高模量沥青混凝土配合比设计与应用

陈杜强

（梅州市公路局直属分局，广东 梅州514011）

1 引言

在沥青混合料中添加高模量添加剂是提高沥青混合料模量的有效手段之一，高模量沥青混合料添加剂是一种能大幅度提高沥青混合料模量的添加剂，一般为深灰色或黑色柱状颗粒，生产和应用过程中易于贮存和长途运输，使用方便，施工工艺简单。该添加剂无须增设专用设备，可直接加入拌和楼中和沥青混合料一起拌和，通过集料颗粒间的剪切作用将添加剂均匀分散在沥青混合料中，搅拌得到的高模量沥青混合料综合表现良好，稳定性与模量较传统材料有较大幅度的提高，能很好地解决路面车辙问题，增强路面抗车辙能力，为车辆提供安全通行环境。

广东省梅州市省道S333线梅江区银江隧道至龙坑段已建成多年，在长期行车荷载、高温、多雨等多方面因素影响下，产生了车辙等不同类型和程度的病害，道路使用情况亟待改善。为做好S333线梅江区银江隧道至龙坑段改造工程，提高沥青路面的整体性能，笔者提出采用提高沥青混合料模量这一措施来提高沥青路面抗车辙能力。经过研究分析，上面层使用中粒式高模量沥青混凝土，下面层为粗粒式SBS改性沥青混凝土。本文在原材料及级配、配合比设计、路用性能、试验路跟踪4个方面开展高模量沥青混凝土的应用研究。

2 原材料及级配

2.1 高模量沥青混合料添加剂

试验段采用的SIKSETH高模量沥青混合料添加剂，外观呈深色、固体、颗粒状，具备全面提高沥青混合料的综合性能，显著提高道路的耐久性、抗负载能力，能有效预防和解决路面高温车辙、低温冻裂、水损害和路面疲劳等常见路面病害，从而提高路面的整体使用性能。

经检验，高模量沥青混合料添加剂的密度、粒径和熔点均满足相关技术要求。

2.2 骨料、沥青

试验段选择的是茂名70#A级石油沥青和SBS改性沥青；粗集料为质量较好的玄武岩碎石，具体级配要求为10～20mm、5～10mm，均满足相关规范要求。

2.3 矿料级配

试验段中选择的是AC-20矿料级配，具体配比要求为：（10～20mm）碎石∶（5～10mm）碎石∶（3～5mm）砂∶矿粉=34∶29∶36∶1。此外，注重对最佳油石比的控制，该值初步设定为4.5%。

3 沥青混合料目标配合比设计

沥青混合料拌制过程中，合理控制高模量添加剂用量具有重要意义，通过研究高模量剂在不同使用条件下对于混合料整体性能的作用机制，通常高模量添加剂以沥青混合料总量的0.3%～0.5%为准，本试验段从技术可行性以及经济性等角度出发，并综合考虑厂家给出的使用建议，将沥青混合料总重的0.30%作为高模量添加剂的用量控制标准。

采用马歇尔配合比设计方法，成型试件并测试密度、孔隙率、稳定度、沥青饱和度等指标。拌和过程温度设定为：集料温度180℃，拌和温度维持在175℃，最后的击实环节温度设定为165℃。试验中做好各项信息的记录工作，整理所得结果，具体内容见表1。

表1马歇尔试验实测最佳油石比结果

结合上述实验结果，对比分析高模量改性剂对沥青混合料性能的影响：最佳沥青用量维持原状态并未发生变化，主要与高模量添加剂用量相对较少有关，相比之下单位体积仅存在微小变化，在高温环境中搅拌后，大部分高模量添加剂的分布状态随之改变，主要附着在集料表面，此条件下沥青与骨料可形成更为稳定的黏结状态，因此并未占用过多沥青。伴随较明显的密度提高趋势，以相同的击实次数为条件，可以得知在高模量添加剂的作用下拌制所得的混合料密度有所提高，此类掺料的密度较小，因此，并不会造成整体密度明显变化的情况，但并不影响其发挥出显著的黏附和嵌挤作用，由于存在较明显的骨料嵌挤作用，因此其体积随之缩小，具有更高的密实度，此情况下骨料也更易于实现紧密的连接，产生的间隙有效缩小，以不改变沥青用量为前提，通过掺入少量高模量添加剂的方式可以提高试件密度。

