高模量瀝青路面材料設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

李正中 張朝清 邳慧然 肖慶一

摘要：文章結(jié)合近年來高模量路面的應(yīng)用實(shí)踐，對高模量混合料技術(shù)的發(fā)展理念、實(shí)現(xiàn)路徑、設(shè)計(jì)體系進(jìn)行了梳理，分析了法國高模量混合料設(shè)計(jì)方法與我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法的差異，將國內(nèi)設(shè)計(jì)體系及混合料試驗(yàn)評價(jià)手段與法國高模量技術(shù)理念相結(jié)合，建立了基于GTM（Gyratory Testing Machine）方法的高模量設(shè)計(jì)方法，所提出的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)體系可為高模量瀝青路面材料設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高模量;材料設(shè)計(jì);指標(biāo)體系;施工工藝

Combining the application practice of high modulus pavement in recent years，this article analyzes the development concept，realization path and design system of high modulus mixture technology，analyzes the the difference between French high modulus mixture design method and the current design method in China，and integrate the domestic design system and mixture test evaluation method with French high modulus technology concept to establish a high modulus design method based on the GTM （Gyratory Testing Machine） method，and the proposed corresponding technical index system can provide reference for the design and engineering application of high modulus asphalt pavement material

High modulus;Material design;Index system;Construction proces

0 引言

近年來，伴隨著客貨運(yùn)量迅猛增長、軸載增加、渠化交通、持續(xù)高溫天氣等因素的綜合影響，車轍已成為我國高等級公路瀝青路面常見且最為嚴(yán)重的病害形式，其嚴(yán)重影響了瀝青路面的服務(wù)質(zhì)量，縮短了瀝青路面的養(yǎng)護(hù)周期和使用壽命。同時(shí)，很多早期修建的高等級公路因技術(shù)狀況衰減已提前進(jìn)入大中修階段，需要在既有標(biāo)高下改造并

進(jìn)一步提升路面結(jié)構(gòu)的承載能力。有效提高路面的抗車轍能力，在既有路面厚度下實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)承載能力的提升，已成為我國現(xiàn)階段瀝青路面建設(shè)養(yǎng)管的迫切需要，亟待新的技術(shù)方案解決上述問題。瀝青混合料彈性模量是影響路面車轍等永久變形的關(guān)鍵參數(shù)，提高混合料模量能夠減少相同車輛荷載作用下瀝青路面產(chǎn)生的塑性變形，并延長混合料的疲勞壽命，是解決重載交通環(huán)境以及高溫氣候條件下瀝青路面車轍病害的有效途徑。

本文結(jié)合近年來的試驗(yàn)研究和實(shí)踐應(yīng)用，就高模量瀝青路面的發(fā)展理念、技術(shù)路徑、設(shè)計(jì)體系進(jìn)行梳理分析，并在此基礎(chǔ)上，提出基于GTM（Gyratory Testing Machine）的高模量混合料設(shè)計(jì)方法及相應(yīng)的指標(biāo)體系，并就施工工藝和質(zhì)量管控措施進(jìn)行總結(jié)，以期為高模量瀝青路面的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 高模量瀝青路面技術(shù)發(fā)展理念

高模量瀝青路面技術(shù)在近30年的應(yīng)用實(shí)踐中形成了兩種發(fā)展理念。高模量瀝青混合料（High Modulus Asphalt Concrete，HMAC）最初由法國于20世紀(jì)80年代提出，旨在解決瀝青路面在使用過程中出現(xiàn)的面層抗車轍能力不足及基層剛度不夠的問題，并于90年代出版了《高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)規(guī)范》（NF P 98-140、NF P98-141），首次在世界范圍內(nèi)對高模量混合料的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義和界定，明確提出只有復(fù)數(shù)模量（15 ℃，10 Hz）≥14 000 MPa的混合料才能稱為高模量瀝青混合料。目前，該技術(shù)已成為法國瀝青路面鋪筑的主流技術(shù)，形成了成套的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范，得到了歐洲其他國家的廣泛認(rèn)可，使用量逐年上升。與此同時(shí)，美國于2004年發(fā)起了對高模量混合料用于永久性瀝青路面中、下面層的研究，將高模量混合料作為一個(gè)相對比較寬泛的概念，泛指通過采用PG等級較高的膠結(jié)料和更好的骨架嵌擠以獲得相對較高模量的混合料，沒有設(shè)定專門的閾值，也沒有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。

