高模量瀝青混合料應(yīng)用綜述

夏明江

（浙江省公路物資有限公司，浙江杭 州310000）

0 前言

交通量的增長、軸載增加、超載嚴(yán)重、車輛渠化交通、持續(xù)高溫天氣等因素的綜合影響，車轍已經(jīng)成為瀝青路面最嚴(yán)重的早期破壞形式之一。據(jù)不完全統(tǒng)計[1]，在高等級公路維修原因中，車轍病害發(fā)生比率高達(dá)80%以上。基于抗車轍性能的路面新材料的研究與開發(fā)已經(jīng)成為公路界研究和關(guān)注的熱點問題。另外，在市政工程中，對舊路進(jìn)行翻修、改造時，路面標(biāo)高往往受到限制，需要控制面層結(jié)構(gòu)厚度，采用傳統(tǒng)的瀝青混合料在較薄的厚度下通常無法保證足夠的承載力。因此如何在保證道路整體承載能力的同時，降低路面結(jié)構(gòu)層厚度，也成了棘手的問題。

瀝青混凝土的彈性模量及瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合是影響車轍深度即瀝青路面產(chǎn)生永久變形的關(guān)鍵參數(shù)。采用高模量瀝青混凝土可顯著降低荷載作用下瀝青層應(yīng)變，減小瀝青混合料高溫塑性變形，進(jìn)而提高路面抗車轍能力。因此，歐美等國家長壽命路面設(shè)計及AASHTO路面設(shè)計中都對提高瀝青混凝土彈性模量提出具體指標(biāo)要求。

對于我國普遍采用的典型半剛性基層瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)中4～10 cm范圍內(nèi)為壓應(yīng)力的高值區(qū)，3～8 cm范圍內(nèi)為剪應(yīng)力高值區(qū)，這兩個應(yīng)力高值區(qū)處于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的中面層。而我國瀝青路面的中面層大多采用以70#瀝青為結(jié)合料、模量較低的普通瀝青混凝土，這也是部分瀝青路面出現(xiàn)嚴(yán)重車轍病害的主要原因。

為提高瀝青路面的抗車轍能力，高模量瀝青混凝土(High Modulus Asphalt Concrete)的研究與應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。按照法國瀝青混合料設(shè)計規(guī)范體系（NFP-140），動態(tài)模量（15℃，10Hz）大于 14000 MPa的瀝青混凝土為高模量瀝青混凝土。高模量瀝青混凝土的使用能夠減少路面結(jié)構(gòu)的變形，延緩車轍的產(chǎn)生，改善路面的疲勞性能，延長路面的使用壽命。

針對當(dāng)前路面的諸多問題，采用新型路面材料成為國內(nèi)外研究者的共識，在國內(nèi)外研究開發(fā)應(yīng)用的各種新型路面材料中，高模量瀝青混合料（High Modulus Asphalt Concrete，以下簡稱 HMAC）憑借其優(yōu)越的性能越來越受到關(guān)注。使用HMAC能夠減少路面結(jié)構(gòu)的變形，延緩車轍的產(chǎn)生，改善路面的疲勞性能，延長路面的使用壽命。

目前主要有三種方法制備高模量瀝青混凝土：（1）采用低標(biāo)號瀝青結(jié)合料(如 30#瀝青)；（2）采用高模量添加劑(如法國PR，德國Duroflrx)或特殊改性瀝青（如高模量改性瀝青）；（3）天然瀝青，如巖瀝青或湖瀝青。在國外70%以上采用（1）方案，其優(yōu)點為高模量瀝青混凝土造價低、施工工藝相對簡單。

