高模量瀝青路面材料設計及應用研究

李正中 張朝清 邳慧然 肖慶一

摘要：文章結合近年來高模量路面的應用實踐，對高模量混合料技術的發展理念、實現路徑、設計體系進行了梳理，分析了法國高模量混合料設計方法與我國現行設計方法的差異，將國內設計體系及混合料試驗評價手段與法國高模量技術理念相結合，建立了基于GTM（Gyratory Testing Machine）方法的高模量設計方法，所提出的相應技術指標體系可為高模量瀝青路面材料設計及工程應用提供借鑒。

關鍵詞：高模量;材料設計;指標體系;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，伴隨著客貨運量迅猛增長、軸載增加、渠化交通、持續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重的病害形式，其嚴重影響了瀝青路面的服務質量，縮短了瀝青路面的養護周期和使用壽命。同時，很多早期修建的高等級公路因技術狀況衰減已提前進入大中修階段，需要在既有標高下改造并

進一步提升路面結構的承載能力。有效提高路面的抗車轍能力，在既有路面厚度下實現路面結構承載能力的提升，已成為我國現階段瀝青路面建設養管的迫切需要，亟待新的技術方案解決上述問題。瀝青混合料彈性模量是影響路面車轍等永久變形的關鍵參數，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。

本文結合近年來的試驗研究和實踐應用，就高模量瀝青路面的發展理念、技術路徑、設計體系進行梳理分析，并在此基礎上，提出基于GTM（Gyratory Testing Machine）的高模量混合料設計方法及相應的指標體系，并就施工工藝和質量管控措施進行總結，以期為高模量瀝青路面的推廣應用提供借鑒。

1 高模量瀝青路面技術發展理念

高模量瀝青路面技術在近30年的應用實踐中形成了兩種發展理念。高模量瀝青混合料（High Modulus Asphalt Concrete，HMAC）最初由法國于20世紀80年代提出，旨在解決瀝青路面在使用過程中出現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計規范》（NF P 98-140、NF P98-141），首次在世界范圍內對高模量混合料的標準進行了定義和界定，明確提出只有復數模量（15 ℃，10 Hz）≥14 000 MPa的混合料才能稱為高模量瀝青混合料。目前，該技術已成為法國瀝青路面鋪筑的主流技術，形成了成套的設計及施工技術規范，得到了歐洲其他國家的廣泛認可，使用量逐年上升。與此同時，美國于2004年發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相對比較寬泛的概念，泛指通過采用PG等級較高的膠結料和更好的骨架嵌擠以獲得相對較高模量的混合料，沒有設定專門的閾值，也沒有相應的技術規范。

總體來說，法國高模量混合料是一種特指的路面材料，有明確的性能指標要求，需要采用特定的設計方法、評價體系、試驗設備，更適應于法國的氣候環境和交通荷載情況。美國提出的高模量混合料更體現為一種路面材料的設計理念，對混合料級配、設計方法和評價體系等完全開放，使用者可以根據實際情況并結合既有經驗進行設計，凡是實現了模量提升的混合料都可以稱之為高模量混合料，具有更廣泛的適應性。兩種技術理念的本質都是通過提高混合料的動態模量，有效降低其在車輛荷載和高溫環境作用下的壓、剪應變，提高其向下層結構傳遞荷載的擴散角，從而減少結構層的累積變形，提升路面結構層的承載能力，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。抗車轍技術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;而高模量技術是一項基于路面結構行為理論的綜合性技術，目的是實現路面結構與材料的協調設計，即通過提高材料模量來提升路面結構的承載力，還要解決混合料路用性能之間的平衡問題，當然在客觀上也起到了一定的抗車轍效果。

2 高模量技術路徑分析

目前，國內外主要通過三種方式提升瀝青混合料的動態模量，第一種是采用低標號硬質瀝青，第二種是采用高黏度的復合改性瀝青，第三種是摻加高模量改性劑。其中，前兩種技術的本質是通過提高瀝青膠結料的勁度來提升混合料的動態模量;第三種技術是對瀝青混合料的綜合改性，關鍵是強化礦料與瀝青之間的界面粘結強度。

2.1 硬質瀝青技術

硬質瀝青是指針入度<25（0.1 mm，25 ℃）的低標號瀝青，在法國應用最為廣泛。其基本原理是：硬質瀝青的瀝青質含量大，膠質含量相對較少，瀝青質膠團容易相互連接形成三維網狀結構，改善了瀝青的粘彈性和高溫穩定性。在此基礎上，混合料采取低空隙率并借助硬質瀝青的高勁度，從而實現了動態模量的提升。值得注意的是，硬質瀝青的性能主要取決于生產工藝，工藝過程決定了其組分比例和膠體結構，不能僅僅根據針入度等級對不同來源的硬質瀝青進行評價或替換。

