高模量沥青混合料生产与应用进展

郭 娜

(中海沥青股份有限公司，山东 滨州 256600)

长期以来，沥青路面由于具有行车舒适性、便于施工、维护路段开放速度快等特点，被广泛应用在高速公路等路面的施工。随着经济的发展，人们对高质量路面的需求越来越大，但沥青路面在高荷载、高温、雨水冲刷等条件下，会出现车辙凹陷等问题，使路面严重变形，影响行车安全。因此，人们开始关注各种能够提高路面稳定性，延长路面使用寿命的新型材料。高模量沥青混合料(High Modulus Asphalt Concrete,HMAC)的设计理念开始进入人们视野，高模量沥青混合料产生于法国，一般是指基质沥青中加入高模量改性剂来提升沥青混合料的动态模量，从而提高沥青混合料的抗车辙能力。根据《道路用高模量抗疲劳沥青混合料》GB/T36143-2018指标要求，生产高模量沥青混合料用沥青动态模量(45℃±0.5,10HZ±0.1)/MPa应大于4000。道路用高模量抗疲劳沥青混合料性能要求见表1[1]。

表1 道路用高模量抗疲劳沥青混合料性能要求

注：a在45℃±0.5℃温度、10HZ±0.1HZ频率条件下；b在15℃±0.5℃温度、10HZ±0.1HZ，230με条件下；c在-10℃±0.5℃温度条件下。

1 高模量混合料生产技术

目前，生产高模量沥青混合料的方法主要有三种，一种是利用低标号的硬质基质沥青，例如20号、30号基质沥青；第二种是添加高模量添加剂，例如法国PRNDUSTRIE有限公司生产的PRPL.AST.M(简称PR.M)改性剂、EME改性剂，我国自主研发的改性剂、复合改性剂等；第三种是添加天然岩沥青，例如布顿岩沥青(BRA)，伊朗岩沥青等。

1.1 低标号的硬质沥青

高模量沥青混合料的理念源于法国，早在19世纪，法国开始使用针入度(0.1 mm，25℃)分别为为60/70、20/30、15的硬质沥青生产高模量沥青混合料，结果证明，与SBS改性沥青相比，使用硬质沥青制备的沥青混合料的抗永久性变形能力更佳[2]。

孟会林[3]等提出20号沥青针入度小、软化点及动力粘度高、且耐老化性优良 ，采用20号沥青混合料具有优良的水稳定性和抗车辙变形能力。赵磊[4]等利用溶剂脱30#沥青和氧化30#沥青进行高模量混合料耐久性能评价，实验证明，两种低标号的硬质沥青生产的耐久性高模量混合料各项性能均满足规范要求，且氧化30#沥青制得的高模量沥青混合料的高温稳定性优于溶剂脱30#沥青。

1.2 高模量沥青改性剂

目前，生产高模量沥青混合料改性剂主要有法国的 PRPL.AST.M(简称PR.M)，EME改性剂，以及我国自主研发的改性剂。

PRPL.AST.M(简称PR.M)是由法国PRNDUSTRIE有限公司研制的沥青混合料高模量添加剂，属于热塑性树脂类，其主要成分是改性的PE材料。

赵辰[5]等研究发现添加法国生产的PR.M改性剂能够明显提升基质沥青的高温稳定性。与70#普通沥青混合料相比，添加PR.M改性剂的沥青混合料马歇尔稳定度明显提高，说明PR.M添加剂能够提高沥青混合料的路用性能。周彦鋆[6]探讨了随着温度的升高，PR.M改性沥青混合料动态模量的变化趋势，指出当温度在60℃时PR.M的动态模量明显高于硬质改性沥青混合料。

EME2改性剂同样产自法国，也是一种性能优异的高模量沥青混合料，能够明显提升沥青混合料的动态模量和高温稳定性，从而提高沥青路面的抗车辙的能力。

熊子佳[7]等利用EME改性剂生产高模量沥青混合料，发现混合料具有动态模量高、抗车辙性能好的特点，尤其是疲劳寿命达到86099次，具有较好的耐久性。夏全平[8]等通过实验证明EME沥青混合料水稳定性好、能够抗高温车辙，同时满足低温指标，并且指出EME沥青混合料高模量能力主要来自于沥青胶结料。

