高强沥青混凝土的配制及应用分析

胡海铭

（南平市公路工程试验检测中心，福建南平 353000）

0 引言

高强沥青混凝土是由经过特殊处理的沥青、高性能骨料、矿物填料以及特定的添加剂组成，凭借其卓越的力学性能、耐久性、温度稳定性和水稳定性，为现代交通设施建设提供了可靠且高效的材料。其在道路、桥梁和其他交通设施中的应用能够提高设施性能，延长使用寿命，为现代社会带来长远经济、社会效益。

1 高强沥青混凝土的材料选择

1.1 聚合物改性沥青

高强沥青混凝土在现代道路工程中受到广泛关注，其重要的组成部分——聚合物改性沥青，起到了核心作用。聚合物改性沥青是通过将特定的聚合物与传统沥青进行物理或化学结合，改善其各种性能的复合材料，其制备的主要目的是提高沥青的强度、耐久性、高温稳定性、低温韧性以及抗老化性。聚合物的选择依赖于所需的性能改进目标[1]。例如，使用SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）可以显著提高沥青的弹性和韧性。当聚合物与沥青进行混合时，在微观层面上形成互相穿插的网络结构，有效吸收应力，减少裂缝的产生，并延长材料使用寿命。然而，聚合物的加入量和种类也需谨慎选择。过多聚合物会导致沥青混凝土的性能下降，可能影响沥青与骨料之间的黏附性。此外，不同类型的聚合物在沥青中的分散性和相容性也是需要关注的问题，为了确保得到最佳的性能，通常需要通过试验来确定最佳的聚合物种类和含量。从经济和环境的角度看，聚合物改性沥青的成本稍高于传统沥青。然而，其长期的使用寿命和减少的维护需求使其在许多工程应用中成为优选材料。

1.2 高强度骨料

骨料作为沥青混凝土中的主要填料，其物理、化学和力学性质直接影响到混凝土的负载承受能力、耐久性和整体性能。高强度骨料是指经过特殊处理的，具有高抗压、抗拉和抗磨损性能的骨料，在微观结构上拥有均匀且紧密的晶体结构，使其在受到外部负载时能均匀分散应力，以提高沥青混凝土的抗裂和抗变形性能，其硬度和稳定性也远超传统骨料，有助于提高混凝土的耐磨损性，延长使用寿命。选择高强度骨料时，不仅要考虑其机械性质，还需考虑其与沥青的相容性和黏结性，良好的黏结性确保了在沥青混凝土中骨料与沥青之间能形成紧密的界面，进一步提高混凝土的整体性和抗裂性。另外，虽然高强度骨料在性能上具有优势，但其成本较高，会增加沥青混凝土的整体造价。因此，在决策时需要综合考虑工程的预算、期望的性能指标和长期的维护费用。

1.3 矿物填料

矿物填料在高强沥青混凝土的制备中占据了不可或缺的地位，作为混凝土中的细小组分，矿物填料对混凝土的稠度、工作性、密实度以及力学性质具有显著影响。矿物填料通常是由天然或人工矿物颗粒组成的，其颗粒大小一般小于0.075mm。矿物填料的主要功能是填充混凝土中的空隙，增加其密度并提高其力学性能。此外，由于矿物填料颗粒细小，矿物填料能够与沥青形成良好的黏附，进而增强混凝土的整体黏结性，适当的矿物填料可以有效调节混凝土的流变性质，使其在施工时具有良好的工作性，而在固化后具有较高的稳定性[2]。填料的化学组成、物理性质和颗粒形态都会对混凝土的性能产生影响。例如，高岭土和硅石粉由于其较高的表面活性和微观结构，常被视为理想的矿物填料，能够提高混凝土的密实度和力学性能、抗水性能。矿物填料的过度使用可能导致沥青混凝土的稠度过大，影响其施工性能。因此，需根据具体工程需求和材料特性来确定矿物填料的最佳含量。另外，矿物填料的来源和处理方式也会影响其在混凝土中的性能表现，在选择矿物填料时，需要综合考虑其来源、成分、处理方法和经济性。

1.4 添加剂及其他组件

高强沥青混凝土的配制中，除了基本的组分如沥青、骨料和矿物填料外，添加剂及其他组件也起到至关重要的作用，主要用于改进混凝土的工作性、力学性质、耐久性以及其他特定的性能指标。沥青在长时间的紫外线照射和氧化作用下容易老化，导致混凝土性能下降，抗老化剂能够有效抵抗这一过程，确保混凝土在使用中维持其设计的性能参数。稳定剂和增稠剂用于调节混凝土的流变性质，改进混凝土的施工性，确保其在施工过程中保持适当的流动性，同时在固化后展现出较高的稳定性和密实度，抗剥落剂和湿度调节剂能提高沥青混凝土对环境变化的适应性，确保其在湿度变化和冻融循环中保持良好的性能。

