高模量沥青混凝土配合比设计及其应用研究

万瑾洁

(柳州高速公路运营有限公司，广西 柳州 545000)

高模量沥青混凝土配合比设计及其应用研究

万瑾洁

(柳州高速公路运营有限公司，广西柳州545000)

高模量沥青混凝土是一种主要采用低标号硬质沥青作为胶结材料，具有优异的高温稳定性和较高的模量值的沥青混凝土，当其用于沥青路面的中下面层时可以提高整个路面结构的抗车辙能力并起到一定的结构补强作用，可延长道路的使用寿命并减薄路面厚度。本文结合柳南高速公路水泥路面加铺沥青层和室内系统研究，提出一种能够形成最紧密的骨架嵌挤结构，具有优良的高温稳定性，并显著提高沥青混合料模量的配合比设计方法——骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土配合比设计方法，按此方法制备的高模量沥青混凝土能弥补我国目前高模量沥青混凝土应用方面的不足，可作为交通荷载重，交通量增长快，超载现象多，使用寿命长的沥青路面中、下面层材料使用，降低工程造价。

骨架嵌挤结构；高模量沥青混凝土；性能研究；配合比

0 引言

高模量沥青混凝土是一种采用低标号硬质沥青作为胶结材料，具有优异的高温稳定性和较高的模量值的沥青混凝土，在欧洲一些发达国家应用较多。较早研究的是法国，且应用广泛，制定了相应的技术规范，芬兰、英国等其他国家主要借鉴它的成果和经验开展相关的研究和应用。目前国外高模量沥青混凝土基本是最大公称粒径不大于19 mm的中粒式和细粒式沥青混合料，使用针入度较低的低标号沥青和连续型级配，有较高的沥青用量和较低的空隙率，主要通过沥青本身的品质为沥青混凝土提供较高的模量，并通过增加沥青用量来改善沥青混合料的密实性和抗疲劳能力。而我国交通荷载重，交通量增长快，超载现象多，不适用国外所采用的高模量沥青混凝土的沥青混合料，也不适用采用连续型级配及较高结合料用量所设计的较低空隙率沥青混合料。要设计适合我国交通荷载重，使用寿命长的沥青路面，就要提高整个路面结构的承载能力，保证面层高温稳定性能，提高中下面层材料，并提供较好的抗车辙能力及一定的结构补强作用，发明一种骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土及其制备方法是十分必要的[1-2]。

本研究针对我国目前高模量沥青混凝土应用方面的不足，结合柳州至南宁高速公路改扩建工程试验段和室内系统研究，提出一种骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土配合比设计方法，按此法制备的高模量沥青混凝土，能形成最紧密的骨架嵌挤结构，保证优良高温稳定性，且模量得到显著提高，能弥补我国目前高模量沥青混凝土应用方面的不足，作为交通荷载重，交通量增长快，超载现象多，使用寿命长的沥青路面中、下面层材料使用，降低工程造价。

1 高模量沥青混凝土配合比设计

1.1 选择高模量沥青混凝土原材料

选择硬质沥青(AH-30#低标号)、粗集料(最大公称粒径不小于26.5 mm)、细集料和填料，性能指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中相关要求作为制备高模量沥青混凝土的原材料。

1.2 确定高模量沥青混凝土设计级配曲线

为了便于工程使用，间断点往往设在粗细集料的分界位置，即一般所说的4.75 mm位置。粗集料断级配不可能采用一条级配曲线拟合，常常是两条(或两条以上)级配曲线形成，设计HMAC25高模量沥青混凝土混合料，最大公称粒径为26.5 mm，则从4.75～26.5 mm的粗集料采用一条级配曲线，0.075～4.75 mm的细集料采用另一条级配曲线。每条级配曲线的形式可通过不同的模型曲线拟合，常用的是幂函数曲线，曲线的模型公式为：

y=AxB

(1)

公式中：x——关键筛孔尺寸(mm)；

y——通过率(%)；

A——粗集料参数(集料粒径4.75 mm以上)；

B——粗集料参数(集料粒径4.75 mm以上)；

C——细集料参数(集料粒径4.75 mm以下)；

D——细集料参数(集料粒径4.75 mm以下)。

A，B，C，D为待定参数。选择3个关键筛孔P26.5 mm，P4.75 mm，P0.075 mm，通过率分别为97.5%，30%，5%，将通过率进行公式联立得到方程组：

解方程组得到参数:

HMAC25高模量沥青混凝土混合料设计级配曲线见表1。

表1 HMAC25设计级配

筛孔/mm31526519161329547523611806030150075通过率/%1000975776690605483300222164123916750

1.3 选择高模量沥青混凝土最佳油石比

根据制备高模量沥青混凝土的原材料所设计的级配曲线开展马歇尔击实试验，以0.4%为间隔选择5个油石比，每个成型4个试件，共计20个。蜡封法测试马歇尔试件毛体积密度，干密度采用真空法实测，计算干密度、矿料间隙率VMA、粗集料矿料间隙率VCA，并绘制其与油石比之间的关系曲线，结果见表2和图1-图3。

