韓 冰，舒 誠(chéng)，陳 杰，王朝輝，陸由付

1. 齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 25010

2. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064

0 引言

隨著中國(guó)交通量急劇增加，重載、超載問(wèn)題日益嚴(yán)重，高溫地區(qū)公路不斷涌現(xiàn)出大量車轍，高等級(jí)公路對(duì)路面材料抵抗永久變形能力的要求不斷提高。為減少路面車轍病害，行業(yè)內(nèi)學(xué)者們嘗試了多種新型材料，其中高模量瀝青混凝土（HMAC）動(dòng)態(tài)模量可達(dá)14 000 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通瀝青混混凝土，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗車轍、抗疲勞能力。

HMAC最早是由法國(guó)學(xué)者提出，通過(guò)采用硬質(zhì)瀝青作結(jié)合料、調(diào)整混合料級(jí)配、提高油石比等方法提高混凝土模量。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，法國(guó)HMAC的應(yīng)用逐漸從基層過(guò)渡到表面層，在減少路面車轍、降低路面厚度等方面成效顯著。英國(guó)于2002年開(kāi)展了HMAC專項(xiàng)研究，主要是為形成適用于其配合比設(shè)計(jì)方案制定出相關(guān)規(guī)范。美國(guó)與日本則將HMAC作長(zhǎng)壽面路面考慮。中國(guó)引入HMAC后也對(duì)其做了大量研究，例如有學(xué)者對(duì)比了中法混合料設(shè)計(jì)方法差異，并進(jìn)行路用性能分析[1-2]；研究不同結(jié)合料、級(jí)配對(duì)HMAC動(dòng)態(tài)模量的影響，擬合出動(dòng)態(tài)模量主曲線[3-4]；從結(jié)合料角度開(kāi)發(fā)新型瀝青或利用外摻劑制備高性能HMAC等[5-7]。經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)HMAC制備工藝有3種：采用低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青、采用自調(diào)合瀝青、添加聚烯烴類外摻劑[8-10]。人們基于這3種工藝對(duì)高模量瀝青結(jié)合料（HMA）做了大量試驗(yàn)，但結(jié)合料相關(guān)研究成果較為散亂，缺乏系統(tǒng)梳理與總結(jié)，不利于HMAC的推廣應(yīng)用。

基于此，本文從HMAC結(jié)合料出發(fā)，調(diào)查高模量瀝青相關(guān)研究動(dòng)態(tài)，整理國(guó)內(nèi)外高模量瀝青性能指標(biāo)規(guī)范及要求，對(duì)比分析不同HMAC制備工藝所用瀝青的具體性能，提出常用高模量瀝青選用建議，以期為后續(xù)HMAC結(jié)合料的選用及性能檢驗(yàn)提供可靠參考。

1 HMA相關(guān)規(guī)范對(duì)比

法國(guó)于20世紀(jì)90年代頒布了針對(duì)HMAC的相關(guān)規(guī)范，包括適用于基層的高模量瀝青碎石EME的標(biāo)準(zhǔn)（NF P98-140）和適用于面層及結(jié)合層的高模量瀝青混凝土BBME標(biāo)準(zhǔn)（NF P98-141），對(duì)EME及BBME所適用的瀝青提出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。NF P98-141中明確指出BBME的瀝青應(yīng)當(dāng)采用符合NF T 65-001或NF T 60-000標(biāo)準(zhǔn)的改性瀝青或?qū)Ｓ脼r青。歐洲在2009年更新了EN12591的規(guī)范，推薦BBME使用35/50等級(jí)的瀝青或硬質(zhì)瀝青。其中30/50等級(jí)的瀝青根據(jù)需要可加入改性劑，不建議10/20等級(jí)的硬質(zhì)瀝青作BBME結(jié)合料。隨著歐洲對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青研究的不斷深入，歐盟頒布并不斷更新了針對(duì)硬質(zhì)瀝青等級(jí)的規(guī)范EN 13924。在此規(guī)范中法國(guó)建議膠結(jié)料的針入度級(jí)別為10/20以及15/20，與之對(duì)應(yīng)的環(huán)球軟化點(diǎn)溫度在60 ℃~76 ℃和55 ℃~71 ℃。這類瀝青在低溫下易脆裂，通常被用于EME高模量混合料。美國(guó)和日本也相繼開(kāi)展了HMAC的研究，主要是考慮將其為長(zhǎng)壽面路面的修建[11]，具體是將HMAC作為路面的面層以期望達(dá)到抵抗車轍的目的。印度考慮使用硬質(zhì)瀝青修筑路面改善重載混合交通的行車條件，并發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)瀝青相比可大大減少瀝青碎石層的厚度[12]，但具體針對(duì)HMA的規(guī)范所見(jiàn)甚少。