2 高强沥青混凝土的配制方法

2.1 设备与工艺

现代的沥青混合站通常采用自动化、智能化技术，能够确保沥青、骨料、填料及添加剂在规定的时间和温度下完全混合。骨料处理方面，现代化的骨料预处理设备如筛分机、烘干机和提升机等，保证了骨料在进入混合系统前达到所需的粒径和干燥程度，提高了混凝土的稠度和工作性。另外，添加剂的投放可使用投放系统实现精确、连续和均匀地投放，确保添加剂与其他材料充分混合。工艺流程方面，从原材料的进场、存储、预处理，到混合、输送和装载，每一个环节都需经过精心设计和优化，保证生产效率，确保混凝土的质量和性能。

2.2 温度控制

沥青的加热温度直接影响其流动性和黏度，过高的温度可能导致沥青过度软化，降低其黏结性，甚至可能导致有害挥发物的产生；而温度过低则会使沥青黏稠，难以与骨料充分混合。因此，选择恰当的沥青加热温度并在混合过程中保持这一温度是关键步骤。预热骨料可以去除其内部的水分，避免在与沥青混合时产生蒸汽，导致混凝土的不均匀，保证沥青与骨料之间黏结，确保混凝土的密实性和长期性能。混合温度是沥青、骨料和其他组分混合均匀的关键，综合考虑沥青的流动性、骨料温度和混凝土施工条件，确保混凝土黏结性。

2.3 混合与搅拌

混合与搅拌是高强沥青混凝土配制过程中的核心步骤，决定了混凝土的均匀性、工作性和最终的结构性能，搅拌器的转速、叶片设计和搅拌时间都需要经过精确的计算和优化，以确保高效的混合。过度的搅拌可能导致沥青的过度剪切，影响其性能；而不足的搅拌则可能导致混合物的不均匀。

3 高强沥青混凝土的性能评价

3.1 力学性能

力学性能是评价高强沥青混凝土质量和适用性的重要指标，直接决定了混凝土在道路工程中的耐久性、安全性及其长期服务性能。抗压强度体现了混凝土在受到垂直荷载作用时的承载能力，高强沥青混凝土通过优化材料和配制方法，通常可以获得较高的抗压强度，满足各种交通荷载需求。考虑到沥青混凝土大多用于道路铺装，经常受到车辆荷载的拉伸影响，优质的高强沥青混凝土应具有良好的抗拉性能，以防止在荷载作用下产生裂缝或其他形式的破损[3]。模量或称弹性模量反映了混凝土的刚度，即其抵抗变形的能力，高的弹性模量意味着在荷载作用下，混凝土的变形较小，对于确保道路平整度和行车舒适性具有重要意义。疲劳性能是评价混凝土在反复荷载作用下的耐久性的重要指标，道路在交通荷载作用下会经历数以百万计的荷载循环，因此高强沥青混凝土必须具有出色的疲劳性能，以确保其在长期服务中保持良好状态。

3.2 耐久性

耐久性是评价高强沥青混凝土长期性能的关键指标，关乎其在交通工程中的寿命和维护成本。抗氧化老化是衡量沥青混凝土在长时间暴露于大气中时，由于氧和其他环境因子作用而导致其性能逐渐下降的能力，高强沥青混凝土通过选择抗氧化性好的沥青及添加特定的抗氧化剂，可以有效延长其使用寿命，减少表面龟裂和硬化。抗冻融循环能力对于冷冻地区尤为重要，当水分进入混凝土内部并在低温下结冰时，会造成体积膨胀，可能导致混凝土开裂。因此，高强沥青混凝土需要具有良好的微观结构，以降低水的渗透性和改善其抗冻融性能。

3.3 高温稳定性

高温稳定性是衡量高强沥青混凝土在高温环境下保持其原有性能和结构的能力，尤其在炎热的夏季或在高温荷载作用下。对于路面材料，高温稳定性不仅关乎路面的使用性能和寿命，还会影响交通安全和行车舒适性。高强沥青混凝土的高温稳定性与所用沥青的类型和性质紧密相关，沥青在高温下易软化，导致黏度下降，可能引发路面的车辙、流动或局部塌陷。因此，选择高软化点、低敏感度的沥青种类是确保高温稳定性的关键。

