高模量瀝青混凝土材料組成研究

摘 要：通過分析瀝青混凝土強度形成的機理，提出瀝青粘度、集料性質、混合料級配類型、粉膠比和外摻劑等是影響瀝青混凝土模量的主要因素，并據此對高模量瀝青混凝土的組成材料提出具體的要求。

關鍵詞：道路工程；高模量瀝青混凝土；材料組成；強度形成機理

前言

瀝青混凝土是由一定數量的瀝青與恰當比例的粗、細集料及填料組成符合規定級配的礦料拌和而制成的、符合技術標準的瀝青混合料，高模量瀝青混凝土與普通瀝青混凝土相比具有較高的力學強度，能夠降低瀝青混凝土在車輛荷載作用下發生的變形，提高路面抗高溫和疲勞能力，從而提高路面的服務質量。高模量瀝青混凝土由于在使用要求上與普通瀝青混凝土存在區別，材料組成上必然有所不同，因此文章主要對高模量瀝青混凝土組成材料的技術要求進行研究。

1 影響瀝青混凝土模量的因素

通常提高瀝青混凝土的強度主要有以下兩種途徑，一方面是加強集料顆粒棱角之間產生的嵌擠力和摩擦阻力；另一方面是提高瀝青材料自身的粘稠性及其與石料間的粘結力。從而可以得出，與瀝青混合料強度相關較為顯著的主要因素包括以下幾點：

1.1 瀝青粘度

瀝青結合料自身的特性是影響混合料整體強度和高溫抗變形能力的重要因素，在常溫和高溫條件下瀝青的勁度越強，粘稠度越大、與石料的粘附性越好，那么拌合形成的瀝青混合料力學強度和整體的抗變形能力也就越高。

1.2 集料性質

影響瀝青混合料的強度的因素主要包括顆粒形狀、集料粒徑的尺寸、表面粗糙度。有棱角且表面粗糙的骨料所構成的瀝青混合料強度明顯高于球狀光滑的骨料所構成的瀝青混合料強度。用尺寸較大、顆粒形狀均勻的礦料所組成的混合料強度要大于尺寸較小、顆粒形狀不均勻的礦料所組成的混合料。

1.3 混合料級配

瀝青混合料的級配是影響瀝青混凝土強度的主要因素之一。根據混合料中密實結構和嵌擠結構所占的比例不同，通常將瀝青混合料的結構分為懸浮-密實結構、骨架-空隙結構和骨架-密實結構。

1.4 粉膠比

按照近代膠漿理論的研究結果，瀝青混合料是一種由三級空間網狀膠凝結構組成的分散系，即粗分散系、細分散系和微分散系。以瀝青砂漿作為介質，以粗集料為分散相，這樣就形成了一種粗分散系；同理，以瀝青膠漿作為介質，以細集料為分散相而分散在其中，形成了一種細分散系；而微分散系是以高稠度的瀝青作為介質，以填料（即礦粉）為分散相而分散在其中形成的膠漿則是一種微分散系。瀝青與填料形成的膠漿在瀝青混凝土中主要起到填充粗細集料空隙和粘結作用，因此直接影響著瀝青混合料強度的形成。

1.5 外摻劑

在瀝青混合料中添加高模量專用外摻劑，可以顯著提高瀝青混凝土的模量。集料在加熱后進行干拌，此時將高分子專用外摻劑通過設備的投放口直接投入高速拌合的熱骨料上，外摻劑受熱后迅速軟化，熱骨料高速運動下產生的剪切力可以將受熱軟化的外摻劑研磨成片狀或纖維狀，待瀝青加入后便可均勻地分散在瀝青混合料中。在高溫下外摻劑處于粘性流體狀態，通過與石料之間的潤濕和浸潤作用，粘流態的外摻劑能夠均勻地包裹在礦料顆粒表面。在高速拌合旋轉過程中，外摻劑將不斷纏繞最終形成一個立體的網狀結構，從而將集料顆粒牢固地限制在網狀體，當施工結束，溫度降低后，處于彈性狀態的外摻劑與礦料膠結的界面可以形成很高的剛度和強度，瀝青混合料的整體力學強度會因此得到顯著提高。

2 高模量瀝青混凝土材料組成的要求

2.1 瀝青

低標號瀝青是指直餾道路石油瀝青和通過各種調和技術獲得的瀝青，特點是針入度低，粘度高，軟化點高，具有較高的力學強度和較好的高溫穩定性。低標號瀝青常溫下具有較高的力學強度，在高溫條件下具有良好的抗車轍性能，同時還有相對較為低廉的價格，在國外（尤其在歐洲）有比較成功的應用先例。在我國現行的《瀝青路面施工技術規范》中，關于道路石油瀝青的分類提出了50#和30#瀝青的技術要求和使用范圍，低標號瀝青的應用研究也逐漸得到開展。

