浅谈预防性养护薄层罩面的最佳实施时机

浅谈预防性养护薄层罩面的最佳实施时机

杨金明 陈荣华

浙江顺畅高等级公路养护有限公司  浙江省杭州市  310000 

摘要：现有公路沥青路面预防性养护实施时机主要以行驶质量指数法和破坏指数法进行判定，未能充分考虑路面病害发展的前中期对路面进行专项养护，以遏制病害发展进程，延长路面使用寿命。本文通过对公路沥青路面老化、抗滑值衰减两个方面进行分析，经过现场实践证明，在路面裂缝等轻微病害发展前期及路面横向力系数（SFC）达到临界值，下承层局部构造深度（TD）不小于40时采用薄层罩面的方式进行预防性养护，可有效提升路面使用寿命。

关键词：预防性养护；薄层罩面；行驶指数；破坏指数；沥青老化；抗滑衰减

1、引言

随着国家经济建设水平的逐年提升，公路交通运输业快速发展。据公安部统计，2022年全国机动车保有量已达4.17亿量，庞大的交通流量与渠化交通也使得道路破坏问题日趋严重。我国现行的公路养护主要采用矫正型养护的方式，在路面结构已经发生明显的结构性破损型病害时才进行局部挖补或整体加铺的养护作业，属于路面功能受损后的弥补性维修行为，此种修补方式错过了最佳的养护时机，养护工程量大、费用高、周期长、对原路面结构造成一定的破坏。

薄层罩面作为近些年逐步普及的一种预防性养护技术，主要实施方式为在旧路面上加铺一层厚度较薄的沥青混凝土磨耗层，能有效纠正路面平整度、部分强度问题，大幅度增强路面抗滑、降噪性能，延缓原路面功能性损伤进程，对路表功能起到一定的修复和改善效果。但该技术在我国使用时间不长，缺乏统一的规范和指标，往往实施时已错过预防性养护最佳实施时机，部分路段将该工艺作为原路面矫正性养护和路面补强的措施，导致很多薄层罩面的修复情况差强人意，反射类病害时有发生，造成了进一步的损失。

2、现行预防性养护时机确定方法的弊端分析

与传统沥青混凝土路面养护时机确定方法一样，目前国内常见的预防性养护时机确定方法主要为行驶质量指数法和破坏指数法，该方法可以较好的确定使用与动载引起的路面破坏，评定路面损坏状况PCI、平整度RQI、车辙指数RDI、抗滑性能SRI，从而总体评定路面使用性能PQI，但该方法用于评定在病害尚未发生或轻微病害的预防性养护薄层罩面时具有明显的不适用性。

以浙江杭甬高速公路绍兴段沽渚枢纽至杭州界下行线为例，根据2018年1月道路综合检测结果，对各项指标进行统计评定分析，该路段指标总体评定结果为：路面使用性能PQI全线平均值为92.12，路面损坏状况PCI全线平均值为88.75，平整度RQI全线平均值为93.51，车辙指数RDI全线平均值为95.43，抗滑性能SRI全线平均值为93.35，路段指标评定等级为优良，但仍未达到浙江省高速公路PQI均值达到94以上的要求，且低于绍兴市高速公路均值的93.59，合格不达标路段长度19.44公里。

统计分析该路段近五年的路面使用性能指数及其分项指标，从表1和图1可以看出，除2015年路段大规模灌缝以后，路面使用性能指标PQI和路面损坏状况PCI略有上升外，2016～2018年间两项指标呈逐年下降趋势，尤其是2018年下降程度明显加快，而平整度RQI、车辙指数RDI及抗滑性能SRI均保持较为稳定的发展，据此分析，路面损坏状况PCI指数的下降是造成路面使用性能PQI指数下降的主要原因。

表1 2014～2018年路面技术状况指标统计表

图1 2014～2018年路面技术状况指标

该高速于1996年12月通车，2003年12月完成“四改八”改扩建通车，主线为双向八车道（无硬路肩）设计，其中沽渚枢纽至杭州界下行线于2010年完成全幅罩面路面大中修施工。自2015年开始，该路段主线路面开始逐渐出现横向疲劳裂缝，且裂缝数量呈逐年上升趋势，同年路段管养单位开始实施大范围的灌缝作业，以防路表水下渗造成路面水损坏。随着道路运营年限的逐年递增，道路荷载交通量的逐渐增加，面层沥青的老化作用，原路面横向裂缝逐步发展，部分裂缝开始出现纵向连通裂缝，裂缝之间同时分布着大量细小的隐性微裂缝，并伴随大量坑槽破损、网裂，尤以2017～2018年严重，已呈爆发趋势，传统灌缝作业已无法维持路面使用性能。

