预防性养护最佳时机的确定方法研究

1、中国图书分类号：u418.6国际图书分类号：625.7工学硕士学位论文预防性养护最佳时机的确定方法研究硕 士 研 究 生： 张国梁导师： 马松林 教授申 请 学 位： 工学硕士学 科 、 专 业： 道路与铁道工程所 在 单 位： 交通科学与工程学院答 辩 日 期： 2007 年 7 月授予学位单位： 哈尔滨工业大学classified index: u418.6u.d.c.: 625.7dissertation for the master degree in engineeringstudy on the method ofdeterminating optimal timingof pre

2、ventive maintenancecandidate：supervisor：academic degree applied for：specialty：affiliation：date of defence：degree-conferring-institution：zhang guoliangprof. ma songlinmaster of engineeringroad and railway engineeringschool of transportation scienceand engineeringjuly, 2007harbin institute of technolo

3、gy哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着我国交通基础设施建设的大规模展开以及我国经济实力的增强，对现有公路进行预防性养护，提高其使用寿命，越来越受到相关部门的重视。预防性养护技术在美欧等发达国家的发展已经相当成熟，为了降低道路养护成本，提高道路的经济效益，很多国家都在大力发展预防性养护技术。预防性养护在我国起步虽然晚一些，但发展速度非常快，从材料设计到施工技术设备均已达到国外同等水平。研究过程中以黑龙江预防性养护课题为依托，收集黑龙江和吉林两省的大量稀浆封层养护数据。在分析已有路况数据的基础上，以稀浆封层养护方式为例，对预防性养护的适用条件进行了探讨，得到了强度和破损的关系以及针对预防性养护

4、的适用条件。结合经济分析原则和预防性养护的特点，总结出预防性养护经济效益评价和方案比选所用费用类型应满足的原则，即：与路况性能密切相关和便于量化计算的原则。在此原则下，选取了适宜的费用类型，给出了相应的费用计算模型，得出了具有实用价值的预防性养护费用计算框架。为预防性养护方案经济效益的量化比选找到了一条实用的途径。由于预防性养护措施并非任何条件下都适用，实施的时机不当，不仅达不到预期的使用效果，而且会造成本已紧张的养护资金的浪费。国内目前对预防性养护的实施基本处于经验判断的层面上，没有一套合理的、科学的评判策略。在分析国内外研究成果的基础上，探讨了在满足预防性养护适用条件的前提下，以效益费用比

5、方法解决预防性养护最佳时机的选取问题。引入了预防性养护“效益面积”的思想，解决了预防性养护效益的计算过程中可能遇到的指标选取问题、权重分配问题、效益面积的计算问题、以及最低可接受水平问题和衰变模型问题后，最终建立了确定最佳预防性养护时机的效益费用比计算模型，提出效益费用比最大的预防性养护时机方案为最佳方案。以吉林省的稀浆封层养护路段为例，对效益费用比方法进行了运用，达到了预期的效果，给出了决策建议，印证了此方法解决预防性养护时机决策问题的有效性。关键词预防性养护；适用条件；经济效益；养护时机- i -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文abstractwith the development of

6、transportation construction and economic power ofour country, correlation departments take high regards of the preventivemaintenance of highway for increasing useful life. the preventive maintenancetechnology is quite developed in west developed countries. for decreasing thecost of highway maintenan

7、ce and increasing the economic benefit, quite a lot ofcountries are developing the preventive maintenance technology. preventivemaintenance is developing very fast though late, and the technology of materialsdesign and construction has reach the level of developed countries.my study is based on the

8、preventive maintenance study in heilongjiang, andusing quite a lot of slurry seal maintenance data collecting from heilongjiang andjilin. rely on the analysis of data, with the maintenance of slurry seal as example,discuss about the application condition of the preventive maintenance, then getthe re

9、lation between strength and breakage and the application condition of thepreventive maintenance.combine the economic analysis principle and characteristics of thepreventive maintenance, sum up the principle that economic benefit evaluation ofthe preventive maintenance and the cost type of cases comp

