高模量瀝青混凝土的路用性能指標及應用

王忠鋒，左連濱，穆 巖

（1?呂梁宇星公路勘察設計院，山西呂梁 033000；2?北京中交華聯科技發展有限公司，北京 100101；3?北京中交路通科技發展有限公司，北京 100101）

高模量瀝青混凝土的路用性能指標及應用

王忠鋒1，左連濱2，穆 巖3

（1?呂梁宇星公路勘察設計院，山西呂梁 033000；2?北京中交華聯科技發展有限公司，北京 100101；3?北京中交路通科技發展有限公司，北京 100101）

針對內蒙古干線公路瀝青混凝土路面耐久性不足的問題，提出采用高模量瀝青混凝土的方法進行維修；研制了一種可用于瀝青路面面層的高模量瀝青混凝土增模劑，并在此基礎上提出了內蒙古地區高模量瀝青混凝土路用性能指標的合理取值范圍。結合實際工程，對試驗路段的滲水系數、構造深度及摩擦系數等指標進行了跟蹤檢測。結果表明：高模量瀝青混凝土的整體性能及耐久性都有較大提高，適用于內蒙古中、西部地區特殊氣候條件下的瀝青路面。

高模量改性劑；瀝青混凝土；路用性能；配合比設計

0 引 言

內蒙古自治區地域廣袤，橫跨中國的東北、華北、西北三大區，夏季短暫炎熱，冬季漫長嚴寒，降雨少且不均勻，形成了特色鮮明的氣候特點。近年來內蒙古自治區經濟迅猛增長，重車數量增加，超載現象頻繁，各等級公路的養護需求也隨之復雜。在高溫季節，瀝青路面需要具備較高的穩定性，以抵抗由于重載車輛或渠化交通帶來的破壞變形；在寒冷季節，瀝青路面需要具備較好的柔韌性，以抵抗由溫度收縮帶來的低溫開裂；另外，路面結構設計不合理或厚度不足，也會使瀝青路面發生早期破壞（如車轍、坑槽、擁包及裂縫等病害），導致路面使用性能迅速惡化。上述現象不僅增加了路面維修成本，也造成了人力、物力資源的嚴重浪費。在這樣的情況下，如何提高瀝青路面面層材料的整體性能，改善面層材料的疲勞性能和抗變形能力，從而延長瀝青路面的使用壽命，成為目前道路工程中亟待解決的問題。

本文結合內蒙古國省干線公路常見的道路病害形式，提出采用高模量瀝青混凝土對其進行大中修養護。首先，利用室內試驗對高模量增模改性劑材料的組成及作用機理進行分析；然后，研究高模量瀝青混凝土的拌和工藝、拌和時間以及拌和溫度等；在此基礎上提出適用于內蒙古干線公路高模量瀝青混凝土路用性能的評價指標體系；結合試驗路的鋪筑，對瀝青路面評價指標進行跟蹤觀測，分析其應用效果。

1 高模量改性劑組成及作用機理

1．1 高模量改性劑的研制

目前市場上出現了很多高模量改性劑，包括法國PR增模劑、中路高模量抗車轍劑以及RPS高模量增模改性劑等［1?3］。在這些增模劑中，法國PR增模劑為進口產品，價格相對較貴；中路高模量抗車轍劑的摻加量一般為瀝青混合料的0?4%～0?6%，該增模劑在瀝青混合料中的熔點較高，因此該產品所改善的瀝青混合料性能不穩定。通過對瀝青路面結構和材料的多年研究，本試驗自主研發了RPS高模量增模改性劑，無論在經濟成本上還是性能穩定性方面，都有了較大提高。

本文利用高分子聚合物、巖瀝青、橡膠粉和其他超黏材料，研制了瀝青路面抗車轍RPS高模量增模改性劑，如圖1所示，產品結構組成如表1所示。RPS高模量增模改性劑的主要特點有：熔點控制在120℃～130℃，在混合料拌和階段直接加入混合料中，提高瀝青路面的強度和剛度，不會降低瀝青混合料的低溫抗裂性能，且節能環保，可重復利用。

1．2 高模量改性劑的作用機理

圖1 RPS增模改性劑

表1 RPS改性劑組分

使用高模量增模改性劑的目標是提高瀝青混凝土在車輛荷載下的力學剛度［4?7］。根據瀝青混合料的強度構成原理，主要有表面理論和膠漿理論2種強度理論。表面理論認為瀝青混合料模量的增加主要是內摩擦角的增大和黏聚力的增強；膠漿理論則認為瀝青混合料處于一種三級分散體系中，瀝青膠漿材料性能對混合料的強度起決定性作用。

