高模量瀝青混合料HMM13路用性能試驗研究

＊蔣毓倩

（揚州大學建筑科學與工程學院，揚州市交通運輸綜合行政執法支隊 江蘇 225000）

為了解決瀝青路面的車轍問題，國內外的許多學者提出各種各樣的解決方法，其中一種就是采用高模量瀝青混合料。高模量瀝青混合料的應用最早始于法國，1981 年首次作為舊路面結構的補強材料使用。法國高模量瀝青混合料的基本設計理念是添加較多的硬質漸青，降低漸青混合料空隙率，混合料的油石比通常為6% 左右。這樣既可通過硬質瀝青來提高漸青混合料的模量，較高的瀝青用量也可改善混合料的抗疲勞性能及密實度[1-2]。2002 年英國交通部開始了對高模量瀝青混合料的專項研究工作，結果表明高模量瀝青混合料具有良好的耐久性能，具有較高的強度，是一種良好的路面材料，并且于2003 年形成一套專門的EME2 配合比設計方法和配套的施工工藝，這套技術目前已被多個國家和地區采用[3-4]。我國最早在粵贛高速公路長陡坡瀝青路面鋪筑了高模量改性瀝青混合料試驗段，結果表明，高模量改性瀝青能顯著提高混合料的抗車轍性能[5-6]。目前實現高模量瀝青混合料的技術途徑較多，有的地區采用的是低標號瀝青，有的地區則采用高模量添加劑。設計理念也有所不同。本文針對江蘇地區使用的HMM13 型高模量瀝青混合料，對其路用性能展開研究，并于同位于中面層發SUP20 瀝青混合料進行對比，這對于深入認識高模量瀝青混合料的特點具有一定的指導和借鑒意義，也可為高模量瀝青混合料的廣泛應用提供依據和參考。

1.原材料

（1）集料和填料。HMM13 高模量瀝青混合料和SUP20 瀝青混合料均采用石灰巖集料，填料為石灰巖礦粉。其技術性能均符合設計要求。

（2）瀝青。本研究采用上海海太牌SBS 改性瀝青，并對其基本性能進行檢測，均符合設計要求。

（3）高模量劑。本研究所用高模量劑呈黑色顆粒狀，其在瀝青混合料中的摻量為礦料質量的1%，由于該高模量劑與瀝青具有極好的相融性，因此可替代部分瀝青用量，替代量與高模量劑摻量相同。

2.瀝青混合料組成設計

根據江蘇地區相關經驗，采用旋轉壓實儀成型高模量瀝青混合料試件。旋轉壓實儀參數設置與SUPerpave 設計法一致。對于HMM13 瀝青混合料和SUP20 瀝青混合料，其旋轉次數分別為80 次和100次。HMM13 和SUP20 的組成設計結果如表1 所示。

表1 HMM13 和SUP20 組成設計結果

HMM13 級配包含的細料（粒徑小于2.36 mm 部分）和填料更多，更容易形成密實結構，表現出HMM13 的空隙率為2.6%，而SUP20 的空隙率則為4.0%。此外，HMM13 的實際油石比為5.3%（包括高模量用量），比一般的同類型密級配瀝青混合料油石比偏高，這也是使得HMM13 空隙率較小的原因之一。HMM13 和SUP20在級配和油石比方面的不同，必然導致其路用性能的不同特點，需要對其路用性能進行進一步測試分析。

3.瀝青混合料性能分析

為明晰HMM13 高模量瀝青混合料的性能特點，對其性能進行了測試，包括高溫性能、低溫性能、水穩定性和動態模量，并與替代的SUP20 改性瀝青混合料進行對比。

（1）高溫性能分析。本研究采用車轍試驗測試瀝青混合料的高溫性能，試驗按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行，輪壓為0.7 MPa，試驗分別在60 ℃和70 ℃兩個溫度下進行。測試結果如表2 所示。

表2 瀝青混合料動穩定度測試結果（單位：MPa）

由表2 可見，60 ℃時，HMM13 的動穩定度達到8860 次/毫米，是常規SUP20 動穩定度的1.9 倍，高模量瀝青混合料表現出了優異的高溫性能；在70 ℃下，雖然二者的動穩定度均有下降，但HMM13 的動穩定度依然高達4652 次/毫米，幾乎是SUP20 動穩定度的3 倍，說明HMM13 在較高溫度下具有更為優異的高溫性能。

在車轍深度方面，變化趨勢和動穩定度是一致的。①測試溫度越高，車轍深度越大。比如HMM13在60 ℃和70 ℃時的車轍深度分別為0.921 mm 和1.356 mm，增加了47.2%；SUP20 在70 ℃時的車轍深度則比60 ℃時增加了56.6%；②HMM13 的車轍深度小于SUP20，表明HMM13 具有更為優異的抗車轍性能，并且其抗車轍性能受溫度變化的影響更小，能夠保持更為穩定的高溫性能。

（2）低溫性能分析。本研究采用低溫小梁彎曲試驗測試瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行，測試溫度為-10 ℃。測試結果如表3 所示。

