高模量瀝青混凝土在高速公路路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用技術(shù)研究

侯誠、賈漢清

（1.甘肅省交通投資管理有限公司，甘肅蘭州 730000；2.甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

某高速公路2005 年建成通車，已運(yùn)營17 年，日交通量大，貨車占比達(dá)34.6%。路面病害主要為密集縱橫向裂縫、連片修補(bǔ)、輪跡帶疲勞裂縫等，部分路段行車道唧漿、車轍嚴(yán)重，平整度差，路況指標(biāo)整體較低。結(jié)合路況檢測(cè)指標(biāo)及路面病害情況對(duì)病害集中路段進(jìn)行提質(zhì)改造，以改善道路運(yùn)營狀況，提升公路服務(wù)水平。為針對(duì)性解決該路段貨車交通量大易造成路面車轍的情況，采用高模量瀝青混凝土，并實(shí)施10km試驗(yàn)段，通過提高瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量有效減緩高速公路路面車轍的產(chǎn)生，延長路面使用壽命，降低日常養(yǎng)護(hù)頻率和維修費(fèi)用。

2 高模量瀝青混凝土

2.1 概述

高模量瀝青混凝土的概念源于法國高模量瀝青混合料以及美國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)。法國高模量瀝青混合料（EME2）是特定的混合料類型，其特點(diǎn)是采用硬質(zhì)瀝青、連續(xù)級(jí)配、低空隙率、高瀝青用量、高模量等。國內(nèi)“高模量瀝青混凝土”的定義以法國高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)NF P 98-140（EME）為基礎(chǔ)，采用國內(nèi)試驗(yàn)方法進(jìn)行等效驗(yàn)證，從而確定其性能指標(biāo)[1]。

高模量瀝青混凝土的生產(chǎn)工藝主要有兩種，一是采用低標(biāo)號(hào)天然高模量改性瀝青直接進(jìn)行瀝青混凝土的拌和生產(chǎn)；二是采用普通道路石油瀝青摻入0.3%～0.5%高模量劑進(jìn)行生產(chǎn)。

高模量瀝青混凝土的優(yōu)勢(shì)主要有兩點(diǎn)：

一是可顯著提高瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，提高高溫性能，同時(shí)改善抗水損壞性能、抗低溫開裂性能等[2]。

二是施工工藝簡(jiǎn)單。與改性瀝青工藝相比，高模量瀝青混凝土的外摻劑可直接投入拌缸內(nèi)與集料進(jìn)行拌和，不需要增加特殊設(shè)備，可顯著降低設(shè)備投入相關(guān)費(fèi)用，適當(dāng)延長拌和時(shí)間和提高施工溫度即可，拌和、攤鋪、碾壓質(zhì)量均不受影響，同時(shí)能夠避免改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性差的問題。

2.2 高模量瀝青混凝土提高抗車轍性能的作用機(jī)理

瀝青路面模量的提高能夠改變路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分布狀態(tài)，剪切應(yīng)力、壓應(yīng)力與模量的比值會(huì)隨著瀝青混凝土材料模量的增加呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。同時(shí)瀝青路面動(dòng)態(tài)模量的增加能夠?yàn)椴牧咸峁┹^好的抵抗變形的能力，高溫條件下更為明顯，因此高模量的瀝青混凝土材料可以克服足夠的應(yīng)力和材料變形，從而提高瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能[3]。相關(guān)資料表明，采用高模量瀝青混凝土的路面，其車轍深度明顯小于用普通瀝青混合料所修筑的路面。

2.3 高速公路路面養(yǎng)護(hù)應(yīng)用

某高速公路路面養(yǎng)護(hù)工程分為普通路段和試驗(yàn)路段，并設(shè)計(jì)了不同的中面層和下面層（見表1），對(duì)兩種不同類型的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期觀測(cè)，確定高模量瀝青混凝土是否適用于該地區(qū)。

表1 維修養(yǎng)護(hù)路面結(jié)構(gòu)層

由以上路面結(jié)構(gòu)層中可以看出，該工程試驗(yàn)路段的中下面層分別采用天然高模量改性瀝青混凝土EME-16 和高模量瀝青混凝土AC-20（摻入瀝青質(zhì)量0.5%的高模量劑），對(duì)兩種工藝組合形成的中下面層進(jìn)行分析研究。

3 高模量瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)原材料

礦料：所用集料為砂巖，黏附性等級(jí)為4 級(jí)，規(guī)格為15～20mm 碎石、10～15mm 碎石、5～10mm 碎石、3～5mm 碎石、0～3mm 機(jī)制砂。

瀝青：采用天然高模量改性瀝青、30#A 級(jí)道路石油瀝青（高模量外摻劑為0.5%）。

3.2 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)混合料類型及以往的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，確定配合比礦料級(jí)配（見表2）[4]。

