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蒋维祥
(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)
传统的公路养护方式主要是矫正性养护[1]，即在路面发生明显病害和破损后进行的养护，存在养护工程量大、对运营交通影响大、费用高等问题，于是功能性养护应运而生。20世纪20年代德国出现了稀浆封层技术，50年代南非出现了碎石封层技术，70年代德国出现微表处技术，80年代法国出现了薄层罩面技术，90年代初法国和德国联合开发了超薄罩面。20世纪90年代美国对上述各种技术进行了总结归纳，提出了功能性养护概念[2-3]。
我国于20世纪90年代末引进功能性修复技术，但并未得到充分的重视与推广。随着国内公路建设的迅猛发展，公路养护里程不断增加[4]，传统养护方式修补病害滞后，经济效益差等问题日渐突出，功能性修复不断得到推广应用。2016年《“十三五”公路管理发展纲要》[5]再次强调了功能性修复的重要性，并明确指出要全面开展公路功能性修复。
目前国内常用沥青路面功能性修复[6]可分为3类：局部修复类、加铺罩面类、铣刨重铺类。其中局部修复类主要为裂缝修补技术，加铺罩面类包括雾封层、微表处、碎石封层、薄层罩面和超薄层罩面，铣刨重铺类主要为就地热再生技术。上述功能性修复各有其技术优势，但也存在一些亟待解决的问题。为此，在总结当前国内外功能性修复应用与研究的基础上，针对功能性修复应用现状进行了评述，从抗滑、抗水损、降噪等方面归纳了各项技术的技术性能，指出了该技术存在的问题，并对其发展趋势进行了展望。
1.1 局部修复类
局部修复类功能性修复主要包括裂缝修补(Crack Repair)，传统裂缝修补工艺主要为加热施工式灌缝技术，材料多为橡胶沥青类密封胶。近几年新兴一种快速无损贴缝胶修补技术，该技术无需开槽，方便快捷。然而无论灌缝还是贴缝，因修补材料直接与外界环境接触，都存在修补后粘结失效、断裂失效、低温开裂、高温流淌的问题[7]。为解决此问题，国内从美国引进了高分子聚合物抗裂贴，预先在层间铺设抗裂材料，无需与外界环境直接接触，但是此方法只能抑制半刚性基层发生的干缩或温缩裂缝，无法预防由行车荷载产生的自顶向下裂缝。
1.2 加铺罩面类
加铺罩面类功能性修复主要是指对原路面进行简单预处理后，无需对原路面进行破损铣刨，直接在原路表面加铺罩面的技术。目前国内加铺罩面类功能性修复主要包括雾封层、微表处、碎石封层、薄层罩面和超薄层罩面，其中雾封层、微表处、碎石封层技术又属于冷态施工技术，薄层罩面和超薄层罩面就属于热摊铺技术。
1) 雾封层
雾封层(Fog Seals)是将雾封层材料以雾状喷洒在沥青路面上，常温施工，起到保护和再生的作用，雾封层选用的材料主要是普通乳化沥青、SBS改性乳化沥青等。近几年，雾封层技术在国内的实际工程中得到了一定的应用，如安徽合宁高速公路、新疆吐乌大高等级公路乌拉泊路段以及湖北省京珠高速公路蓉沪方向路段等路段上得到了实施，其间积累了大量的实践经验，并取得了良好的经济和社会效益[8-9]。
2) 微表处
微表处(Micro-Surfacing)是在稀浆封层基础上发展而来的，与稀浆封层不同，微表处选材于聚合物改性乳化沥青，可对车辙进行填补，10 ℃以上即可施工无需加热。目前在四川、内蒙、天津、上海、辽宁等20多个省份铺筑了大量微表处试验路，在沪嘉高速、沪宁高速、四川内宜高速等公路路面上成功进行了微表处施工，国内还研究开发了复式微表处，它是细级配底层和粗粒径断级配表层的叠合，具有良好的密实防水性和抗滑性，还具有应力吸收作用，可作为高速公路路面和桥面处治的一项重要措施[9]。
3) 碎石封层
