高模量天然瀝青混合料在甘肅G309項目的應用

（1.甘肅路橋第三公路工程有限責任公司，蘭州 730030；2.西安眾力瀝青有限公司，西安 710000）

高模量瀝青混合料（High Modulus Asphalt Concrete 以下簡稱HMAC）將模量和疲勞壽命作為混合料的設計指標，體現了路面結構設計與材料設計的一體化，是一種高品質的筑路材料[1]。高模量瀝青混合料在法國有四十年的應用經驗，按照使用層位的不同又分為適用于上面層BBME和中下面層、上基層的EME。國內的一些研究機構如遼寧交通科學研究院[2、3]、長安大學[4、5]、江蘇省交通科學研究院[6]、河北交科院等都對該技術進行了研究。該技術在國內的應用筆者認為還存在以下不足：第一、國內早期引入的高模量瀝青混合料技術，只強調了混合料的高模量特性而忽視了疲勞性能，使該技術和抗車轍技術混為一談，未能體現其抗疲勞的優異性。第二、國內引入該技術時未采納法國的專用級配，大多直接沿用國內慣用的AC 級配,難以充分發揮HMAC 的技術特性。法國的高模量瀝青混合料級配偏細，細料多，混合料空隙率小，能容納更多的瀝青用量，對于保證混合料的疲勞性能以及抗水損能力至關重要。第三、缺乏專用瀝青結合料，需使用高模量添加劑。河北交通科學研究院的研究認為高模量劑難以兼顧混合料的模量和疲勞性能。第四、傳統HMAC 的低溫彎曲破壞應變不足2 000 με 低溫抗裂性不足導致其難以在冬寒區使用。第五、國內缺乏配套的混合料設計方法，不利于該技術的推廣。

本文以天然瀝青改性瀝青為結合料，采用法國的高模量瀝青混合料BBME 及EME 應用于甘肅G309 板橋至小園子（甘寧界）段升級改造項目中的表面層及下面層。

1 項目概況

G309 線（青蘭公路）是東西走向的國家干線公路。G309 板小段由于沿線石油礦產開采，重型車輛的增多，瀝青路面損壞嚴重，2017年大修前路面PCI 不足50，路面坑槽、沉陷、壅包、粗顆粒裸露等病害嚴重，路面破損率在90%以上。2017年的升級改造項目中，在K21+400-K21+900 段采用天然瀝青高模量瀝青混合料4 cm BBME-13 上面層+5 cm EME-16 下面層結構。以解決該路段解決重載交通以及長大縱坡路段的耐久性鋪裝難題。該路段為兩道連續的S 型轉彎，路面縱坡達到7%，設計時速80 km/h。

2 瀝青

瀝青結合料的選擇是影響高模量瀝青混合料性能的關鍵因素。在法國70%以上的高模量瀝青混合料采用滿足EN13924 要求的專用硬質瀝青，僅有不到30%使用高模量劑。由于油源屬性和加工工藝的原因，國內煉廠難以生產這種硬質瀝青，但近年來隨著高模量瀝青混合料關注度越來越高，國內也開始開展硬質瀝青的相關研究。天然瀝青的低針入度、大分子量、黏度大的特性，是生產硬質瀝青的理想材料。汪于凱等人對硬質瀝青、烯烴類改性劑、天然瀝青三類高模量瀝青混合料的分析發現，在動態模量對頻率和和溫度敏感性分析中，天然瀝青表現最佳[7]。

HMB 是西安眾力瀝青有限公司開發的工廠化穩定型天然瀝青改性瀝青。通過減小天然瀝青中無機物平均粒徑至5 μm 以下，90%以上顆粒粒徑小于12μm，實現天然瀝青改性瀝青的成品化。HMB 的應用提供了新的高模量瀝青混合料結合料選擇。本項目使用的HMB-W 檢測結果如表1所示。

表1 HMB-W 的檢測結果

由表1可知，HMB 為低針入度瀝青，黏度大，不離析。瀝青混合料的強度除來自礦料顆粒之間的摩擦力和嵌擠力外，還包括集料和瀝青之間的黏結力。瀝青黏度越高，混合料受剪切時的黏滯阻力就越大，因而黏結力越大。

