高模量瀝青混合料應(yīng)用綜述

章秀麗

(浙江寶盈物資集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 310020)

交通量的增長(zhǎng)、軸載增加、超載嚴(yán)重、車輛渠化交通、持續(xù)高溫天氣等因素的綜合影響，車轍已經(jīng)成為瀝青路面最嚴(yán)重的早期破壞形式之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在高等級(jí)公路維修原因中，車轍病害發(fā)生比率高達(dá)80%以上。基于抗車轍性能的路面新材料的研究與開發(fā)已經(jīng)成為公路界研究和關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。另外，在市政工程中在對(duì)舊路進(jìn)行翻修、改造時(shí)路面標(biāo)高往往受到限制，需要控制面層結(jié)構(gòu)厚度，采用傳統(tǒng)的瀝青混合料在較薄的厚度下通常無(wú)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(shí)降低路面結(jié)構(gòu)層厚度，也成為棘手問(wèn)題。

瀝青混凝土的彈性模量及瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合是影響車轍深度即瀝青路面產(chǎn)生永久變形的關(guān)鍵參數(shù)。采用高模量瀝青混凝土可顯著降低荷載作用下瀝青層應(yīng)變，減小瀝青混合料高溫塑性變形，進(jìn)而提高路面抗車轍能力。因此，歐美等國(guó)家長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)及AASHTO路面設(shè)計(jì)中都對(duì)提高瀝青混凝土彈性模量提出具體指標(biāo)要求。

對(duì)于我國(guó)普遍采用的典型半剛性基層瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)中4～10 cm范圍內(nèi)為壓應(yīng)力的高值區(qū)，3～8 cm范圍內(nèi)為剪應(yīng)力高值區(qū)，這兩個(gè)應(yīng)力高值區(qū)處于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的中面層。而我國(guó)瀝青路面的中面層大多采用以70#瀝青為結(jié)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(xiàn)嚴(yán)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(yīng)用得到廣泛關(guān)注。按照法國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)規(guī)范體系(NFP-140)，動(dòng)態(tài)模量(15℃，10Hz)大于14,000 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(jié)構(gòu)的變形，延緩車轍的產(chǎn)生，改善路面的疲勞性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命。

針對(duì)當(dāng)前路面的諸多問(wèn)題，采用新型路面材料成為國(guó)內(nèi)外研究者的共識(shí)，在國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)應(yīng)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(jiǎn)稱HMAC）憑借其優(yōu)越的性能越來(lái)越受到關(guān)注。使用HMAC能夠減少路面結(jié)構(gòu)的變形，延緩車轍的產(chǎn)生，改善路面的疲勞性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命。

目前主要三種方法制備高模量瀝青混凝土：（1）采用低標(biāo)號(hào)瀝青結(jié)合料(如30號(hào)瀝青)；（2）采用高模量添加劑 (如法國(guó)PR，德國(guó)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(guó)外70%以上采用（1）方案，其優(yōu)點(diǎn)為高模量瀝青混凝土造價(jià)低、施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。

1 國(guó)外應(yīng)用概況

從廣泛意義上分析，高模量瀝青混合料（EnrobéàModule?levé/EME）的理念來(lái)源于法國(guó)和美國(guó)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），其應(yīng)用的主要目的為：(1)提高路面抗車轍能力；(2)減薄路面厚度；(3)提高路面耐久性。高模量瀝青混合料已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一，目前高模量瀝青混合料主要應(yīng)用于法國(guó)、美國(guó)、英國(guó)和北非部分國(guó)家。

HMAC最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代的法國(guó)，并以GBTHP（路面專用瀝青處治砂礫）的名字取得了專利。其最早的應(yīng)用始于1981年，作為基層用于舊路面結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)，1985年以后使用數(shù)量有所增長(zhǎng)。另外，法國(guó)還根據(jù)豐度系數(shù)K將HMAC分為3類，并分別命名為EME1、EME2、EME3，3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(wěn)定性也相對(duì)優(yōu)良，目前法國(guó)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(dāng)，但該種材料的耐久性、抗疲勞能力均不高，主要用于路面結(jié)構(gòu)的受壓縮層中，故并沒有得到廣泛應(yīng)用。