國(guó)內(nèi)針對(duì)HMA的研究起步較晚。2009年遼寧省交通科學(xué)研究院出版了《高模量瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范》（DB21/T 1754—2009），從外摻劑和低標(biāo)號(hào)瀝青2個(gè)方向規(guī)定了HMA的性能指標(biāo)。濟(jì)南城建集團(tuán)與山東建筑大學(xué)共同編制了《城鎮(zhèn)道路高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DBJ 14-090—2012），推薦了瀝青膠結(jié)料的技術(shù)要求。2017年，中國(guó)公路學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《高模量瀝青路面施工技術(shù)指南》中對(duì)HMA的標(biāo)號(hào)做出了規(guī)定。2018年《道路用高模量抗疲勞瀝青混合料》（GB/T 36143—2018）出版，推薦HMA應(yīng)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的道路石油瀝青及改性瀝青相關(guān)要求，根據(jù)需要可摻入添加劑，也可采用針入度在10~20（0.1 mm）的瀝青。根據(jù)國(guó)內(nèi)外HMA相關(guān)規(guī)范，將瀝青的技術(shù)指標(biāo)匯總于表1。

由表1可知，歐洲、法國(guó)和中國(guó)對(duì)瀝青的針入度、軟化點(diǎn)以及短期老化后的各項(xiàng)指標(biāo)均有明確規(guī)定，是作為評(píng)判HMA質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲通用標(biāo)準(zhǔn)里，瀝青的含臘量、脆點(diǎn)、60 ℃動(dòng)力黏度以及135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度僅作為選擇性指標(biāo)。硬質(zhì)瀝青本身的低溫性能較差，在低溫時(shí)常表現(xiàn)為脆裂破壞。因此，遼寧省《高模量瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范》（DB21 T 1754—2009 ）采用經(jīng)短期及長(zhǎng)期老化后的蠕變勁度S、蠕變速率m值以及—12 ℃破壞應(yīng)變來(lái)表征硬質(zhì)瀝青的低溫性能。此外遼寧省《高模量瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范》根據(jù)制備高模量瀝青混凝土的方式將瀝青分為低標(biāo)號(hào)瀝青、使用外摻劑2種，并分別提出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。其中低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青的抗車轍性能和耐疲勞性能分別采用車轍因子（G*/sinδ）與疲勞因子（G*·sinδ）評(píng)價(jià)?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2017）中雖然有30號(hào)瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求，但明確指出30#瀝青僅適用于瀝青穩(wěn)定基層，如果要將其應(yīng)用于瀝青路面的中下面層，應(yīng)結(jié)合混合料的設(shè)計(jì)以及實(shí)體工程的驗(yàn)證來(lái)提出合適的技術(shù)指標(biāo)要求。中國(guó)僅《高模量瀝青路面施工技術(shù)指南》中對(duì)標(biāo)號(hào)低于20的瀝青有所規(guī)定，推薦了標(biāo)號(hào)為15/25的瀝青性能，同時(shí)也提到若瀝青除針入度外性能不滿足此規(guī)范要求，但符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)30#瀝青技術(shù)指標(biāo)時(shí)也可使用。綜上可知，各規(guī)范對(duì)HMA的規(guī)定有所不同，應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程實(shí)際氣候特點(diǎn)選取對(duì)應(yīng)的規(guī)范及指標(biāo)。由于《高模量瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范》技術(shù)指標(biāo)較為完善，故本文將其作主要參考規(guī)范。

表1 國(guó)內(nèi)外低標(biāo)號(hào)/高模量瀝青技術(shù)指標(biāo)

續(xù)表1

2 HMA研究調(diào)查與評(píng)價(jià)

2.1 低標(biāo)號(hào)瀝青的調(diào)查與評(píng)價(jià)