總體來說，法國高模量混合料是一種特指的路面材料，有明確的性能指標(biāo)要求，需要采用特定的設(shè)計(jì)方法、評價(jià)體系、試驗(yàn)設(shè)備，更適應(yīng)于法國的氣候環(huán)境和交通荷載情況。美國提出的高模量混合料更體現(xiàn)為一種路面材料的設(shè)計(jì)理念，對混合料級配、設(shè)計(jì)方法和評價(jià)體系等完全開放，使用者可以根據(jù)實(shí)際情況并結(jié)合既有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，凡是實(shí)現(xiàn)了模量提升的混合料都可以稱之為高模量混合料，具有更廣泛的適應(yīng)性。兩種技術(shù)理念的本質(zhì)都是通過提高混合料的動(dòng)態(tài)模量，有效降低其在車輛荷載和高溫環(huán)境作用下的壓、剪應(yīng)變，提高其向下層結(jié)構(gòu)傳遞荷載的擴(kuò)散角，從而減少結(jié)構(gòu)層的累積變形，提升路面結(jié)構(gòu)層的承載能力，延長道路使用壽命。

值得注意的是，高模量瀝青路面并不等同于抗車轍瀝青路面?？管囖H技術(shù)源于對路面材料抗車轍性能提升的需求，屬于單純的材料改性技術(shù);而高模量技術(shù)是一項(xiàng)基于路面結(jié)構(gòu)行為理論的綜合性技術(shù)，目的是實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)與材料的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，即通過提高材料模量來提升路面結(jié)構(gòu)的承載力，還要解決混合料路用性能之間的平衡問題，當(dāng)然在客觀上也起到了一定的抗車轍效果。

2 高模量技術(shù)路徑分析

目前，國內(nèi)外主要通過三種方式提升瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，第一種是采用低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青，第二種是采用高黏度的復(fù)合改性瀝青，第三種是摻加高模量改性劑。其中，前兩種技術(shù)的本質(zhì)是通過提高瀝青膠結(jié)料的勁度來提升混合料的動(dòng)態(tài)模量;第三種技術(shù)是對瀝青混合料的綜合改性，關(guān)鍵是強(qiáng)化礦料與瀝青之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度。

2.1 硬質(zhì)瀝青技術(shù)

硬質(zhì)瀝青是指針入度<25（0.1 mm，25 ℃）的低標(biāo)號瀝青，在法國應(yīng)用最為廣泛。其基本原理是：硬質(zhì)瀝青的瀝青質(zhì)含量大，膠質(zhì)含量相對較少，瀝青質(zhì)膠團(tuán)容易相互連接形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善了瀝青的粘彈性和高溫穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，混合料采取低空隙率并借助硬質(zhì)瀝青的高勁度，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)模量的提升。值得注意的是，硬質(zhì)瀝青的性能主要取決于生產(chǎn)工藝，工藝過程決定了其組分比例和膠體結(jié)構(gòu)，不能僅僅根據(jù)針入度等級對不同來源的硬質(zhì)瀝青進(jìn)行評價(jià)或替換。

2.2 復(fù)合改性瀝青技術(shù)

復(fù)合改性瀝青技術(shù)通常是以SBS改性瀝青或膠粉改性瀝青為基礎(chǔ)，添加高品質(zhì)的特殊聚合物或一定比例的湖瀝青、巖瀝青等天然瀝青，并經(jīng)特殊工藝制備而成的具有更高勁度模量的改性瀝青。復(fù)合改性瀝青通過材料配方優(yōu)化和相應(yīng)的制備工藝，形成了化學(xué)交聯(lián)、聚合而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善了普通改性瀝青的高溫抗變形和低溫抗脆裂性能，顯著提升了其動(dòng)態(tài)模量、損失模量及車轍因子，從而增強(qiáng)了路面結(jié)構(gòu)的承載能力。

2.3 高模量改性劑技術(shù)