表2 目標(biāo)配合比礦料級(jí)配

根據(jù)確定的最佳級(jí)配，選擇不同瀝青用量的馬歇爾試驗(yàn)，雙面各擊實(shí)75 次成型馬歇爾試件。按照瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，確定最佳瀝青用量，試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4 所示。

表3 體積試驗(yàn)結(jié)果

表4 性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行拌和，從二次篩分后進(jìn)入各熱料倉的材料中取樣進(jìn)行篩分，同時(shí)反復(fù)調(diào)整冷料倉進(jìn)料比例，以達(dá)到進(jìn)料均衡，確定各熱料倉的材料比例，供拌和機(jī)控制室使用[5]。根據(jù)拌和樓各熱料倉材料篩分確定熱料倉配合比級(jí)配。生產(chǎn)配合比礦料級(jí)配如表5 所示。

表5 生產(chǎn)配合比礦料級(jí)配

根據(jù)目標(biāo)配合比的最佳瀝青用量±0.3%等3 個(gè)瀝青用量進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)及拌和樓取樣試驗(yàn)綜合確定生產(chǎn)配合比的最佳瀝青用量。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 生產(chǎn)配合比體積試驗(yàn)結(jié)果

4 高模量瀝青混凝土性能指標(biāo)

根據(jù)生產(chǎn)配合比進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)攤鋪成型試件及路用性能檢測(cè)，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)定的方法，按照試驗(yàn)所確定的配合比拌和后進(jìn)行浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂、車轍試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模量、四點(diǎn)彎曲疲勞及低溫性能等試驗(yàn)[6]。性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表7 所示。

表7 性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

由表7 可以看出，高模量瀝青混凝土的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比優(yōu)于普通路段的瀝青混凝土，天然高模量改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性試驗(yàn)最好，高模量瀝青混凝土次之，EME-16 天然高模量改性瀝青混凝土中面層較普通路段SUP-20 改性瀝青混凝土中面層浸水殘留穩(wěn)定度提高4.5%，凍融劈裂強(qiáng)度比提高1.6%；AC-20 高模量瀝青混凝土下面層較普通路段廠拌熱再生AC-20 瀝青混凝土下面層浸水殘留穩(wěn)定度提高4.9%，凍融劈裂強(qiáng)度比提高4.0%。

在60℃條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果看出高模量瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度優(yōu)于普通路段瀝青混凝土。其中EME-16 天然高模量改性瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度大于普通改性瀝青1801 次/mm，提高35.7%，AC-20 高模量瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度大于普通路段廠拌熱再生AC-20 瀝青混凝土2507 次/mm，提高58%，說明高模量瀝青有良好的高溫穩(wěn)定性。

在20℃試驗(yàn)溫度和10Hz 加載頻率條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，可以看出高模量瀝青混凝土的模量高于普通路段混凝土的動(dòng)態(tài)模量，EME-16 天然高模量改性瀝青混凝土模量較SUP-20 改性瀝青混凝土增加22%，AC-20 高模量瀝青混凝土模量較廠拌熱再生AC-20 增加38.7%，說明高模量瀝青混凝土具有較好的抵抗變形的能力。

在15℃試驗(yàn)溫度條件下進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，可以看出高模量瀝青混凝土的最大拉應(yīng)力及最大彎拉應(yīng)變差異十分明顯，高模量瀝青混凝土拉應(yīng)力更高，彎拉應(yīng)變卻處在很低的水平，由此可見，單獨(dú)采用最大拉應(yīng)力及最大彎拉應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)抗疲勞性能時(shí)，會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果不具有客觀性，所以采用彎曲勁度模量評(píng)價(jià)抗疲勞性能，彎曲勁度模量越大表示瀝青混凝土抵抗荷載和變形的能力越強(qiáng)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果看出，在彎曲勁度模量中，EME-16 天然高模量改性瀝青混凝土＞AC-20 高模量瀝青混凝土＞SUP-20 改性瀝青混凝土＞廠拌熱再生AC-20。

采用小梁彎曲試驗(yàn)，在-10℃條件下進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果高模量瀝青混凝土低溫性能與普通路段混凝土料比較沒有明顯提高。

5 結(jié)語

通過對(duì)普通路段和高模量瀝青混凝土試驗(yàn)路段路用性能試驗(yàn)結(jié)果的分析得出：使用高模量瀝青混凝土可以顯著提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，明顯改善路面的高溫穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)模量，提高路面的抗車轍能力，有效避免和減輕車轍病害的發(fā)生，提高路面結(jié)構(gòu)承載力，延長使用壽命。

高模量瀝青混凝土試驗(yàn)路段已鋪筑完成，路面表面密實(shí)不透水。通過夏季高溫的考驗(yàn)，表現(xiàn)出非常強(qiáng)的高溫抗車轍能力，使用效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，下一步將進(jìn)行長期觀測(cè)，對(duì)試驗(yàn)路段的病害出現(xiàn)時(shí)間、部位、形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便更準(zhǔn)確地分析高模量瀝青混凝土所發(fā)揮的作用和預(yù)估其產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。