21世紀(jì)初中國(guó)開(kāi)始引入低標(biāo)號(hào)瀝青，但生產(chǎn)工藝并未統(tǒng)一，隨著研究與開(kāi)發(fā)的深入，國(guó)內(nèi)低標(biāo)號(hào)瀝青的發(fā)展也取得了一定成果。其中，中海瀝青股份有限公司、克拉瑪依石化公司和中國(guó)石化煉油公司生產(chǎn)的30#~50#瀝青比較具有代表性[13-15]，在中國(guó)高等級(jí)公路上試鋪效果良好。如今，各大研究機(jī)構(gòu)仍在進(jìn)一步探索制備工藝方面提高低標(biāo)號(hào)瀝青性能的方法，本文調(diào)查整理了20余個(gè)單位對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青的研究成果，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，瀝青的各性能指標(biāo)與標(biāo)號(hào)呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。瀝青的黏度、軟化點(diǎn)與瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性密切相關(guān)，均隨瀝青標(biāo)號(hào)的降低而升高。針對(duì)60 ℃黏度，針入度在15~25（0.1 mm）之間的瀝青比針入度在50（0.1 mm）的瀝青均值高出8倍左右，黏度更高，高溫穩(wěn)定性更好。此外，作為瀝青的高溫性能參數(shù)，車轍因子數(shù)值與針入度呈負(fù)相關(guān)。20#及30#瀝青的車轍因子明顯高于50#瀝青，高溫穩(wěn)定性提升明顯。

延度指標(biāo)隨標(biāo)號(hào)降低而顯著降低，針入度在20~40之間的瀝青作為硬質(zhì)瀝青的重要部分，難以滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)30#瀝青的要求。這是由于低溫時(shí)HMA試件極易發(fā)生脆裂，無(wú)法測(cè)得延度值。相較之下蠕變勁度S和蠕變速率m能較好反映瀝青的低溫性能。調(diào)查結(jié)果顯示15#~20#瀝青S值均值為461 MPa，未達(dá)到《高模量瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范》的要求（≤300 MPa）。而25#~50#瀝青相對(duì)較好，說(shuō)明低標(biāo)號(hào)瀝青在高溫性能獲得提升的同時(shí)會(huì)損耗低溫性能。

瀝青的疲勞性能采用長(zhǎng)期老化后的疲勞因子G*/sinδ表征。根據(jù)圖1中數(shù)據(jù)，瀝青針入度值與疲勞因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，過(guò)度追求低標(biāo)號(hào)對(duì)瀝青的耐久性有不利影響，這也是歐洲不建議BBME采用10/20等級(jí)瀝青的因素之一。由于中國(guó)低標(biāo)號(hào)瀝青生產(chǎn)工藝不夠成熟，標(biāo)號(hào)20及以下的瀝青應(yīng)用甚少，結(jié)合高溫穩(wěn)定性和低溫脆性，本文推薦采用30#瀝青作為混合料黏結(jié)劑。

圖1 低標(biāo)號(hào)瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.2 自調(diào)合瀝青的調(diào)查與評(píng)價(jià)

基質(zhì)瀝青中加入天然瀝青、橡膠粉、廢PE等材料進(jìn)行調(diào)合能得到針入度較低的瀝青，這也是目前HMA研究的熱點(diǎn)之一。研究發(fā)現(xiàn)，用脫油瀝青與70#瀝青調(diào)合，能制備針入度等級(jí)為50#、30#的瀝青，路面設(shè)計(jì)溫度分別可達(dá)到76 ℃和70 ℃；采用溶劑脫油瀝青與渣油調(diào)合工藝可以制備出高低溫性能優(yōu)良的30#瀝青。此外部分學(xué)者將直投式外摻劑與瀝青混合研究改性效果，將此類研究調(diào)查結(jié)果歸于自調(diào)合瀝青技術(shù)指標(biāo)，但混合料制備階段仍采用干法工藝?，F(xiàn)將自調(diào)合瀝青研究動(dòng)態(tài)整理于表2，將瀝青性能指標(biāo)整理于圖2。

