行了大量的探索和试验，有些研究结果已应用到道 路设计理论与设计规范中。京秦高速公路管理处也开展研究了高速公路沥青路面裂缝 病害成因分析与养护对策研究这一课题。但是，目前尚未见到被广泛承认的沥青路面 裂缝的评价方法。 2 2 1 裂缝宽度 裂缝是沥青路面最早产生的病害，它的发生发展是从细缝变宽缝，从短缝变长缝， 从个别裂缝到裂缝布满整个路面。裂缝发展到一定程度就引起了其他病害的发生，用预 防性养护措施就不能修复和延缓它的进一步发展。对于预防性养护阶段，研究裂缝宽度 1 0 长安大学硕士学位论文 并不是研究裂缝发展的整个过程，而是它发展到一定程度之前，用预防性养护的措施手 段可以阻止和修复裂缝进一步发展的阶段。本文重点研究的是预防性养护阶段的裂缝宽 度。 裂缝从在路面的分布上可以分为横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝和龟裂。横向裂缝 是与路面行车方向垂直分布的单根裂缝，在温度变化大的地区，夏季完好的路面到了冬 季会由于路面温度过低或温度变化过大，还会产生纵向近似等间距的横向裂缝，通常将 这类横向裂缝亦称为温度裂缝，沥青路面出现的绝大部分横向裂缝是温度裂缝，该类裂 缝一般从沥青面层表面开裂，逐渐向底面层和基层延伸、扩展，从而形成了上宽下窄的 裂缝。有的横向温度裂缝会贯通路面的一部分，而大部分横向温度裂缝则是贯通整个路 面宽度。一条沥青路面会有多根横向温度裂缝，其纵向间距约为5 lo m 不等。对于这 种横向裂缝用预防性养护的方法不能阻止它的发生和发展，只有及时发现，及时对其进 行灌缝填缝处理，使其对路面结构及行车安全和舒适不造成影响。 本文着重研究的是在沥青路面使用初期，出现在路面表面的细小裂缝的宽度，对其 进行分级，在适当时机采取相应的预防性养护措施，延缓它的进一步发展。现行的公 路沥青路面养护技术规范和高速公路养护质量检评方法( 试行) 中，都把裂缝宽 度5 m m 作为裂缝程度轻重的分界。宽度大于5 m m 的裂缝一般需要进行及时的灌缝。因 此，本文把裂缝宽度小于等于5 m m 作为预防性养护的研究对象。 2 2 2 裂缝宽度的分级 对于预防性养护来说，这里讲的裂缝的宽度指的是裂缝的表面宽度。沥青路面内部 裂缝的宽度，裂缝向下发展到什么深度等问题就不能直接用裂缝宽度来表达。 沥青路面开裂以后，其危害在于，一方面破坏了结构的整体性和连续性，影响了路 面的使用品质和路面美观。另一方面，外界的水可以不断的由裂缝处渗入并积存于路面 内部，由于半刚性基层是一个致密材料层，水不可能由基层下渗排走，在交通荷载作用 下，积存于面层和基层的水就在强大的水压力下对基层顶面进行冲刷，促使面层基层脱 离，转为不连续。另外，水比油更容易浸润基层，即使没有交通荷载的作用，水也能进 入面基界面，置换出沥青而与基层结合，使层间脱离。面基层一旦由连续状态变为不连 续状态，沥青面层底面的拉应力，顶面的剪应力就会大幅增长，路面破坏的速度加剧， 雨雪水沿路面裂缝渗入路面基层土基，经过冻融反复的作用，降低路基路面的稳定性和 强度，造成局部变形。这些都会导致路面出现大面积的网裂、推挤、松散、坑洞、唧浆 等大变形破坏。 第二章高速公路沥青路面早期性能评价方法 从上面可以看出，裂缝出现以后，顺着裂缝进入路面的水的破坏作用给路面带来了 很严重的后果。沥青路面的早期损坏基本上都与水有关，主要表现为在通车后的第一个 夏季沥青路面出现不同程度的车辙、表面松散、坑洞等损坏，这种现象在南方多雨地区 尤其明显，造成一定的经济损失和社会影响。因此，本文提出用裂缝上的渗水系数来衡 量裂缝的严重程度。这样就在裂缝上的渗水系数和裂缝宽度之间建立一个关系，既可以 用来评价裂缝，同时也考虑了沥青路面的渗水性能。 本研究分别在夏季、雨季过后、冬季和春融四个季节，对京秦高速公路沥青路面的 裂缝宽度和其渗水系数进行了检测，结果如表2 1 ，并得到裂缝宽度与渗水系数关系图， 如图2 1 。 