＊蔣毓倩

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法支隊(duì) 江蘇 225000）

為了解決瀝青路面的車轍問題，國內(nèi)外的許多學(xué)者提出各種各樣的解決方法，其中一種就是采用高模量瀝青混合料。高模量瀝青混合料的應(yīng)用最早始于法國，1981 年首次作為舊路面結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)材料使用。法國高模量瀝青混合料的基本設(shè)計(jì)理念是添加較多的硬質(zhì)漸青，降低漸青混合料空隙率，混合料的油石比通常為6% 左右。這樣既可通過硬質(zhì)瀝青來提高漸青混合料的模量，較高的瀝青用量也可改善混合料的抗疲勞性能及密實(shí)度[1-2]。2002 年英國交通部開始了對(duì)高模量瀝青混合料的專項(xiàng)研究工作，結(jié)果表明高模量瀝青混合料具有良好的耐久性能，具有較高的強(qiáng)度，是一種良好的路面材料，并且于2003 年形成一套專門的EME2 配合比設(shè)計(jì)方法和配套的施工工藝，這套技術(shù)目前已被多個(gè)國家和地區(qū)采用[3-4]。我國最早在粵贛高速公路長陡坡瀝青路面鋪筑了高模量改性瀝青混合料試驗(yàn)段，結(jié)果表明，高模量改性瀝青能顯著提高混合料的抗車轍性能[5-6]。目前實(shí)現(xiàn)高模量瀝青混合料的技術(shù)途徑較多，有的地區(qū)采用的是低標(biāo)號(hào)瀝青，有的地區(qū)則采用高模量添加劑。設(shè)計(jì)理念也有所不同。本文針對(duì)江蘇地區(qū)使用的HMM13 型高模量瀝青混合料，對(duì)其路用性能展開研究，并于同位于中面層發(fā)SUP20 瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，這對(duì)于深入認(rèn)識(shí)高模量瀝青混合料的特點(diǎn)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義，也可為高模量瀝青混合料的廣泛應(yīng)用提供依據(jù)和參考。

1.原材料

（1）集料和填料。HMM13 高模量瀝青混合料和SUP20 瀝青混合料均采用石灰?guī)r集料，填料為石灰?guī)r礦粉。其技術(shù)性能均符合設(shè)計(jì)要求。

（2）瀝青。本研究采用上海海太牌SBS 改性瀝青，并對(duì)其基本性能進(jìn)行檢測，均符合設(shè)計(jì)要求。

（3）高模量劑。本研究所用高模量劑呈黑色顆粒狀，其在瀝青混合料中的摻量為礦料質(zhì)量的1%，由于該高模量劑與瀝青具有極好的相融性，因此可替代部分瀝青用量，替代量與高模量劑摻量相同。

2.瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

根據(jù)江蘇地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型高模量瀝青混合料試件。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀參數(shù)設(shè)置與SUPerpave 設(shè)計(jì)法一致。對(duì)于HMM13 瀝青混合料和SUP20 瀝青混合料，其旋轉(zhuǎn)次數(shù)分別為80 次和100次。HMM13 和SUP20 的組成設(shè)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 HMM13 和SUP20 組成設(shè)計(jì)結(jié)果

HMM13 級(jí)配包含的細(xì)料（粒徑小于2.36 mm 部分）和填料更多，更容易形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出HMM13 的空隙率為2.6%，而SUP20 的空隙率則為4.0%。此外，HMM13 的實(shí)際油石比為5.3%（包括高模量用量），比一般的同類型密級(jí)配瀝青混合料油石比偏高，這也是使得HMM13 空隙率較小的原因之一。HMM13 和SUP20在級(jí)配和油石比方面的不同，必然導(dǎo)致其路用性能的不同特點(diǎn)，需要對(duì)其路用性能進(jìn)行進(jìn)一步測試分析。

3.瀝青混合料性能分析

為明晰HMM13 高模量瀝青混合料的性能特點(diǎn)，對(duì)其性能進(jìn)行了測試，包括高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)模量，并與替代的SUP20 改性瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比。