當RPS高模量增模改性劑加入瀝青混合料時，首先與集料產生反應，在高溫下熔融分解，攪拌過程中與集料形成強大的界面力，同時增模劑中的高分子聚合物形成聚合物晶體，使基體瀝青在混合料中得到強化。另外，加入熱瀝青后，增模劑可吸收瀝青中的輕質油分從而改性瀝青，同時形成一種膠結體系，該體系具有立體纖維網狀結構，提高了瀝青混合料的整體強度。上述增模改性劑的作用機理如圖2所示。

圖2 增模劑作用機理

2 高模量瀝青混凝土的配合比設計

2．1 級配及拌和工藝

使用高模量增模改性劑時，在任何摻量下均不改變瀝青混合料的級配。因此，本試驗的礦料級配與普通混凝土的礦料級配一樣。現場拌和RPS高模量瀝青混合料的工藝較為簡單：首先加入熱集料，并利用專用的投料機設備將高模量改性劑加入拌鍋干拌一定時間；然后噴入熱瀝青進行濕拌；最后加入礦粉拌和直至均勻。

2．2 外摻劑干拌時間

由RPS增模劑的作用機理可知，將適量的高模量增模改性劑投入熱集料進行干拌時，由于集料表面粗糙、多棱角，在與增模劑相互作用時，產生的剪切和擠壓作用使增模劑均勻地分布其中。若干拌時間過長，不僅影響瀝青混合料的施工進度，還會浪費拌和站的能源成本；若干拌時間過短，則RPS增模劑熔融不充分，材料組成不能有效釋放，反而有一定的副作用。因此，必須得出最佳干拌時間。

本文通過大量試驗，綜合考慮各方面影響因素，既要充分發揮高模量增模改性劑的相關改性作用，又要降低生產成本，最終確定最佳干拌時間為20 s。

2．3 混合料拌和溫度

混合料拌和溫度也是影響高模量瀝青混凝土性能的重要因素之一。在拌和過程中，如果混合料溫度較高，則加入的瀝青很容易老化，使瀝青混合料的低溫抗裂性不足；如果混合料溫度偏低，則高模量增模劑不能較好地相融，無法發揮增模作用。

本文經過大量試驗發現，當溫度在170℃時，瀝青混合料成品質量均勻，其穩定度、空隙率等指標也達到最佳。因此，確定高模量瀝青混凝土的拌和溫度為170℃。

2．4 確定最佳油石比

本文瀝青混合料級配采用AC?16，按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的規定，分別采用5個油石比進行設計級配的馬歇爾擊實試驗，結合混合料在不同油石比下的性能確定最佳油石比。其中，增模劑RPS摻量為0?4%，干拌時間為20 s，瀝青加熱溫度區間為160℃～165℃，集料加熱到185℃，混合料拌和溫度為170℃。馬歇爾試驗過程與普通瀝青混合料相同，由此得出高模量瀝青混合料的最佳油石比。

3 高模量瀝青混凝土路用性能指標研究

本文選取內蒙古國省干線公路沿線錫林郭勒、烏蘭察布、包頭、鄂爾多斯和阿拉善等5個盟市大中修路面進行分析，研究不同增模劑摻量下（0、0．2%、0．4%、0．6%）的力學性能、高溫穩定性、水穩定性和低溫抗裂性，并提出相應的指標取值范圍。

3．1 回彈模量

根據高模量瀝青混凝土的相關規定［8?9］，當瀝青混合料的模量達到一定要求時才可以被稱為“高模量瀝青混凝土”。因此，高模量瀝青混凝土的力學性能是非常重要的一個考量指標。在國外一般采用動態模量進行劃分定義，但是中國針對瀝青混合料的動態模量研究較晚，試驗設備及人員培訓還達不到相應要求。由于國內瀝青路面結構設計時使用的材料參數為抗壓回彈模量，且瀝青混合料靜態回彈模量的研究在國內已非常成熟，因此本文把回彈模量作為高模量瀝青混凝土的評判指標，并提出回彈模量的參數界限范圍。靜態模量試驗結果如圖3所示。

圖3 回彈模量試驗結果

由圖3可知，摻加RPS增模劑的高模量改性瀝青混合料的靜態彈性模量明顯大于普通瀝青混合料。增模劑摻量從0．2%增加到0．4%時，回彈模量增大幅度較大；當摻量從0．4%增加到0?6%時，回彈模量的增大幅度較小。

王修山等的研究表明，當外摻劑用量增加至混合料的0?7%時，瀝青混凝土的回彈模量增加幅度平均可達到50%左右［10］。因此，提出高模量瀝青混凝土回彈模量的取值范圍，如表2所示。在結構設計時可在該范圍內選取合適的數值。

表2 回彈模量參數選取范圍

3．2 高溫穩定性能

為了保證高模量瀝青混凝土具有良好的高溫穩定性，對混合料高溫性能的技術指標提出具體要求。車轍試驗結果如圖4所示。

圖4 動穩定度試驗結果

從圖4可以看出，隨著增模劑摻量的增加，動穩定度逐漸增大。與回彈模量增加規律的不同在于，當增模劑摻量增加到0．6%時，動穩定度增大幅度也較大，而回彈模量的增大幅度趨于平緩。為了更好地發揮其抵抗車轍的能力，在相關規范的基礎上，本文提出高模量瀝青混凝土的動穩定度最低限值，如表3所示。

