高模量沥青混合料HMM13路用性能试验研究

＊蒋毓倩

（扬州大学建筑科学与工程学院，扬州市交通运输综合行政执法支队 江苏 225000）

为了解决沥青路面的车辙问题，国内外的许多学者提出各种各样的解决方法，其中一种就是采用高模量沥青混合料。高模量沥青混合料的应用最早始于法国，1981 年首次作为旧路面结构的补强材料使用。法国高模量沥青混合料的基本设计理念是添加较多的硬质渐青，降低渐青混合料空隙率，混合料的油石比通常为6% 左右。这样既可通过硬质沥青来提高渐青混合料的模量，较高的沥青用量也可改善混合料的抗疲劳性能及密实度[1-2]。2002 年英国交通部开始了对高模量沥青混合料的专项研究工作，结果表明高模量沥青混合料具有良好的耐久性能，具有较高的强度，是一种良好的路面材料，并且于2003 年形成一套专门的EME2 配合比设计方法和配套的施工工艺，这套技术目前已被多个国家和地区采用[3-4]。我国最早在粤赣高速公路长陡坡沥青路面铺筑了高模量改性沥青混合料试验段，结果表明，高模量改性沥青能显著提高混合料的抗车辙性能[5-6]。目前实现高模量沥青混合料的技术途径较多，有的地区采用的是低标号沥青，有的地区则采用高模量添加剂。设计理念也有所不同。本文针对江苏地区使用的HMM13 型高模量沥青混合料，对其路用性能展开研究，并于同位于中面层发SUP20 沥青混合料进行对比，这对于深入认识高模量沥青混合料的特点具有一定的指导和借鉴意义，也可为高模量沥青混合料的广泛应用提供依据和参考。

1.原材料

（1）集料和填料。HMM13 高模量沥青混合料和SUP20 沥青混合料均采用石灰岩集料，填料为石灰岩矿粉。其技术性能均符合设计要求。

（2）沥青。本研究采用上海海太牌SBS 改性沥青，并对其基本性能进行检测，均符合设计要求。

（3）高模量剂。本研究所用高模量剂呈黑色颗粒状，其在沥青混合料中的掺量为矿料质量的1%，由于该高模量剂与沥青具有极好的相融性，因此可替代部分沥青用量，替代量与高模量剂掺量相同。

2.沥青混合料组成设计

根据江苏地区相关经验，采用旋转压实仪成型高模量沥青混合料试件。旋转压实仪参数设置与SUPerpave 设计法一致。对于HMM13 沥青混合料和SUP20 沥青混合料，其旋转次数分别为80 次和100次。HMM13 和SUP20 的组成设计结果如表1 所示。

表1 HMM13 和SUP20 组成设计结果

HMM13 级配包含的细料（粒径小于2.36 mm 部分）和填料更多，更容易形成密实结构，表现出HMM13 的空隙率为2.6%，而SUP20 的空隙率则为4.0%。此外，HMM13 的实际油石比为5.3%（包括高模量用量），比一般的同类型密级配沥青混合料油石比偏高，这也是使得HMM13 空隙率较小的原因之一。HMM13 和SUP20在级配和油石比方面的不同，必然导致其路用性能的不同特点，需要对其路用性能进行进一步测试分析。

3.沥青混合料性能分析

为明晰HMM13 高模量沥青混合料的性能特点，对其性能进行了测试，包括高温性能、低温性能、水稳定性和动态模量，并与替代的SUP20 改性沥青混合料进行对比。

（1）高温性能分析。本研究采用车辙试验测试沥青混合料的高温性能，试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行，轮压为0.7 MPa，试验分别在60 ℃和70 ℃两个温度下进行。测试结果如表2 所示。

表2 沥青混合料动稳定度测试结果（单位：MPa）

由表2 可见，60 ℃时，HMM13 的动稳定度达到8860 次/毫米，是常规SUP20 动稳定度的1.9 倍，高模量沥青混合料表现出了优异的高温性能；在70 ℃下，虽然二者的动稳定度均有下降，但HMM13 的动稳定度依然高达4652 次/毫米，几乎是SUP20 动稳定度的3 倍，说明HMM13 在较高温度下具有更为优异的高温性能。

在车辙深度方面，变化趋势和动稳定度是一致的。①测试温度越高，车辙深度越大。比如HMM13在60 ℃和70 ℃时的车辙深度分别为0.921 mm 和1.356 mm，增加了47.2%；SUP20 在70 ℃时的车辙深度则比60 ℃时增加了56.6%；②HMM13 的车辙深度小于SUP20，表明HMM13 具有更为优异的抗车辙性能，并且其抗车辙性能受温度变化的影响更小，能够保持更为稳定的高温性能。

（2）低温性能分析。本研究采用低温小梁弯曲试验测试沥青混合料的低温抗裂性能，试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行，测试温度为-10 ℃。测试结果如表3 所示。

