高模量沥青混凝土的路用性能指标及应用

王忠锋，左连滨，穆 岩

（1Ʊ吕梁宇星公路勘察设计院，山西吕梁 033000；2Ʊ北京中交华联科技发展有限公司，北京 100101；3Ʊ北京中交路通科技发展有限公司，北京 100101）

高模量沥青混凝土的路用性能指标及应用

王忠锋1，左连滨2，穆 岩3

（1Ʊ吕梁宇星公路勘察设计院，山西吕梁 033000；2Ʊ北京中交华联科技发展有限公司，北京 100101；3Ʊ北京中交路通科技发展有限公司，北京 100101）

针对内蒙古干线公路沥青混凝土路面耐久性不足的问题，提出采用高模量沥青混凝土的方法进行维修；研制了一种可用于沥青路面面层的高模量沥青混凝土增模剂，并在此基础上提出了内蒙古地区高模量沥青混凝土路用性能指标的合理取值范围。结合实际工程，对试验路段的渗水系数、构造深度及摩擦系数等指标进行了跟踪检测。结果表明：高模量沥青混凝土的整体性能及耐久性都有较大提高，适用于内蒙古中、西部地区特殊气候条件下的沥青路面。

高模量改性剂；沥青混凝土；路用性能；配合比设计

0 引 言

内蒙古自治区地域广袤，横跨中国的东北、华北、西北三大区，夏季短暂炎热，冬季漫长严寒，降雨少且不均匀，形成了特色鲜明的气候特点。近年来内蒙古自治区经济迅猛增长，重车数量增加，超载现象频繁，各等级公路的养护需求也随之复杂。在高温季节，沥青路面需要具备较高的稳定性，以抵抗由于重载车辆或渠化交通带来的破坏变形；在寒冷季节，沥青路面需要具备较好的柔韧性，以抵抗由温度收缩带来的低温开裂；另外，路面结构设计不合理或厚度不足，也会使沥青路面发生早期破坏（如车辙、坑槽、拥包及裂缝等病害），导致路面使用性能迅速恶化。上述现象不仅增加了路面维修成本，也造成了人力、物力资源的严重浪费。在这样的情况下，如何提高沥青路面面层材料的整体性能，改善面层材料的疲劳性能和抗变形能力，从而延长沥青路面的使用寿命，成为目前道路工程中亟待解决的问题。

本文结合内蒙古国省干线公路常见的道路病害形式，提出采用高模量沥青混凝土对其进行大中修养护。首先，利用室内试验对高模量增模改性剂材料的组成及作用机理进行分析；然后，研究高模量沥青混凝土的拌和工艺、拌和时间以及拌和温度等；在此基础上提出适用于内蒙古干线公路高模量沥青混凝土路用性能的评价指标体系；结合试验路的铺筑，对沥青路面评价指标进行跟踪观测，分析其应用效果。

1 高模量改性剂组成及作用机理

1．1 高模量改性剂的研制

目前市场上出现了很多高模量改性剂，包括法国PR增模剂、中路高模量抗车辙剂以及RPS高模量增模改性剂等［1⁃3］。在这些增模剂中，法国PR增模剂为进口产品，价格相对较贵；中路高模量抗车辙剂的掺加量一般为沥青混合料的0Ʊ4%～0Ʊ6%，该增模剂在沥青混合料中的熔点较高，因此该产品所改善的沥青混合料性能不稳定。通过对沥青路面结构和材料的多年研究，本试验自主研发了RPS高模量增模改性剂，无论在经济成本上还是性能稳定性方面，都有了较大提高。

本文利用高分子聚合物、岩沥青、橡胶粉和其他超黏材料，研制了沥青路面抗车辙RPS高模量增模改性剂，如图1所示，产品结构组成如表1所示。RPS高模量增模改性剂的主要特点有：熔点控制在120℃～130℃，在混合料拌和阶段直接加入混合料中，提高沥青路面的强度和刚度，不会降低沥青混合料的低温抗裂性能，且节能环保，可重复利用。

1．2 高模量改性剂的作用机理

图1 RPS增模改性剂

表1 RPS改性剂组分

使用高模量增模改性剂的目标是提高沥青混凝土在车辆荷载下的力学刚度［4⁃7］。根据沥青混合料的强度构成原理，主要有表面理论和胶浆理论2种强度理论。表面理论认为沥青混合料模量的增加主要是内摩擦角的增大和黏聚力的增强；胶浆理论则认为沥青混合料处于一种三级分散体系中，沥青胶浆材料性能对混合料的强度起决定性作用。