2.2 復合改性瀝青技術

復合改性瀝青技術通常是以SBS改性瀝青或膠粉改性瀝青為基礎，添加高品質的特殊聚合物或一定比例的湖瀝青、巖瀝青等天然瀝青，并經特殊工藝制備而成的具有更高勁度模量的改性瀝青。復合改性瀝青通過材料配方優化和相應的制備工藝，形成了化學交聯、聚合而成的網狀結構，進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，顯著提升了其動態模量、損失模量及車轍因子，從而增強了路面結構的承載能力。

2.3 高模量改性劑技術

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，使用時以直投干拌的方式直接加入混合料，屬于“直投式”改性技術。其技術機理為：高模量改性劑在拌合過程中熔化形成粘流狀態，并被均勻分散于混合料中。期間通過化學改性作用吸附了瀝青中的部分輕質油分，提高了瀝青的黏度;通過浸潤作用包裹在礦料顆粒表面，強化了礦料與瀝青之間的界面粘結強度;冷卻后部分成分以較小的顆粒狀、片狀或絲狀等形式存在，又通過機械嵌擠、加筋約束等作用增強了合成礦料空間結構的穩定性，從而實現了混合料動態模量的綜合提升。

上述三種技術各有特點，應結合實際情況選用。硬質瀝青目前在我國的供應量比較缺乏，低溫性能和耐久性相對較差，難以滿足法國高模量技術對硬質瀝青的綜合要求，而且受生產工藝制約，在國內仍處于初步試驗階段，工程應用尚需深入研究。復合改性瀝青由于缺乏相應的評價指標，摻配比例和質量控制缺乏依據，同時，該技術對生產設備及工藝要求較高，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，產品容易離析，有一定的技術門檻。相比而言，高模量改性劑技術采用直投式改性，施工應用方便，外加劑易于儲藏且摻加劑量可控，同時，基本不改變混合料拌合生產及路面施工工藝，還能省去改性瀝青生產設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 高模量混合料設計體系研究

法國高模量瀝青混合料建立了一套完整的設計規范體系，以路用性能為最終設計目標，得出的動態模量和疲勞試驗數據可直接用于瀝青路面結構設計，實現了路面材料與結構的一體化設計。國內由于受法國高模量試驗設備的客觀約束，同時結合主流的瀝青路面材料設計應用實踐，主要借鑒美國的技術理念對高模量混合料的組成設計進行研究，主要思路是：采用馬歇爾、Superpave等常規方法進行設計，并在現有性能評價體系中增加了對動態模量、疲勞等力學指標的考量。也就是說，在現行試驗設備和級配設計理念下，通過提高原材料標準、添加高模量改性劑、優化礦料級配、改進設計程序等方式，使得設計結果能夠滿足法國高模量混合料的模量要求。

3.1 法國高模量設計體系介紹

法國高模量混合料的設計流程包括原材料選擇、材料組成設計（礦料合成級配、最佳瀝青用量）、旋轉壓實試驗、性能試驗、配合比驗證等階段。其中，礦料合成級配設計時僅給出了0.063 mm、2 mm、4 mm和14 mm等4個關鍵篩孔的目標范圍，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;最佳瀝青用量根據豐度系數估算，該系數可理解為裹附在集料表面的瀝青膜的當量厚度，與合成礦料的表面積和密度相關。

根據混合料使用條件、類型、荷載及氣候條件等，將高模量混合料的性能試驗由低到高分為4個水平，且必須逐級滿足要求。水平1為旋轉壓實和水敏感性試驗;水平2為車轍試驗;水平3為勁度模量試驗;水平4為疲勞試驗。總體來說，水平1、水平2相當于經驗方法;水平3、水平4結合了基本的力學分析方法。不同的性能試驗水平也是對混合料初始設計的驗證，若不能滿足相應的試驗水平要求，需要重新進行材料選擇或組成設計，直到驗證通過為止。其中，旋轉壓實試驗與現場壓實相關性較好且對混合料組成設計因素非常敏感，可初步檢驗評價車轍風險，也可預估施工現場的實際空隙率。水敏感性是混合料耐久性的基礎，通常采用多列士試驗，計算靜壓成型的兩組試件浸水與未浸水的抗壓強度比來進行評價。輪轍試驗通過測定試件在特定荷載循環作用后的變形深度和輪碾次數來評判混合料的抗車轍性能，試驗溫度為60 ℃、試驗頻率為1 Hz、輪胎壓力為0.6 MPa。勁度模量試驗采用直接拉伸的方法進行測量，并根據時溫等效法則換算得出混合料在不同荷載作用下的動態模量信息，規范給出了15 ℃和頻率為10 Hz或加載時間為0.02 s對應的模量要求。疲勞試驗采用兩點彎曲疲勞方法，設定3個控制應變，在規定的溫度、頻率、荷載下對梯形梁試件進行加載，以其勁度模量下降至初始模量的一半作為疲勞破壞標準。需要說明的是，高模量混合料設計時，盡管只進行了水平1的常規試驗，也要進行配合比驗證，而且驗證時宜選擇盡可能多的試驗水平，特定情況下還需要針對性地選擇需要驗證的目標特性。