碎石封层(Chip Seals)是一种通过撒布一定粒径的粗集料而碾压形成的薄层，按其施工工艺可分为同步碎石封层和异步碎石封层，其中同步碎石封层的应用范围广泛。目前该技术已在辽宁省、湖南省、山东省等多省份的高速公路建设中已得到应用与推广。纤维封层技术是碎石封层的革新技术，在美国、澳大利亚、法国等国家已被广泛应用于道路的磨耗层、面层和路面的功能性修复[10]。但到目前为止，国内还没有一套较为成熟的组成设计方法，严重制约了该项技术在国内的推广应用。
4) 薄层罩面和超薄层罩面
薄层罩面(Thin Asphalt Overlay)就是在原沥青路面上加铺新沥青面层，铺筑厚度一般为15 mm～25 mm，属于热摊铺技术。虽然国内薄层罩面技术起步始于20世纪 90 年代中后期，但在国内已有大量应用，在广东、河北、四川、贵州等地，涉及到华南地区、西南地区、轻冰冻地区3个气候片区，修筑总长近23 km的试验路和实体工程，且运营状况良好。2003年国内引进超薄罩面技术(Novachip)，厚度一般为10 mm～20 mm，并在韶关高速公路的车辙病害维修中铺筑了试验路段，目前，该技术在广东、福建、河北、湖北等地已得到成功应用[11]。
1.3 铣刨重铺类
铣刨重铺功能性修复是指对原路面进行铣刨，掺加新料，从而再进行碾压重铺的技术，国内铣刨重铺类主要包括就地热再生技术(Hot In-place Recycle)。该技术主要用于处理路表4 cm～5 cm内的路面病害，适用于沥青路面面层连续修复，对表面层以下的功能性和结构层破坏无修复能力。国内从20世纪90年代起，陆续从加拿大、德国、芬兰、日本等国引进了10余套现场热再生机组，京津塘高速公路、京石高速公路、四川成渝高速公路、京珠高速公路河北段、广深高速公路等都成功实施了沥青路面就地热再生[12]。
2.1 局部修复类
局部功能性修复主要用于治理路面的局部病害，对于提高路面整体性能无显著帮助。目前国内局部功能性修复主要是指裂缝修补，该技术性能主要由修补材料决定，良好的修补材料应具备高温稳定性、低温抗裂性、抗异物嵌入及耐腐蚀性、抗老化性。李强等[13]对比了5种裂缝修补材料：路斗士密封胶(专用施工类)、SBS 改性(加热施工类)、70#沥青(加热施工类)、ERA—C 液(常温施工类)、RT—A(常温施工类)，得到了各种材料原样与老化之后的常规技术性能指标，并指出裂缝修补专用材料常规技术性能最优，远高于其他修补材料，加热施工类材料次之，常温施工类最差，但可适用于紧急抢修、低温和雨后。王刚等[14]研究了橡胶沥青作为修补材料的有效性，在低温时抗剪切强度随温度升高而降低，而抗拉伸能力随温度的升高而升高，证明了橡胶沥青作为修补材料与其他修补料相比的优越性。邝亚力等[15]选用新型CW680聚脲裂缝修补材料系统进行了现场试验，检测性能指标表明，该材料具有优异的粘结性和裂缝修补能力，兼具优异的抗渗性能和耐久性能。
2.2 加铺罩面类
1) 雾封层
雾封层最大的特点就是其良好的封水功能，抗水损性能较优。李宁等[16]在沪宁沿江SMA-13高速公路上进行雾封层，施工前路面存在渗水现象，施工后路面渗水系数几乎为零，而未进行雾封层段落渗水系数量值一直在3 mL/min左右，并得到了施加雾封层前后路面的检测结果，如表1所示。由表1可知，雾封层封水性能良好，还可观测到施加雾封层后随着时间增长，抗滑系数逐渐降低，最终低于施工前水平，路面构造深度也有所下降。由此可见，雾封层对于提高路面的抗滑性能没有任何作用。
表1 沿江SMA-13路段施加雾封层前后检测结果对比Table 1 Comparison of test results before and after imposing fog seal on the SMA-13 road along the river
