高模量沥青路面材料设计及应用研究

李正中 张朝清 邳慧然 肖庆一

摘要：文章结合近年来高模量路面的应用实践，对高模量混合料技术的发展理念、实现路径、设计体系进行了梳理，分析了法国高模量混合料设计方法与我国现行设计方法的差异，将国内设计体系及混合料试验评价手段与法国高模量技术理念相结合，建立了基于GTM（Gyratory Testing Machine）方法的高模量设计方法，所提出的相应技术指标体系可为高模量沥青路面材料设计及工程应用提供借鉴。

关键词：高模量;材料设计;指标体系;施工工艺

Combining the application practice of high modulus pavement in recent years，this article analyzes the development concept，realization path and design system of high modulus mixture technology，analyzes the the difference between French high modulus mixture design method and the current design method in China，and integrate the domestic design system and mixture test evaluation method with French high modulus technology concept to establish a high modulus design method based on the GTM （Gyratory Testing Machine） method，and the proposed corresponding technical index system can provide reference for the design and engineering application of high modulus asphalt pavement material

High modulus;Material design;Index system;Construction proces

0 引言

近年来，伴随着客货运量迅猛增长、轴载增加、渠化交通、持续高温天气等因素的综合影响，车辙已成为我国高等级公路沥青路面常见且最为严重的病害形式，其严重影响了沥青路面的服务质量，缩短了沥青路面的养护周期和使用寿命。同时，很多早期修建的高等级公路因技术状况衰减已提前进入大中修阶段，需要在既有标高下改造并

进一步提升路面结构的承载能力。有效提高路面的抗车辙能力，在既有路面厚度下实现路面结构承载能力的提升，已成为我国现阶段沥青路面建设养管的迫切需要，亟待新的技术方案解决上述问题。沥青混合料弹性模量是影响路面车辙等永久变形的关键参数，提高混合料模量能够减少相同车辆荷载作用下沥青路面产生的塑性变形，并延长混合料的疲劳寿命，是解决重载交通环境以及高温气候条件下沥青路面车辙病害的有效途径。

本文结合近年来的试验研究和实践应用，就高模量沥青路面的发展理念、技术路径、设计体系进行梳理分析，并在此基础上，提出基于GTM（Gyratory Testing Machine）的高模量混合料设计方法及相应的指标体系，并就施工工艺和质量管控措施进行总结，以期为高模量沥青路面的推广应用提供借鉴。

1 高模量沥青路面技术发展理念

高模量沥青路面技术在近30年的应用实践中形成了两种发展理念。高模量沥青混合料（High Modulus Asphalt Concrete，HMAC）最初由法国于20世纪80年代提出，旨在解决沥青路面在使用过程中出现的面层抗车辙能力不足及基层刚度不够的问题，并于90年代出版了《高模量沥青混合料设计规范》（NF P 98-140、NF P98-141），首次在世界范围内对高模量混合料的标准进行了定义和界定，明确提出只有复数模量（15 ℃，10 Hz）≥14 000 MPa的混合料才能称为高模量沥青混合料。目前，该技术已成为法国沥青路面铺筑的主流技术，形成了成套的设计及施工技术规范，得到了欧洲其他国家的广泛认可，使用量逐年上升。与此同时，美国于2004年发起了对高模量混合料用于永久性沥青路面中、下面层的研究，将高模量混合料作为一个相对比较宽泛的概念，泛指通过采用PG等级较高的胶结料和更好的骨架嵌挤以获得相对较高模量的混合料，没有设定专门的阈值，也没有相应的技术规范。

总体来说，法国高模量混合料是一种特指的路面材料，有明确的性能指标要求，需要采用特定的设计方法、评价体系、试验设备，更适应于法国的气候环境和交通荷载情况。美国提出的高模量混合料更体现为一种路面材料的设计理念，对混合料级配、设计方法和评价体系等完全开放，使用者可以根据实际情况并结合既有经验进行设计，凡是实现了模量提升的混合料都可以称之为高模量混合料，具有更广泛的適应性。两种技术理念的本质都是通过提高混合料的动态模量，有效降低其在车辆荷载和高温环境作用下的压、剪应变，提高其向下层结构传递荷载的扩散角，从而减少结构层的累积变形，提升路面结构层的承载能力，延长道路使用寿命。

