高模量瀝青混合料生產與應用進展

郭 娜

(中海瀝青股份有限公司，山東 濱州 256600)

長期以來，瀝青路面由于具有行車舒適性、便于施工、維護路段開放速度快等特點，被廣泛應用在高速公路等路面的施工。隨著經濟的發展，人們對高質量路面的需求越來越大，但瀝青路面在高荷載、高溫、雨水沖刷等條件下，會出現車轍凹陷等問題，使路面嚴重變形，影響行車安全。因此，人們開始關注各種能夠提高路面穩定性，延長路面使用壽命的新型材料。高模量瀝青混合料(High Modulus Asphalt Concrete,HMAC)的設計理念開始進入人們視野，高模量瀝青混合料產生于法國，一般是指基質瀝青中加入高模量改性劑來提升瀝青混合料的動態模量，從而提高瀝青混合料的抗車轍能力。根據《道路用高模量抗疲勞瀝青混合料》GB/T36143-2018指標要求，生產高模量瀝青混合料用瀝青動態模量(45℃±0.5,10HZ±0.1)/MPa應大于4000。道路用高模量抗疲勞瀝青混合料性能要求見表1[1]。

表1 道路用高模量抗疲勞瀝青混合料性能要求

注：a在45℃±0.5℃溫度、10HZ±0.1HZ頻率條件下；b在15℃±0.5℃溫度、10HZ±0.1HZ，230με條件下；c在-10℃±0.5℃溫度條件下。

1 高模量混合料生產技術

目前，生產高模量瀝青混合料的方法主要有三種，一種是利用低標號的硬質基質瀝青，例如20號、30號基質瀝青；第二種是添加高模量添加劑，例如法國PRNDUSTRIE有限公司生產的PRPL.AST.M(簡稱PR.M)改性劑、EME改性劑，我國自主研發的改性劑、復合改性劑等；第三種是添加天然巖瀝青，例如布頓巖瀝青(BRA)，伊朗巖瀝青等。

1.1 低標號的硬質瀝青

高模量瀝青混合料的理念源于法國，早在19世紀，法國開始使用針入度(0.1 mm，25℃)分別為為60/70、20/30、15的硬質瀝青生產高模量瀝青混合料，結果證明，與SBS改性瀝青相比，使用硬質瀝青制備的瀝青混合料的抗永久性變形能力更佳[2]。

孟會林[3]等提出20號瀝青針入度小、軟化點及動力粘度高、且耐老化性優良 ，采用20號瀝青混合料具有優良的水穩定性和抗車轍變形能力。趙磊[4]等利用溶劑脫30#瀝青和氧化30#瀝青進行高模量混合料耐久性能評價，實驗證明，兩種低標號的硬質瀝青生產的耐久性高模量混合料各項性能均滿足規范要求，且氧化30#瀝青制得的高模量瀝青混合料的高溫穩定性優于溶劑脫30#瀝青。

1.2 高模量瀝青改性劑

目前，生產高模量瀝青混合料改性劑主要有法國的 PRPL.AST.M(簡稱PR.M)，EME改性劑，以及我國自主研發的改性劑。

PRPL.AST.M(簡稱PR.M)是由法國PRNDUSTRIE有限公司研制的瀝青混合料高模量添加劑，屬于熱塑性樹脂類，其主要成分是改性的PE材料。

趙辰[5]等研究發現添加法國生產的PR.M改性劑能夠明顯提升基質瀝青的高溫穩定性。與70#普通瀝青混合料相比，添加PR.M改性劑的瀝青混合料馬歇爾穩定度明顯提高，說明PR.M添加劑能夠提高瀝青混合料的路用性能。周彥鋆[6]探討了隨著溫度的升高，PR.M改性瀝青混合料動態模量的變化趨勢，指出當溫度在60℃時PR.M的動態模量明顯高于硬質改性瀝青混合料。

EME2改性劑同樣產自法國，也是一種性能優異的高模量瀝青混合料，能夠明顯提升瀝青混合料的動態模量和高溫穩定性，從而提高瀝青路面的抗車轍的能力。

熊子佳[7]等利用EME改性劑生產高模量瀝青混合料，發現混合料具有動態模量高、抗車轍性能好的特點，尤其是疲勞壽命達到86099次，具有較好的耐久性。夏全平[8]等通過實驗證明EME瀝青混合料水穩定性好、能夠抗高溫車轍，同時滿足低溫指標，并且指出EME瀝青混合料高模量能力主要來自于瀝青膠結料。

