陈磊磊 潘尚启 钱振东 刘 刚
(1东南大学智能运输系统研究中心, 南京210096)(2中国中铁二院工程集团有限责任公司公路与市政设计研究院, 成都610000)
坑槽作为沥青铺面最为常见的病害之一,不仅严重影响行车舒适性与安全性,而且会缩短路面的使用寿命.坑槽一般采用挖除后填补修复材料的方式维修,这种维修方式在国外也称为永久式修补,期望维修寿命可以维持到路面中修[1-2].然而,永久式修补也很难真正永久,坑槽维修后的寿命参差不齐.坑槽问题仍是困扰沥青路面养护管理单位的主要问题之一.随着我国公路事业进入“建养并重”的时期,解决坑槽养护维修难题的需求日益凸显.
为了提高坑槽修复的效果,国内外对新型坑槽修复材料与工艺的研发进行了大量的探索[3-5],由于缺乏有效的评价指标和标准,坑槽修复材料的研发和选取缺乏指导方向,所研发出的产品良莠不齐.近年来,不少国内外学者仍在针对现有坑槽修复产品的不足不断地调整修复材料的组成设计和性能评价方法[6-7],试图依靠室内试验确保修复材料的有效性.这些研究在一定程度上大幅提高了坑槽修复材料的修复寿命,然而,坑槽修复效果不仅与修复材料的性能相关,还与修复材料与原路面直接的匹配性等直接相关,优良的修复材料并不能完全等同于坑槽修复实际效果,还需要对其应用于工程实际现场时的修复效果进行评价.
目前国内外鲜有关于坑槽修复效果现场评价技术的系统研究,多是粗略地根据坑槽修复后的寿命来确定修复效果.然而,修复寿命的影响因素众多,且统计周期过长,用作评价指标不够准确,实用性低.因此,确定一种可量化的坑槽现场修复效果评价指标,是进行坑槽修复效果评价的首要条件.本文将对沥青路面坑槽修复效果现场量化评价指标及其标准进行研究;并通过具体工程案例探索沥青路面坑槽修复效果量化评价技术的应用,为养护单位进行修复效果评估及养护决策提供参考.
在坑槽的修复效果上,坑槽的修复寿命或在一定时间内修复的坑槽发生失效的比例是最直观的指标[8].美国曾对沥青路面养护材料的长期性能进行观测,也通过这2个指标对路面的长期效果进行初步评价[9].在此基础上,结合我国沥青路面坑槽维修效果分析的实际需求,本文提出平均存活率Rps和预期平均修复寿命Rexp作为沥青路面坑槽修复效果的现场量化评价指标.首先定义存活率Psurv,其为失效坑槽数量与坑槽总数之比,即
(1)
式中,Rip为存活的坑槽数量;Rf为失效的坑槽数量.
平均存活率Rps表征在一定观测期内存活率的平均水平,公式如下:
(2)
其中
Apart(i)=Pavg(i)Tt(i)
(3)
(4)
Tt(i)=Ti+1-Ti
(5)
式中,Apart(i)为第i次和第i+1次观测记录的坑槽存活率-时间曲线分段积分面积;Pavg(i)为第i次和第i+1次对修复坑槽观测记录的存活率平均值;Tt(i)为第i次和第i+1次观测时间间隔;Psurv(i)为根据第i次观测记录计算得到的坑槽存活率;Ti为从坑槽修复完成至第i次观测之间的时间间隔.
坑槽预期平均修复寿命Rexp为观测期内所有坑槽存活的总时间与坑槽总数之比,表征在一定观测期内所有坑槽存活时间的近似平均水平,公式如下:
(6)
式中,Rf(i)为从坑槽修复完成至第i次观测为止已经失效的坑槽数量.
美国SHRP计划曾对不同类型坑槽修复材料的平均修复寿命进行过统计[10-11],结果表明冷补料在潮湿和干燥状况下修复的坑槽平均寿命分别为0.31~0.38 a和0.76~1.15 a;热拌沥青混合料在潮湿和干燥状况下修复的坑槽平均寿命分别为0.27~0.89 a和1.78~4.41 a.本文参考现场调研结果,提出的坑槽修复效果量化评价标准如表1所示,建议当冷补料、热拌沥青混合料用于高速公路、一级公路、城市道路、重交通荷载等级及其以上的道路时,其预期平均修复寿命技术标准分别为Rexp≥20周,Rexp≥104周;当冷补料、热拌沥青混合料用于二级及其以下的低等级公路,其预期平均修复寿命技术标准分别为Rexp≥26周,Rexp≥156周;在此平均修复寿命内,建议坑槽平均存活率Rps≥60%.