1.3 天然岩沥青添加剂

天然岩沥青是一种以天然形态存在的石油沥青，由于长期与自然环境共存，性质稳定，具有较强的抗氧化性能，将天然沥青加入到基质沥青中，能够提升路面的稳定性。

杨琳[9]选择了布顿岩沥青(BRA)，将其加入到70#基质沥青中，发现随着BRA掺量的增加，高模量沥青的劲度模量增大，并且当BRA掺量为30%～40%时高模量沥青混合料的抗疲劳性能最佳。王忠锋[10]等自主研发了PRS高模量改性剂，主要成分有高分子聚合物、橡胶粉、岩沥青等，PRS改性剂主要成分组成见表2。将PRS高模量改性剂在混合料拌和过程中加入，能够提高沥青路面的强度，并且不会影响沥青混合料的低温性能。

表2 PRS改性剂成分

1.4 复合改性剂生产高模量沥青混合料

余志刚[11]将SBR与高模量改性剂复配添加到沥青混合料中，通过研究发现，复合改性沥青可大幅改善沥青混合料的劲度模量和路用性能，且复合改性剂生产的混合料抗疲劳耐久性优于SBS改性沥青混合料，推荐最佳复配比例2.5%SBR+0.6%PR.M。

岳秀梅[12]利用橡胶粉和高模量剂掺量复配生产沥青混合料，得出将橡胶粉与高模量剂复配可以提升混合料综合路用性能，性能优于SBS改性沥青混合料，推荐最佳复配比例22%橡胶粉+0.6%高模量改性剂。

以上对高模量沥青混合料的生产方法进行了详细的阐述，笔者通过调研文献发现在我国生产高模量沥青混合料的手段主要有利用低标号的硬质沥青、外掺高模量沥青改性剂等，但是生产低标号的硬质沥青对装置要求苛刻，成本很高，因此，使用基质沥青与高模量沥青改性剂组合的方式是生产高模量沥青混合料的最佳方式。

2 高模量沥青混合料配合比设计方法

目前，高模量沥青混合料配合比设计方法主要有马歇尔法、Superpave设计法、以及法国高模量设计法。马歇尔法是在一定温度下，以一定的击实功(双面击实75次)制成标准马歇尔试件，使沥青饱和度、孔隙率、矿料间隙率等体积指标满足要求。Superpave设计法是利用旋转压实仪(SGC)搓揉成型的试验方法。法国高模量设计法采用PCG3型旋转压实仪进行，水敏感试验、车辙测试、模量测试等部分组成。

李文桥[13]分别对马歇尔法、Superpave设计法、以及法国高模量设计法差异进行了比较，通过选择沥青混合料级配、确定沥青用量、

验证性能试验三方面，得出马歇尔法应用时间最早、应用广泛、设备价格便宜且易于携带，但是其不能很好模拟路面实况，致使路面较早出现病害。Superpave设计法将压实条件和交通量建起了密切的关系，能够很好的模拟路面实况，抑制早期路面病害。法国高模量设计法是一套完整先进的设计方法，基于控制关键筛孔的级配设计理念、利用丰度系数求最小油石比，具有独创性和先进性。

李小燕[14]等分别采用法国研制的LCPC旋转压实设备与美国Superpave混合料美国旋转压实仪制备混合料设计成型，指出法国研制的LCPC旋转压实法是一套完善的设计方法，更加适合高模量沥青混合料设计。

常嵘[15]等优化了高模量沥青混合料马歇尔试验参数意见，提出了改性剂与集料的干拌时间、拌和温度、沥青与集料的拌和时间、击实温度等参数。崔和利[16]结合阿尔及利亚东西高速公路具体实例，详细介绍了法国高模量混合料目标配合比设计，试验证明，法国的高模量沥青混合料的配合比设计方法与国内马歇尔配合比设计方法相比，更具有针对性。

