截至2014年底, 我国公路总里程已达438.53万km, 其中高速公路里程达11.44万km。随着高等级公路建设的饱和, 道路运营将进入大规模养护、维修期。为实现资源循环利用, 沥青路面旧料再生技术越来越受到人们的重视。旧沥青路面胶结料的再生利用是沥青路面再生利用的关键技术之一, 而对旧沥青胶结料性能的正确分析^[1]与评价是其成功再生的基础。目前, 普遍采用的评价旧沥青路面胶结料老化等级的方法^[2]是根据其针入度将抽提回收的沥青等级分为3个档次 (P≥30, P=20~30, P=10~20) , 按回收旧沥青混合料 (RAP) 中沥青的针入度进行分级:针入度<10 (0.1mm) 为严重老化, 10 (0.1mm) ≤针入度<30 (0.1mm) 为中度老化, 针入度≥30 (0.1mm) 为轻度老化。而使用层次分析法计算出旧沥青路面胶结料的综合使用年限来评价其老化等级可以节约大量时间。

为了获得不同老化程度的旧沥青路面胶结料, 对扬州、泰州境内的高等级公路沥青路面破损状况进行实地勘察, 选取路面破坏程度不一的沥青路面路段, 考虑到不同路面结构层次对回收沥青路面胶结料性能的影响, 进行了有目的性的单层取样、双层取样及三层取样, 部分回收沥青路面材料样品如图1所示。

根据旧沥青路面的原始信息, 确定旧沥青路面胶结料的面层结构, 以及各层胶结料的使用年限, 通过调研得到旧沥青路面的原始结构层次类型, 以及路面服务过程中进行的维修、养护措施, 从而确定铣刨料的沥青胶结料的面层层次和使用年限。

通过回收旧沥青路面材料并进行离心抽提试验得到旧沥青胶结料, 测得旧沥青路面胶结料针入度和黏度性能指标值, 根据旧沥青路面胶结料的类别及性能指标确定其老化等级。

1) 旧道路石油沥青类路面胶结料。P>30 (0.1mm) 为Ⅰ级老化沥青, 20 (0.1mm) <P≤30 (0.1mm) 为Ⅱ级老化沥青, 10 (0.1mm) <P≤20 (0.1mm) 为Ⅲ级老化沥青。

2) 旧SBS类沥青路面胶结料。η≤1.6且P>30 (0.1mm) 为Ⅰ级老化沥青, 1.6<η≤3且P>30 (0.1mm) 为Ⅱ级老化沥青;1.6<η≤3且20 (0.1mm) <P≤30 (0.1mm) 为Ⅲ级老化沥青, 1.6<η≤3且10 (0.1mm) <P≤20 (0.1mm) 为Ⅳ级老化沥青, η>3且20 (0.1mm) <P≤30 (0.1mm) 为Ⅴ级老化沥青;η>3且10 (0.1mm) <P≤20 (0.1mm) 为Ⅵ级老化沥青。

3) 本文从不同路段获取了16种旧沥青路面胶结料样品, 其中1~10号旧料取自于京沪高速公路淮江段不同路段的旧SBS类沥青路面胶结料, 11~16号旧料取自于扬泰地区部分快速路不同路段的旧道路石油沥青类路面胶结料。通过布氏黏度、针入度得到两类旧沥青路面胶结料的性能指标值, 如表1, 2所示, 并对16种胶结料进行老化程度分级 (见表3) 。

综合对各性能指标的分析^[3]可知, 旧沥青路面胶结料的性能指标变化规律十分复杂, 影响因素众多。使用年限、结构层沥青类型、铣刨料的材料组成、交通量、环境温度等诸多因素都会影响旧沥青路面胶结料的老化程度, 并且由于沥青类型的差异, 各因素对旧沥青路面胶结料各性能指标的影响程度不同, 比较而言, 使用年限、结构层沥青类型是影响老化程度的主要因素, 铣刨料的材料组成对性能值测试结果有较大影响, 交通量、车行道的影响较小。其中, 车行道对性能指标影响的差异主要取决于交通量的大小, 一般行车道的交通量大于超车道、人行道的交通量, 从而造成行车道上的旧沥青路面胶结料老化程度比超车道与人行道上的严重;而交通量的影响又部分基于综合使用年限的影响作用, 从某种程度上而言, 使用年限越长, 则交通量越大, 因此交通量、车行道的影响可概括为使用年限的影响。因此, 使用年限、路面面层结构、结构层的材料组成是旧沥青路面胶结料性能指标老化程度的主要影响因素。

旧沥青路面胶结料大部分是由多个结构层次组成的, 且每个结构层次的使用年限具有较大区别, 不能单一确定其使用年限, 有必要根据旧料各结构层次的使用年限定量计算得到每种旧料的综合使用年限, 因此选择采用层次分析法来计算每种旧料的综合使用年限。