1 國外應(yīng)用概況

HMAC最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代的法國，并以GBTHP（路面專用瀝青處治砂礫）的名字取得了專利[2]。其最早的應(yīng)用始于1981年，作為基層用于舊路面結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)，1985年以后使用數(shù)量有所增長。另外，法國還根據(jù)豐度系數(shù)K將HMAC分為三類，并分別命名為 EME1、EME2、EME3，三種混合料均具有很高的模量及抗車轍性能。其中，前兩者抗疲勞性能、水穩(wěn)定性也相對優(yōu)良，目前法國使用最多的是EME2；EME1的瀝青用量與普通瀝青混合料基本相當(dāng)，但該種材料的耐久性、抗疲勞能力均不高，主要用于路面結(jié)構(gòu)的受壓縮層中，故并沒有得到廣泛應(yīng)用。

法國經(jīng)過二十多年的研究形成的HMAC標(biāo)準(zhǔn)NFP98-140，對配合比設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計均有特定的方法。目前在法國國內(nèi)采用的HMAC，主要通過兩種途徑來制備：一是采用低標(biāo)號瀝青[3]，即30#以下的瀝青，主要采用20#瀝青；另一種是采用高模量添加劑。前者所占的比例70%左右，后者占30%。HMAC的品質(zhì)主要取決于正確的混合料設(shè)計，法國將HMAC設(shè)計為具有較高結(jié)合料用量和較低空隙率的設(shè)計理念值得借鑒。這種設(shè)計理念可以彌補(bǔ)混合料疲勞、抗裂性不足所帶來的一些問題。其基本思想是：采用硬質(zhì)瀝青設(shè)計油石比大約6%的高瀝青用量的混合料，通過瀝青本身的品質(zhì)為混合料提供高模量，在同樣的厚度條件下，底基層所受的壓力就會有所減小，瀝青用量的增大提高了混合料的密實度和抗疲勞能力[3、4]。在法國，HMAC還經(jīng)常與很薄的瀝青混合料(VTAC)磨耗層結(jié)合起來使用，以減少路面車轍。具有的優(yōu)點：（1）HMAC抗車轍性強(qiáng)，且其低空隙率和高硬度能保護(hù)基層；（2）VTAC采用斷級配，其抗滑性能及抗滑耐久性優(yōu)良。此外，法國的研究表明[5]：使用HMAC可以降低道路建設(shè)成本。

英國[6、7]先后于1994年和1997年對硬質(zhì)瀝青及其混合料進(jìn)行研究，并建立長壽命路面的耐久性研究項目，主要針對硬質(zhì)瀝青及混合料的抗老化、抗裂性能進(jìn)行研究。

意大利[8]曾對HMAC和三種改性瀝青混合料基層展開調(diào)查研究，目的是分析HMAC的路用性能及其提高基層承載力的實際效果，還提出了正確使用HMAC基層的要點。

葡萄牙[9]針對炎熱的氣候，展開了對HMAC抵抗車轍能力的研究，通過對16km試驗路的跟蹤測試，總結(jié)了HMAC的永久變形參數(shù)，從而為準(zhǔn)確預(yù)估車轍量提供依據(jù)。

美國[10]在2004年發(fā)起了對HMAC作為永久性瀝青路面中、下面層的研究，并著重對HMAC的設(shè)計方法和費(fèi)用展開研究。永久性路面的主要理念為表面層采用Superpave、SMA或OGFC等混合料作為磨耗層，中面層采用高模量瀝青混合料抵抗車轍的變形，下面層采用高瀝青用量的抗疲勞層作為基本的路面結(jié)構(gòu)組合，通過材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計，使得設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)能夠使用50 a以上，采用較厚的瀝青層柔性路面，降低了傳統(tǒng)的瀝青層底開裂和避免結(jié)構(gòu)性車轍。由于此路面的損害僅僅限于路面頂部，因此只需要定期的表面洗刨，罩面修復(fù)，使得瀝青路面在使用年限內(nèi)不需要大的結(jié)構(gòu)性重建。在美國高模量瀝青混合料是一個比較寬泛的概念：泛指使用采用PG較高如76-22分級的膠結(jié)料、采取更好的骨架嵌擠獲得的相對較高模量的混合料，美國并沒有專門的閾值和專門的規(guī)范，而在法國，高模量瀝青混合料是一種專門的混合料，圖1為永久路面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 永久路面結(jié)構(gòu)示意圖