HMB 的存儲穩定性是決定其能否成品化應用的關鍵技術指標，通過控制瀝青中無機物粒徑以及48 h 離析軟化點差，實現控制存儲穩定性的目的。

3 級配

本文通過內插法及經驗將法國高模量瀝青混合料的級配轉換為國內篩孔尺寸下的級配范圍。表2所示為本項目采用的級配，由表2可知，高模量瀝青混合料的級配有兩個特點，第一是只控制關鍵篩孔0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm 的通過率。第二細料偏多，級配偏細。通過和我國慣用的AC 級配對比發現，BBME-13 的級配范圍在AC-13 級配范圍內，EME-16 在AC-16 的級配范圍內但都比同公稱最大粒徑下的AC 級配范圍更窄且4.75 mm 以下通過率更高。

高模量瀝青混合料的級配沖擊了傳統觀念中級配對混合料強度的影響。首先細級配，并不意味著混合料的高溫穩定性就差，相反高模量瀝青混合料的動穩定度都在5 000 次/mm 以上；其次不要過分迷信骨架密實結構和大粒徑骨架才能抗車轍，相反高模量瀝青混合料偏懸浮密實結構，公稱最大粒徑最大到26.5 mm，但其模量比改性瀝青混合料要高50%左右。同時，高模量瀝青混合料的細級配，瀝青用量高，混合料均勻性好，不易離析，有效保障了施工質量。

4 最佳油石比

本項目采用馬歇爾試驗方法[8,9]確定BBME和EME 的最佳油石比分別為5.6%和5.8%。

高模量瀝青混合料的構成特點之一就是高油石比，瀝青飽和度不低于75%。裹附在集料表面的瀝青膜厚，混合料的耐久性及低溫抗裂性都能得到有效的保障。同時HMB 的低針入度也使其不會出現高溫泛油問題。高油石比和混合料的級配有關，這也是本文強調高模量瀝青混合料需要采用法標級配而非AC 級配的原因，后者難以達到HMAC 要求的高的瀝青飽和度。我們建議HMAC 的油石比不應低于5.2%。

由表3可知BBME 和EME 的空隙率均低于3%、低孔隙率有助于提高混合料的抗水損能力，同時使用的是低針入度瀝青HMB，因此不會出現由于混合料空隙率低于3%而路面泛油的問題。 混合料路用性能驗證結果顯示，BBME 和EME 的動穩定度分別達到8 186 次/mm 和6 117 次/mm、-10 ℃低溫彎曲破壞應變均超過2 500 με，實現了高低溫性能的均衡。由表3可知，高模量瀝青混合料的綜合性能超過傳統的改性瀝青混合料技術要求。

表2 BBME 和EME 的級配

表3 瀝青混合料性能檢測結果

5 施工及現場檢測

高模量瀝青混合料是高油石比，密集配的瀝青混合料，因此施工均勻性好，宜壓實。但瀝青結合料的針入度低，因此碾壓主要以膠輪揉搓為主，因此復壓階段采用膠輪碾壓4 ～6 遍。因此每臺攤鋪機后配備了兩臺雙鋼輪、兩臺膠輪。天然瀝青高模量瀝青混合料的施工工藝基本和改性瀝青混合料相當，施工難度小。

施工完成后的現場檢測結果如表4所示，由于高模量瀝青混合料的低空隙率特性，因此路面滲水系數均僅50 mL / min。同時路面的構造深度超過0.6 mm，因此BBME 可以作為理想的路表面層材料。

表4 現場檢測結果

項目于2017年10月開放交通，在運行了兩年之后的2019年10月，項目組到現場檢查發現路面狀況良好，無車轍及裂縫等病害出現。

6 總結

高模量瀝青混合料是綜合性能優異的高品質筑路材料，其構成特點可總結為低針入度結合料、高油石比、連續級配和低孔隙率。以高模量天然瀝青HMB 為結合料，在甘肅慶陽的G309板小項目中以BBME 和EME 分別做為路面的表面層和下面層。室內實驗結果顯示，其路用性能遠超原設計要求，尤其在保證混合料的動穩定度不低于5 000 次/mm 的情況下，低溫抗裂性不低于2 500 με，打破了高模量瀝青混合料不能在冬寒區應用的限制，對甘肅地區的公路建設意義重大。且高模量瀝青混合料作為上面層抗滑性能和密水性均滿足現行規范要求。證實了高模量瀝青混合料技術適用于瀝青層全結構層使用。