（1）高溫性能分析。本研究采用車轍試驗(yàn)測試瀝青混合料的高溫性能，試驗(yàn)按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行，輪壓為0.7 MPa，試驗(yàn)分別在60 ℃和70 ℃兩個(gè)溫度下進(jìn)行。測試結(jié)果如表2 所示。

表2 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度測試結(jié)果（單位：MPa）

由表2 可見，60 ℃時(shí)，HMM13 的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到8860 次/毫米，是常規(guī)SUP20 動(dòng)穩(wěn)定度的1.9 倍，高模量瀝青混合料表現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫性能；在70 ℃下，雖然二者的動(dòng)穩(wěn)定度均有下降，但HMM13 的動(dòng)穩(wěn)定度依然高達(dá)4652 次/毫米，幾乎是SUP20 動(dòng)穩(wěn)定度的3 倍，說明HMM13 在較高溫度下具有更為優(yōu)異的高溫性能。

在車轍深度方面，變化趨勢和動(dòng)穩(wěn)定度是一致的。①測試溫度越高，車轍深度越大。比如HMM13在60 ℃和70 ℃時(shí)的車轍深度分別為0.921 mm 和1.356 mm，增加了47.2%；SUP20 在70 ℃時(shí)的車轍深度則比60 ℃時(shí)增加了56.6%；②HMM13 的車轍深度小于SUP20，表明HMM13 具有更為優(yōu)異的抗車轍性能，并且其抗車轍性能受溫度變化的影響更小，能夠保持更為穩(wěn)定的高溫性能。

（2）低溫性能分析。本研究采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)測試瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行，測試溫度為-10 ℃。測試結(jié)果如表3 所示。

表3 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)測試結(jié)果

瀝青混合料作為典型的黏彈塑性材料，高低溫性能往往不可兼顧，提高瀝青混合料的高溫性能后，其低溫性能往往會(huì)受到影響，反之亦然。從表3 所示結(jié)果可以看出，HMM13 的破壞應(yīng)變不足2000με，HMM13的破壞強(qiáng)度較高而破壞應(yīng)變較低，SUP20 則剛好相反，究其原因是HMM13 添加了模量較高的改性劑，導(dǎo)致瀝青混合料較硬，破壞應(yīng)變較小。因此可見，HMM13 更多的是改善了瀝青混合料的高溫性能，這一點(diǎn)和高模量瀝青混合料的設(shè)計(jì)初衷是一致的?？紤]到HMM13 和SUP20 均使用在瀝青路面中面層，這一層位對(duì)高溫性能更為關(guān)注，因此HMM13 的低破壞應(yīng)變是可以接受的。

（3）水穩(wěn)定性分析。本研究采用凍融劈裂試驗(yàn)測試瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行。測試結(jié)果如表4 所示。

表4 瀝青混合料水穩(wěn)定性測試結(jié)果

由表4 試驗(yàn)結(jié)果可見，HMM13 和SUP20 的水穩(wěn)定性均在80%以上，滿足相關(guān)規(guī)范要求。HMM13 的常規(guī)劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度均高于SUP20，并且其凍融劈裂強(qiáng)度比也更高，表明HMM13 具有更為優(yōu)異的水穩(wěn)定性，這有利于瀝青混合料抵抗水損害。

通過以上分析可見，高模量改性劑對(duì)瀝青混合料性能的影響表現(xiàn)為以下四個(gè)方面[7]：①集料增粘作用：高模量改性劑首先與集料干拌，部分熔融于集料表面，提高了集料的粘結(jié)性，相當(dāng)于對(duì)集料進(jìn)行了改性；②改性瀝青作用：高模量改性劑在濕拌和運(yùn)輸過程中，部分溶解或溶脹于瀝青中，形成膠結(jié)作用，從而達(dá)到提高軟化點(diǎn)溫度、增加黏度、降低熱敏感性等改性作用；③纖維加筋作用；聚合物形成的微結(jié)晶區(qū)具有相當(dāng)?shù)膭哦?，部分拉絲成塑性纖維，在集料骨架內(nèi)搭橋交聯(lián)形成纖維加筋作用；④變形恢復(fù)作用：高模量改性劑的彈性成分在較高溫度時(shí)具有使路面的變形部分彈性恢復(fù)的功能，以此降低成型漸青路面的永久變形。