综上所述，高模量沥青混合料起源于法国，法国高模量混合料配合比设计法自成体系，用马歇尔法、Superpave设计法替代高模量混合料配合比设计还需进一步的探讨。

3 高模量沥青混合料评价方法

高模量沥青混合料评价方法主要有：刚性性能、高温抗车辙性能、低温抗裂性能。其中， 刚性性能一般是指沥青混合料的动态模量和静态模量；高温抗车辙性能通过实验室模拟车辆荷载长期作用下产生的不可恢复的塑性可变，获得沥青路面的高温稳定性能；低温抗裂性能利用沥青混合料小梁低温弯曲试验等来评价混合料的低温抗裂性能，另外还有水稳定性、抗疲劳性能等重要因素。

3.1 刚性性能

刚性性能一般是指沥青混合料的动态模量和静态模量，相对于静态模量，动态模量更能够实际的反映出路面性能，国外大多使用动态模量，并且动态模量的数值远远大于我国现行规范中采用的设计模量。杨朋[2]通过试验证明，在15℃下，法国PE高模量沥青混合料的动态模量超过了14000 MPa。

3.2 高温抗车辙性能

车辙试验可以直观明了的模拟真实道路情况，与实际沥青路面相关性极佳。车辙试验以动稳定度作为评价指标，对其高温稳定性能进行全面的评价。高模量沥青混合料要求动稳定度(60℃，0.7 MPa)不小于4000次/mm，周朝晖[17]通过实验对30#硬质沥青混合料进行动稳定度进行分析，发现其动态模量为7678次/mm，具有良好的高温抗永久变形能力，大幅度降低车辙现象。黄新颜[18]等发现在不同温度下(45℃、60℃、75℃)开展混合料车辙试验，70#沥青与PR.M高模量改性剂的车辙变形量很小，说明高模量沥青具有较好的高温稳定性。

3.3 低温抗裂性

沥青混合料在低温下，柔性降低，脆性增大，变形能力降低，容易产生开裂现象。一般采用沥青混合料小梁低温弯曲试验来评价混合料的低温抗裂性能。添加高模量改性剂或者天然岩沥青后，沥青混合料的高温性能显著提升，这也给研究人员一个错误的信号，以为高模量沥青的低温性能一定会不好，但是通过大量的试验和工程证明，高模量沥青同样有很好的低温抗裂性[19]。

4 高模量沥青混合料的应用

我国从2001年开始引进法国高模量沥青混合料添加剂，先后在很多路段进行了铺筑，包括北京市政道路交义口、抚顺一南杂木高速公路、靖边-安塞(榆林段)等路段，并进行了长期跟踪观测，发现高模量沥青混合料路段的抗车辙性能有明显的提升。

我国燎原广阔，南北气候具有显著的差异，这对我国沥青路面提出了更严格的标准，对于高模量沥青混合料也应按照气候采取不同的生产方式和混合料设计方法。黄新颜[18]等，分析了不同类型高模量沥青混合料的适用场合，试验结果表明：低标号硬质沥青混合料适合夏热、冬冷地区，添加PRM高模量改性剂的混合料适合冬季气温较高的地区和重载、长达上坡等特殊路段。

使用高模量沥青混合料铺筑的路段会明显提升路面的抗车辙能力和抗永久变形的能力，路面使用状况良好，延长了道路的使用寿命，经济和社会效益显著。

5 结论

(1)利用低标号的硬质基质沥青或者AH-70沥青中添加天然岩沥青、高模量添加剂可以生产出高模量沥青混合料。

(2)法国高模量设计法具有独创性和先进性，是一套完整先进的设计方法，在高模量混合料设计中占有优势。

(3)高模量沥青混合料路用性能的评价可以使用普通沥青混合料路用性能的研究方法，包括高温抗车辙性能、低温抗裂性能等。

(4)高模量沥青混合料具有很高的抗车辙性，显著延长路面使用寿命，具有良好的经济、社会效益，可以广泛推广。