表2HMAC25马歇尔击实试验结果

油石比/%毛体积相对密度最大理论相对密度空隙率VV/%干密度/(g·cm-3)VMA/%VCA/%302546526637442472311243813342558926509352474811163807382567226367262473211213811422571126211192467511423825462562026041162449312073871

图1 干密度与油石比关系

图2 VMA与油石比关系

图3 VCA与油石比关系

(1)由图1可知：干密度最大值对应的油石比OAC1=3.48%。

(2)由图2可知：VMA最小值对应的油石比OAC2=3.46%。

(3)由图3可知：VCA最小值对应的油石比OAC3=3.45%。

(4)根据公式OAC=(OAC1+OAC2+OAC3)/3计算得到最佳油石比3.46%。

由此，确定了最佳油石比OAC=3.46%，其对应的毛体积相对密度ρ=2.561 6、空隙率VV=3.34%、矿料间隙率VMA=11.13%。

1.4 沥青混合料的路用性能试验验证

根据最佳油石比3.46%对应的毛体积密度2.561 6 g/cm3的98%成型试件开展高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、回弹模量等路用性能试验验证。

1.4.1 沥青混合料的高温稳定性验证

通过车辙试验验证沥青混合料高温下保持原有的性能及荷载作用下抵抗永久变形的能力[3]。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(以下简称《试验规程》)[4]的方法成型车辙试件，进行60 ℃条件的车辙试验，测定混合料的动稳定度和相对变形，结果见表3。

表3 HMAC25车辙试验结果

油石比%试件编号变形量/mm1min45min60min动稳定度/(次/mm)相对变形/%动稳定度均值/(次/mm)相对变形均值/%3461174225236589412421682182295727122320827928961761625933136《规范》要求[5]≥800-

1.4.2 沥青混合料的低温抗裂性验证

气温急剧变化，温度应力松驰不及时，导致路表面开裂[6]。则需验证低温抗裂性。

开展-10℃条件下的小梁弯曲试验，根据《试验规程》成型车辙试件，切割成梁式试件长度25 cm×宽度3 cm×高度3.5 cm，计算破坏时所产生的最大弯拉应变，结果见表4。

表4 HMAC25小梁弯曲试验(-10 ℃)结果

油石比/%弯拉应变/με《规范》要求3462009≥2000

1.4.3 沥青混合料的水稳定性验证

目前沥青路面早期出现的各种病害多数与水有关，水是沥青路面损坏的重要原因之一。根据《试验规程》，沥青混合料的水稳定性要进行冻融劈裂试验，测定一个冻融循环之后试件的冻融劈裂强度比TSR，结果见表5，TSR为81.49%，大于《规范》要求的75%。

表5HMAC25冻融劈裂试验结果

油石比/%冻融劈裂强度比TSR/%《规范》要求/%3468149≥75

1.4.4 沥青混合料的回弹模量试验验证

回弹模量是路面结构设计的一个重要参数，路面结构设计能否满足路面使用期限内的质量要求，是否经济，与回弹模量的取值是否合理具有重要关系。取值过大，路面设计厚度较薄，不能满足使用的要求；取值较小，需增加路面设计厚度，造成浪费[7]。

根据《试验规程》成型Φ10 cm×10 cm圆柱体试件，进行抗压回弹模量试验(20 ℃)，结果见表6。

表6 HMAC25抗压回弹模量试验(20 ℃)结果

油石比/%20℃抗压回弹模量/MPa《设计规范》[8]推荐的密级配粗粒式沥青混凝土20℃抗压回弹模量范围/MPa3461568800～1200

注：回弹模量范围取自《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)附录E材料设计参数参考资料。

根据上述HMAC25骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土试验结果分析，沥青混合料的高温稳定性比规范要求值提高了约7.4倍，20 ℃抗压回弹模量比《设计规范》推荐的最大值提高了约30%，且其它路用性能均满足要求。

2 骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土在柳南路上的应用研究

2.1 柳南路概况：

柳州至南宁高速公路G72线K1263+425～K1487+735，起自柳州市东郊静兰，终于南宁三岸，全长224.31 km，是西南出海大通道桂海高速公路的一段，也是国家“五纵七横”之一衡阳至昆明公路的重要组成部分。这条公路把柳州和南宁两个城市连接起来，大大促进柳州至南宁沿线经济和文化的发展。2010年—2012年广西交通投资集团有限公司对其进行改扩建，施工中在路面三标铺筑了单幅约5 km的高模量沥青混凝土试验路。