由表2可知，自調(diào)合瀝青通常采用70#或90#道路瀝青作為軟組分，以70#為主。硬組分多采用天然瀝青或渣油，其中CBL、ANR等巖瀝青的摻量在2%~6%之間，BRA和TLA摻量在20%~25%，而渣油摻量相對(duì)較高，在60% ~90%不等。由圖2可知，調(diào)合或外摻劑加入后，瀝青針入度普遍從70（0.1 mm）降低到30左右，最低能到4.4（0.1 mm），針入度改善效果明顯。調(diào)合后針入度在40~60（0.1 mm）的瀝青軟化點(diǎn)能達(dá)到64.8 ℃，針入度在20~40（0.1 mm）的瀝青軟化點(diǎn)能達(dá)到65.5 ℃，與相應(yīng)的低標(biāo)號(hào)瀝青相比整體表現(xiàn)更好。對(duì)于車轍因子指標(biāo)，自調(diào)合瀝青及外摻劑改性瀝青均能滿足《高模量瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)車轍因子的要求。不同的調(diào)和合成分和外摻劑對(duì)車轍因子的影響差異較大，當(dāng)外摻劑與SBS混合改性時(shí)效果更為顯著。

表2 自調(diào)合瀝青研究動(dòng)態(tài)

圖2 自調(diào)合瀝青技術(shù)指標(biāo)

與低標(biāo)號(hào)瀝青相似，調(diào)合工藝制備的瀝青延度同樣難以滿足《高模量瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青的要求，用低溫蠕變模量和蠕變速率表征比較理想。針對(duì)HMA低溫性能不足的缺點(diǎn)，可利用橡膠粉、PE以及SBS改性劑所具有的優(yōu)良低溫延展性進(jìn)行彌補(bǔ)。從低溫蠕變勁度來(lái)看，自調(diào)合瀝青和外摻劑改性瀝青的蠕變模量均值為233 MPa，滿足要求?；谏鲜龇治?，本文推薦采用70#瀝青混合20%~25%湖瀝青/2%~6%巖瀝青的形式制備HMA，推薦采用70#瀝青與10%~12%PRS/PRM制備外摻劑調(diào)和瀝青，并根據(jù)工程情況加入橡膠粉、SBS等改性劑。

2.3 外摻劑基礎(chǔ)瀝青的調(diào)查與評(píng)價(jià)

添加外摻劑是目前制備HMAC的一種重要途徑。使用外摻劑制備HMAC時(shí)通常直接將高模量劑投入拌鍋內(nèi)與集料進(jìn)行拌合，即干法。對(duì)于此方法而言，HMAC的質(zhì)量受到外摻劑和基礎(chǔ)瀝青兩者的影響，外摻劑種類和性能對(duì)其影響尤為明顯。外摻劑改性瀝青技術(shù)性能見(jiàn)表2，此處對(duì)國(guó)內(nèi)10余個(gè)單位的基礎(chǔ)瀝青試驗(yàn)進(jìn)行整理，其技術(shù)性能見(jiàn)圖3。

圖3 外摻劑的基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

由圖3可知，外摻劑制備HMAC時(shí)采用的基礎(chǔ)瀝青一般選用常規(guī)道路石油瀝青，以70#為主。這是因?yàn)橥鈸絼┰诟邷叵氯刍⑴c瀝青混合時(shí)會(huì)吸收瀝青中的輕質(zhì)組分。未經(jīng)外摻劑改性的基礎(chǔ)瀝青60 ℃黏度明顯低于低標(biāo)號(hào)瀝青和自調(diào)合瀝青，但在和外摻劑混合后高溫性能可得到有效提升?；A(chǔ)瀝青的低溫性能相差不大，70#、80#瀝青15℃條件下僅一項(xiàng)試驗(yàn)延度未達(dá)到《高模量瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范》的要求（大于100 cm）。值得說(shuō)明的是，基礎(chǔ)瀝青加入外摻劑會(huì)普遍大幅度降低混合料低溫性能。市場(chǎng)上現(xiàn)有外摻劑對(duì)低溫性能的影響差別較大，需針對(duì)具體工程特點(diǎn)選擇。

3 HMA性能對(duì)比與選用建議

3.1 HMA性能對(duì)比

采用針入度、軟化點(diǎn)、車轍因子和蠕變勁度對(duì)HMA性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體結(jié)果如圖4所示。

由圖4（a）可知，低標(biāo)號(hào)HMA和自調(diào)合HMA針入度降低明顯，低標(biāo)號(hào)HMA針入度降低效果略優(yōu)于自調(diào)合HMA。此外低標(biāo)號(hào)與自調(diào)合瀝青針入度均值分別為27、31（0.1 mm），遠(yuǎn)低于未加入外摻劑的基礎(chǔ)瀝青，兩者較高的稠度有利于提高瀝青抵抗夏季高溫及重荷載的能力。綜合圖4（b）及圖1、2可知，低標(biāo)號(hào)HMA的和自調(diào)合HMA軟化點(diǎn)及60 ℃粘度都有明顯提升，兩者軟化點(diǎn)中位數(shù)高于基礎(chǔ)瀝青10 ℃左右。說(shuō)明HMA溫度敏感性更小，比普通道路石油瀝青對(duì)夏季炎熱地區(qū)和重載道路有更強(qiáng)適應(yīng)性。