当RPS高模量增模改性剂加入沥青混合料时，首先与集料产生反应，在高温下熔融分解，搅拌过程中与集料形成强大的界面力，同时增模剂中的高分子聚合物形成聚合物晶体，使基体沥青在混合料中得到强化。另外，加入热沥青后，增模剂可吸收沥青中的轻质油分从而改性沥青，同时形成一种胶结体系，该体系具有立体纤维网状结构，提高了沥青混合料的整体强度。上述增模改性剂的作用机理如图2所示。

图2 增模剂作用机理

2 高模量沥青混凝土的配合比设计

2．1 级配及拌和工艺

使用高模量增模改性剂时，在任何掺量下均不改变沥青混合料的级配。因此，本试验的矿料级配与普通混凝土的矿料级配一样。现场拌和RPS高模量沥青混合料的工艺较为简单：首先加入热集料，并利用专用的投料机设备将高模量改性剂加入拌锅干拌一定时间；然后喷入热沥青进行湿拌；最后加入矿粉拌和直至均匀。

2．2 外掺剂干拌时间

由RPS增模剂的作用机理可知，将适量的高模量增模改性剂投入热集料进行干拌时，由于集料表面粗糙、多棱角，在与增模剂相互作用时，产生的剪切和挤压作用使增模剂均匀地分布其中。若干拌时间过长，不仅影响沥青混合料的施工进度，还会浪费拌和站的能源成本；若干拌时间过短，则RPS增模剂熔融不充分，材料组成不能有效释放，反而有一定的副作用。因此，必须得出最佳干拌时间。

本文通过大量试验，综合考虑各方面影响因素，既要充分发挥高模量增模改性剂的相关改性作用，又要降低生产成本，最终确定最佳干拌时间为20 s。

2．3 混合料拌和温度

混合料拌和温度也是影响高模量沥青混凝土性能的重要因素之一。在拌和过程中，如果混合料温度较高，则加入的沥青很容易老化，使沥青混合料的低温抗裂性不足；如果混合料温度偏低，则高模量增模剂不能较好地相融，无法发挥增模作用。

本文经过大量试验发现，当温度在170℃时，沥青混合料成品质量均匀，其稳定度、空隙率等指标也达到最佳。因此，确定高模量沥青混凝土的拌和温度为170℃。

2．4 确定最佳油石比

本文沥青混合料级配采用AC⁃16，按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的规定，分别采用5个油石比进行设计级配的马歇尔击实试验，结合混合料在不同油石比下的性能确定最佳油石比。其中，增模剂RPS掺量为0Ʊ4%，干拌时间为20 s，沥青加热温度区间为160℃～165℃，集料加热到185℃，混合料拌和温度为170℃。马歇尔试验过程与普通沥青混合料相同，由此得出高模量沥青混合料的最佳油石比。

3 高模量沥青混凝土路用性能指标研究

本文选取内蒙古国省干线公路沿线锡林郭勒、乌兰察布、包头、鄂尔多斯和阿拉善等5个盟市大中修路面进行分析，研究不同增模剂掺量下（0、0．2%、0．4%、0．6%）的力学性能、高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性，并提出相应的指标取值范围。

3．1 回弹模量

根据高模量沥青混凝土的相关规定［8⁃9］，当沥青混合料的模量达到一定要求时才可以被称为“高模量沥青混凝土”。因此，高模量沥青混凝土的力学性能是非常重要的一个考量指标。在国外一般采用动态模量进行划分定义，但是中国针对沥青混合料的动态模量研究较晚，试验设备及人员培训还达不到相应要求。由于国内沥青路面结构设计时使用的材料参数为抗压回弹模量，且沥青混合料静态回弹模量的研究在国内已非常成熟，因此本文把回弹模量作为高模量沥青混凝土的评判指标，并提出回弹模量的参数界限范围。静态模量试验结果如图3所示。

图3 回弹模量试验结果

由图3可知，掺加RPS增模剂的高模量改性沥青混合料的静态弹性模量明显大于普通沥青混合料。增模剂掺量从0．2%增加到0．4%时，回弹模量增大幅度较大；当掺量从0．4%增加到0Ʊ6%时，回弹模量的增大幅度较小。

王修山等的研究表明，当外掺剂用量增加至混合料的0Ʊ7%时，沥青混凝土的回弹模量增加幅度平均可达到50%左右［10］。因此，提出高模量沥青混凝土回弹模量的取值范围，如表2所示。在结构设计时可在该范围内选取合适的数值。

表2 回弹模量参数选取范围

3．2 高温稳定性能

为了保证高模量沥青混凝土具有良好的高温稳定性，对混合料高温性能的技术指标提出具体要求。车辙试验结果如图4所示。

图4 动稳定度试验结果

从图4可以看出，随着增模剂掺量的增加，动稳定度逐渐增大。与回弹模量增加规律的不同在于，当增模剂掺量增加到0．6%时，动稳定度增大幅度也较大，而回弹模量的增大幅度趋于平缓。为了更好地发挥其抵抗车辙的能力，在相关规范的基础上，本文提出高模量沥青混凝土的动稳定度最低限值，如表3所示。

