高模量沥青混凝土材料组成研究

摘 要：通过分析沥青混凝土强度形成的机理，提出沥青粘度、集料性质、混合料级配类型、粉胶比和外掺剂等是影响沥青混凝土模量的主要因素，并据此对高模量沥青混凝土的组成材料提出具体的要求。

关键词：道路工程；高模量沥青混凝土；材料组成；强度形成机理

前言

沥青混凝土是由一定数量的沥青与恰当比例的粗、细集料及填料组成符合规定级配的矿料拌和而制成的、符合技术标准的沥青混合料，高模量沥青混凝土与普通沥青混凝土相比具有较高的力学强度，能够降低沥青混凝土在车辆荷载作用下发生的变形，提高路面抗高温和疲劳能力，从而提高路面的服务质量。高模量沥青混凝土由于在使用要求上与普通沥青混凝土存在区别，材料组成上必然有所不同，因此文章主要对高模量沥青混凝土组成材料的技术要求进行研究。

1 影响沥青混凝土模量的因素

通常提高沥青混凝土的强度主要有以下两种途径，一方面是加强集料颗粒棱角之间产生的嵌挤力和摩擦阻力；另一方面是提高沥青材料自身的粘稠性及其与石料间的粘结力。从而可以得出，与沥青混合料强度相关较为显著的主要因素包括以下几点：

1.1 沥青粘度

沥青结合料自身的特性是影响混合料整体强度和高温抗变形能力的重要因素，在常温和高温条件下沥青的劲度越强，粘稠度越大、与石料的粘附性越好，那么拌合形成的沥青混合料力学强度和整体的抗变形能力也就越高。

1.2 集料性质

影响沥青混合料的强度的因素主要包括颗粒形状、集料粒径的尺寸、表面粗糙度。有棱角且表面粗糙的骨料所构成的沥青混合料强度明显高于球状光滑的骨料所构成的沥青混合料强度。用尺寸较大、颗粒形状均匀的矿料所组成的混合料强度要大于尺寸较小、颗粒形状不均匀的矿料所组成的混合料。

1.3 混合料级配

沥青混合料的级配是影响沥青混凝土强度的主要因素之一。根据混合料中密实结构和嵌挤结构所占的比例不同，通常将沥青混合料的结构分为悬浮-密实结构、骨架-空隙结构和骨架-密实结构。

1.4 粉胶比

按照近代胶浆理论的研究结果，沥青混合料是一种由三级空间网状胶凝结构组成的分散系，即粗分散系、细分散系和微分散系。以沥青砂浆作为介质，以粗集料为分散相，这样就形成了一种粗分散系；同理，以沥青胶浆作为介质，以细集料为分散相而分散在其中，形成了一种细分散系；而微分散系是以高稠度的沥青作为介质，以填料（即矿粉）为分散相而分散在其中形成的胶浆则是一种微分散系。沥青与填料形成的胶浆在沥青混凝土中主要起到填充粗细集料空隙和粘结作用，因此直接影响着沥青混合料强度的形成。

1.5 外掺剂

在沥青混合料中添加高模量专用外掺剂，可以显著提高沥青混凝土的模量。集料在加热后进行干拌，此时将高分子专用外掺剂通过设备的投放口直接投入高速拌合的热骨料上，外掺剂受热后迅速软化，热骨料高速运动下产生的剪切力可以将受热软化的外掺剂研磨成片状或纤维状，待沥青加入后便可均匀地分散在沥青混合料中。在高温下外掺剂处于粘性流体状态，通过与石料之间的润湿和浸润作用，粘流态的外掺剂能够均匀地包裹在矿料颗粒表面。在高速拌合旋转过程中，外掺剂将不断缠绕最终形成一个立体的网状结构，从而将集料颗粒牢固地限制在网状体，当施工结束，温度降低后，处于弹性状态的外掺剂与矿料胶结的界面可以形成很高的刚度和强度，沥青混合料的整体力学强度会因此得到显著提高。

2 高模量沥青混凝土材料组成的要求

2.1 沥青

低标号沥青是指直馏道路石油沥青和通过各种调和技术获得的沥青，特点是针入度低，粘度高，软化点高，具有较高的力学强度和较好的高温稳定性。低标号沥青常温下具有较高的力学强度，在高温条件下具有良好的抗车辙性能，同时还有相对较为低廉的价格，在国外（尤其在欧洲）有比较成功的应用先例。在我国现行的《沥青路面施工技术规范》中，关于道路石油沥青的分类提出了50#和30#沥青的技术要求和使用范围，低标号沥青的应用研究也逐渐得到开展。