2018年该路段建设运营单位按照路段病害严重程度对该路段分别实施了病害处治+路面调平+4cmSMA-13改性沥青混凝土罩面和病害处治+2cm厚UTFC-Ⅱ型预防性养护超薄磨耗层罩面施工，其中UTFC-Ⅱ型预防性养护超薄磨耗层罩面共实施14.92公里，但由于该路段通过大规模灌缝等方式维持了路面使用性能等指标，薄层罩面实施时间已超过预防性养护最佳实施时机，虽然UTFC-Ⅱ型预防性养护超薄磨耗层罩面在实施初期明显提升了该路段路面损坏状况、平整度、车辙指数、抗滑性能等路用指标，路段路面使用性能PQI指标也由2018年初的92.12提升至95.77，但其工后24个月共发生坑洞破损156处，路面破损率1.06‰，一定程度上造成了后期路面使用性能PQI指标的快速衰减。

3、最佳实施时机确定  

3.1、沥青路面老化路段最佳实施时机

目前我国针对不同种类沥青的老化机理已经进行了较多的研究，王培荔从沥青材料化学组成角度分析了沥青老化机理；陈华鑫等利用DSR试验描述了老化作用对改性沥青性能的影响，通过傅立叶转换红外线光谱（FTRI）试验和胶凝渗透色谱法（GPC）试验分析了SBS改性沥青的老化机理；叶奋等利用自制的人工强紫外线光源验证了强紫外线辐射对沥青老化的影响。

通过程耀飞对沥青路面老化的试验研究可知，影响沥青老化的外部因素主要为使用年限、沥青所处层位、孔隙率及长期日照作用下的紫外线辐射。

3.1.1、使用年限及荷载作用对沥青老化的影响

相关研究证明，当路面使用年限增加时，沥青三大指标变化极为明显，随着年限的增加，沥青软化点和粘度逐渐增加，而延度和针入度逐渐降低，软化点、延度和针入度的变化速率呈逐年递减趋势，这是因为路面在使用初期老化最为严重，但135℃黏度随使用年限的变化几乎呈线性趋势增加；而随着使用年限的增加，沥青的劲模度量逐渐增加，荷载作用时沥青劲度变化率逐渐减小，两者间的变化速率逐渐变大，由此可知，沥青路面的低温抗裂性能和应力消散性能会随着使用年限和增加和荷载作用的持续作用明显降低。

3.1.2、沥青所处层位对沥青老化的影响

通过对浙江省东阳市象义线沥青路面面层进行取样，测试芯样相关相关性能可得，在不考虑混合料种类的情况下，自上面层至下面层，沥青三大指标中的针入度逐渐增加，但软化点及黏度却呈明显下降趋势，由此可知随着路面深度的增加，沥青老化情况呈逐渐降低，但沥青受压形变却在中面层位置最为明显，表明中面层所受的剪切应力最大。从理论上分析，随着路面深度的增加，沥青的劲模度量逐渐增加，荷载作用时沥青劲度变化率逐渐减小，两者间的变化速率逐渐变大，上面层因直接接受车轮传递的荷载加之直接收到紫外线的长时间辐射，沥青老化作用最为明显。

3.1.3、孔隙率对沥青老化的影响

根据程耀飞对沥青路面老化的试验研究可知，孔隙率对沥青老化的影响较为明显，这是因为孔隙率大的混合料空气与水的接触较多，加快了沥青老化程度。在孔隙率为4%的情况下，软化点增加4℃，在孔隙率为5%的情况下，软化点增加13℃，孔隙率为7%的情况下，软化点增加22℃。

3.1.4、沥青老化对路面病害的影响

根据国内外研究表明，沥青路面上面层是老化的主要区域，同时也是受荷载等因素影响受破坏的主要区域，通过改变沥青上面层的模量，对路面上面层行车方向上的最大拉应力、最大剪应力进行计算，如图2、图3所示：