表1 坑槽修复效果量化评价指标与标准
本文提出的沥青路面坑槽修复效果现场量化评价指标从定义上看,直接基于坑槽修复的寿命与失效率,较为直观,且评估周期短,不必等待坑槽全部失效才能给出评价,可实施性强.然而,坑槽失效目前缺乏统一的判定标准,多是依靠病害巡查人员人为确定,主观性强,影响量化评价的效果.因此,需对坑槽失效判定方式进行深入研究.
为了更加准确地判定坑槽失效,同时也便于修复效果评价数据的采集,根据二次破坏的影响程度,将修复后坑槽的存活、失效判别标准定义如下:① 结构性破坏;② 非结构性破坏.
如图1所示,结构性破坏指各种原因导致修复材料丧失,坑槽底面再次暴露,形成二次坑槽,其出现会严重影响修复区域的表面功能、平整度和结构承载力,还会引发病害向坑槽周边发展,显著加快整个修复结构的解体,必须重新修复,这一类破坏直接判定为失效.对于发生非结构性破坏的坑槽,修复后修复材料没有显著减少或丧失,但修复材料发生了轻微松散剥落、变形、裂缝、泛油等二次破损.破坏程度轻微者不影响修复结构的服役,也不会显著加速修复结构的破坏,应判定为存活;破坏程度严重者虽然也能服役,但若不进行重新修复,已有的破坏会显著加速病害的扩展,使后期修复成本大幅增加,这类情况应判定为失效.为了判定发生非结构性破坏的坑槽是存活还是失效,参考《公路技术状况评定标准》(JTG H20—2007),提出修复区使用性能分级指标Rpp:
Rpp=a1R+a2D+a3S+a4C+a5E+a6B
(7)
式中,R为松散剥落评级;D为凹陷评级;S为推移拥包评级;C为修复区裂缝评级;E为修复界面裂缝评级;B为泛油评级;ai为各类二次破损评级的权重系数.
(a) 结构性破坏
将各类二次破损程度分为0~10共11个等级,其中,0级代表修复区破损极为严重,10级代表修复区完好,参考《公路技术状况评定标准》中对沥青路面各类破损严重程度的定义,确定了坑槽二次破损的评级方式,如表2所示.并规定某一坑槽Rpp≤3时为失效.
表2 坑槽二次破损分类分级标准
式(7)中二次破损评级的权重系数ai很难依靠力学方法来判定,一定程度上依赖于经验法.德尔菲法[12]作为一种通过匿名的方式征询专家意见的评价方法,可以通过对专家的打分结果进行统计、处理、分析和归纳,客观、综合地考虑多位专家实际客观经验和主观判断,能够对修复区使用性能分级的定量评价做出合理的估算.层次分析法[13]可以将主观判断的定性结果用定量的形式表达,并且可以对评价内容进行系统化、层次化的分析,非常适用于修复区使用性能分级这种由相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂而又缺少定量数据的系统.本文首先通过应用层次分析法对评价内容进行分层分析,然后应用德尔菲法对指标的权重进行专家打分,经计算处理后得到各类二次破损评级的权重系数ai,从而建立起修复区使用性能分级评价模型.具体过程如下.
首先应用层次分析法对评价内容进行分层:第1层为目标层,应反映修复区使用性能;第2层为准则层,应反映修复区使用性能评价的技术内容,参考《公路技术状况评定标准》中沥青路面使用性能评价的技术内容,将坑槽修复区使用性能评价的技术内容归纳为防水、恢复路面平整度、恢复路面抗滑性能和恢复路面局部承载力4个方面;第3层为指标层,即各类二次破损评级.建立的三层递阶结构的修复区使用性能层次结构模型如图2所示.在此基础上,应用德尔菲法对同一层各因素关于上一层中某因素的重要性进行两两比较,按照德尔菲法中划分的重要程度等级进行专家打分,针对打分结果构造判断矩阵,该判断矩阵的最大(绝对值)特征值λmax对应的归一化特征向量即为同一层各因素相对于上一层中某因素的重要性权重,进而计算出指标层中各要素相对目标层的重要性权重,即为各类二次破损评级的权重系数ai.最后,对8位专家的判断结果进行无差别平均化,得到各项指标最终权重系数均值,如表3所示.将权重系数代入式(7)后,可以得到修复区使用性能分级Rpp的计算模型:
Rpp= 0.38R+0.12D+0.11S+0.13C+
0.20E+0.06B
(8)
图2 坑槽修复区使用性能层次结构模型
松散剥落权重a1凹陷权重a2推移拥包权重a3修复区裂缝权重a4修复界面裂缝权重a5泛油权重a60.380.120.110.130.200.06
运用修复效果量化评价技术,可以对不同的坑槽修复新材料、新工艺的修复效果进行比选,决策出最优的修复方案.本节以具体的工程案例对修复效果量化评价技术的应用进行说明.