表3 瀝青混合料低溫彎曲試驗測試結果

瀝青混合料作為典型的黏彈塑性材料，高低溫性能往往不可兼顧，提高瀝青混合料的高溫性能后，其低溫性能往往會受到影響，反之亦然。從表3 所示結果可以看出，HMM13 的破壞應變不足2000με，HMM13的破壞強度較高而破壞應變較低，SUP20 則剛好相反，究其原因是HMM13 添加了模量較高的改性劑，導致瀝青混合料較硬，破壞應變較小。因此可見，HMM13 更多的是改善了瀝青混合料的高溫性能，這一點和高模量瀝青混合料的設計初衷是一致的。考慮到HMM13 和SUP20 均使用在瀝青路面中面層，這一層位對高溫性能更為關注，因此HMM13 的低破壞應變是可以接受的。

（3）水穩定性分析。本研究采用凍融劈裂試驗測試瀝青混合料的水穩定性能，試驗按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行。測試結果如表4 所示。

表4 瀝青混合料水穩定性測試結果

由表4 試驗結果可見，HMM13 和SUP20 的水穩定性均在80%以上，滿足相關規范要求。HMM13 的常規劈裂強度和凍融劈裂強度均高于SUP20，并且其凍融劈裂強度比也更高，表明HMM13 具有更為優異的水穩定性，這有利于瀝青混合料抵抗水損害。

通過以上分析可見，高模量改性劑對瀝青混合料性能的影響表現為以下四個方面[7]：①集料增粘作用：高模量改性劑首先與集料干拌，部分熔融于集料表面，提高了集料的粘結性，相當于對集料進行了改性；②改性瀝青作用：高模量改性劑在濕拌和運輸過程中，部分溶解或溶脹于瀝青中，形成膠結作用，從而達到提高軟化點溫度、增加黏度、降低熱敏感性等改性作用；③纖維加筋作用；聚合物形成的微結晶區具有相當的勁度，部分拉絲成塑性纖維，在集料骨架內搭橋交聯形成纖維加筋作用；④變形恢復作用：高模量改性劑的彈性成分在較高溫度時具有使路面的變形部分彈性恢復的功能，以此降低成型漸青路面的永久變形。

（4）動態模量分析。動態模量是瀝青混合料的關鍵指標，受到研究者越來越多的關注，這一指標對于高模量瀝青混合料而言更是如此。法國規范規定，只有動態模量（15 ℃，10 Hz 條件下）大于14000 MPa才可稱為高模量瀝青混合料。為了明晰HMM13 和SUP20 動態模量的特點，本文援引《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011），采用單軸壓縮法測試了瀝青混合料的動態模量，并采用S 型曲線擬合方法繪制了其動態模量主曲線[8]。動態模量測試結果如表5、表6 所示，并以20 ℃為參考溫度繪制了動態模量主曲線，如圖1 所示。

圖1 動態模量主曲線圖

表5 HMM13 動態模量測試結果（單位：MPa）

表6 SUP20 動態模量測試結果（單位：MPa）

從動態模量測試數據和主曲線可以得出以下結論：①瀝青混合料的動態模量受溫度和頻率影響。隨著溫度升高和頻率降低，瀝青混合料的動態模量減小。瀝青混合料是一種粘彈性材料，其性能受溫度和頻率的影響很大，這是由于瀝青分子在不同溫度和頻率下表現出不同的運動活性。盡管HMM13 和SUP20 的動態模量都受溫度和頻率影響，但它們對溫度和頻率變化的敏感性不同。以10 Hz 下的動態模量為例，當溫度從-10 ℃變化到50 ℃時，HMM13 的動態模量從26316 MPa 降低到2758.5 MPa，變化了大約10 倍，而SUP20 的動態模量由18419.5 MPa 降低至1130.3 MPa，變化了大約16 倍，這表明SUP20 的動態模量更容易受溫度變化的影響，在實際使用中可能會導致性能波動較大；②在全頻率和全溫度范圍內，HMM13 的動態模量都大于SUP20 的。一般來說，動態模量越高，瀝青混合料的高溫性能越好，動態模量越低，低溫性能越好[9]。HMM13 的動態模量普遍高于SUP20，這說明HMM13 具有較好的高溫性能和較差的低溫性能，與之前的路用性能測試結果一致。

4.結語

本文對高模量瀝青混合料HMM13 的性能特點進行了研究，并于同用于中面層的SUP20 進行對比，結論如下：（1）高模量瀝青混合料HMM13 使用了較多的細集料和填料，密實度較高，空隙率較小。（2）高模量瀝青混合料HMM13 的高溫性能和水穩定性均優于改性瀝青混合料SUP20，其高溫性能尤為突出。（3）HMM13 的低溫破壞應變較低，但用于中面層是可行的。（4）HMM13的動態模量在測試溫度和頻率范圍內均高于SUP20，并且HMM13 的動態模量對溫度和荷載的敏感性小于SUP20。

目前對于高模量瀝青混合料的研究還多集中在材料本身的路用性能方面，在以后的研究中應側重于高模量瀝青混合料對路面結構受力的長期影響，以更好的認識該材料的特點和應用場景。