高模量改性劑由多種高分子材料、聚合物纖維及其他專用添加劑等材料組成，使用時(shí)以直投干拌的方式直接加入混合料，屬于“直投式”改性技術(shù)。其技術(shù)機(jī)理為：高模量改性劑在拌合過程中熔化形成粘流狀態(tài)，并被均勻分散于混合料中。期間通過化學(xué)改性作用吸附了瀝青中的部分輕質(zhì)油分，提高了瀝青的黏度;通過浸潤作用包裹在礦料顆粒表面，強(qiáng)化了礦料與瀝青之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度;冷卻后部分成分以較小的顆粒狀、片狀或絲狀等形式存在，又通過機(jī)械嵌擠、加筋約束等作用增強(qiáng)了合成礦料空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)了混合料動(dòng)態(tài)模量的綜合提升。

上述三種技術(shù)各有特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選用。硬質(zhì)瀝青目前在我國的供應(yīng)量比較缺乏，低溫性能和耐久性相對較差，難以滿足法國高模量技術(shù)對硬質(zhì)瀝青的綜合要求，而且受生產(chǎn)工藝制約，在國內(nèi)仍處于初步試驗(yàn)階段，工程應(yīng)用尚需深入研究。復(fù)合改性瀝青由于缺乏相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)，摻配比例和質(zhì)量控制缺乏依據(jù)，同時(shí)，該技術(shù)對生產(chǎn)設(shè)備及工藝要求較高，還面臨不同聚合物之間及其與普通瀝青之間的配伍性問題，產(chǎn)品容易離析，有一定的技術(shù)門檻。相比而言，高模量改性劑技術(shù)采用直投式改性，施工應(yīng)用方便，外加劑易于儲藏且摻加劑量可控，同時(shí)，基本不改變混合料拌合生產(chǎn)及路面施工工藝，還能省去改性瀝青生產(chǎn)設(shè)備以及加工過程中的能耗和排放問題。因此，建議將外摻高模量改性劑作為首選路徑。

3 高模量混合料設(shè)計(jì)體系研究

法國高模量瀝青混合料建立了一套完整的設(shè)計(jì)規(guī)范體系，以路用性能為最終設(shè)計(jì)目標(biāo)，得出的動(dòng)態(tài)模量和疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可直接用于瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了路面材料與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)。國內(nèi)由于受法國高模量試驗(yàn)設(shè)備的客觀約束，同時(shí)結(jié)合主流的瀝青路面材料設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐，主要借鑒美國的技術(shù)理念對高模量混合料的組成設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，主要思路是：采用馬歇爾、Superpave等常規(guī)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在現(xiàn)有性能評價(jià)體系中增加了對動(dòng)態(tài)模量、疲勞等力學(xué)指標(biāo)的考量。也就是說，在現(xiàn)行試驗(yàn)設(shè)備和級配設(shè)計(jì)理念下，通過提高原材料標(biāo)準(zhǔn)、添加高模量改性劑、優(yōu)化礦料級配、改進(jìn)設(shè)計(jì)程序等方式，使得設(shè)計(jì)結(jié)果能夠滿足法國高模量混合料的模量要求。

3.1 法國高模量設(shè)計(jì)體系介紹

法國高模量混合料的設(shè)計(jì)流程包括原材料選擇、材料組成設(shè)計(jì)（礦料合成級配、最佳瀝青用量）、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)、性能試驗(yàn)、配合比驗(yàn)證等階段。其中，礦料合成級配設(shè)計(jì)時(shí)僅給出了0.063 mm、2 mm、4 mm和14 mm等4個(gè)關(guān)鍵篩孔的目標(biāo)范圍，未明確其他篩孔的級配范圍上下限以及合成級配分布曲線;最佳瀝青用量根據(jù)豐度系數(shù)估算，該系數(shù)可理解為裹附在集料表面的瀝青膜的當(dāng)量厚度，與合成礦料的表面積和密度相關(guān)。