作為制備高模量瀝青混凝土的原材料，50#瀝青和30#瀝青將是優先選擇的對象。考慮到高模量瀝青混凝土使用的主要環境是交通量較大、受力環境較為惡劣的路段，因此對低標號瀝青的技術指標要求也較為嚴格，在有條件的情況下盡量選用《瀝青路面施工技術規范》中的A級低標號瀝青。

2.2 集料

對于粗集料，集料的磨光值、磨耗值、瀝青粘附性、壓碎值、針片狀含量等指標應滿足高速公路瀝青路面的集料標準；在巖種選擇上，應優先選擇優質石灰巖、玄武巖、安山巖、花崗巖等巖質堅硬的集料。對于細集料，盡量選擇無風化、無雜質、干燥、潔凈，同時具有一定顆粒級配的集料，其各項技術指標應滿足高速公路瀝青路面的集料標準。

2.3 粉膠比

前文中提到，瀝青與礦粉之間所形成的瀝青膠漿是影響瀝青混凝土使用性能的重要因素。礦粉與瀝青之間的吸附過程復雜且多樣。如果粉膠比過大，即礦粉比例過大，那么膠漿內沒有足夠的自由瀝青起介質作用，瀝青全部被填料吸收，整個膠漿粘稠度過高，混合料容易發脆、發硬，瀝青混合料的低溫抗變形能力較差。相反，如果粉膠比過小時，即礦粉比例過小，瀝青與礦粉之間無法形成完全的膠漿，剩余的游離瀝青過多，填料之間易產生滑移，無法與粗細集料形成良好的粘附。在綜合考慮瀝青膠漿的高溫性能、低溫性能后，提出高模量瀝青混凝土適宜的粉膠比范圍為1.0～1.4。試驗表明，當粉膠比在此范圍內時，瀝青混凝土的整體強度得到改善的同時，也保持了較好的低溫抗裂性能。

2.4 集料級配

綜合對比瀝青混合料的三種結構類型后，發現骨架-密實型結構可以兼顧其它兩種結構類型的優點，骨架由粗集料擔當，細集料和瀝青則能夠很好地填充粗集料中的孔隙，一方面集料之間能夠形成良好的嵌擠作用，另一方面形成的瀝青混凝土結構密實、空隙率低，具有較高的力學強度和高溫抗永久形變能力，抗滲性能良好，在選擇高模量瀝青混凝土級配類型，首選骨架密實型的級配類型。我國現行的《瀝青路面施工技術規范》在深入研究集料骨架的形成規律后，對瀝青混合料級配組成，特別是集料組成設計朝著骨架密實方向進行了全面的改進，改進后的連續級配AC類混合料具備較強的骨架密實特性，使得瀝青混合料的抗車轍、抗滑、抗滲等性能同時得到改進。因此，對于高模量瀝青混凝土集料級配的選擇，可以參考《瀝青路面施工技術規范》的集料級配范圍。

2.5 外摻劑

高模量外摻劑是以提高瀝青混凝土在車輛荷載下的力學強度為目的的，可以在提高模量的同時，使瀝青混合料的高溫穩定性得到改善。其作用原理是外摻劑在受熱和剪切作用下變形后與礦料形成了復雜的立體網狀結構，礦料顆粒被牢固地限制在外摻劑纏繞后形成的立體網絡中，從而大幅度提高瀝青混凝土的整體力學強度。

3 結束語

（1）瀝青混合料的強度主要來源于瀝青與礦料間的粘結力以及集料顆粒之間的嵌擠力，瀝青粘度、集料性質、混合料級配類型、粉膠比和是否使用外摻劑等是影響瀝青混凝土模量的主要因素。（2）制備高模量瀝青混凝土可以選擇使用50#、30#低標號瀝青，或高模量專用外摻劑的途徑，應使用強度高、棱角性良好、耐磨性的集料，選擇骨架密實型級配或改進后的具備較強骨架密實特性的連續級配，利用馬歇爾設計方法確定最佳瀝青用量，并注意將粉膠比控制在1.0～1.4范圍內。

參考文獻

[1]周慶華.高模量瀝青混凝土性能與路面結構研究[D].長安大學，2010.

[2]張爭奇，張衛平，李平.瀝青混合料粉膠比[J].長安大學學報（自然科學版），2004，24（5）：7-10.

作者簡介：周慶華（1977，10-），女，漢，河南省新鄉市，博士研究生，副教授，研究方向：道路材料與工程管理。