法國(guó)經(jīng)過(guò)二十多年的研究形成的HMAC標(biāo)準(zhǔn)NFP98-140，對(duì)配合比設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均有特定的方法。目前在法國(guó)國(guó)內(nèi)采用的HMAC，主要通過(guò)兩種途徑來(lái)制備：一是采用低標(biāo)號(hào)瀝青，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(zhì)主要取決于正確的混合料設(shè)計(jì)，法國(guó)將HMAC設(shè)計(jì)為具有較高結(jié)合料用量和較低空隙率的設(shè)計(jì)理念值得借鑒。這種設(shè)計(jì)理念可以彌補(bǔ)混合料疲勞、抗裂性不足所帶來(lái)的一些問(wèn)題。其基本思想是：采用硬質(zhì)瀝青設(shè)計(jì)油石比大約6%的高瀝青用量的混合料，通過(guò)瀝青本身的品質(zhì)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(huì)有所減小，瀝青用量的增大提高了混合料的密實(shí)度和抗疲勞能力。在法國(guó)，HMAC還經(jīng)常與很薄的瀝青混合料(VTAC)磨耗層結(jié)合起來(lái)使用，以減少路面車轍。具有的優(yōu)點(diǎn)：(1)HMAC抗車轍性強(qiáng)，且其低空隙率和高硬度能保護(hù)基層；(2)VTAC采用斷級(jí)配，其抗滑性能及抗滑耐久性優(yōu)良。此外，法國(guó)的研究表明：使用HMAC可以降低道路建設(shè)成本。

英國(guó)[6～7]先后于1994和1997年對(duì)硬質(zhì)瀝青及其混合料進(jìn)行研究，并建立長(zhǎng)壽命路面的耐久性研究項(xiàng)目，主要針對(duì)硬質(zhì)瀝青及混合料的抗老化、抗裂性能進(jìn)行研究。

意大利[8]曾對(duì)HMAC和三種改性瀝青混合料基層展開調(diào)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(shí)際效果，還提出了正確使用HMAC基層的要點(diǎn)。

葡萄牙針對(duì)炎熱的氣候，展開了對(duì)HMAC抵抗車轍能力的研究，通過(guò)對(duì)16km試驗(yàn)路的跟蹤測(cè)試，總結(jié)了HMAC的永久變形參數(shù)，從而為準(zhǔn)確預(yù)估車轍量提供依據(jù)。

美國(guó)在2004年發(fā)起了對(duì)HMAC作為永久性瀝青路面中、下面層的研究，并著重對(duì)HMAC的設(shè)計(jì)方法和費(fèi)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(jié)構(gòu)組合，通過(guò)材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)能夠使用50年以上，采用較厚的瀝青層柔性路面，降低了傳統(tǒng)的瀝青層底開裂和避免結(jié)構(gòu)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(fù)，使得瀝青路面在使用年限內(nèi)不需要大的結(jié)構(gòu)性重建。在美國(guó)高模量瀝青混合料是一個(gè)比較寬泛的概念：泛指使用采用PG較高如76-22分級(jí)的膠結(jié)料、采取更好的骨架嵌擠獲得的相對(duì)較高模量的混合料，美國(guó)并沒有專門的閾值和專門的規(guī)范，而在法國(guó)，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(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 永久路面結(jié)構(gòu)示意圖