根據(jù)混合料使用條件、類型、荷載及氣候條件等，將高模量混合料的性能試驗(yàn)由低到高分為4個(gè)水平，且必須逐級滿足要求。水平1為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和水敏感性試驗(yàn);水平2為車轍試驗(yàn);水平3為勁度模量試驗(yàn);水平4為疲勞試驗(yàn)?？傮w來說，水平1、水平2相當(dāng)于經(jīng)驗(yàn)方法;水平3、水平4結(jié)合了基本的力學(xué)分析方法。不同的性能試驗(yàn)水平也是對混合料初始設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，若不能滿足相應(yīng)的試驗(yàn)水平要求，需要重新進(jìn)行材料選擇或組成設(shè)計(jì)，直到驗(yàn)證通過為止。其中，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)與現(xiàn)場壓實(shí)相關(guān)性較好且對混合料組成設(shè)計(jì)因素非常敏感，可初步檢驗(yàn)評價(jià)車轍風(fēng)險(xiǎn)，也可預(yù)估施工現(xiàn)場的實(shí)際空隙率。水敏感性是混合料耐久性的基礎(chǔ)，通常采用多列士試驗(yàn)，計(jì)算靜壓成型的兩組試件浸水與未浸水的抗壓強(qiáng)度比來進(jìn)行評價(jià)。輪轍試驗(yàn)通過測定試件在特定荷載循環(huán)作用后的變形深度和輪碾次數(shù)來評判混合料的抗車轍性能，試驗(yàn)溫度為60 ℃、試驗(yàn)頻率為1 Hz、輪胎壓力為0.6 MPa。勁度模量試驗(yàn)采用直接拉伸的方法進(jìn)行測量，并根據(jù)時(shí)溫等效法則換算得出混合料在不同荷載作用下的動(dòng)態(tài)模量信息，規(guī)范給出了15 ℃和頻率為10 Hz或加載時(shí)間為0.02 s對應(yīng)的模量要求。疲勞試驗(yàn)采用兩點(diǎn)彎曲疲勞方法，設(shè)定3個(gè)控制應(yīng)變，在規(guī)定的溫度、頻率、荷載下對梯形梁試件進(jìn)行加載，以其勁度模量下降至初始模量的一半作為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)。需要說明的是，高模量混合料設(shè)計(jì)時(shí)，盡管只進(jìn)行了水平1的常規(guī)試驗(yàn)，也要進(jìn)行配合比驗(yàn)證，而且驗(yàn)證時(shí)宜選擇盡可能多的試驗(yàn)水平，特定情況下還需要針對性地選擇需要驗(yàn)證的目標(biāo)特性。

由此可見，法國高模量混合料雖然以15 ℃動(dòng)態(tài)模量作為界定標(biāo)準(zhǔn)，但設(shè)計(jì)時(shí)并非僅僅單一地控制模量，還包括了高溫性能、水穩(wěn)定性能和抗疲勞性能等，其設(shè)計(jì)核心是實(shí)現(xiàn)模量、高溫穩(wěn)定性、抗疲勞三者之間的平衡，必須從整體上綜合考慮。

3.2 基于GTM的高模量設(shè)計(jì)方法

眾所周知，馬歇爾法是國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范提出的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，該方法重視礦料合成級配的設(shè)計(jì)，根據(jù)道路等級、氣候條件、使用層位等因素對級配范圍進(jìn)行了優(yōu)化，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)級配范圍和施工允許波動(dòng)范圍，以空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等體積指標(biāo)作為最佳瀝青用量的確定依據(jù)，但錘擊成型方式與現(xiàn)場碾壓工況不符且與交通量無內(nèi)在聯(lián)系，使得設(shè)計(jì)過程具有較大的盲目性。Superpave法充分考慮了氣候環(huán)境和交通量，建立了以使用性能為基礎(chǔ)的瀝青PG分級評價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了瀝青性能與路面使用溫度的統(tǒng)一;級配設(shè)計(jì)提出“控制點(diǎn)”和“限制區(qū)”，要求至少選擇3個(gè)試驗(yàn)級配，分別對應(yīng)于從禁區(qū)上通過、通過禁區(qū)、禁區(qū)下沿;以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式成型試件，并根據(jù)交通量水平確定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)以及混合料的性能指標(biāo);將空隙率作為混合料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，以設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)條件下4%空隙率對應(yīng)的瀝青用量作為最佳瀝青用量。但該方法對級配曲線“控制點(diǎn)”和“禁區(qū)”的規(guī)定缺乏完善的理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)依據(jù)，且目前常用的設(shè)計(jì)水平僅計(jì)算體積參數(shù)，缺乏對混合料力學(xué)指標(biāo)的測定或推算。