表2 1 裂缝宽度与渗水系数结果表 夏季( 8 月)雨季过后( 1 1 月)冬季( 1 月)春融( 4 月) 桩号 渗水系渗水系渗水系渗水系 裂缝宽度 数( m l 裂缝宽度 数( m l 裂缝宽度裂缝宽度 ( m m )( m m )( i i n ) 数( m l数( m l m i n )m i n )m i n ) ( m m ) m i n ) l ( 2 6 2 + 5 1 53 51 3 3 32 o2 0 01 o6 62 o9 3 3 勉5 6 + 0 0 0 0 51 3 0l - 51 5 01 56 61 02 0 0 k 2 5 5 + 7 8 04 01 6 0 01 o4 5 30 51 31 02 0 0 k 2 5 5 + 4 0 01 02 2 71 04 2 72 o 8 1 6 1 02 6 7 k 2 5 2 + 3 6 33 04 4 o 0 5 02 o 2 7 0 2 52 3 - 3 融4 8 + 0 0 0o 53 52 o8 3 33 52 0 0 02 01 8 3 l ( 2 4 7 + 2 7 64 52 5 2 62 51 0 0 o2 51 8 7 71 52 3 3 k 2 0 6 + 1 0 01 02 03 51 4 6 74 53 3 3 34 52 1 6 7 k 2 0 5 + 9 6 5l - 55 03 01 6 1 74 o2 6 7 34 52 3 3 3 勉0 5 + 5 0 02 54 6 0 3 5 1 3 4 o3 o5 3 31 o1 5 o l ( 2 0 5 + 15 0o 51 2 00 51 5 0 1 03 7 7 1 01 8 3 k 2 0 4 + 8 2 50 5o1 02 5 0 o 53 3 0 51 3 3 2 3 3 l ( 2 0 4 + 4 5 01 52 0 71 01 54 5 03 08 0 o k 18 7 + 0 0 01 56 8 34 52 1 0 04 02 0 0 03 52 1 0 0 k 17 9 + 8 0 03 51 3 7 92 52 0 03 51 8 7 7o 51 3 3 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 1裂缝宽度与渗水系数关系图 从以上图表可以看出： 裂缝宽度在3 m m 以下时渗水系数变化速率缓慢，且渗水系数保持在1 0 0m l m i n 以下，甚至大多数测点的渗水系数在5 0 m l m i n 以下；裂缝宽度大于3 m m 后渗水系数 变化速率增大，大多数测点的渗水系数在1 5 0 m l m i n 以上。 因此把裂缝宽度在3 m m 以下作为一个等级，称为一级裂缝；把裂缝宽度在 3 m m 5 m m 作为一个等级，称为二级裂缝。 2 3 车辙的评价方法 一般认为，路面上车辙的的危害包括以下几个方面： ( 1 ) 路面表面过量的变形影响路面的平整度； ( 2 ) 轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及其路面结构的整体强度，易于诱发 其他病害； ( 3 ) 雨天车辙内积水导致车辆出现飘滑，影响高速行车的安全性； ( 4 ) 冬季车辙槽内聚冰，降低路面的抗滑能力，行车产生冰滑现象； ( 5 ) 车辆在超车或变换车道时方向失控，影响车辆的操纵稳定性。 高等级公路交通渠化明显，且我国大型运输车辆超载严重，车辙已成为我国高等级 公路沥青路面的典型病害之一。现有养护技术规范均将车辙只作为一种路面破损型式， 不足以反映车辙对行驶舒适性和行车安全性的重要性，因此有必要将车辙作为高等级公 路沥青路面养护质量评价指标之一。 1 3 第二章高速公路沥青路面早期性能评价方法 2 3 1 车辙深度 车辙深度较小时，对行车的舒适性没有明显影响。车辙深度达到某一值后，雨天在 车辙内会存水