3.4 低温抗裂性

低温抗裂性是衡量高强沥青混凝土在低温条件下抵御裂缝发生和扩展的能力，对于冷地或经历寒冷季节的地区尤为关键。因为，裂缝的产生不仅会影响路面的整体性能，还可能导致更深层的结构问题，加大维护成本和风险。沥青是温度敏感的材料，随着温度降低其硬度增加、韧性下降使得混凝土更易于裂缝。因此，选择低温性能良好的沥青对提高低温抗裂性至关重要。骨料的热膨胀系数和沥青的热膨胀系数应尽可能接近，以减少由于温度变化引起的内部应力。

3.5 水稳定性

水稳定性是评估高强沥青混凝土在水的作用下能否保持其性能和结构的关键指标，特别是在多雨、湿润的环境或者易受雨水侵袭的地区，水稳定性直接关系到路面的使用寿命、维护成本以及交通安全。为了保障交通运行的安全和道路结构的耐久性，混凝土材料必须具备良好的水稳定性。因此，骨料本身要具备良好的耐水性，选择不会因水而劣化的骨料是提高水稳定性的关键。为了确保高强沥青混凝土路面的稳定性，需要在设计和施工阶段严格控制材料质量和施工质量，选择适合当地气候和交通负荷的配合比，并采取适当的防水措施，如使用防水层或适当的排水系统，以减少水分渗透，定期的路面维护和检查也是确保水稳定性的关键措施，及时修补损坏的路面，延长路面的使用寿命，降低维护成本，提高交通安全性。

4 高强沥青混凝土的应用领域

4.1 城市道路

现代城市化进程中，道路建设与维护成为城市基础设施的核心组成部分。高强沥青混凝土凭借其卓越的性能特点，逐渐在城市道路建设中占据重要地位。城市道路的使用频率高、交通压力大，因此对道路材料的性能要求也随之提高，而高强沥青混凝土的出现恰好满足了这一需求。繁忙城市交通中对道路表面形成机械应力，高强沥青混凝土能够有效抵抗应力，延长道路使用寿命，减少频繁的修复和维护。城市道路常常面临各种环境压力，如温度波动、雨雪冻融、化学物质泄漏等，高强沥青混凝土的耐久性和对环境变化的稳定性能够确保其在各种复杂环境中保持良好的性能，其表面质地以及其内部结构均有助于降低轮胎与道路接触时产生的噪声，为城市居民创造更为宁静的生活环境[4]。另外，城市道路的美观性同样重要，高强沥青混凝土不仅能够提供持久、光滑的表面，还可以通过添加不同的颜料和骨料来满足特定的美观需求，在城市规划和设计中，为设计师提供更多的创意空间。值得注意的是，随着绿色建筑和可持续性成为现代城市发展的重要趋势，高强沥青混凝土的环保特性也受到广泛关注，高强沥青混凝土在生产过程中的能耗低，且可大量使用再生材料。这使其成为环保和可持续性建设的理想选择。

4.2 停车场与机场跑道

停车场与机场跑道是交通设施的重要组成部分，在使用过程中承受来自汽车、飞机等交通工具的重大载荷和机械应力。因此，选择能够满足其特定性能要求的铺装材料至关重要。停车场表面经常受到停放车辆的静态载荷影响，传统沥青混凝土可能在持续的载荷作用下产生变形或车辙，而高强沥青混凝土能够提供更高的抗压强度和抗剪切强度，显著减少这些问题，机场跑道使用环境和要求更为严格。飞机在起降过程中会对跑道造成极大的冲击和剪切力，对跑道材料提出极高的强度和韧性要求，高强沥青混凝土的高强度和良好的弹性模量使其能够有效地吸收和分散飞机的载荷，保证跑道的安全稳定[5]。此外，跑道的摩擦性能对于飞机的安全起降也至关重要，高强沥青混凝土的表面处理技术可以确保其在各种气象条件下都具有良好的摩擦性能。

5 结语

高强沥青混凝土是一种理想的交通设施铺装材料，无论是从其卓越的性能、还是从其广泛的应用领域都反映出其在现代基础设施建设中的重要地位，配制高强沥青混凝土的方法和技术也在不断地进步和完善。随着更多的研究和应用，高强沥青混凝土将为构建更加持久、安全和环保的交通设施提供有力的支持。未来，与此相关的技术和应用还将持续引起学术界和工程界的关注，为推动道路和基础设施建设的持续进步贡献力量。