1.3 天然巖瀝青添加劑

天然巖瀝青是一種以天然形態存在的石油瀝青，由于長期與自然環境共存，性質穩定，具有較強的抗氧化性能，將天然瀝青加入到基質瀝青中，能夠提升路面的穩定性。

楊琳[9]選擇了布頓巖瀝青(BRA)，將其加入到70#基質瀝青中，發現隨著BRA摻量的增加，高模量瀝青的勁度模量增大，并且當BRA摻量為30%～40%時高模量瀝青混合料的抗疲勞性能最佳。王忠鋒[10]等自主研發了PRS高模量改性劑，主要成分有高分子聚合物、橡膠粉、巖瀝青等，PRS改性劑主要成分組成見表2。將PRS高模量改性劑在混合料拌和過程中加入，能夠提高瀝青路面的強度，并且不會影響瀝青混合料的低溫性能。

表2 PRS改性劑成分

1.4 復合改性劑生產高模量瀝青混合料

余志剛[11]將SBR與高模量改性劑復配添加到瀝青混合料中，通過研究發現，復合改性瀝青可大幅改善瀝青混合料的勁度模量和路用性能，且復合改性劑生產的混合料抗疲勞耐久性優于SBS改性瀝青混合料，推薦最佳復配比例2.5%SBR+0.6%PR.M。

岳秀梅[12]利用橡膠粉和高模量劑摻量復配生產瀝青混合料，得出將橡膠粉與高模量劑復配可以提升混合料綜合路用性能，性能優于SBS改性瀝青混合料，推薦最佳復配比例22%橡膠粉+0.6%高模量改性劑。

以上對高模量瀝青混合料的生產方法進行了詳細的闡述，筆者通過調研文獻發現在我國生產高模量瀝青混合料的手段主要有利用低標號的硬質瀝青、外摻高模量瀝青改性劑等，但是生產低標號的硬質瀝青對裝置要求苛刻，成本很高，因此，使用基質瀝青與高模量瀝青改性劑組合的方式是生產高模量瀝青混合料的最佳方式。

2 高模量瀝青混合料配合比設計方法

目前，高模量瀝青混合料配合比設計方法主要有馬歇爾法、Superpave設計法、以及法國高模量設計法。馬歇爾法是在一定溫度下，以一定的擊實功(雙面擊實75次)制成標準馬歇爾試件，使瀝青飽和度、孔隙率、礦料間隙率等體積指標滿足要求。Superpave設計法是利用旋轉壓實儀(SGC)搓揉成型的試驗方法。法國高模量設計法采用PCG3型旋轉壓實儀進行，水敏感試驗、車轍測試、模量測試等部分組成。

李文橋[13]分別對馬歇爾法、Superpave設計法、以及法國高模量設計法差異進行了比較，通過選擇瀝青混合料級配、確定瀝青用量、

驗證性能試驗三方面，得出馬歇爾法應用時間最早、應用廣泛、設備價格便宜且易于攜帶，但是其不能很好模擬路面實況，致使路面較早出現病害。Superpave設計法將壓實條件和交通量建起了密切的關系，能夠很好的模擬路面實況，抑制早期路面病害。法國高模量設計法是一套完整先進的設計方法，基于控制關鍵篩孔的級配設計理念、利用豐度系數求最小油石比，具有獨創性和先進性。

李小燕[14]等分別采用法國研制的LCPC旋轉壓實設備與美國Superpave混合料美國旋轉壓實儀制備混合料設計成型，指出法國研制的LCPC旋轉壓實法是一套完善的設計方法，更加適合高模量瀝青混合料設計。

常嶸[15]等優化了高模量瀝青混合料馬歇爾試驗參數意見，提出了改性劑與集料的干拌時間、拌和溫度、瀝青與集料的拌和時間、擊實溫度等參數。崔和利[16]結合阿爾及利亞東西高速公路具體實例，詳細介紹了法國高模量混合料目標配合比設計，試驗證明，法國的高模量瀝青混合料的配合比設計方法與國內馬歇爾配合比設計方法相比，更具有針對性。