2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用概況

國(guó)內(nèi)在HMAC研究方面尚處于起步階段。中國(guó)石化集團(tuán)石油化工科學(xué)研究院、遼寧省高等級(jí)公路建設(shè)局經(jīng)過(guò)近兩年半的科技攻關(guān)，項(xiàng)目取得了一系列科研成果 [11]：自主研發(fā)的HMAC外摻劑(改性PE／PP)填補(bǔ)了我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平；在國(guó)內(nèi)率先提出了以提高瀝青混合料模量作為解決路面高溫穩(wěn)定性不足的技術(shù)途徑，并研究提出了提高瀝青混合料模量的兩種主要技術(shù)方案；提出了45℃，10Hz條件下動(dòng)態(tài)模量達(dá)到2000MPa，45℃，0.1Hz 條件下達(dá)到 500MPa 以上，作為HMAC的界定標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)調(diào)研和室內(nèi)研究，研究開發(fā)出高模量低標(biāo)號(hào)瀝青工藝、并提出其技術(shù)指標(biāo)；2006年分別在撫順-南雜木高速公路路面中面層鋪筑了2.7km，鶴崗-大連二級(jí)公路(東港段)路面上面層鋪筑了2km試驗(yàn)路的基礎(chǔ)上，提出了施工工藝和質(zhì)量控制指標(biāo)。長(zhǎng)安大學(xué)沙愛民教授對(duì)HMAC路面應(yīng)用進(jìn)行了研究[12]，在室內(nèi)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合河南撫項(xiàng)高速公路的修筑以及通車后的檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)過(guò)兩年多的試驗(yàn)研究，最終提出了能夠進(jìn)一步提高抗車轍能力和降低瀝青用量的適合我國(guó)瀝青路面修筑條件的HMAC級(jí)配選用方法；提出了以我國(guó)現(xiàn)行瀝青混合料馬歇爾設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)的HMAC配合比設(shè)計(jì)方法;結(jié)合路面實(shí)體工程的鋪筑提出了HMAC路面的施工工藝。重慶交通大學(xué)何兆益教授對(duì)高模量瀝青混合料路面新結(jié)構(gòu)及應(yīng)用進(jìn)行了研究[13]。自行開發(fā)和設(shè)計(jì)了直接剪切儀、直接拉伸儀和加壓滲水儀，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究和評(píng)價(jià)了多種高性能層間材料的抗剪、粘結(jié)和防水性能，并結(jié)合實(shí)體工程，推薦了高性能層間粘結(jié)材料及其最佳用量。通過(guò)汽車動(dòng)載模型振動(dòng)方程的分析與求解，建立了路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載的簡(jiǎn)化動(dòng)力荷載模型，提出了適用于重載交通條件、基于粘彈性動(dòng)力學(xué)理論的瀝青路面車轍計(jì)算方法，計(jì)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(guò)理論分析結(jié)合工程實(shí)際，提出高模量瀝青路面合理結(jié)構(gòu)建議。

長(zhǎng)沙理工大學(xué)鄭健龍教授對(duì)重交通條件下高模量瀝青混合料路面材料設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行了深入研究[14]。構(gòu)建了重交通條件下瀝青路面輪胎/路表復(fù)雜接觸應(yīng)力模型和高模量瀝青混合料路面復(fù)雜接觸應(yīng)力下的路面動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，對(duì)高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)、靜力學(xué)分析，揭示了高模量瀝青混合料路面路用性能提高的力學(xué)機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸載換算方程式。從高模量瀝青混合料的施工特性出發(fā)，提出了施工過(guò)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(zhì)量控制體系。

結(jié)語(yǔ)

高模量瀝青混合料方面，目前HMAC在法國(guó)已經(jīng)比較成熟，并且已有相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，按照法國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)規(guī)范體系(NFP-140)，動(dòng)態(tài)模量(15℃，10Hz)大于14,000 MPa的瀝青混凝土為高模量瀝青混凝土。但是法國(guó)HMAC的與我國(guó)現(xiàn)實(shí)存在較大差異，首先，從材料選擇上，法國(guó)的HMAC的生產(chǎn)主要是采用高摻量低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青方案獲得，我國(guó)目前主要是70號(hào)或90號(hào)瀝青，材料來(lái)源很不相同，所以我國(guó)目前的獲得HMAC的主要技術(shù)路線是采用高模量添加劑；其次，從設(shè)計(jì)方法上，法國(guó)采用以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)為成型方式，以豐度系數(shù)為設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，這與我國(guó)的規(guī)范中規(guī)定的傳統(tǒng)馬歇爾設(shè)計(jì)方法不完全一致，故而其設(shè)計(jì)方法不完全適用于我國(guó)現(xiàn)狀，需要加以修正和調(diào)整。再次，由于高模量瀝青混凝土的施工和易性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)普遍采用保證較高的拌合和壓實(shí)溫度，采用高強(qiáng)壓實(shí)功的方法保證高模量瀝青混合料的施工質(zhì)量。針對(duì)高模量瀝青混合料，應(yīng)進(jìn)一步研究，形成符合我國(guó)國(guó)情的成套技術(shù)。

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