值得注意的是，高模量沥青路面并不等同于抗车辙沥青路面。抗车辙技术源于对路面材料抗车辙性能提升的需求，属于单纯的材料改性技术;而高模量技术是一项基于路面结构行为理论的综合性技术，目的是实现路面结构与材料的协调设计，即通过提高材料模量来提升路面结构的承载力，还要解决混合料路用性能之间的平衡问题，当然在客观上也起到了一定的抗车辙效果。

2 高模量技术路径分析

目前，国内外主要通过三种方式提升沥青混合料的动态模量，第一种是采用低标号硬质沥青，第二种是采用高黏度的复合改性沥青，第三种是掺加高模量改性剂。其中，前两种技术的本质是通过提高沥青胶结料的劲度来提升混合料的动态模量;第三种技术是对沥青混合料的综合改性，关键是强化矿料与沥青之间的界面粘结强度。

2.1 硬质沥青技术

硬质沥青是指针入度<25（0.1 mm，25 ℃）的低标号沥青，在法国应用最为广泛。其基本原理是：硬质沥青的沥青质含量大，胶质含量相对较少，沥青质胶团容易相互连接形成三维网状结构，改善了沥青的粘弹性和高温稳定性。在此基础上，混合料采取低空隙率并借助硬质沥青的高劲度，从而实现了动态模量的提升。值得注意的是，硬质沥青的性能主要取决于生产工艺，工艺过程决定了其组分比例和胶体结构，不能仅仅根据针入度等级对不同来源的硬质沥青进行评价或替换。

2.2 复合改性沥青技术

复合改性沥青技术通常是以SBS改性沥青或胶粉改性沥青为基础，添加高品质的特殊聚合物或一定比例的湖沥青、岩沥青等天然沥青，并经特殊工艺制备而成的具有更高劲度模量的改性沥青。复合改性沥青通过材料配方优化和相应的制备工艺，形成了化学交联、聚合而成的网状结构，进一步改善了普通改性沥青的高温抗变形和低温抗脆裂性能，显著提升了其动态模量、损失模量及车辙因子，从而增强了路面结构的承载能力。

2.3 高模量改性剂技术

高模量改性剂由多种高分子材料、聚合物纤维及其他专用添加剂等材料组成，使用时以直投干拌的方式直接加入混合料，属于“直投式”改性技术。其技术机理为：高模量改性剂在拌合过程中熔化形成粘流状态，并被均匀分散于混合料中。期间通过化学改性作用吸附了沥青中的部分轻质油分，提高了沥青的黏度;通过浸润作用包裹在矿料颗粒表面，强化了矿料与沥青之间的界面粘结强度;冷却后部分成分以较小的颗粒状、片状或丝状等形式存在，又通过机械嵌挤、加筋约束等作用增强了合成矿料空间结构的稳定性，从而实现了混合料动态模量的综合提升。

上述三种技术各有特点，应结合实际情况选用。硬质沥青目前在我国的供应量比较缺乏，低温性能和耐久性相对较差，难以满足法国高模量技术对硬质沥青的综合要求，而且受生产工艺制约，在国内仍处于初步试验阶段，工程应用尚需深入研究。复合改性沥青由于缺乏相应的评价指标，掺配比例和质量控制缺乏依据，同时，该技术对生产设备及工艺要求较高，还面临不同聚合物之间及其与普通沥青之间的配伍性问题，产品容易离析，有一定的技术门槛。相比而言，高模量改性剂技术采用直投式改性，施工应用方便，外加剂易于储藏且掺加剂量可控，同时，基本不改变混合料拌合生产及路面施工工艺，还能省去改性沥青生产设备以及加工过程中的能耗和排放问题。因此，建议将外掺高模量改性剂作为首选路径。