10、are should satisfy. itis the principle contacted with the performance of pavement and convenient forcalculation. with this principle, choose adaptive cost type, give correspondingmodel of cost calculation, and get the valuable cost calculation frame of thepreventive maintenance.because the preventiv

11、e maintenance isnt applicable for any conditions, ifthe maintenance timing is not suitable, it will waste the cost bankroll while shortof expectant effect. nowadays in our country, the practice of the preventivemaintenance is on the experience level without any suitable and scientificevaluation meth

12、ods. based on the analysis of research in-country and out-country,with the presupposition satisfying the application of the preventive maintenanceused the method of benefit cost ratio to resolve the problem to choose theopportunity timing of the preventive maintenance. using area of benefit of thepr

13、eventive maintenance, resolved the problem of index choosing, proportion- ii -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文distributing, and benefit area calculating in the calculation procedure of thepreventive maintenance, and the problem of adequacy accepting level and theproblem of model disintegration, then, set up the bene

14、fit cost ratio calculationmodel of the opportunity timing of the preventive maintenance, while confirmthe opportunity project is the preventive maintenance project with largest benefitcost ratio. using the slurry seal maintenance section in jilin as example, confirmthe validity of the method to reso

15、lve the opportunity maintenance timingchoosing of the preventive maintenance, and settle up the foundation of thesuitable and scientific methods of the preventive maintenance.keywordspreventive maintenance; the application condition; economicbenefit; the maintenance timing- iii-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 .

16、 iabstract . ii第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及研究的目的和意义 .11.2 国内外预防性养护研究现状及发展趋势 .21.2.1 国外研究与应用现状 .21.2.2 国内研究与应用现状 .51.3 本课题主要研究内容 .5第 2 章 预防性养护的应用特点 .82.1 预防性养护的理念 .82.2 预防性养护的类型及应用特点 .102.2.1 预防性养护的类型 .102.2.2 预防性养护方式的应用特点 .102.3 稀浆封层技术 .122.3.1 稀浆封层的分类 .122.3.2 稀浆封层技术的发展概况 .122.3.3 稀浆封层的材料要求 .132.3.4 稀浆封层混合

17、料的应用特点 .142.4 本章小结 .15第 3 章 预防性养护的适用条件 .173.1 概述 .173.2 路面状况评价指标及评价标准 .173.2.1 路面破损状况 .173.2.2 路面强度 .183.2.3 路面行驶质量 .193.2.4 路面抗滑性能 .193.3 预防性养护的适用条件 .203.3.1 基于养护前路面状况指数的分析 .203.3.2 基于养护前路面强度指数的分析 .22-iv-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.4 本章小结 .27第 4 章 预防性养护的经济效益 .284.1 费用组成 .284.2 养护费用分析 .294.3 用户费用分析 .304.3.1 油耗

18、费用 .304.3.2 轮耗费用 .314.3.3 保修材料消耗 .324.4 费用分析框架 .344.5 实例综合分析 .364.5.1 费用计算 .364.5.2 费用现值计算 .384.5.3 费用比较 .384.6 本章小结 .39第 5 章 预防性养护的最佳时机 .405.1 路面预防性养护时机的确定方法 .405.1.1 基于路况或时间的方法 .405.1.2 行驶质量指数和破坏指数法 .415.1.3 决策树法 .415.1.4 排序法 .425.1.5 效益费用评估法 .425.1.6 生命周期评估法 .425.1.7 基于老化的方法 .425.1.8 预防性养护时机的选取方法

19、 .435.2 预防性养护效益的估算 .445.2.1 单指标分析 .445.2.2 多指标分析 .455.2.3 多指标体系中效益权重分配的ahp法 .475.2.4 最低可接受水平基线的选取 .495.2.5 性能指标的选用 .505.2.6 性能指标的衰变曲线 .515.3 预防性养护最佳时机的确定 .515.4 实例分析 .53- v -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.4.1 决策指标的最低可接受水平 .535.4.2 未采取预防性养护性能指标衰变曲线回归 .545.4.3 采取预防性养护后性能指标衰变曲线回归 .555.4.4 达到最低可接受水平基线的时间的计算 .585.4.5

