浅谈高模量沥青混合料路用性能

浅谈高模量沥青混合料路用性能

魏克森

山东建筑大学 山东济南 250101

摘 要：随着高速发展而带来的交通量迅速增长，车辆大型化，超载严重及公路渠化等，许多沥青路面在通车不久就发生不同类型的损坏，例如车辙、断裂、拥包以及路面沉陷等，严重影响了道路的服务质量。参考法国的路面结构，从而在我国公路修筑工程中采用高模量沥青混合料，取得显著效果。文章结合工程实际，简述了高模量沥青混合料的各项性能。

关键词：高模量；沥青混合料；路用性能

高模量沥青混合料是起源于法国的一种新型路面材料，其设计思想是通过改善混合料矿料的沥青胶浆性能、颗粒形状与级配、沥青含量与性能等方式，使沥青混合料具有较高模量，以减少车辆荷载作用下沥青混凝土产生的塑性变形，提高路面高温抗车辙能力，改善沥青混凝土抗疲劳性能。高模量沥青混凝土在国外的使用已经十分成熟，尤其在法国已颁布了与之配套的混合料组成设计规范。但是在中国，针对高模量沥青混凝土的研究还处于初级阶段，对高模量沥青混凝土的材料组成和性能评价都缺乏系统的了解。

1 定义及作用机理

高模量沥青混凝土（HMAC）是一种整体模量较高、抗疲劳性能良好的路面材料。按照法国沥青混合料设计规范体系的定义，只有当动态模量(15 ℃，10Hz)大于14000MPa时，这种沥青混凝土才可以被称为高模量沥青混凝土。作用机理主要是通过提高沥青混凝土的模量，减少车辆荷载作用下沥青混凝土产生的应变，提高路面抗高温变形能力，改善沥青混凝土的疲劳性能，从而延长路面的使用寿命，提高服务质量。现行制备的方法有三种：①采用低标号硬质沥青（20#沥青）作为胶结料制备高模量改性沥青混凝土；②以天然沥青或其他改性剂制备高模量改性沥青，实现沥青混凝土的模量改进；③以功能性添加剂直接在沥青混合料拌合时加入，以普通石油沥青为胶结料制备高模量沥青混凝土。

2 沥青混合料组成设计方法的对比

法国公路管理局在总结一系列研究成果的基础上，于20世纪90年代初制定了一套沥青混合料设计规范体系(NFP— 140)。通过对中法两国沥青混凝土材料设计方法的对比，总结出2种方法在级配、成型方法、沥青用量确定和验证试验等方面的不同之处，见表1。

表1 中法两国沥青混合料设计方法的对比

设计环节	法国	中国	备注
提高模量的途径	低标号沥青； 高模量添加剂	需考虑两种途 经的适用性
级配类型	EME-14、EME-20	AC-20、AC-25	仅限于中下面层
成型方法	旋转压实仪成型	马歇尔击实仪成型
确定沥青用量	丰度系数K	马歇尔设计方法
验证试验	车辙试验；水损害试验（Duriez试验）；疲劳试验	马歇尔实验；水损害试验（浸水马歇尔和动容劈裂试验）

表1说明，法国使用的沥青混合料设计规范体系与中国设计方法相比，具有不同的设计理论和试验方法，要在中国推广高模量沥青混凝土，直接照搬法国沥青混合料的设计方法是行不通的，必须结合中国现有的试验方法，针对高模量沥青混凝土的特点，在现有马歇尔设计方法的基础上，调整各个设计环节，总结出适合中国的高模量沥青混凝土组成设计方法,使得沥青混合料的性能既能满足中国《公路沥青路面施工技术规范》的要求，又能尽量接近法国规范体系中的各项要求。

3 材料组成

3.1 集料

1）粗集料

在所有沥青混合料的组成成分中，粗集料主要起着骨架和支撑的作用，高模量沥青混凝土中的粗集料需要具备一定的强度，同时需要棱角分明。所以质量比较差的粗集料不能用在高级沥青路面和高模量沥青混凝土的施工过程中。

2）细集料

细集料在混合料中主要是起到对粗集料之间的骨架间隙的填充作用，让集料整体不易发生移动，让沥青混合料更加密实，提升混合料的整体路用性能。同粗集料一样，筛选细集料时要严格控制针片状集料的含量，细集料颗粒的形状宜有棱角且接近正方体，这种细集料使得集料间嵌挤作用更强，通过进一步提高集料间的内摩阻力来达到提高混合料模量的目的。