3 高模量混合料设计体系研究

法国高模量沥青混合料建立了一套完整的设计规范体系，以路用性能为最终设计目标，得出的动态模量和疲劳试验数据可直接用于沥青路面结构设计，实现了路面材料与结构的一体化设计。国内由于受法国高模量试验设备的客观约束，同时结合主流的沥青路面材料设计应用实践，主要借鉴美国的技术理念对高模量混合料的组成设计进行研究，主要思路是：采用马歇尔、Superpave等常规方法进行设计，并在现有性能评价体系中增加了对动态模量、疲劳等力学指标的考量。也就是说，在现行试验设备和级配设计理念下，通过提高原材料标准、添加高模量改性剂、优化矿料级配、改进设计程序等方式，使得设计结果能够满足法国高模量混合料的模量要求。

3.1 法国高模量设计体系介绍

法国高模量混合料的设计流程包括原材料选择、材料组成设计（矿料合成级配、最佳沥青用量）、旋转压实试验、性能试验、配合比验证等阶段。其中，矿料合成级配设计时仅给出了0.063 mm、2 mm、4 mm和14 mm等4个关键筛孔的目标范围，未明确其他筛孔的级配范围上下限以及合成级配分布曲线;最佳沥青用量根据丰度系数估算，该系数可理解为裹附在集料表面的沥青膜的当量厚度，与合成矿料的表面积和密度相关。

根据混合料使用条件、类型、荷载及气候条件等，将高模量混合料的性能试验由低到高分为4个水平，且必须逐级满足要求。水平1为旋转压实和水敏感性试验;水平2为车辙试验;水平3为劲度模量试验;水平4为疲劳试验。总体来说，水平1、水平2相当于经验方法;水平3、水平4结合了基本的力学分析方法。不同的性能试验水平也是对混合料初始设计的验证，若不能满足相应的试验水平要求，需要重新进行材料选择或组成设计，直到验证通过为止。其中，旋转压实试验与现场压实相关性较好且对混合料组成设计因素非常敏感，可初步检验评价车辙风险，也可预估施工现场的实际空隙率。水敏感性是混合料耐久性的基础，通常采用多列士试验，计算静压成型的两组试件浸水与未浸水的抗压强度比来进行评价。轮辙试验通过测定试件在特定荷载循环作用后的变形深度和轮碾次数来评判混合料的抗车辙性能，试验温度为60 ℃、试验频率为1 Hz、轮胎压力为0.6 MPa。劲度模量试验采用直接拉伸的方法进行测量，并根据时温等效法则换算得出混合料在不同荷载作用下的动态模量信息，规范给出了15 ℃和频率为10 Hz或加载时间为0.02 s对应的模量要求。疲劳试验采用两点弯曲疲劳方法，设定3个控制应变，在规定的温度、频率、荷载下对梯形梁试件进行加载，以其劲度模量下降至初始模量的一半作为疲劳破坏标准。需要说明的是，高模量混合料设计时，尽管只进行了水平1的常规试验，也要进行配合比验证，而且验证时宜选择尽可能多的试验水平，特定情况下还需要针对性地选择需要验证的目标特性。

由此可见，法国高模量混合料虽然以15 ℃动态模量作为界定标准，但设计时并非仅仅单一地控制模量，还包括了高温性能、水稳定性能和抗疲劳性能等，其设计核心是实现模量、高温稳定性、抗疲劳三者之間的平衡，必须从整体上综合考虑。