GTM法基于力學(xué)原理進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，以防止最終塑性過大作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。其試驗(yàn)設(shè)備將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、力學(xué)剪切、車輛荷載模擬整合為一體，可以較為真實(shí)地模擬實(shí)際路面材料的受力狀況，并預(yù)測混合料在行車荷載作用下所能達(dá)到的最終壓實(shí)狀態(tài)，通過測試推算試樣在壓實(shí)全過程中剪切強(qiáng)度和最終塑性形變的大小，以此判斷混合料組成是否合理。該方法以旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定系數(shù)GSI（Gyratory Stability Index）作為最佳瀝青用量的判定指標(biāo)，用以表征試件受剪應(yīng)力作用的變形穩(wěn)定程度，使得最佳油石比的確定與混合料的力學(xué)性能聯(lián)系起來，較之經(jīng)驗(yàn)式的體積分析方法將更為合理。

綜上所述，充分吸收馬歇爾法、Superpave法的成熟經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)理念，并借鑒法國高模量混合料設(shè)計(jì)體系，從而構(gòu)建基于GTM的高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)方法。其基本理念為：（1）結(jié)合公路等級、使用層位、氣候環(huán)境及交通荷載等因素，從針片狀顆粒含量、壓碎值、磨耗值、含泥量等方面提高集料的技術(shù)指標(biāo)，細(xì)集料全部采用高品質(zhì)機(jī)制砂，采用PG分級對瀝青膠結(jié)料進(jìn)行評價(jià)并優(yōu)先保證高溫性能;（2）基于馬歇爾法所提出的設(shè)計(jì)級配范圍，進(jìn)一步優(yōu)化礦料合成級配，加強(qiáng)對0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm及公稱最大粒徑通過率的控制，提升礦料級配的嵌擠性及施工和易性;（3）采用GTM法進(jìn)行油石比設(shè)計(jì)，以旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定系數(shù)GSI為判據(jù)確定最佳瀝青用量，同時(shí)，參考旋轉(zhuǎn)剪切因子（Gyratory Shear Factor）及空隙率、礦料間隙率等體積指標(biāo);（4）采用車轍、凍融劈裂、低溫彎曲、動(dòng)態(tài)模量、四點(diǎn)彎曲疲勞等試驗(yàn)對混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性能、低溫性能、模量指標(biāo)、疲勞性能等進(jìn)行驗(yàn)證。

基于GTM設(shè)計(jì)理念，采取外摻高模量改性劑技術(shù)路徑（法國高模量改性劑PR-Module，摻加量為礦料總質(zhì)量的0.4%～0.5%），以AC-20C型混合料為例，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究提出推薦的技術(shù)指標(biāo)體系，如表1所示。其中，GTM壓實(shí)參數(shù)為：垂直壓力0.8 MPa，旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)角1.4°，以極限平衡狀態(tài)作為試驗(yàn)結(jié)束條件。

4 結(jié)語

高模量瀝青路面技術(shù)能夠有效改善瀝青路面抗車轍性能，提升路面結(jié)構(gòu)的承載能力，技術(shù)輻射性強(qiáng)，工程應(yīng)用價(jià)值顯著，是實(shí)現(xiàn)長壽命瀝青路面的重要技術(shù)路徑。該技術(shù)從瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論入手，對瀝青路面材料提出了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)模量、疲勞次數(shù)等力學(xué)指標(biāo)，材料設(shè)計(jì)指標(biāo)更為綜合，且推動(dòng)了路面結(jié)構(gòu)與材料的一體化設(shè)計(jì)，有助于提升路面材料設(shè)計(jì)的針對性和有效性。但由于試驗(yàn)設(shè)備、材料來源等方面的客觀限制，高模量技術(shù)在我國總體上仍處于起步階段，技術(shù)路徑較為單一，同時(shí)，因氣候環(huán)境、交通環(huán)境、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方面的差異，直接套用法國高模量混合料設(shè)計(jì)方法難以有效解決國內(nèi)的實(shí)際問題。本文結(jié)合近年來的工程實(shí)踐，對高模量混合料的技術(shù)發(fā)展理念、實(shí)現(xiàn)路徑及法國高模量技術(shù)進(jìn)行了梳理，分析了各種技術(shù)路徑的模量提升機(jī)理，并優(yōu)選高模量改性劑技術(shù);同時(shí)，分析了法國高模量混合料設(shè)計(jì)方法與我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法的差異，將國內(nèi)設(shè)計(jì)體系及混合料試驗(yàn)評價(jià)手段與法國高模量技術(shù)理念相結(jié)合，建立了基于GTM方法的高模量設(shè)計(jì)方法，提出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)體系，推動(dòng)了高模量技術(shù)的國產(chǎn)化應(yīng)用。

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