为改善雾封层导致的路面抗滑性能降低的情况，王建华[17]采用了2次喷洒防护剂及一次喷撒橡胶颗粒的方法，并对雾封层施工前和施工完毕通车8个月后的沥青路面进行了摩擦系数的检测，结果如表2所示。由表2可见，喷撒橡胶颗粒在通车8个月后可提高路面的抗滑性能，但在刚进行完雾封层施工后，路面抗滑性能依然是降低的，改善效果并不具有即时性。苏卫国等[18]认为雾封层喷洒量和施工遍数对路面抗滑性能影响大，雾封层洒布量≥900 mL/m2时，路面抗滑性能下降较快，施工遍数以2遍最佳，若施工时控制不好导致洒布量过多时，可喷洒0.3 mm～0.6 mm的细集料，细砂粘附在雾封层表面可提供一定的构造深度和抗滑性能。在此基础上，陈小庭等[19]研究得出雾封层对构造深度影响的周期长度为14万次标准重复轮载作用，并通过室内加速加载试验，发现雾封层养护后，铺撒少量细集料可降低雾封层对抗滑性能的不利影响。
表2 雾封层施工前后路面摩擦系数检测Table 2 Surface friction coefficient tests before and after fog seal
2) 微表处
微表处具有高抗滑性、抗水损害以及抗车辙性能。鲁圣弟等[20]以安徽省合巢芜高速公路K24+ 000～K25+ 000下行行车道工程实例为依托，发现采用微表处施工后路面摩擦系数有所提高，摩擦系数测值及构造深度增大，抗滑性能增强，且可封闭路面孔隙与细微裂缝，检测微表处路段的渗水系数可知路面基本不渗水，可缓解水分下渗但微表处处理不能解决裂缝问题，一般在微表处完成后1～2 年裂缝会重新出现，结果如表3所示。
表3 合巢芜高速公路微表处施工路面检测结果Table 3 Test results of Hefei-Chaohu-Wuhu highway pavement after micro-surfacing
微表处降噪性能较差。彭彬等[21]对不同使用年限不同施工单位不同地域环境的高速公路进行噪声监测，得到了车内外噪音与未施加微表处路段(对比组)的对比数据，如图1和图2所示。图2中，Lx表示超过某声级概率为x%的噪声级，TNI为交通噪声指数，LNP为噪声污染级。
(a) 路段A
通过图1和图2可看出，微表处并无明显降噪效果。针对此问题，孙晓立等[22]以轮胎驱动式路面功能加速加载试验系统为基础试验平台，发现通过添加适量橡胶粉能够降低微表处刚度，从而可达到降低噪声的目的。张为民等[23]认为采用添加玻璃纤维和改善施工工艺(使用二次刮平板、添加碾压工艺)相结合的方式，可使微表处的车内噪声较普通微表降低3 dB～5 dB。彩色微表处技术的出现同样也有助于提高微表处的降噪性能，彩色沥青混合料中含有彩色SBS改性乳化沥青，具有提高降噪增强抗滑的功能[24]。然而彩色路面又会带来抗污性能差、轮胎痕迹明显的问题。张恺等[25]对浅色树脂类沥青进行了研究，提出了抗轮胎痕迹的彩色微表处，彩色微表处技术的发展前景仍然十分广阔。
图2 加铺微表处前后车外噪声对比Fig.2 Outside noise comparison before and after micro-surfacing
3) 碎石封层
相比于普通异步碎石封层而言，同步碎石封层缩短了工期，保障了沥青与碎石间的粘结性，并且还抑制了有害气体的污染，因而得到了行业的广泛认可与肯定。陈素丽等[26]以沈阳三鑫公路工程公司引进的同步碎石封层为依托，分析了同步碎石封层的应用情况，如表4所示。由表4数据可知，同步碎石封层可提高路面平整度，明显改善路面抗滑性能，但同时碎石封层表面粗糙，存在石料剥落现象，对行车舒适性并无改善。