层次分析法^[4] (analytic hierarchy process, AHP) 是一种应用广泛, 适用于解决多层次、多准则决策评价的综合性方法, 由美国运筹学家、匹兹堡大学的T.L.Satty^[5,6]教授于20世纪70年代提出。它能够有效地处理难以用定量分析方法解决的复杂问题。AHP的基本原理是, 将被评价对象的各种错综复杂的因素按照相互作用、影响及隶属关系划分成有序的递阶层次结构, 根据一定客观现实的主观判断, 对相对于上一层次的下一层次中的因素进行两两比较, 建立判断矩阵, 通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应特征向量, 便可得出不同方案重要性程度的权重, 为最佳方案的选择提供依据。层次分析法的工作内容大致包括以下几个步骤。

1) 根据层次分析法绘制旧沥青路面材料的层次模型

旧沥青路面材料的层次模型如图2所示, 其综合使用年限受上面层、中面层、下面层及各自使用年限的影响。

2) 利用层次分析法计算沥青面层各层次的指标权重ω^[7]

在层次模型确定后, 据此进行解析并生成判断矩阵, 根据计算结果及反复试算确定标度, 标度的含义如表4所示。

因此, 将上面层对中面层的标度值取为1.5, 表示上面层老化程度比中面层明显严重;上面层对下面层的标度值取为1.7, 表示上面层老化程度比下面层明显严重;中面层对下面层的标度值取为1.1, 表示中面层与下面层的老化程度相似。通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应特征向量, 便可得出沥青面层各层次指标权重值 (见表5) 。

3) 步骤2) 得到的数值是建立在旧料取自于3个面层层次的基础上的, 而实际旧料由2个面层层次的胶结料组成, 也有来自于单面层层次的胶结料。旧料的面层层数会影响到旧沥青路面的老化程度, 路面的面层层次越多, 则旧沥青路面胶结料的老化程度越轻。因此, 需将以上得到的计算数值再乘以一个人工判断系数, 才能得到综合考虑了面层层次影响的旧沥青路面胶结料的综合使用年限。通过比较不同面层层次的组合对旧沥青路面胶结料老化程度的影响, 将影响程度量化, 即赋一个人工系数n。

基于模糊判断^[8,9], 结合旧沥青路面的结构层次真实使用年限与旧沥青路面胶结料的性能指标值, 通过比较不同面层层次的组合对旧沥青路面胶结料老化程度的影响, 将影响程度量化即赋一个人工系数n^[10], 如表6所示。

4) 根据公式计算出旧沥青路面胶结料的综合使用年限

式中:P为综合使用年限;ω₁, ω₂, ω₃分别为上、中、下面层权重值;P₁, P₂, P₃分别为上、中、下面层的使用年限;Q₁, Q₂, Q₃分别为道路面层材料权重系数 (旧沥青胶结料均为SBS类或道路石油沥青类, 则该面层材料的权重系数Q为1, 如果SBS类旧胶结料中当某一面层含有道路石油沥青胶结料, 则该面层材料的权重系数Q为0.15) ;n为人工系数。

在计算方法中, 首先假设取样得到的旧沥青路面混合料都是三面层层次的, 如实际旧料是单面层层次, 则其余两层次的使用年限取此单层次的使用年限;如实际旧料是双面层层次, 上面层+中面层, 则下面层的使用年限取中面层的使用年限, 中面层+下面层, 则上面层的使用年限取中面层的使用年限。

将得到的各面层层次的权重值带入公式计算得到16种旧沥青路面胶结料的综合使用年限, 如表7所示。

根据旧沥青路面胶结料的综合使用年限与老化等级的对应关系, 确定旧沥青路面胶结料的老化等级快速评定方法。综合表3与表7, 可得各老化等级内的旧沥青路面胶结料的综合使用年限值, 如表8所示。

由表8可得:随着综合使用年限的增加, 两类旧沥青路面胶结料的老化程度不断加重, 综合使用年限较短的旧沥青路面胶结料的老化等级也较低, 说明试验用旧SBS类沥青路面胶结料和旧道路石油沥青类沥青路面胶结料的综合使用年限与其老化等级之间存在较好的相关性。

本文介绍了层次分析理论在旧沥青路面胶结料综合使用年限计算中的应用, 通过定量16种旧料的综合使用年限, 得出如下结论。

旧沥青路面胶结料的老化程度是综合使用年限、结构层沥青类型、车行道、铣刨深度、交通量等多因素综合作用的结果, 且旧沥青路面胶结料的综合使用年限是影响其老化程度的主要因素, 所以通过计算旧SBS类沥青路面胶结料和旧道路石油沥青类沥青路面胶结料的综合使用年限快速得到其老化等级是可行的, 相比于传统的实验室测黏度、针入度的评价方法更加简洁快速, 大大节约了试验时间, 具有较大的推广应用价值。