2 國內(nèi)應(yīng)用概況

國內(nèi)在HMAC研究方面尚處于起步階段。中國石化集團(tuán)石油化工科學(xué)研究院、遼寧省高等級公路建設(shè)局經(jīng)過近兩年半的科技攻關(guān)，項目取得了一系列科研成果[11]：自主研發(fā)的HMAC外摻劑(改性PE／PP)填補(bǔ)了我國相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白，達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平；在國內(nèi)率先提出了以提高瀝青混合料模量作為解決路面高溫穩(wěn)定性不足的技術(shù)途徑，并研究提出了提高瀝青混合料模量的兩種主要技術(shù)方案；提出了45℃，10 Hz條件下動態(tài)模量達(dá)到2000 MPa，45℃，0.1 Hz條件下達(dá)到500 MPa以上，作為HMAC的界定標(biāo)準(zhǔn)；通過調(diào)研和室內(nèi)研究，研究開發(fā)出高模量低標(biāo)號瀝青工藝、并提出其技術(shù)指標(biāo)；2006年分別在撫順-南雜木高速公路路面中面層鋪筑了2.7 km，鶴崗-大連二級公路(東港段)路面上面層鋪筑了2 km試驗路的基礎(chǔ)上，提出了施工工藝和質(zhì)量控制指標(biāo)。

長安大學(xué)沙愛民教授對HMAC路面應(yīng)用進(jìn)行了研究[12]，在室內(nèi)試驗成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合河南撫項高速公路的修筑，以及通車后的檢測結(jié)果，經(jīng)過兩年多的試驗研究，最終提出了能夠進(jìn)一步提高抗車轍能力和降低瀝青用量的適合我國瀝青路面修筑條件的HMAC級配選用方法；提出了以我國現(xiàn)行瀝青混合料馬歇爾設(shè)計方法為基礎(chǔ)的HMAC配合比設(shè)計方法;結(jié)合路面實體工程的鋪筑提出了HMAC路面的施工工藝。

重慶交通大學(xué)何兆益教授對高模量瀝青混合料路面新結(jié)構(gòu)及應(yīng)用進(jìn)行了研究[13]。自行開發(fā)和設(shè)計了直接剪切儀、直接拉伸儀和加壓滲水儀，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究和評價了多種高性能層間材料的抗剪、粘結(jié)和防水性能，并結(jié)合實體工程，推薦了高性能層間粘結(jié)材料及其最佳用量。通過汽車動載模型振動方程的分析與求解，建立了路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸載的簡化動力荷載模型，提出了適用于重載交通條件、基于粘彈性動力學(xué)理論的瀝青路面車轍計算方法。計算表明：巖瀝青改性高模量瀝青路面可減小瀝青路面的車轍深度17%～20%。通過理論分析結(jié)合工程實際，提出高模量瀝青路面合理結(jié)構(gòu)建議。

長沙理工大學(xué)鄭健龍教授對重交通條件下高模量瀝青混合料路面材料設(shè)計與施工技術(shù)進(jìn)行了深入研究[14]。構(gòu)建了重交通條件下瀝青路面輪胎/路表復(fù)雜接觸應(yīng)力模型和高模量瀝青混合料路面復(fù)雜接觸應(yīng)力下的路面動力學(xué)計算方法，對高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動、靜力學(xué)分析，揭示了高模量瀝青混合料路面路用性能提高的力學(xué)機(jī)理。分析了高模量瀝青混合料高低溫、疲勞和水損壞等路用性能，首次獲得了高模量瀝青混合料疲勞方程，建立了基于疲勞損耗等效的高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計軸載換算方程式。從高模量瀝青混合料的施工特性出發(fā)，提出了施工過程中的溫度控制、碾壓工藝及離析控制方法，建立了高模量瀝青路面施工質(zhì)量控制體系。