20、不同养护方案效益面积的计算 .595.4.6 分析期内费用计算 .615.4.7 最佳养护时机的确定 .615.5 本章小结 .62结论 .63参考文献 .64附录 .67哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 .73哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 .73哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 .73致谢 .74-vi-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义由于各种不确定因素的影响，例如设计缺陷、交通荷载、气候因素等等，路面在使用过程中出现轻微车辙、开裂、骨料剥落等路面病害。如果养护不及时，这些病害会加速发展和扩大，造成整个沥青面层、甚至基层结构的破坏。随

21、着公路运输在整个交通运输行业中所占比例的增加，交通量及荷载的大小都发生了很大变化，我国早期修建的沥青路面很大一部分强度不足，近期修建的路面由于材料及气候等因素也经常出现路面大面积开裂的现象。但是由于我国目前处在公路基础设施建设的高峰期，养护资金严重不足。这就造成了一方面需要加强改造的路面得不到及时补强，另一方面新建路面得不到及时养护难以保证其服务质量。在大规模公路建设时期，及时对现有路网进行有效的养护，保持路面完好率，控制养护成本尤为关键。养护不及时可能造成路网同时期损坏数量多，从而使可提供的养护费与实际需求的差距增大，形成恶性循环。美国曾经通过对几十万公里不同等级道路的路况跟踪调查，发现这些

22、路面的使用性能和寿命有一个共同的变化特征。一个质量合格的路面，在使用寿命 75%的时间内性能下降 40%，这一阶段称为预防性养护阶段。如不能及时养护，在随后 12%的使用寿命时间内，性能再次下降 40%，从而造成养护成本 3-10 倍的增加。这一阶段称之为矫正性养护阶段 1。可见预防性养护的重要地位。路面养护是为最大限度地延长路面寿命而有计划进行的路面处理体系。它要求精心选择养护步骤，仔细安排实施时间表，以最佳成本效益延长路面寿命。目前我国对小修和日常维护的费用投入比较少，而一些先进国家的小修费用和大修费用几乎是相当的。例如：英国的高速公路寿命之所以比较长，正是由于他们重视小修补和日常维护 .

23、。具体这样做的目的：一是减少铣刨摊铺及罩面的次数，即使到了大修期也只需要翻修面层；二是推迟中大修的时间，延长路面的使用寿命。实践证明，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。密西根运输部门估计，大修和重建的费用是预防性养护的 1014 倍，自 1992 年密西根执行预防性养护计划以来，节省资金超过 7 亿美元。密西- 1 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文根运输部门已经计划到 2007 年提高路面维护技术，使 95%的高速公路和85%的非高速公路路况达到良好的状态 2,3。江苏省公路养护统计资料表明：国产改性稀浆封层厚度为 1cm时，其成本为 13.105 元/m2；而对路面维修时

24、其上、中、下层及补强层的铣刨成本分别为 4.63 元/m2、6.508 元/m2、6.618 元/m2和 16.133 元/m2，合计为 33.89元/ m2；沥青混凝土上、中、下层及补强层摊铺成本分别为 46.349 元/m2、59.724 元/m2、60.734 元/m2和 148.054 元/m2，合计为 314.86 元/m2(不包括铣刨废料及沥青混凝土的运输成本 2.08 元/m3·km)，这些数字从另一侧面说明了重视预防性养护的经济意义。美国 shrp 计划的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、延长其使用寿命和节约寿命周期费用方面的重要意义。根据s

25、hrp 计划估算，在路面整个生命周期内进行 34 次的预防性养护可以延长路面使用寿命 1015 年，节约养护费用 45%50%。预防性养护是路面维护及路网管理策略中最有影响的部分，它通过延长原有路面的使用寿命来推迟重建和维修的时间。预防性养护可以优化资金分配，协调资金需求；还可以平衡路网的使用寿命，避免造成投资波动幅度很大的现象。研究预防性养护的重要意义可见一斑。1.2 国内外预防性养护研究现状及发展趋势1.2.1 国外研究与应用现状大部分发达国家的公路网早就己经建成，全面进入维修养护时期。维修养护和新建一样，需要一整套先进的科学技术，近年来尤其取得了令人瞩目的发展和进步，其中多数为预防性养护