表4 沟北线碎石封层路用性能检测结果Table 4 Pavement performance test results of the Goubei line after chip seal
在同步碎石封层的基础上，国外开发出了纤维沥青碎石封层，纤维封层具有独特的网络缠绕结构，纤维本身也具有高抗拉伸强度和高弹性模量值的特性，可有效提高封层的抗拉、抗剪、抗压和抗冲击强度。大量工程实践也证明了纤维沥青碎石封层具有良好的应力吸收和分散能力，能够有效防止反射裂缝，抗滑性能优秀[27]。郭寅川[10]通过0 ℃～45 ℃下纤维沥青层的抗剪强度试验，验证了纤维沥青碎石封层具有较高的抗剪强度，得到45 ℃下改性乳化沥青用量为1.8 kg/m2时，其抗剪强度为1.7 MPa；
而抗渗性能与纤维关系不大，沥青材料用量越高抗渗性能越好；
利用板带拉伸试验得到改性乳化沥青用量为1.8 kg/m2时纤维用量80 g/m2，纤维长度6 cm时，纤维沥青封层具有较好的抗裂性能。
4) 薄层罩面和超薄层罩面
薄层罩面具有提高构造深度、改善平整度、修复轻型病害、降低噪音等性能。谢丽等[28]以江苏省苏南某高速公路为依托，研究了SMA-9.5薄层路面使用性能随时间的变化，如表5所示。由表5可知，实施薄层罩面后路面破损、车辙、平整度、抗滑性能均有大幅度提高，通车2年后其使用性能依然良好。针对交通负载大、路面性能要求高的高等级路面，超薄罩面层同样可提高路面抗滑性能，解决路面排水，降低噪音，改善路面平整度及路表状况。超薄罩面普遍采用间断级配，可减少水雾迅速排水，因其具有更薄的厚度，性价比相对普通薄层罩面而言更高。钱普舟等[29]进一步对比了超薄罩面采用的Novabinder改性沥青与其他沥青的相关指标，以及Novabond与其他材料粘层油的粘结强度指标，结果如表6和图3所示。由表6和图3可发现，超薄罩面所选用的材料具有更好的抗高温高应力变形能力。
表5 苏南某高速薄层罩面路面使用性能随时间变化Table 5 Pavement performance changes with time afeer thin-asphalt overlay of a highway in Southern Jiangsu Provinse
表6 不同沥青3大指标对比Table 6 Three indexes comparison of different asphalt
图3 不同层间粘结材料在不同构造深度下的粘结强度Fig.3 Bonding strength of different adhesive materials in different layers under different texture depth
2.3 铣刨重铺类
就地热再生技术最突出的特点是节材性，可完全利用旧料。包双雁等[30]利用海南东线大修工程的数据，得到了就地热再生材料节约情况，结果如表7所示。由表7可知，相比于铣刨旧路+粘层+重铺新料的普通施工方式而言，就地热再生仅需提供一定数量的再生剂，节约近83%的材料，经济效果显著。
表7 就地热再生施工节约情况Table 7 Saving conditions of hot in-place recycle
就地热再生技术中，再生剂的添加必不可少，再生剂可恢复已老化沥青的性能。徐静等[31]以西宁某高速公路就地热再生应用为例，研究了再生剂对沥青混合料的抗水损害和低温抗裂性能的影响，结果如表8所示。除此之外，Silva等[32]认为在回收的热拌沥青混合料中添加再生剂可实现可持续发展。马涛等[33]发现再生剂可软化旧料，具有改善旧料拌和分散性的作用。由此可见，再生剂对于提高就地热再生技术性能具有关键作用。