昆山市某公路养护单位管辖的某绕城公路自建成通车以来,交通量大,重载车辆多,导致了不同程度的路面破坏.其中,坑槽病害修复后容易反复破损,给养护单位带来不必要的损失和麻烦.针对这一情况,昆山市某养护单位希望从3种冷补料(LB-1,LB-2和LB-3)、2种热补料(SBS改性SMA-13和普通AC-13)与2种修复界面黏结剂[14-15]中选出用于临时修复和永久修复的材料方案.其中,冷补料用于临时修复,不涂刷界面黏结剂,不同材料方案组合如表4所示.
表4 材料方案比选
据调查,坑槽修复后的二次破坏与坑槽修补时的挖补面积有关,但在一定范围内影响不大.但是挖补面积影响了坑槽的维修方式,这在一定程度上间接影响了修复效果.因此,为了优选坑槽修复材料,现场试验按表3的材料组合方案,统一采用标准的切槽修补工艺,对进行临时修复和永久修复的坑槽分别采用常见的修补尺寸进行切槽修复,其中,冷补料修复的坑槽尺寸为1.0 m×0.8 m×5 cm,热拌沥青混合料修复的坑槽尺寸为1.5 m×3.5 m×5 cm,如图3所示.为了使计算的坑槽预期平均修复寿命更能代表坑槽实际的寿命水平,在预期平均寿命标准的基础上应适当延长巡检的时间,确定观测总时长为120周.修复完成后根据修复材料破坏发生时间的特点确定时间间隔,分别在修复后1, 4, 8, 13周直到120周的各时间点对修复区使用性能分级数据和修复坑槽的存活数据进行巡检采集,进而进行巡检数据的分析和修复效果的量化评价.
(a) 冷拌料修复
3.2.1 统计存活与失效的坑槽数目
在养护单位日常巡检中,记录修复后存活坑槽、发生结构性破坏坑槽以及非结构性破坏坑槽的数目.对于发生非结构破坏的坑槽,根据二次破损评级的标准对其二次破损进行分类评级,然后按照2.2节中的方法计算得到修复区性能分级Rpp,当Rpp≤3时判定坑槽失效,统计非结构性破坏坑槽中存活与失效的坑槽数目,得到Rpp与时间关系曲线,如图4所示.
图4 非结构性破坏坑槽的Rpp与时间关系曲线
3.2.2 不同修复材料的预期平均修复寿命
根据日常巡检统计得到存活与失效的坑槽数目,按式(6)计算不同材料方案修复的坑槽预期平均修复寿命,结果如图5所示.由图可见,在3种冷补料的预期平均修复寿命Rexp中,仅LB-1不满足要求,LB-2最长,Rexp达到24周;在涂刷不同修复界面黏结剂的热补料中,采用SBS改性SMA-13为修复材料并用环氧树脂黏结剂处理修复界面时,修复的坑槽预期平均修复寿命最长,达到138周.
(a) 不同冷补料Rexp(无黏结剂)
(b) 不同热补料Rexp(有黏结剂)
3.2.3 不同修复材料的平均存活率
根据日常巡检统计得到存活与失效的坑槽数目,按式(1)~(5)计算不同材料修复的坑槽存活率-时间曲线,并计算其平均存活率,结果如图6和图7所示.从图6和图7中可看出,在Rexp标准内,所有修复材料的平均存活率均大于60%,满足要求.
图6 不同修复材料的存活率-时间曲线
图7 不同修复材料的平均存活率
3.2.4 方案决策
根据上述分析,最终确定考虑预期平均修复寿命的坑槽临时修复方案与永久修复方案材料组合,如表5所示.
表5 坑槽修复材料方案决策
1) 提出了平均存活率RPS和预期平均修复寿命Rexp等修复效果量化评价指标,进而提出了修复效果量化评价标准:建议当冷补料、热拌沥青混合料用于高速公路、一级公路、城市道路、重交通荷载等级及其以上的道路时,其预期平均修复寿命技术标准分别为Rexp≥20周,Rexp≥104周;当冷补料、热拌沥青混合料用于二级及其以下的低等级公路、重交通荷载等级以下的道路时,标准可适当放宽.
2) 定义了坑槽存活、失效标准,然后提出了修复区使用性能分级指标Rpp,进而建立了修复区使用性能分级评价模型用于判定坑槽的存活与失效.
3) 通过量化评价技术可以得到不同坑槽修复方案下的坑槽平均存活率及预期平均修复寿命,为养护单位进行坑槽修复决策提供依据.