3.2 矿粉：

在矿粉颗粒中直径大于沥青薄膜厚度的大颗粒会与沥青结合而形成沥青胶浆来填满集料之间的小空隙以保证混合料的孔隙率，而小颗粒在沥青混合料中则作为沥青载体与沥青结合形成胶浆会导致沥青路面泛油，降低沥青混凝土的强度、抗疲劳和抗老化性能等后果。所以在选用矿粉时应选择采用粉碎磨细后的石灰岩和白云石等碱性材料，因为碱性材料一般不易和沥青粘结成胶浆。

3.3 沥青：

一种是使用低标号沥青即30#以下的沥青，主要采用的是20#沥青；另一种是采用PR.M高模量添加剂而并不使用低标号沥青的办法来制得高模量沥青混合料，所以在高模量沥青混合料室内试验试件的制备过程中采用70#普通基质沥青。

3.4 外掺剂：

在研究过程中所选用的高模量添加剂为进口的PR-Module，外观主要呈黑色颗粒状，略有刺激性气味，详细参数见表2。法国路面材料实业公司推荐外掺剂PR-Module的掺加量为沥青混合料总质量的0.5%-0.8%。它的特点主要是提高路用性能，降低路面厚度，降低能耗，增加路面寿命及减低造价；作用机理是在拌合过程中，因为高温与骨料间的剪切力的共同和反复的作用被磨成纤维状或饼状物质而均匀地分散到沥青混合料中，在这个过程中PR.M添加剂主要起到嵌挤、加筋以及胶结的作用，因此不仅对沥青起改性作用，还对沥青混合料的整体结构起到改性作用。

表2 PR-Module外掺剂技术指标

性质	单位	数值
熔点	℃	175
颜色	—	灰色
直径	Mm	5
密度	G/cm3	0.93-0.965

4 成型方法

先将达到规定拌合温度的热集料放入实验室的沥青混合料拌合器中，加入一定量的PR.M高模量添加剂，进行干拌，在最佳拌合温度时将沥青加入，进行拌合，然后再加入矿粉拌合至均匀，最终形成高模量沥青混合料。

通过室内试拌试验发现，PR.M外掺剂在175℃～180℃与集料干拌15s，能使其迅速软化成不规则的扁平状，与集料具有很好的相融性，分散均匀，无凝结成团现象。考虑到高温拌和有利于外掺剂迅速软化，可减少高模量沥青混凝土的拌和时间。因此，高模量沥青混凝土拌和温度应该高于普通沥青混合料的温度。再考虑到室内拌和时会有较多的热量散失，确定HMAC的拌和温度170℃～175℃。

普通沥青混合料拌和时间约为40s，而高模量沥青混凝土由于外掺剂的加入，需要有足够的拌和时间,使得外掺剂能够融化。因此每次拌和完毕后,将热沥青混合料取出散开，用肉眼观察是否有外掺剂的残片，根据多次试拌和结果，最终确定混合料拌合时间为45s。

5 性能验证

5.1 高温抗车辙性能

通过车辙试验测定的动稳定度为评价指标，从而对高温稳定性进行评价。高模量沥青混合料要求动稳定度（60℃，0.7Mpa）不小于4000次/mm，周朝晖^[4]通过试验对30#硬质沥青混合料进行动稳定度分析，发现具有良好的高温抗永久变形能力，大幅度降低车辙现象。

5.2 低温抗开裂性能

沥青混合料在低温下，柔性降低，脆性增大，变形能力降低，容易产生开裂现象。一般采用沥青混合料小梁低温弯曲试验来评价混合料的低温抗裂性能。添 加高模量改性剂或者天然岩沥青后，沥青混合料的高温性能显著提升，高模量沥青同样有很好的低温抗裂性。

5.3 水稳定性

通过进水马歇尔试验测定残留稳定度或冻融疲裂试验测定冻融劈裂强度比来评价高模量沥青混合料的水稳定性，通过试验得出其测定指标符合规范要求，并且PR.M添加剂可显著提高沥青混合料的水稳定性。

6 结语

法国高模量沥青混凝土组成设计方法与中国设计方法在级配类型、成型方法、沥青用量的确定和验证试验等方面存在较大差异，因此无法直接使用法国设计方法进行适用于中国的高模量沥青混凝土的材料组成设计。通过一系列实验，发现使用高模量沥青混凝土的各项技术指标均符合规范要求，其中高温性能有显著提高，因此，在高等级路面施工时建议广泛使用高模量沥青混凝土。

参考文献

王善巍.高模量沥青混凝土技术应用研究[J].内蒙古公路与运输，2015

王立志.添加剂型高模量沥青混合料作用机理[J].长安大学学报，2015

赵毅.PR-Module改性沥青混合料力学性能[J].长安大学学报，2015

周朝晖．对硬质沥青混合料低温性能分析[J].四川建材，2015.