表3 沥青混合料低温弯曲试验测试结果

沥青混合料作为典型的黏弹塑性材料，高低温性能往往不可兼顾，提高沥青混合料的高温性能后，其低温性能往往会受到影响，反之亦然。从表3 所示结果可以看出，HMM13 的破坏应变不足2000με，HMM13的破坏强度较高而破坏应变较低，SUP20 则刚好相反，究其原因是HMM13 添加了模量较高的改性剂，导致沥青混合料较硬，破坏应变较小。因此可见，HMM13 更多的是改善了沥青混合料的高温性能，这一点和高模量沥青混合料的设计初衷是一致的。考虑到HMM13 和SUP20 均使用在沥青路面中面层，这一层位对高温性能更为关注，因此HMM13 的低破坏应变是可以接受的。

（3）水稳定性分析。本研究采用冻融劈裂试验测试沥青混合料的水稳定性能，试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行。测试结果如表4 所示。

表4 沥青混合料水稳定性测试结果

由表4 试验结果可见，HMM13 和SUP20 的水稳定性均在80%以上，满足相关规范要求。HMM13 的常规劈裂强度和冻融劈裂强度均高于SUP20，并且其冻融劈裂强度比也更高，表明HMM13 具有更为优异的水稳定性，这有利于沥青混合料抵抗水损害。

通过以上分析可见，高模量改性剂对沥青混合料性能的影响表现为以下四个方面[7]：①集料增粘作用：高模量改性剂首先与集料干拌，部分熔融于集料表面，提高了集料的粘结性，相当于对集料进行了改性；②改性沥青作用：高模量改性剂在湿拌和运输过程中，部分溶解或溶胀于沥青中，形成胶结作用，从而达到提高软化点温度、增加黏度、降低热敏感性等改性作用；③纤维加筋作用；聚合物形成的微结晶区具有相当的劲度，部分拉丝成塑性纤维，在集料骨架内搭桥交联形成纤维加筋作用；④变形恢复作用：高模量改性剂的弹性成分在较高温度时具有使路面的变形部分弹性恢复的功能，以此降低成型渐青路面的永久变形。

（4）动态模量分析。动态模量是沥青混合料的关键指标，受到研究者越来越多的关注，这一指标对于高模量沥青混合料而言更是如此。法国规范规定，只有动态模量（15 ℃，10 Hz 条件下）大于14000 MPa才可称为高模量沥青混合料。为了明晰HMM13 和SUP20 动态模量的特点，本文援引《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），采用单轴压缩法测试了沥青混合料的动态模量，并采用S 型曲线拟合方法绘制了其动态模量主曲线[8]。动态模量测试结果如表5、表6 所示，并以20 ℃为参考温度绘制了动态模量主曲线，如图1 所示。

图1 动态模量主曲线图

表5 HMM13 动态模量测试结果（单位：MPa）

表6 SUP20 动态模量测试结果（单位：MPa）

从动态模量测试数据和主曲线可以得出以下结论：①沥青混合料的动态模量受温度和频率影响。随着温度升高和频率降低，沥青混合料的动态模量减小。沥青混合料是一种粘弹性材料，其性能受温度和频率的影响很大，这是由于沥青分子在不同温度和频率下表现出不同的运动活性。尽管HMM13 和SUP20 的动态模量都受温度和频率影响，但它们对温度和频率变化的敏感性不同。以10 Hz 下的动态模量为例，当温度从-10 ℃变化到50 ℃时，HMM13 的动态模量从26316 MPa 降低到2758.5 MPa，变化了大约10 倍，而SUP20 的动态模量由18419.5 MPa 降低至1130.3 MPa，变化了大约16 倍，这表明SUP20 的动态模量更容易受温度变化的影响，在实际使用中可能会导致性能波动较大；②在全频率和全温度范围内，HMM13 的动态模量都大于SUP20 的。一般来说，动态模量越高，沥青混合料的高温性能越好，动态模量越低，低温性能越好[9]。HMM13 的动态模量普遍高于SUP20，这说明HMM13 具有较好的高温性能和较差的低温性能，与之前的路用性能测试结果一致。

4.结语

本文对高模量沥青混合料HMM13 的性能特点进行了研究，并于同用于中面层的SUP20 进行对比，结论如下：（1）高模量沥青混合料HMM13 使用了较多的细集料和填料，密实度较高，空隙率较小。（2）高模量沥青混合料HMM13 的高温性能和水稳定性均优于改性沥青混合料SUP20，其高温性能尤为突出。（3）HMM13 的低温破坏应变较低，但用于中面层是可行的。（4）HMM13的动态模量在测试温度和频率范围内均高于SUP20，并且HMM13 的动态模量对温度和荷载的敏感性小于SUP20。

目前对于高模量沥青混合料的研究还多集中在材料本身的路用性能方面，在以后的研究中应侧重于高模量沥青混合料对路面结构受力的长期影响，以更好的认识该材料的特点和应用场景。