图2、图3 行车方向拉应力/剪应力

由上图可知，随着上面层模量的增加，行车方向拉应力和剪应力均逐步增加，由此可得路面老化会使得上面层路面弯拉开裂和剪切开裂的概率逐年增大。

3.1.5、最佳实施时机

根据路面老化对上面层路面弯拉开裂和剪切开裂的影响可知，路面老化造成的路表病害前期多是以横向疲劳裂缝和冬季低温收缩裂缝的形式出现，此类病害往往出现在上面层，呈上宽下窄分布，裂缝长度以轮迹带宽度或单一车道宽度居多；病害发展中期在路表水侵蚀和持续荷载作用下，横向疲劳裂缝和冬季低温收缩裂缝持续发展，裂缝开始逐步向两侧持续发展，最终贯穿全幅；病害发展后期，往往出现多条横向裂缝之间的纵向连接，此时传统灌缝施工已无法维持路面使用性能，路面中、下面层乃至基层受水损害开始出现拥包、唧浆、坑洞破损、网裂乃至大面积龟裂等严重病害。

通过对大量高速公路、国省道的长期观测，在重载交通流量下，新建路面或修复后的路面在通车后5～8年开始出现路表前期病害；轻、中度交通流量下，在8～10年开始出现路表前期病害，并在出现后的3年内开始出现爆发式的病害增长。

预防性养护薄层罩面施工的最佳实施时机应在路面老化造成病害的前期或未发生大面积的横向疲劳裂缝与低温收缩裂缝但已有发展趋势时进行，通过病害处治对少量裂缝进行结构性修补，利用同步薄层罩面独有的乳化沥青防水粘结层阻止路表水的下渗，通过新加铺面层间隔原路面与行车荷载、空气和紫外线辐射的直接接触，从而延缓原路面功能性损伤进程，对路表功能起到一定的修复和改善效果。

3.2、抗滑衰减路段的最佳实施时机

3.2.1、路面抗滑值衰减的机理

沥青路面抗滑值衰减的原因较多，主要有沥青胶结料的种类、矿料级配、矿料形状、施工过程控制、路面泛油、路面污染、路面行车荷载造成的路面抗滑值衰减。为确保路面施工质量，路面沥青胶结料应采用重交通道路石油沥青，在高等公路、国省道及重载交通道路施工时应采用改性后的沥青胶结料；石料磨光值对路面抗滑值的影响可以达到30～50BPN，因此混合料拌合应采用质地坚硬、有棱角、形状近似立方体、磨光值较好的石料；而合理的油石比和矿料级配可以保证颗粒间的粘附性，不产生相对滑移，保证成型混合料的结构稳定性；而施工过程控制是保证沥青路面施工在施工阶段即保持较好的压实度，避免运营过程中压密造成的路面抗滑快速衰减，以上都是沥青路面施工必须要做好的项。

在保证上述原材及施工控制合理的情况下，路面抗滑值衰减的主要因素为路面泛油、路面污染和行车荷载。

路面泛油是因混合料中过高的沥青含量过高、矿粉掺入量偏高或混合料中沥青粘度小、钠含量偏高造成的稳定敏感性差造成的胶结料自有流动造成光面、多余的沥青被挤出，一方面会造成混合料孔隙率的下降降低路面宏观构造深度，另一方面沥青膜使原先裸露的集料被裹附，集料表面凹槽被填平，使路面微观构造特性降低，从而导致路面摩擦系数降低，泛油在夏季高温季节多发，本质上是级配和混合料拌合工艺的不合理造成的。

路面污染是指路肩粘土带入路面后，当车轮荷载揉搓作用后形成介质，会在路面潮湿时在轮胎与路面的接触层面形成一层薄层，使路面抗滑值降低16～25BPN。

在材料、级配、施工工艺均处于合理状况时，路面行车荷载是造成道路运营过程中抗滑值衰减的主要原因，受级配类型和行车荷载次数影响较大，悬浮密实结构因表面光滑、孔隙率小，所以摩擦系数和构造深度都较小；骨架空隙结构和骨架密实结构均拥有较好的宏观和微观构造，因此抗滑性能较好。