表3 高模量瀝青混凝土車轍技術要求

3．3 低溫抗裂性能

高模量瀝青混凝土小梁低溫彎曲試驗結果如圖5所示。

圖5 彎拉應變試驗結果

由圖5可知，與基質瀝青混合料的低溫彎拉應變相比，加入RPS增模劑的高模量瀝青混合料的彎拉應變提高較大，隨后彎拉強度增大幅度不明顯。本文提出高模量瀝青混凝土的低溫性能指標要求，如表4所示。

表4 高模量彎拉應變選取范圍

3．4 水穩定性能

高模量瀝青混凝土水穩定性試驗結果如圖6、7所示。

圖6 浸水馬歇爾殘留穩定度比

圖7 凍融劈裂殘留強度比

由圖6、7可知，摻加RPS增模劑的瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂殘留強度比較基質瀝青混合料有所提高；隨著增模劑摻量的增加，浸水殘留穩定度和凍融劈裂殘留強度比均有所提高。為了保證高模量瀝青混凝土優越的水穩定性能，且更好地發揮高模量瀝青混凝土抵抗水損壞的能力，提出高模量瀝青混凝土的水穩定性能建議值，如表5所示。

表5 高模量瀝青混凝土水穩定性要求

4 工程實施效果

為了進一步驗證高模量瀝青混凝土的性能，在內蒙古錫林郭勒盟干線S308公路上鋪筑高模量瀝青混凝土試驗路。由于試驗路段大部分基層已經破損，墊層、土基均有不同程度損壞，需要先對原基層損壞部分進行維修處理，然后換填。補強維修方案為：20．0 cm水穩基層、5?0 cm AC?16RPS（4．0‰）高模量瀝青混凝土面層。

高模量瀝青混凝土試驗路施工完成后，對其滲水系數、構造深度、摩擦系數等指標進行檢測［11?15］，結果如圖8～10所示。

圖8 滲水系數檢測結果

圖9 構造深度檢測結果

圖10 摩擦系數檢測結果

檢測結果表明，在試驗路通車近2年后，高模量瀝青混凝土的各項檢測指標都能滿足規范要求，且優于未摻加增模劑的普通瀝青混凝土，路面無明顯車轍和開裂現象。

5 結 語

（1）研究了一種可用于瀝青路面面層的高模量瀝青混凝土RPS增模劑，它主要由高分子聚合物、巖瀝青、橡膠粉等多種無機物復合加工而成，其熔點控制在120℃～130℃之間，比普通瀝青混凝土具有更好的相融性，能更好地發揮增模劑的作用。

（2）針對RPS增模改性劑形成的高模量瀝青混凝土，提出了適合內蒙古地區高模量瀝青混凝土的指標評價范圍，其中回彈模量大于1 800 MPa，動穩定度大于4 800次·mm－1，最大彎拉應變大于2 600με，凍融劈裂殘留強度比大于85%。

（3）對內蒙古地區現場試驗路的鋪筑以及施工前后檢測指標的對比分析表明，高模量瀝青混凝土的整體性能及耐久性都有較大提高，是能夠應用于內蒙古中、西部地區特殊氣候條件下的瀝青路面。

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［責任編輯：王玉玲］

Study on Performance Index of High Modulus Asphalt Concrete and Its Application

WANG Zhong?feng1，ZUO Lian?bin2，MU Yan3
（1．Luliang Yuxing Highway Survey and Design Institute，Luliang 033000，Shanxi，China；2．Beijing Zhongjiao Hualian Technology Development Co．，Ltd．，Beijing 100101，China；3．Beijing Zhongjiao Lutong Technology Development Co．，Ltd．，Beijing 100101，China）

Aiming at the problem of insufficient durability of asphalt concrete pavement on the trunk roads of Inner Mongolia，it was proposed to treat with high modulus asphalt concrete．A modulus modifier fit for the surface course of asphalt pavement was developed，based on which a reasonable range of performance indices for high modulus asphalt concrete applied in Inner Mongolia was put forward．Combined with the practical use in projects，the tracking and detection of the seepage coefficient，texture depth and friction coefficient and other indicators were conducted on the test roads．The results show that the overall performance and durability of high modulus asphalt concrete are greatly improved，and it can be applied to asphalt pavement under special climatic conditions in the middle and western regions of Inner Mongolia．

modulus modifier；asphalt concrete；pavement performance；mix design

U416．212

B

1000?033X（2017）08?0062?05

2017?01?17

王忠鋒（1972?），男，山西臨縣人，工程師，從事公路勘察設計工作。