3.2 基于GTM的高模量设计方法

众所周知，马歇尔法是国内现行规范提出的标准设计方法，该方法重视矿料合成级配的设计，根据道路等级、气候条件、使用层位等因素对级配范围进行了优化，提出了相应的设计级配范围和施工允许波动范围，以空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等体积指标作为最佳沥青用量的确定依据，但锤击成型方式与现场碾压工况不符且与交通量无内在联系，使得设计过程具有较大的盲目性。Superpave法充分考虑了气候环境和交通量，建立了以使用性能为基础的沥青PG分级评价方法，实现了沥青性能与路面使用温度的统一;级配设计提出“控制点”和“限制区”，要求至少选择3个试验级配，分别对应于从禁区上通过、通过禁区、禁区下沿;以旋转压实方式成型试件，并根据交通量水平确定旋转压实次数以及混合料的性能指标;将空隙率作为混合料设计的关键指标，以设计旋转压实条件下4%空隙率对应的沥青用量作为最佳沥青用量。但该方法对级配曲线“控制点”和“禁区”的规定缺乏完善的理论依据和经验依据，且目前常用的设计水平仅计算体积参数，缺乏对混合料力学指标的测定或推算。

GTM法基于力学原理进行混合料设计，以防止最终塑性过大作为设计目标。其试验设备将旋转压实、力学剪切、车辆荷载模拟整合为一体，可以较为真实地模拟实际路面材料的受力状况，并预测混合料在行车荷载作用下所能达到的最终压实状态，通过测试推算试样在压实全过程中剪切强度和最终塑性形变的大小，以此判断混合料组成是否合理。该方法以旋转稳定系数GSI（Gyratory Stability Index）作为最佳沥青用量的判定指标，用以表征试件受剪应力作用的变形稳定程度，使得最佳油石比的确定与混合料的力学性能联系起来，较之经验式的体积分析方法将更为合理。

综上所述，充分吸收马歇尔法、Superpave法的成熟经验和先进理念，并借鉴法国高模量混合料设计体系，从而构建基于GTM的高模量沥青混合料设计方法。其基本理念为：（1）结合公路等级、使用层位、气候环境及交通荷载等因素，从针片状颗粒含量、压碎值、磨耗值、含泥量等方面提高集料的技术指标，细集料全部采用高品质机制砂，采用PG分级对沥青胶结料进行评价并优先保证高温性能;（2）基于马歇尔法所提出的设计级配范围，进一步优化矿料合成级配，加强对0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm及公称最大粒径通过率的控制，提升矿料级配的嵌挤性及施工和易性;（3）采用GTM法进行油石比设计，以旋转稳定系数GSI为判据确定最佳沥青用量，同时，参考旋转剪切因子（Gyratory Shear Factor）及空隙率、矿料间隙率等体积指标;（4）采用车辙、冻融劈裂、低温弯曲、动态模量、四点弯曲疲劳等试验对混合料的高温性能、水稳定性能、低温性能、模量指标、疲劳性能等进行验证。

基于GTM设计理念，采取外掺高模量改性剂技术路径（法国高模量改性剂PR-Module，掺加量为矿料总质量的0.4%～0.5%），以AC-20C型混合料为例，通过室内试验研究提出推荐的技术指标体系，如表1所示。其中，GTM压实参数为：垂直压力0.8 MPa，旋转基准角1.4°，以极限平衡状态作为试验结束条件。

4 结语

高模量沥青路面技术能够有效改善沥青路面抗车辙性能，提升路面结构的承载能力，技术辐射性强，工程应用价值显著，是实现长寿命沥青路面的重要技术路径。该技术从沥青路面结构行为理论入手，对沥青路面材料提出了相应的动态模量、疲劳次数等力学指标，材料设计指标更为综合，且推动了路面结构与材料的一体化设计，有助于提升路面材料设计的针对性和有效性。但由于试验设备、材料来源等方面的客观限制，高模量技术在我国总体上仍处于起步阶段，技术路径较为单一，同时，因气候环境、交通环境、实践经验等方面的差异，直接套用法国高模量混合料设计方法难以有效解决国内的实际问题。本文结合近年来的工程实践，对高模量混合料的技术发展理念、实现路径及法国高模量技术进行了梳理，分析了各种技术路径的模量提升机理，并优选高模量改性剂技术;同时，分析了法国高模量混合料设计方法与我国现行设计方法的差异，将国内设计体系及混合料试验评价手段与法国高模量技术理念相结合，建立了基于GTM方法的高模量设计方法，提出相应的技术指标体系，推动了高模量技术的国产化应用。

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