高模量瀝青混合料應用綜述

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、超載嚴重、車輛渠化交通、持續高溫天氣等因素的綜合影響，車轍已經成為瀝青路面最嚴重的早期破壞形式之一。據不完全統計[1]，在高等級公路維修原因中，車轍病害發生比率高達80%以上。基于抗車轍性能的路面新材料的研究與開發已經成為公路界研究和關注的熱點問題。另外，在市政工程中，對舊路進行翻修、改造時，路面標高往往受到限制，需要控制面層結構厚度，采用傳統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，降低路面結構層厚度，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構組合是影響車轍深度即瀝青路面產生永久變形的關鍵參數。采用高模量瀝青混凝土可顯著降低荷載作用下瀝青層應變，減小瀝青混合料高溫塑性變形，進而提高路面抗車轍能力。因此，歐美等國家長壽命路面設計及AASHTO路面設計中都對提高瀝青混凝土彈性模量提出具體指標要求。

對于我國普遍采用的典型半剛性基層瀝青路面，路面結構中4～10 cm范圍內為壓應力的高值區，3～8 cm范圍內為剪應力高值區，這兩個應力高值區處于半剛性基層瀝青路面結構的中面層。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嚴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)的研究與應用得到廣泛關注。按照法國瀝青混合料設計規范體系（NFP-140），動態模量（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構的變形，延緩車轍的產生，改善路面的疲勞性能，延長路面的使用壽命。

針對當前路面的諸多問題，采用新型路面材料成為國內外研究者的共識，在國內外研究開發應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）憑借其優越的性能越來越受到關注。使用HMAC能夠減少路面結構的變形，延緩車轍的產生，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）采用低標號瀝青結合料(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 國外應用概況

HMAC最早出現于20世紀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]。其最早的應用始于1981年，作為基層用于舊路面結構的補強，1985年以后使用數量有所增長。另外，法國還根據豐度系數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、水穩定性也相對優良，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，但該種材料的耐久性、抗疲勞能力均不高，主要用于路面結構的受壓縮層中，故并沒有得到廣泛應用。

法國經過二十多年的研究形成的HMAC標準NFP98-140，對配合比設計方法和結構設計均有特定的方法。目前在法國國內采用的HMAC，主要通過兩種途徑來制備：一是采用低標號瀝青[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的品質主要取決于正確的混合料設計，法國將HMAC設計為具有較高結合料用量和較低空隙率的設計理念值得借鑒。這種設計理念可以彌補混合料疲勞、抗裂性不足所帶來的一些問題。其基本思想是：采用硬質瀝青設計油石比大約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還經常與很薄的瀝青混合料(VTAC)磨耗層結合起來使用，以減少路面車轍。具有的優點：（1）HMAC抗車轍性強，且其低空隙率和高硬度能保護基層；（2）VTAC采用斷級配，其抗滑性能及抗滑耐久性優良。此外，法國的研究表明[5]：使用HMAC可以降低道路建設成本。

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

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，總結了HMAC的永久變形參數，從而為準確預估車轍量提供依據。

美國[10]在2004年發起了對HMAC作為永久性瀝青路面中、下面層的研究，并著重對HMAC的設計方法和費用展開研究。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構組合，通過材料設計和結構層組合設計，使得設計的路面結構能夠使用50 a以上，采用較厚的瀝青層柔性路面，降低了傳統的瀝青層底開裂和避免結構性車轍。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，使得瀝青路面在使用年限內不需要大的結構性重建。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為永久路面結構示意圖。

圖1 永久路面結構示意圖

2 國內應用概況

國內在HMAC研究方面尚處于起步階段。中國石化集團石油化工科學研究院、遼寧省高等級公路建設局經過近兩年半的科技攻關，項目取得了一系列科研成果[11]：自主研發的HMAC外摻劑(改性PE／PP)填補了我國相關領域的技術空白，達到國外同類產品的先進水平；在國內率先提出了以提高瀝青混合料模量作為解決路面高溫穩定性不足的技術途徑，并研究提出了提高瀝青混合料模量的兩種主要技術方案；提出了45℃，10 Hz條件下動態模量達到2000 MPa，45℃，0.1 Hz條件下達到500 MPa以上，作為HMAC的界定標準；通過調研和室內研究，研究開發出高模量低標號瀝青工藝、并提出其技術指標；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試驗路的基礎上，提出了施工工藝和質量控制指標。

長安大學沙愛民教授對HMAC路面應用進行了研究[12]，在室內試驗成果的基礎上，結合河南撫項高速公路的修筑，以及通車后的檢測結果，經過兩年多的試驗研究，最終提出了能夠進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；提出了以我國現行瀝青混合料馬歇爾設計方法為基礎的HMAC配合比設計方法;結合路面實體工程的鋪筑提出了HMAC路面的施工工藝。

重慶交通大學何兆益教授對高模量瀝青混合料路面新結構及應用進行了研究[13]。自行開發和設計了直接剪切儀、直接拉伸儀和加壓滲水儀，在此基礎上系統研究和評價了多種高性能層間材料的抗剪、粘結和防水性能，并結合實體工程，推薦了高性能層間粘結材料及其最佳用量。通過汽車動載模型振動方程的分析與求解，建立了路面設計標準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%。通過理論分析結合工程實際，提出高模量瀝青路面合理結構建議。

長沙理工大學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計與施工技術進行了深入研究[14]。構建了重交通條件下瀝青路面輪胎/路表復雜接觸應力模型和高模量瀝青混合料路面復雜接觸應力下的路面動力學計算方法，對高模量瀝青路面結構進行了動、靜力學分析，揭示了高模量瀝青混合料路面路用性能提高的力學機理。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構設計軸載換算方程式。從高模量瀝青混合料的施工特性出發，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量控制體系。

3 結語

高模量瀝青混合料方面，目前HMAC在法國已經比較成熟，并且已有相應的規范標準，按照法國瀝青混合料設計規范體系（NFP-140），動態模量（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與我國現實存在較大差異。首先，從材料選擇上，法國的HMAC的生產主要是采用高摻量低標號硬質瀝青方案獲得，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的主要技術路線是采用高模量添加劑。其次，從設計方法上，法國采用以旋轉壓實為成型方式，以豐度系數為設計的控制指標的設計方法，這與我國的規范中規定的傳統馬歇爾設計方法不完全一致，故而其設計方法不完全適用于我國現狀，需要加以修正和調整。再次，由于高模量瀝青混凝土的施工和易性問題，國內普遍采用保證較高的拌合和壓實溫度，采用高強壓實功的方法保證高模量瀝青混合料的施工質量。針對高模量瀝青混合料，應進一步研究，形成符合我國國情的成套技術。

[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.

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[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.國外硬質瀝青及高模量瀝青混凝土研究現狀[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用技術研究[R].遼寧省交通科學研究院，2007.

[12]沙愛民.高模量瀝青混凝土路面應用研究[R].長安大學，2008.

[13]何兆益.高模量瀝青混凝土路面新結構及應用研究[R].重慶交通大學，2008.

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