表8 再生剂对沥青混合料抗水损害和低温抗裂性能影响结果Table 8 Fffect results of regenerant on anti-water damages and low temperature anti-cracking about asphalt mixture
基于上述各功能性修复典型技术性能，并结合其他相关研究[33-38]，对各个预养护措施技术性能进行系统比较，如表9所示(因裂缝修补技术针对性强，可即时施工，与其他功能性修复不具有对比性，故未列入此表)。将表9中各技术性能指标进一步在图4中表述，图4中，七边形面积越大，表明该技术综合性能越好。由图4可明显看出，间断级配的超薄层罩面技术具有最优的技术性能。
图4 各功能性修复措施技术性能综合比较Fig.4 Comprehensive comparison of technical performance of various functional repair measures
表9 功能性修复措施技术性能比较Table 9 Comparison of technical performance of funetional repair measures
在未来功能性修复将会成为一种常态，逐步取代被动性养护技术，综合国内外诸多学者进行的大量研究，现对各项预养护技术发展有以下展望。
1) 局部修复类
局部修复类裂缝修补技术将更多的作为其他预养护技术实施前的预处理工作，预先在层间铺设抗裂贴的方式将得到更普遍的应用。材料方面，从高分子理论开发的修补材料拥有更广阔的应用空间。
2) 加铺罩面类
(1) 雾封层、微表处与碎石封层技术施工简便，均可冷态施工，但对原路面技术性能改善不具有全局性，道路行车舒适性普遍低于其他预养护技术，逐渐将不再适用于高等级公路，如何使冷态施工技术在预养护领域脱颖而出，今后将会成为相关研究者努力攻克的一大难题。
(2) 薄层罩面与超薄层罩面性能普遍较优，但仍存在对原材料性能要求高，以及粘层油用量要求精确、施工不便等问题。为解决此问题，有关学者选择了基于多点支撑骨架状态的混合料体积设计方法取代传统的马歇尔设计方法，并发现采用此方法得到的混合料具有更优的路用性能[39]。另外以低导热系数的陶粒替换普通石料，从而使薄层混合料达到控制路面内部温度的目的[40]。但这些方法都未能得到推广应用，而在未来薄层的层间粘结将会更容易，应用范围也更为普遍。
3) 铣刨重铺类
就地热再生技术综合性能表现良好，但施工过程中需要很高的加热温度，加热过程会加速沥青胶结料的老化。此外，还存在再生料温度较低而导致的压实效果不佳的现象，目前研究表明，可采用就地热再生技术与温拌技术综合应用的方法，该方法已得到工程实例的验证[41]，在未来有着较好的发展与推广空间。
1) 各类功能性修复具有不同的应用现状。局部修复类针对性较强，仅能治理裂缝病害，但可即时施工，节约时间及人力物力；
加铺罩面类对于路面性能改善显著，冷态施工技术发展较为成熟，热摊铺技术引进较晚，铣刨重铺类适用于路面连续修复，施工设备庞大，但养护效果优良，且低碳环保，应用颇为广泛。
2) 综合比较各项功能性修复，发现薄层罩面与超薄罩面具有更为优良的技术性能。裂缝修补防治病害类型单一，雾封层抗滑性能较差，微表处以及碎石封层技术噪音污染严重行车舒适性较低，就地热需要较高的加热温度。对于薄层罩面与超薄层罩面而言，间断级配的超薄层罩面还具有防水雾的使用功效，拥有着比薄层罩面更为优越的技术性能。
3) 不同的功能性修复具有不同的发展趋势。裂缝修补将更多地作为其他预养护技术实施前的预处理工作；
冷态施工罩面技术发展前景不容乐观，或将逐步被取代淡出预养护市场；
就地热再生技术将不会再因高温加热而限制其发展；
薄层罩面与超薄层罩面在国内起步较晚，尤其是超薄层罩面，但因优越的技术性能发展前景乐观，在未来，超薄层罩面有望得到大范围的推广应用。