2.2 高模量沥青混凝土铺装结构试验

高模量沥青混凝土铺装结构主要是在中面层采用低标号硬质沥青起到较好的抗车辙作用和结构补强作用，这种混合料的模量很高，能够提高整个路面结构的抗重载能力。

这种铺装结构的主要特点是在防止反射裂缝的基础上，突出路面结构与材料设计的抗车辙能力，强调路面结构层间的联结和防水措施。除中面层采用低标号硬质沥青作结合料外，沥青混合料沥青结合料、沥青黏层、防水黏结层等沥青结合料采用SBS改性沥青I-D；表面层、中面层、应力吸收层矿料级配统一采用骨架—嵌挤密实型级配；表面层粗集料矿料材质采用辉绿岩，其余矿料统一采用石灰岩，具有较高性价比。方案如图4。

图4 高模量路面结构试验方案

2.3 高模量沥青混凝土铺装结构技术效果及应用情况

2.3.1 抗高温稳定性良好

从材料和路面结构两个角度进行综合设计，提高路面整体高温稳定性。材料设计方面：采用低标号30号基质沥青，具有高温条件下模量高的特点，有效提高高温稳定性；矿料级配统一采用骨架-嵌挤密实型级配，高温抗车辙性能突出。

2.3.2 抗裂性能可靠

低标号沥青层由于采用骨架-嵌挤密实型级配，混合料本身低温收缩率较普通级配明显降低；同时，低标号沥青层设置在中面层，温度应力较表面层明显降低，受温度影响较小；结构中设置双层防水黏结层，即增强了层间粘结同时对于防止路面裂缝导致的水损害向下延伸效果明显。

经实体工程验证表明，柳南路上应用的高模量沥青混凝土高温车辙试验动稳定度均值可达6 200次/mm左右，比SBS改性沥青混凝土提高20%；20 ℃抗压回弹模量可达1 500 MPa以上，比SBS改性沥青混凝土提高50%以上；在造价上，低标号硬质沥青每吨仅5 300元，比SBS改性沥青的6 200元便宜900元，材料成本降低了15%，具有很好的经济效益。

3 结论

高模量沥青混凝土采用高温条件下模量高的低标号硬质沥青，配合骨架 — 嵌挤密实型级配，使得形成的混合料具有良好的高温稳定性和较高的模量值。骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土用于沥青路面的中下面层时可以提高整个路面结构的抗车辙能力并起到一定的结构补强作用，可延长道路的使用寿命并减薄路面厚度。由于采用了低标号硬质沥青作为胶结材料，比SBS改性沥青便宜，其材料成本也降低了，从而减低了造价。

综上所述，高模量沥青混凝土混凝土的应用在提高工程质量的同时，降低了工程成本，这在促进沥青路面的发展应用方面提供了有力的技术支持。

[1]黄建有，周兴业，谢国瑞.骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土设计方法研究及应用[J].公路交通科技(应用技术版)，2014(8)：100-102.

[2]肖倩，周兴业，袁祖光.骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土配合比设计方法[J].公路交通科技，2012，29(10)：28-32.

[3]陈忠达，袁万杰，薛航，等.沥青混合料高温性能评价指标[J].长安大学学报(自然科学版)，2006，26(5)：1-4.

[4]公路沥青路面施工技术规范：JTG F40-2004[S].2004.

[5]公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTJ 052-2000[S].2000.

[6]李静.沥青混合料路用性能预测模型的研究[D].西安：长安大学，2004.

[7]姚爱玲，张西玲，王选仓.测试方法对沥青混合料抗压回弹模量的影响[J].长安大学学报(自然科学版)，2005，25(6)：21-24.

[8]公路沥青路面设计规范：JTG D50-2006[S].2006.

2017-08-10

[责任编辑姚胜勋]

ResearchonApplicationandMixDesignMethodofHighModulusAsphaltConcrete

WANJinjie

(LiuzhouExpresswayOperationCo.，Ltd.，Liuzhou，Guangxi546300，China)

High modulus asphalt concrete is a kind of concrete which mainly uses low-grade hard asphalt as cementing material. It has excellent high temperature stability and high stability for asphalt mixture after molding of the modulus value，when used in the asphalt pavement in the lower surface layer can improve the anti-rutting capacity of the entire pavement structure，plays a certain role in structural reinforcement，and can extend the life of the road. Combined with asphalt layer and indoor system of cement pavement of Liunan Expressway，this paper proposed a design method that can form the most compact skeleton intercalation structure with excellent high temperature stability and significantly improve the modulus of asphalt mixture——mix design method of coarse graded high modulus asphalt concrete with skeleton embedded structure .The high modulus asphalt concrete prepared by this method can make up for the shortage of high modulus asphalt concrete in China. It can be used as heavy load traffic，fast growth traffic，overload phenomenon，long life of asphalt pavement in the use of the underlying material，and reduce the project cost.

skeleton embedded structure；high modulus asphalt concrete；performance research；match ratio

TU528

A

1672-9021(2017)05-00099-06

万瑾洁(1977-)，女，广西百色人，柳州高速公路运营有限公司工程师，主要研究方向：公路养护管理与公路维修。