26、方面的。美国各州公路及运输工作者协会(aashto)在 1999 年对 41 个运输部门 进 行 了 调 查 ， 36 个 (85% )运 输 部 门 己 经 制 定 了 路 面 预 防 性 养 护 计 划(pavement preventive maintenance programs ) ，2 个运输部门正在制定ppm计划， 41 个运输部门都已开始应用各种路面预防性养护措施。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 50, 000 及以上的路面，其路面管理系统己经证明表面封层 (surface seals)对于维持路面寿命是一项有

27、效的措施。在澳大利亚，石屑封层应用得也很成功。加拿大在 20 年前就意识到路面预防性养护- 2 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的好处，早在 70 年代晚期安大略省(ontario)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 80 年代早期，渥太华的市政部门就意识到及时进行路面预防性养护的重要性。近年来，美国的公路管理部门，包括联邦公路管理局(fhwa)、路面维护机构(fp2:thefoundation of pavementpreservation)和美国各州公路及运输工作者协会 (aashto)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

28、资助了50 个研究子课题。fhwa、aashto和fp2 己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， fhwa资助了专门的项目nchrppi4-14 (the national cooperative highway research programproject14-14 )。同时，aashto、fp2 和fhwa用三年的时间另外再投资$350,000来支持预防性养护时机选择的研究项目 47。预防性养护技术在国外特别是美欧等发达国家的发展已经相当成熟。为了降低道路养护成本，提高道路经济效益，很多国家也在大力发展预防性养护技术。美国道路总里程长，一种技术能够在不同交

29、通条件，自然环境和路面结构中得以应用和完善，国家规范较容易推广，因此在预防性养护技术方面取得了很大成功。作为占有美国预防性养护沥青市场 50%以上的科氏材料公司，在预防性养护材料和施工技术等方面代表了世界预防性养护技术发展的趋势，最明显的技术优势表现为可根据不同等级路面、不同病害、不同骨料性质、不同气候条件设计出不同养护措施，并确保最终的使用效果。沥青路面预防性养护技术总的趋势仍将沿着材料、工艺、设备三个方面向前发展 8。1.新材料(1) 对养护层来说应具备一定的抵抗车轮磨耗的能力。包括车轮刮落集料的颗粒、对集料颗粒的磨光作用，以及集料与粘结剂之间的相容性(亦即沥青与集料的粘附能力)这些都直接

30、影响着养护层的抗滑性能 9，它的衰减速率以及与原路面之间结合的牢固程度；(2) 养护材料抵抗外部塑性变形的能力，亦即要求养护材料有足够的粘弹性和延展性以便吸收由于温度变化或原路面传上来的变形和应力；(3) 养护层的密水性能，亦即防止水分透过养护层渗入路面的能力，这直接影响到养护层抗水损害的性能；(4) 养护材料在环境因素作用下耐老化的能力；针对上述要求，新的养护材料的开发重点是增强它的粘弹性、坚韧性以- 3 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文及与集料之间的粘附性能 10。高粘度橡胶沥青的开发是新型养护材料的一个典型实例。橡胶沥青亦称沥青橡胶，是一种高粘度和高粘弹性的粘结材料，且其粘度随着橡胶屑含

31、量的增加而增大。目前沥青橡胶已广泛地应用于石屑封层、薄层罩面、应力吸收层、开级配的磨耗层等各种需要粘结剂具有高粘结力的场合，也是制作各种裂缝填封、接缝填封材料和密封胶的主要原料。2.新工艺预防性养护工艺未来的发展趋势将沿着以下方向继续取得进展。(1) 随着乳化沥青性能的不断提高，预防性养护工艺将进一步向冷态施工的方向发展；(2) 引入某些新技术来解决养护作业中突出的矛盾和问题；(3) 采用多种工艺的复合，使不同工艺的优势能得到互补进而弥补各自的缺点；在第一个方向上的最新例子可以举出人们对橡胶沥青进一步乳化所作的努力。如果这种努力能获得成功，橡胶沥青就可以移植到稀浆封层这样的冷态施工技术中去，从