表3 高模量沥青混凝土车辙技术要求

3．3 低温抗裂性能

高模量沥青混凝土小梁低温弯曲试验结果如图5所示。

图5 弯拉应变试验结果

由图5可知，与基质沥青混合料的低温弯拉应变相比，加入RPS增模剂的高模量沥青混合料的弯拉应变提高较大，随后弯拉强度增大幅度不明显。本文提出高模量沥青混凝土的低温性能指标要求，如表4所示。

表4 高模量弯拉应变选取范围

3．4 水稳定性能

高模量沥青混凝土水稳定性试验结果如图6、7所示。

图6 浸水马歇尔残留稳定度比

图7 冻融劈裂残留强度比

由图6、7可知，掺加RPS增模剂的沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂残留强度比较基质沥青混合料有所提高；随着增模剂掺量的增加，浸水残留稳定度和冻融劈裂残留强度比均有所提高。为了保证高模量沥青混凝土优越的水稳定性能，且更好地发挥高模量沥青混凝土抵抗水损坏的能力，提出高模量沥青混凝土的水稳定性能建议值，如表5所示。

表5 高模量沥青混凝土水稳定性要求

4 工程实施效果

为了进一步验证高模量沥青混凝土的性能，在内蒙古锡林郭勒盟干线S308公路上铺筑高模量沥青混凝土试验路。由于试验路段大部分基层已经破损，垫层、土基均有不同程度损坏，需要先对原基层损坏部分进行维修处理，然后换填。补强维修方案为：20．0 cm水稳基层、5Ʊ0 cm AC⁃16RPS（4．0‰）高模量沥青混凝土面层。

高模量沥青混凝土试验路施工完成后，对其渗水系数、构造深度、摩擦系数等指标进行检测［11⁃15］，结果如图8～10所示。

图8 渗水系数检测结果

图9 构造深度检测结果

图10 摩擦系数检测结果

检测结果表明，在试验路通车近2年后，高模量沥青混凝土的各项检测指标都能满足规范要求，且优于未掺加增模剂的普通沥青混凝土，路面无明显车辙和开裂现象。

5 结 语

（1）研究了一种可用于沥青路面面层的高模量沥青混凝土RPS增模剂，它主要由高分子聚合物、岩沥青、橡胶粉等多种无机物复合加工而成，其熔点控制在120℃～130℃之间，比普通沥青混凝土具有更好的相融性，能更好地发挥增模剂的作用。

（2）针对RPS增模改性剂形成的高模量沥青混凝土，提出了适合内蒙古地区高模量沥青混凝土的指标评价范围，其中回弹模量大于1 800 MPa，动稳定度大于4 800次·mm－1，最大弯拉应变大于2 600με，冻融劈裂残留强度比大于85%。

（3）对内蒙古地区现场试验路的铺筑以及施工前后检测指标的对比分析表明，高模量沥青混凝土的整体性能及耐久性都有较大提高，是能够应用于内蒙古中、西部地区特殊气候条件下的沥青路面。

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［责任编辑：王玉玲］

Study on Performance Index of High Modulus Asphalt Concrete and Its Application

WANG Zhong⁃feng1，ZUO Lian⁃bin2，MU Yan3
（1．Luliang Yuxing Highway Survey and Design Institute，Luliang 033000，Shanxi，China；2．Beijing Zhongjiao Hualian Technology Development Co．，Ltd．，Beijing 100101，China；3．Beijing Zhongjiao Lutong Technology Development Co．，Ltd．，Beijing 100101，China）

Aiming at the problem of insufficient durability of asphalt concrete pavement on the trunk roads of Inner Mongolia，it was proposed to treat with high modulus asphalt concrete．A modulus modifier fit for the surface course of asphalt pavement was developed，based on which a reasonable range of performance indices for high modulus asphalt concrete applied in Inner Mongolia was put forward．Combined with the practical use in projects，the tracking and detection of the seepage coefficient，texture depth and friction coefficient and other indicators were conducted on the test roads．The results show that the overall performance and durability of high modulus asphalt concrete are greatly improved，and it can be applied to asphalt pavement under special climatic conditions in the middle and western regions of Inner Mongolia．

modulus modifier；asphalt concrete；pavement performance；mix design

U416．212

B

1000⁃033X（2017）08⁃0062⁃05

2017⁃01⁃17

王忠锋（1972⁃），男，山西临县人，工程师，从事公路勘察设计工作。