圖4 各工藝瀝青技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

抗車轍能力是HMA最為主要的特點(diǎn)，由圖4（c）可看出低標(biāo)號(hào)HMA和自調(diào)合HMA基本滿足遼寧《高模量瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)車轍因子的要求，兩者均值遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的1 kPa，均表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗車轍能力。結(jié)合圖4（a），雖然低標(biāo)號(hào)瀝青針入度較低，但其車轍因子所在區(qū)間低于自調(diào)合瀝青，中位數(shù)相差近1 MPa，說(shuō)明高溫性能表現(xiàn)不如自調(diào)合瀝青。

針入度偏低的HMA在低溫條件下都容易表現(xiàn)出脆性斷裂從而導(dǎo)致延度過(guò)低，因此推薦采用蠕變勁度S和蠕變速率m作為衡量HMA低溫性能的標(biāo)準(zhǔn)。由圖4（d）可知，低標(biāo)號(hào)瀝青和自調(diào)合瀝青的蠕變勁度均表現(xiàn)出較大的波動(dòng)，不同種類的天然瀝青或外摻劑對(duì)蠕變勁度的影響較大。其中低標(biāo)號(hào)瀝青蠕變勁度均值為314 MPa，無(wú)法達(dá)到要求（小于300 MPa），低溫性能表現(xiàn)不如自調(diào)合瀝青。

3.2 HMA選用建議

（1）中國(guó)制備HMAC常用的低標(biāo)號(hào)瀝青為50#、30#，其中30#表現(xiàn)出更優(yōu)秀的抗車轍能力，低溫性能也能得到滿足。因此建議采用低標(biāo)號(hào)30#瀝青作為HMA黏結(jié)料。

（2）自調(diào)合瀝青通常采用90#或70#瀝青為基質(zhì)瀝青并以湖瀝青或巖瀝青作為調(diào)合組分，綜合考慮高低溫性能，推薦采用70#瀝青混合20%~25%湖瀝青/2%~6%巖瀝青的形式制備HMA。

（3）摻加外摻劑制備HMA時(shí)，70#、90#瀝青是主要的基礎(chǔ)材料，性能受外摻劑種類和用量影響顯著。推薦采用70#瀝青混合10%~12%PRS/PRM制備外摻劑調(diào)合瀝青，并根據(jù)工程情況加入橡膠粉、SBS等改性劑。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外高模量瀝青相關(guān)規(guī)范，結(jié)合大量研究動(dòng)態(tài)梳理了不同技術(shù)途徑所采用瀝青的性能指標(biāo)，為HMAC的推廣應(yīng)用提供參考。

由于低標(biāo)號(hào)瀝青在低溫時(shí)常表現(xiàn)為脆裂破壞而無(wú)法有效測(cè)得準(zhǔn)確延度值，推薦采用蠕變勁度S、蠕變速率m表征HMA的低溫性能。3種技術(shù)工藝下，瀝青性能表現(xiàn)出顯著差異：低標(biāo)號(hào)瀝青針入度普遍位于14~38（0.1 mm），略低于自調(diào)合瀝青；對(duì)于軟化點(diǎn)，低標(biāo)號(hào)瀝青和天然瀝青調(diào)合瀝青提升效果穩(wěn)定，外摻劑瀝青受外摻劑種類影響而波動(dòng)較大；低溫性能表現(xiàn)上自調(diào)合瀝青表現(xiàn)最好，采用外摻劑制備HMAC時(shí)可加入橡膠粉等改性劑予以改善。目前HMAC仍處于小范圍應(yīng)用階段，受限于中國(guó)低標(biāo)號(hào)瀝青產(chǎn)能不足、價(jià)格昂貴的實(shí)情，加入外摻劑制備HMAC在工程應(yīng)用中通常更為便利。因此開(kāi)發(fā)出高溫提升效果穩(wěn)定、瀝青低溫性能良好的外摻劑，是進(jìn)一步推動(dòng)HMAC在中國(guó)應(yīng)用亟需解決的問(wèn)題。