綜上所述，高模量瀝青混合料起源于法國，法國高模量混合料配合比設計法自成體系，用馬歇爾法、Superpave設計法替代高模量混合料配合比設計還需進一步的探討。

3 高模量瀝青混合料評價方法

高模量瀝青混合料評價方法主要有：剛性性能、高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能。其中， 剛性性能一般是指瀝青混合料的動態模量和靜態模量；高溫抗車轍性能通過實驗室模擬車輛荷載長期作用下產生的不可恢復的塑性可變，獲得瀝青路面的高溫穩定性能；低溫抗裂性能利用瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗等來評價混合料的低溫抗裂性能，另外還有水穩定性、抗疲勞性能等重要因素。

3.1 剛性性能

剛性性能一般是指瀝青混合料的動態模量和靜態模量，相對于靜態模量，動態模量更能夠實際的反映出路面性能，國外大多使用動態模量，并且動態模量的數值遠遠大于我國現行規范中采用的設計模量。楊朋[2]通過試驗證明，在15℃下，法國PE高模量瀝青混合料的動態模量超過了14000 MPa。

3.2 高溫抗車轍性能

車轍試驗可以直觀明了的模擬真實道路情況，與實際瀝青路面相關性極佳。車轍試驗以動穩定度作為評價指標，對其高溫穩定性能進行全面的評價。高模量瀝青混合料要求動穩定度(60℃，0.7 MPa)不小于4000次/mm，周朝暉[17]通過實驗對30#硬質瀝青混合料進行動穩定度進行分析，發現其動態模量為7678次/mm，具有良好的高溫抗永久變形能力，大幅度降低車轍現象。黃新顏[18]等發現在不同溫度下(45℃、60℃、75℃)開展混合料車轍試驗，70#瀝青與PR.M高模量改性劑的車轍變形量很小，說明高模量瀝青具有較好的高溫穩定性。

3.3 低溫抗裂性

瀝青混合料在低溫下，柔性降低，脆性增大，變形能力降低，容易產生開裂現象。一般采用瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗來評價混合料的低溫抗裂性能。添加高模量改性劑或者天然巖瀝青后，瀝青混合料的高溫性能顯著提升，這也給研究人員一個錯誤的信號，以為高模量瀝青的低溫性能一定會不好，但是通過大量的試驗和工程證明，高模量瀝青同樣有很好的低溫抗裂性[19]。

4 高模量瀝青混合料的應用

我國從2001年開始引進法國高模量瀝青混合料添加劑，先后在很多路段進行了鋪筑，包括北京市政道路交義口、撫順一南雜木高速公路、靖邊-安塞(榆林段)等路段，并進行了長期跟蹤觀測，發現高模量瀝青混合料路段的抗車轍性能有明顯的提升。

我國燎原廣闊，南北氣候具有顯著的差異，這對我國瀝青路面提出了更嚴格的標準，對于高模量瀝青混合料也應按照氣候采取不同的生產方式和混合料設計方法。黃新顏[18]等，分析了不同類型高模量瀝青混合料的適用場合，試驗結果表明：低標號硬質瀝青混合料適合夏熱、冬冷地區，添加PRM高模量改性劑的混合料適合冬季氣溫較高的地區和重載、長達上坡等特殊路段。

使用高模量瀝青混合料鋪筑的路段會明顯提升路面的抗車轍能力和抗永久變形的能力，路面使用狀況良好，延長了道路的使用壽命，經濟和社會效益顯著。

5 結論

(1)利用低標號的硬質基質瀝青或者AH-70瀝青中添加天然巖瀝青、高模量添加劑可以生產出高模量瀝青混合料。

(2)法國高模量設計法具有獨創性和先進性，是一套完整先進的設計方法，在高模量混合料設計中占有優勢。

(3)高模量瀝青混合料路用性能的評價可以使用普通瀝青混合料路用性能的研究方法，包括高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能等。

(4)高模量瀝青混合料具有很高的抗車轍性，顯著延長路面使用壽命，具有良好的經濟、社會效益，可以廣泛推廣。