3 結(jié)語

高模量瀝青混合料方面，目前HMAC在法國已經(jīng)比較成熟，并且已有相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，按照法國瀝青混合料設(shè)計規(guī)范體系（NFP-140），動態(tài)模量（15℃，10 Hz）大于14000 MPa的瀝青混凝土為高模量瀝青混凝土。但是法國的HMAC與我國現(xiàn)實存在較大差異。首先，從材料選擇上，法國的HMAC的生產(chǎn)主要是采用高摻量低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青方案獲得，我國目前主要是70#或90#瀝青，材料來源很不相同，所以我國目前的獲得HMAC的主要技術(shù)路線是采用高模量添加劑。其次，從設(shè)計方法上，法國采用以旋轉(zhuǎn)壓實為成型方式，以豐度系數(shù)為設(shè)計的控制指標(biāo)的設(shè)計方法，這與我國的規(guī)范中規(guī)定的傳統(tǒng)馬歇爾設(shè)計方法不完全一致，故而其設(shè)計方法不完全適用于我國現(xiàn)狀，需要加以修正和調(diào)整。再次，由于高模量瀝青混凝土的施工和易性問題，國內(nèi)普遍采用保證較高的拌合和壓實溫度，采用高強(qiáng)壓實功的方法保證高模量瀝青混合料的施工質(zhì)量。針對高模量瀝青混合料，應(yīng)進(jìn)一步研究，形成符合我國國情的成套技術(shù)。

[1]LudomirUzarowski，Golder Associates Ltd，Michel Paradis，Ministerc des Transports du Quebec，Quebec Paul Lum，Lafarge Canada Inc.Accelerated Performance Testing Of Canadian Asphalt Mixes Using Three Different Wheel Rut Testers[R].Quebec City，Quebec，2004：3-5.

[2]Coah，J-F.Development and Uses of Hard Grade Asphalt and of High Modulus Asphalt Mixes in France[J]80th TRB Annual Meeting，Session 436：Perpetual Bituminous Pavements，Part l，Washington，USA，January 11，2001：14-17.

[3]RANSPORTATIONRESEARCHCIRCULAR.Perpetual Bituminous Pavements TRB Committee on General Issues in Asphalt Technology(A2D05).Number 503,December 2001：12-3l.

[4]Hyun Jong Lee，Jung Hun Lee，HeeMun Park.Performance evaluation of high modulus asphalt mixtures for long life asphalt pavements[J].Construction and Building Materials 1(2006)：1-9.

[5]Corte，J.Development and Uses of Hard-Grade Asphalt and of High Modulus Asphalt Mixes in France.Transportation Research Circular No.503.Transportation Research Board，Washington，D.C.，2001.

[6]周克力，路凱冀.國外硬質(zhì)瀝青及高模量瀝青混凝土研究現(xiàn)狀[J].公路交通科技，2005，（5）：83-87.

[7]P.Serfass，P.Bense，P.Pellevoisin.Properties Modulus Asphalt and New Developments of High Modulus Asphalt Concrete[R]，the Lecture series 8th International Conference on Asphalt Pavements，University of Washington，Seattle，1997.

[8]J-PSerfass.P.Bense.P.Pellevoisin.Properties and New Development of High Modulus Asphalt Concrete[J].ISAP 8th Conference.Seattle.

[9]Corte Jean-Francois.Development and usesof hard gradeasphalt and of high modulus asphalt mixes in France[J].Transportation Research Circular No.503 Washington(DC)：TRB，National Research Council.2003：12.30.

[10]P J Sanders and M Norm.The application of Enrob6 a Module Elevd in flexible pavements[A].TRL Report 636.TRL.2005.

[11]劉云全.高模量瀝青混凝土應(yīng)用技術(shù)研究[R].遼寧省交通科學(xué)研究院，2007.

[12]沙愛民.高模量瀝青混凝土路面應(yīng)用研究[R].長安大學(xué)，2008.

[13]何兆益.高模量瀝青混凝土路面新結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究[R].重慶交通大學(xué)，2008.

[14]鄭健龍.重交通條件下高模量瀝青混凝土路面材料設(shè)計與施工技術(shù)研究[R].長沙理工大學(xué).2008.