由此可見，法國高模量混合料雖然以15 ℃動態模量作為界定標準，但設計時并非僅僅單一地控制模量，還包括了高溫性能、水穩定性能和抗疲勞性能等，其設計核心是實現模量、高溫穩定性、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的高模量設計方法

眾所周知，馬歇爾法是國內現行規范提出的標準設計方法，該方法重視礦料合成級配的設計，根據道路等級、氣候條件、使用層位等因素對級配范圍進行了優化，提出了相應的設計級配范圍和施工允許波動范圍，以空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等體積指標作為最佳瀝青用量的確定依據，但錘擊成型方式與現場碾壓工況不符且與交通量無內在聯系，使得設計過程具有較大的盲目性。Superpave法充分考慮了氣候環境和交通量，建立了以使用性能為基礎的瀝青PG分級評價方法，實現了瀝青性能與路面使用溫度的統一;級配設計提出“控制點”和“限制區”，要求至少選擇3個試驗級配，分別對應于從禁區上通過、通過禁區、禁區下沿;以旋轉壓實方式成型試件，并根據交通量水平確定旋轉壓實次數以及混合料的性能指標;將空隙率作為混合料設計的關鍵指標，以設計旋轉壓實條件下4%空隙率對應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”和“禁區”的規定缺乏完善的理論依據和經驗依據，且目前常用的設計水平僅計算體積參數，缺乏對混合料力學指標的測定或推算。

GTM法基于力學原理進行混合料設計，以防止最終塑性過大作為設計目標。其試驗設備將旋轉壓實、力學剪切、車輛荷載模擬整合為一體，可以較為真實地模擬實際路面材料的受力狀況，并預測混合料在行車荷載作用下所能達到的最終壓實狀態，通過測試推算試樣在壓實全過程中剪切強度和最終塑性形變的大小，以此判斷混合料組成是否合理。該方法以旋轉穩定系數GSI（Gyratory Stability Index）作為最佳瀝青用量的判定指標，用以表征試件受剪應力作用的變形穩定程度，使得最佳油石比的確定與混合料的力學性能聯系起來，較之經驗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法的成熟經驗和先進理念，并借鑒法國高模量混合料設計體系，從而構建基于GTM的高模量瀝青混合料設計方法。其基本理念為：（1）結合公路等級、使用層位、氣候環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指標，細集料全部采用高品質機制砂，采用PG分級對瀝青膠結料進行評價并優先保證高溫性能;（2）基于馬歇爾法所提出的設計級配范圍，進一步優化礦料合成級配，加強對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法進行油石比設計，以旋轉穩定系數GSI為判據確定最佳瀝青用量，同時，參考旋轉剪切因子（Gyratory Shear Factor）及空隙率、礦料間隙率等體積指標;（4）采用車轍、凍融劈裂、低溫彎曲、動態模量、四點彎曲疲勞等試驗對混合料的高溫性能、水穩定性能、低溫性能、模量指標、疲勞性能等進行驗證。

基于GTM設計理念，采取外摻高模量改性劑技術路徑（法國高模量改性劑PR-Module，摻加量為礦料總質量的0.4%～0.5%），以AC-20C型混合料為例，通過室內試驗研究提出推薦的技術指標體系，如表1所示。其中，GTM壓實參數為：垂直壓力0.8 MPa，旋轉基準角1.4°，以極限平衡狀態作為試驗結束條件。

4 結語

高模量瀝青路面技術能夠有效改善瀝青路面抗車轍性能，提升路面結構的承載能力，技術輻射性強，工程應用價值顯著，是實現長壽命瀝青路面的重要技術路徑。該技術從瀝青路面結構行為理論入手，對瀝青路面材料提出了相應的動態模量、疲勞次數等力學指標，材料設計指標更為綜合，且推動了路面結構與材料的一體化設計，有助于提升路面材料設計的針對性和有效性。但由于試驗設備、材料來源等方面的客觀限制，高模量技術在我國總體上仍處于起步階段，技術路徑較為單一，同時，因氣候環境、交通環境、實踐經驗等方面的差異，直接套用法國高模量混合料設計方法難以有效解決國內的實際問題。本文結合近年來的工程實踐，對高模量混合料的技術發展理念、實現路徑及法國高模量技術進行了梳理，分析了各種技術路徑的模量提升機理，并優選高模量改性劑技術;同時，分析了法國高模量混合料設計方法與我國現行設計方法的差異，將國內設計體系及混合料試驗評價手段與法國高模量技術理念相結合，建立了基于GTM方法的高模量設計方法，提出相應的技術指標體系，推動了高模量技術的國產化應用。

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