高模量瀝青混凝土在高速公路路面養護中的應用技術研究

侯誠、賈漢清

（1.甘肅省交通投資管理有限公司，甘肅蘭州 730000；2.甘肅暢隴公路養護技術研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

某高速公路2005 年建成通車，已運營17 年，日交通量大，貨車占比達34.6%。路面病害主要為密集縱橫向裂縫、連片修補、輪跡帶疲勞裂縫等，部分路段行車道唧漿、車轍嚴重，平整度差，路況指標整體較低。結合路況檢測指標及路面病害情況對病害集中路段進行提質改造，以改善道路運營狀況，提升公路服務水平。為針對性解決該路段貨車交通量大易造成路面車轍的情況，采用高模量瀝青混凝土，并實施10km試驗段，通過提高瀝青混合料動態模量有效減緩高速公路路面車轍的產生，延長路面使用壽命，降低日常養護頻率和維修費用。

2 高模量瀝青混凝土

2.1 概述

高模量瀝青混凝土的概念源于法國高模量瀝青混合料以及美國永久性路面概念中的中面層高模量瀝青混合料（High Modulus Asphalt Concrete/HMAC)。法國高模量瀝青混合料（EME2）是特定的混合料類型，其特點是采用硬質瀝青、連續級配、低空隙率、高瀝青用量、高模量等。國內“高模量瀝青混凝土”的定義以法國高模量瀝青混合料設計標準NF P 98-140（EME）為基礎，采用國內試驗方法進行等效驗證，從而確定其性能指標[1]。

高模量瀝青混凝土的生產工藝主要有兩種，一是采用低標號天然高模量改性瀝青直接進行瀝青混凝土的拌和生產；二是采用普通道路石油瀝青摻入0.3%～0.5%高模量劑進行生產。

高模量瀝青混凝土的優勢主要有兩點：

一是可顯著提高瀝青混合料的動態模量，提高高溫性能，同時改善抗水損壞性能、抗低溫開裂性能等[2]。

二是施工工藝簡單。與改性瀝青工藝相比，高模量瀝青混凝土的外摻劑可直接投入拌缸內與集料進行拌和，不需要增加特殊設備，可顯著降低設備投入相關費用，適當延長拌和時間和提高施工溫度即可，拌和、攤鋪、碾壓質量均不受影響，同時能夠避免改性瀝青儲存穩定性差的問題。

2.2 高模量瀝青混凝土提高抗車轍性能的作用機理

瀝青路面模量的提高能夠改變路面結構中應力的分布狀態，剪切應力、壓應力與模量的比值會隨著瀝青混凝土材料模量的增加呈現出明顯的下降趨勢。同時瀝青路面動態模量的增加能夠為材料提供較好的抵抗變形的能力，高溫條件下更為明顯，因此高模量的瀝青混凝土材料可以克服足夠的應力和材料變形，從而提高瀝青路面結構的抗車轍性能[3]。相關資料表明，采用高模量瀝青混凝土的路面，其車轍深度明顯小于用普通瀝青混合料所修筑的路面。

2.3 高速公路路面養護應用

某高速公路路面養護工程分為普通路段和試驗路段，并設計了不同的中面層和下面層（見表1），對兩種不同類型的路面結構進行長期觀測，確定高模量瀝青混凝土是否適用于該地區。

表1 維修養護路面結構層

由以上路面結構層中可以看出，該工程試驗路段的中下面層分別采用天然高模量改性瀝青混凝土EME-16 和高模量瀝青混凝土AC-20（摻入瀝青質量0.5%的高模量劑），對兩種工藝組合形成的中下面層進行分析研究。

3 高模量瀝青混凝土配合比設計

3.1 試驗原材料

礦料：所用集料為砂巖，黏附性等級為4 級，規格為15～20mm 碎石、10～15mm 碎石、5～10mm 碎石、3～5mm 碎石、0～3mm 機制砂。

瀝青：采用天然高模量改性瀝青、30#A 級道路石油瀝青（高模量外摻劑為0.5%）。

3.2 目標配合比設計

根據混合料類型及以往的工程應用經驗，確定配合比礦料級配（見表2）[4]。

表2 目標配合比礦料級配

根據確定的最佳級配，選擇不同瀝青用量的馬歇爾試驗，雙面各擊實75 次成型馬歇爾試件。按照瀝青混合料馬歇爾試驗技術標準的要求，進行馬歇爾試驗，確定最佳瀝青用量，試驗結果如表3、表4 所示。