32、而取得更为广泛的应用。在第二个方面为了解决粘结剂与集料更好裹覆的问题，提出了将细砂在乳化沥青喷洒前先行混合的新概念 。 在 第 三 个 方 向 上 可 以 举 出 国 外 开 普 封 层 (cap seal) 和 三 明 治 封 层(sandwich seal)等复合封层技术的发展。3.设备的新发展如何更好地满足养护材料和工艺发展的要求，一直是推动养护设备技术进步的原动力。养护设备当今和未来的趋势仍将沿着以下两个方向：(1) 满足新材料、新工艺发展的需要；(2) 现代高新技术向传统机械工业渗透、改造的趋势来发展；养护设备的发展与材料和工艺的发展有着密切的关系。新的养护材料和养护工艺的出现随伴着

33、新设备的产生。从历史上看，出现了乳化沥青材料伴随着就有了乳化沥青的制备设备。有了改性沥青材料，就出现了改性沥青设备。最近的例子是橡胶沥青制备设备的开发，而同步石屑封层工艺的提出就出现了同步石屑封层机 11,12。在预防性养护作业中最主要的施工机械有两类：喷洒粘结剂和撒布集料的机械摊铺稀浆类混合料的机械。对于预防性养护来说对这两类机械的一个共同的要求是保持集料、粘结剂以及混合料其他成分 (如稀浆混合料中的水、粉料等)之间的恒定的比例关系。- 4 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.2 国内研究与应用现状预防性养护在我国起步相对国外要晚一些，但发展速度较快，目前技术本身并不落后，从材料设计技术

34、到施工机械设备均已达到与国外同等的水平。虽然如此，当前仍主要有以下存在几方面问题：1. 对预防性养护重要性认识不够；2. 养护资金投入不够；3. 对预防性养护技术经济效果没有评价方法可循；4. 把握不好实施预防性养护的最佳时机；随着我国交通基础设施建设的大规模展开以及我国经济实力的增强，对现有公路进行预防性养护，提高其使用寿命，越来越受到相关部门的重视。预防性养护近几年在我国的应用逐步扩大。仅从微表处技术的研究与应用来看，从 2000 年我国开始进行微表处技术研究和推广应用以来，微表处技术的优越性已经逐步得到我国广大公路工作者的认可，并已在我国的四川内宜高速公路、山西太旧高速公路、沪宁高速公路

35、、沈哈高速公路铁岭段等 10多条高速公路的路面养护中得到应用，发展势头迅猛。据不完全统计，截止2003 年底，我国微表处罩面面积累积已超过 600 万平方米。2004 年，微表处的推广面积将进一步扩大，全年摊铺微表处 700 万平方米以上。主要包括：福建泉厦、福泉高速公路，浙江沪杭甬、上三高速公路，山东济青高速公路，还有江苏、陕西、甘肃、河南、广东等省的高速公路也将进行微表处罩面。随着我国大规模公路建设高峰期的即将结束，现有路网的养护高峰也将随之而来，如何能使有限的养护资金得到合理利用，维持现有路网较高的服务水平，已经逐步成为各级主管部门以及广大道路工作者关注的问题之一，形成一套适合我国国情的

36、科学合理的预防性养护决策策略的重要意义已经凸显出来。1.3 本课题主要研究内容本文研究中依托了黑龙江预防性养护课题，以预防性养护方式中的稀浆封层为主要研究对象，主要针对预防性养护中存在的以下几方面的问题进行了分析和探讨：1.预防性养护的适用条件；- 5 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文分析黑龙江和吉林两省大量预防性养护数据的基础上，对强度和破损的关系，路面的主导损坏类型，强度和破损在预防性养护领域的适用条件展开深入的探讨。养护适用条件的确定是预防性养护时机的分析的前提，同时也为黑龙江预防性养护课题下一阶段的工作奠定基础。2.预防性养护的经济效益；总结出预防性养护经济效益分析的特点，找出适合预防性养护经济效益评价的费用类型并给出相应的费用计算模型，最终还要得出具有实用价值的预防性养护费用计算框架，所得出的成果要能满足针对预防性养护直接或间接经济效益的量化比较和方案经济评价的需要。3.预防性养护的最佳时机；将效益费用比方法引入到预防性养护时