作为制备高模量沥青混凝土的原材料，50#沥青和30#沥青将是优先选择的对象。考虑到高模量沥青混凝土使用的主要环境是交通量较大、受力环境较为恶劣的路段，因此对低标号沥青的技术指标要求也较为严格，在有条件的情况下尽量选用《沥青路面施工技术规范》中的A级低标号沥青。

2.2 集料

对于粗集料，集料的磨光值、磨耗值、沥青粘附性、压碎值、针片状含量等指标应满足高速公路沥青路面的集料标准；在岩种选择上，应优先选择优质石灰岩、玄武岩、安山岩、花岗岩等岩质坚硬的集料。对于细集料，尽量选择无风化、无杂质、干燥、洁净，同时具有一定颗粒级配的集料，其各项技术指标应满足高速公路沥青路面的集料标准。

2.3 粉胶比

前文中提到，沥青与矿粉之间所形成的沥青胶浆是影响沥青混凝土使用性能的重要因素。矿粉与沥青之间的吸附过程复杂且多样。如果粉胶比过大，即矿粉比例过大，那么胶浆内没有足够的自由沥青起介质作用，沥青全部被填料吸收，整个胶浆粘稠度过高，混合料容易发脆、发硬，沥青混合料的低温抗变形能力较差。相反，如果粉胶比过小时，即矿粉比例过小，沥青与矿粉之间无法形成完全的胶浆，剩余的游离沥青过多，填料之间易产生滑移，无法与粗细集料形成良好的粘附。在综合考虑沥青胶浆的高温性能、低温性能后，提出高模量沥青混凝土适宜的粉胶比范围为1.0～1.4。试验表明，当粉胶比在此范围内时，沥青混凝土的整体强度得到改善的同时，也保持了较好的低温抗裂性能。

2.4 集料级配

综合对比沥青混合料的三种结构类型后，发现骨架-密实型结构可以兼顾其它两种结构类型的优点，骨架由粗集料担当，细集料和沥青则能够很好地填充粗集料中的孔隙，一方面集料之间能够形成良好的嵌挤作用，另一方面形成的沥青混凝土结构密实、空隙率低，具有较高的力学强度和高温抗永久形变能力，抗渗性能良好，在选择高模量沥青混凝土级配类型，首选骨架密实型的级配类型。我国现行的《沥青路面施工技术规范》在深入研究集料骨架的形成规律后，对沥青混合料级配组成，特别是集料组成设计朝着骨架密实方向进行了全面的改进，改进后的连续级配AC类混合料具备较强的骨架密实特性，使得沥青混合料的抗车辙、抗滑、抗渗等性能同时得到改进。因此，对于高模量沥青混凝土集料级配的选择，可以参考《沥青路面施工技术规范》的集料级配范围。

2.5 外掺剂

高模量外掺剂是以提高沥青混凝土在车辆荷载下的力学强度为目的的，可以在提高模量的同时，使沥青混合料的高温稳定性得到改善。其作用原理是外掺剂在受热和剪切作用下变形后与矿料形成了复杂的立体网状结构，矿料颗粒被牢固地限制在外掺剂缠绕后形成的立体网络中，从而大幅度提高沥青混凝土的整体力学强度。

3 結束语

（1）沥青混合料的强度主要来源于沥青与矿料间的粘结力以及集料颗粒之间的嵌挤力，沥青粘度、集料性质、混合料级配类型、粉胶比和是否使用外掺剂等是影响沥青混凝土模量的主要因素。（2）制备高模量沥青混凝土可以选择使用50#、30#低标号沥青，或高模量专用外掺剂的途径，应使用强度高、棱角性良好、耐磨性的集料，选择骨架密实型级配或改进后的具备较强骨架密实特性的连续级配，利用马歇尔设计方法确定最佳沥青用量，并注意将粉胶比控制在1.0～1.4范围内。

参考文献

[1]周庆华.高模量沥青混凝土性能与路面结构研究[D].长安大学，2010.

[2]张争奇，张卫平，李平.沥青混合料粉胶比[J].长安大学学报（自然科学版），2004，24（5）：7-10.

作者简介：周庆华（1977，10-），女，汉，河南省新乡市，博士研究生，副教授，研究方向：道路材料与工程管理。