（4）動(dòng)態(tài)模量分析。動(dòng)態(tài)模量是瀝青混合料的關(guān)鍵指標(biāo)，受到研究者越來越多的關(guān)注，這一指標(biāo)對(duì)于高模量瀝青混合料而言更是如此。法國規(guī)范規(guī)定，只有動(dòng)態(tài)模量（15 ℃，10 Hz 條件下）大于14000 MPa才可稱為高模量瀝青混合料。為了明晰HMM13 和SUP20 動(dòng)態(tài)模量的特點(diǎn)，本文援引《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），采用單軸壓縮法測試了瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，并采用S 型曲線擬合方法繪制了其動(dòng)態(tài)模量主曲線[8]。動(dòng)態(tài)模量測試結(jié)果如表5、表6 所示，并以20 ℃為參考溫度繪制了動(dòng)態(tài)模量主曲線，如圖1 所示。

圖1 動(dòng)態(tài)模量主曲線圖

表5 HMM13 動(dòng)態(tài)模量測試結(jié)果（單位：MPa）

表6 SUP20 動(dòng)態(tài)模量測試結(jié)果（單位：MPa）

從動(dòng)態(tài)模量測試數(shù)據(jù)和主曲線可以得出以下結(jié)論：①瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量受溫度和頻率影響。隨著溫度升高和頻率降低，瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量減小。瀝青混合料是一種粘彈性材料，其性能受溫度和頻率的影響很大，這是由于瀝青分子在不同溫度和頻率下表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)活性。盡管HMM13 和SUP20 的動(dòng)態(tài)模量都受溫度和頻率影響，但它們對(duì)溫度和頻率變化的敏感性不同。以10 Hz 下的動(dòng)態(tài)模量為例，當(dāng)溫度從-10 ℃變化到50 ℃時(shí)，HMM13 的動(dòng)態(tài)模量從26316 MPa 降低到2758.5 MPa，變化了大約10 倍，而SUP20 的動(dòng)態(tài)模量由18419.5 MPa 降低至1130.3 MPa，變化了大約16 倍，這表明SUP20 的動(dòng)態(tài)模量更容易受溫度變化的影響，在實(shí)際使用中可能會(huì)導(dǎo)致性能波動(dòng)較大；②在全頻率和全溫度范圍內(nèi)，HMM13 的動(dòng)態(tài)模量都大于SUP20 的。一般來說，動(dòng)態(tài)模量越高，瀝青混合料的高溫性能越好，動(dòng)態(tài)模量越低，低溫性能越好[9]。HMM13 的動(dòng)態(tài)模量普遍高于SUP20，這說明HMM13 具有較好的高溫性能和較差的低溫性能，與之前的路用性能測試結(jié)果一致。

4.結(jié)語

本文對(duì)高模量瀝青混合料HMM13 的性能特點(diǎn)進(jìn)行了研究，并于同用于中面層的SUP20 進(jìn)行對(duì)比，結(jié)論如下：（1）高模量瀝青混合料HMM13 使用了較多的細(xì)集料和填料，密實(shí)度較高，空隙率較小。（2）高模量瀝青混合料HMM13 的高溫性能和水穩(wěn)定性均優(yōu)于改性瀝青混合料SUP20，其高溫性能尤為突出。（3）HMM13 的低溫破壞應(yīng)變較低，但用于中面層是可行的。（4）HMM13的動(dòng)態(tài)模量在測試溫度和頻率范圍內(nèi)均高于SUP20，并且HMM13 的動(dòng)態(tài)模量對(duì)溫度和荷載的敏感性小于SUP20。

目前對(duì)于高模量瀝青混合料的研究還多集中在材料本身的路用性能方面，在以后的研究中應(yīng)側(cè)重于高模量瀝青混合料對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力的長期影響，以更好的認(rèn)識(shí)該材料的特點(diǎn)和應(yīng)用場景。