据相关研究证明，随着路面车辆荷载作用次数的增加，路面抗滑性能在55.5万次荷载前逐渐上升，而后稳步下降，如图4所示。这是优于道路建成初期路面抗滑能力主要由波长0～0.5mm的微观纹理和波长为0.5～5mm的宏观纹理共同提供，宏观纹理主要影响车辆在高速行驶时的抗滑性能，微观纹理主要影响车辆在低速行驶下的抗滑性能，宏观纹理主要受混合料级配影响，随着运营时间的增长，路表沥青逐渐脱落，暴露出纹理更丰富的集料表面，为路表提供新的抗滑纹理，使路表抗滑能力达到波峰，但随着行车荷载次数的增加，集料表面纹理趋于平缓，这也是材料选择时应选择质地坚硬、有棱角、形状近似立方体、磨光值较好的石料的原因，在早期沥青路面施工过程中一些选择以磨光值不佳的石灰岩作为粗集料的路面纹理衰减次数明显快于质地坚硬的玄武岩粗集料路面，部分路面年抗滑值衰减率甚至达到了25%，这也使得一些荷载次数多的道路在路面未出现老化型病害的阶段抗滑值已经衰减到临界值。而随着长期荷载作用下混合料的压密作用，沥青胶浆和细集料流动至路面，路面纹理趋于平缓，导致路面宏观、微观纹理均出现衰减，抗滑性能降低。但集料被磨光机混合料压密到一定程度后，其衰变速率会减小，后期抗滑性能变化增大。

图4 车辆荷载次数对摩擦系数影响

3.2.2、最佳实施时机

不管是何种因素造成的抗滑值衰减，依据《公路沥青路面养护技术规范》（JTG 5142-2019）规定，当横向力系数（SFC）＜36.5时，需要对路面进行维修养护。

但为保证新摊铺面与下承层具有较好的粘结性，预防性养护同步超薄磨耗层施工时同步洒布的路面粘层油对下承层构造深度（TD）需要一定的要求，一般在局部路面横向力系数（SFC）达到临界值，下承层局部构造深度（TD）不小于40的时候进行预防性养护超薄磨耗层罩面为最佳时机，当下承层局部构造深度（TD）不小于0.4mm的时候应进行路面精铣刨。

以浙江省海宁市G527国道尖山至海宁段为例，其在2020年路面指标检测结果显示，局部路面横向力系数（SFC）达到临界值或略低于36.5，下承层局部构造深度（TD）平均值为0.42mm。经对主线主车道进行UTFC-Ⅱ型预防性养护超薄磨耗层后，摩擦系数在工后两年间始终保持在60BPN以上。

4、结论和建议

常见的行驶质量指数法和破坏指数法，在用于评定在病害尚未发生或轻微病害的预防性养护薄层罩面时具有明显的不适用性，预防性养护薄层罩面实施时机的确定应结合现场实际勘测和试验检测结果分析，沥青老化类路面的实施时机应在造成病害的前期或未发生大面积的横向疲劳裂缝与低温收缩裂缝但已有发展趋势时进行；抗滑值衰减类路面的实施时机应在局部路面横向力系数（SFC）达到临界值，下承层局部构造深度（TD）不小于0.4mm的时候进行。

管养单位在测算预防性养护薄层罩面实施费用时还应考虑前期病害处治的相关费用，以确保预防性养护薄层罩面充分发挥延缓原路面功能性损伤进程，对路表功能起到一定的修复和改善效果的作用。

[参考文献]

[1]曾超.论旧沥青路面薄层罩面的养护时机及层间技术[D].重庆诚邦科技集团有限公司.建筑建材装饰，2018（11）：41.

[2]郭少华.分层修建薄层路罩面时机与维修方案研究[D].辽宁省交通规划设计院有限责任公司.北方交通，2020（07）:38-41.

[3]曹毅，闫伟阳等.基于双原则的高速公路沥青路面最佳罩面时机的研究[D].河北工业大学土木工程学院，河北省土木工程技术研究中心等.河北工业大学学报，2013（03）：89-92.

[4]薛智敏.高速公路沥青路面预防性养护技术探讨[D].福建省高速公路达通检测有限公司.建材与装饰，2013（26）:240-243.

[5]李宇轩，董元帅等.沥青路面抗滑性能衰减研究规律[J].中国公路工程咨询集团有限公司，中国交建公路路面养护技术研发中心等.市政技术，2022（01）:54-59.

[6]程耀飞.沥青路面老化的试验研究[J].广西桂东高速公路有限公司.设计与试验，2017（08）：89-93.

[7]交通运输部.《公路沥青路面养护技术规范》（JTG 5142——2019）.