4 高模量沥青混合料路用性能分析

4.1 模量试验

利用上文的最佳配合比进行沥青混合料模量试验（15℃、10Hz），测得在添加0.3%高模量改性剂的沥青混合料的模量为17 265MPa，满足高模量沥青混合料模量≥14 000MPa的要求。

4.2 高温稳定性试验

根据研究资料及工程经验可知，沥青混凝土路面的性能受到温度的影响较大，伴随温度的提高，其具备的强度和模量表现出持续减小的趋势，表明在夏季高温环境中沥青路面的性能易发生波动，为提高其对于高温的抵抗力，不因行车荷载的作用而发生车辙等质量问题，就必须从沥青混合料的性能入手，提高其高温稳定性，换言之，尽管路面受到大量的荷载作用，其依然要有效地抵抗永久变形。

对此，通过车辙试验段的方式可帮助工程人员更为全面地掌握车辙形成机制，其方法在国内外工程领域均得到高度认可。为研究高模量改性剂对沥青混合料的高温性能的应用，本次试验中，将高模量添加剂的掺入量设定为0%～0.4%，以0.1%为间隔，在特定温度下展开试验，得到沥青混合料动稳定度关系曲线（见图1）。

由图1可知，沥青混合料的稳定度随着高模量改性剂量的增加不断提高，当高模量改性剂添加量为0.4%时，混合料稳定度达到了12 000次/mm。

图1高模量改性剂掺量和动稳定度关系曲线

4.3 混合料性能对比

为更好地对比分析高模量沥青混合料的路用性能，本试验采用前文提到的玄武岩集料、AC-13级配、SBS改性沥青和70#基质沥青，按照试验规程，对比3种沥青混合料的动稳定度、劈裂强度比和低温弯拉破坏应变。

根据试验结果得知，以沥青混合料为基础，向其中掺入适量的高模量添加剂后，整体的抗车辙能力得到显著的提高。从此现象的原因来看，主要与该掺料优良的吸附能力和稳定能力有关，有助于改善沥青的黏稠度，使其具有更强的黏聚力。此外，在纤维加筋作用的支持下，将混合料的抗车辙能力提高至全新的层次。

可以看出，高模量添加剂是一种性能良好的外掺型改性剂，能大幅度提高AC-13沥青混合料的高温抗车辙性能，同时对沥青混合料的抗水损和抗低温冻裂性能有明显的改善作用，完全满足国家JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》【1】质量要求。

5 试验路段跟踪

现场对省道S333线梅江区银江隧道至龙坑段路面改造完成后，对高模量沥青混合料试验路段进行跟踪，对其展开定期观察，由观察结果可知，试验段路面的综合性能得到显著改善，具有优良平整度，通过平整度检测车等相关装置的检测结果可以得知，路面的抗车辙能力显著提高，同时，在防水方面的表现也完全满足预期要求，路面综合性能良好，可为车辆的通行提供更加舒适、安全的环境。

6 结语

本文分析了省道S333线梅江区银江隧道至龙坑段的使用情况，为改善道路使用性能，引入高模量沥青混合料，选取优质原材料，进行马歇尔配合比试验，确定AC-13高模量沥青混合料最佳配合比：沥青含量4.8%，高模量改性剂添加量为0.3%，并通过路用性能试验的对比研究，发现在掺入高模量添加剂的情况下，原本沥青混合料性能偏低的问题得到改善，高温稳定性良好，提高了路面的抗车辙能力，水稳定性和低温性能也有所改善。通过对试验路的跟踪观察，发现高模量沥青混合料应用效果良好，可在后期类似路面工程中推广应用。