表3 體積試驗結果

表4 性能試驗結果

3.3 生產配合比設計

根據目標配合比設計結果進行拌和，從二次篩分后進入各熱料倉的材料中取樣進行篩分，同時反復調整冷料倉進料比例，以達到進料均衡，確定各熱料倉的材料比例，供拌和機控制室使用[5]。根據拌和樓各熱料倉材料篩分確定熱料倉配合比級配。生產配合比礦料級配如表5 所示。

表5 生產配合比礦料級配

根據目標配合比的最佳瀝青用量±0.3%等3 個瀝青用量進行馬歇爾試驗，通過室內試驗及拌和樓取樣試驗綜合確定生產配合比的最佳瀝青用量。馬歇爾試驗結果如表6 所示。

表6 生產配合比體積試驗結果

4 高模量瀝青混凝土性能指標

根據生產配合比進行室內試驗、現場攤鋪成型試件及路用性能檢測，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）規定的方法，按照試驗所確定的配合比拌和后進行浸水殘留穩定度、凍融劈裂、車轍試驗、動態模量、四點彎曲疲勞及低溫性能等試驗[6]。性能指標檢測結果如表7 所示。

表7 性能指標檢測結果

由表7 可以看出，高模量瀝青混凝土的浸水殘留穩定度和凍融劈裂強度比優于普通路段的瀝青混凝土，天然高模量改性瀝青混凝土的水穩定性試驗最好，高模量瀝青混凝土次之，EME-16 天然高模量改性瀝青混凝土中面層較普通路段SUP-20 改性瀝青混凝土中面層浸水殘留穩定度提高4.5%，凍融劈裂強度比提高1.6%；AC-20 高模量瀝青混凝土下面層較普通路段廠拌熱再生AC-20 瀝青混凝土下面層浸水殘留穩定度提高4.9%，凍融劈裂強度比提高4.0%。

在60℃條件下進行車轍試驗，根據檢測結果看出高模量瀝青混凝土動穩定度優于普通路段瀝青混凝土。其中EME-16 天然高模量改性瀝青混凝土動穩定度大于普通改性瀝青1801 次/mm，提高35.7%，AC-20 高模量瀝青混凝土動穩定度大于普通路段廠拌熱再生AC-20 瀝青混凝土2507 次/mm，提高58%，說明高模量瀝青有良好的高溫穩定性。

在20℃試驗溫度和10Hz 加載頻率條件下進行動態模量試驗，可以看出高模量瀝青混凝土的模量高于普通路段混凝土的動態模量，EME-16 天然高模量改性瀝青混凝土模量較SUP-20 改性瀝青混凝土增加22%，AC-20 高模量瀝青混凝土模量較廠拌熱再生AC-20 增加38.7%，說明高模量瀝青混凝土具有較好的抵抗變形的能力。

在15℃試驗溫度條件下進行四點彎曲疲勞試驗，可以看出高模量瀝青混凝土的最大拉應力及最大彎拉應變差異十分明顯，高模量瀝青混凝土拉應力更高，彎拉應變卻處在很低的水平，由此可見，單獨采用最大拉應力及最大彎拉應變評價抗疲勞性能時，會造成評價結果不具有客觀性，所以采用彎曲勁度模量評價抗疲勞性能，彎曲勁度模量越大表示瀝青混凝土抵抗荷載和變形的能力越強。根據檢測結果看出，在彎曲勁度模量中，EME-16 天然高模量改性瀝青混凝土＞AC-20 高模量瀝青混凝土＞SUP-20 改性瀝青混凝土＞廠拌熱再生AC-20。

采用小梁彎曲試驗，在-10℃條件下進行低溫性能試驗，根據試驗檢測結果高模量瀝青混凝土低溫性能與普通路段混凝土料比較沒有明顯提高。

5 結語

通過對普通路段和高模量瀝青混凝土試驗路段路用性能試驗結果的分析得出：使用高模量瀝青混凝土可以顯著提高瀝青混合料的動穩定度，明顯改善路面的高溫穩定性能和動態模量，提高路面的抗車轍能力，有效避免和減輕車轍病害的發生，提高路面結構承載力，延長使用壽命。

高模量瀝青混凝土試驗路段已鋪筑完成，路面表面密實不透水。通過夏季高溫的考驗，表現出非常強的高溫抗車轍能力，使用效果達到預期目標，下一步將進行長期觀測，對試驗路段的病害出現時間、部位、形式進行統計，以便更準確地分析高模量瀝青混凝土所發揮的作用和預估其產生的社會經濟效益。