高模量天然沥青混合料在甘肃G309项目的应用

（1.甘肃路桥第三公路工程有限责任公司，兰州 730030；2.西安众力沥青有限公司，西安 710000）

高模量沥青混合料（High Modulus Asphalt Concrete 以下简称HMAC）将模量和疲劳寿命作为混合料的设计指标，体现了路面结构设计与材料设计的一体化，是一种高品质的筑路材料[1]。高模量沥青混合料在法国有四十年的应用经验，按照使用层位的不同又分为适用于上面层BBME和中下面层、上基层的EME。国内的一些研究机构如辽宁交通科学研究院[2、3]、长安大学[4、5]、江苏省交通科学研究院[6]、河北交科院等都对该技术进行了研究。该技术在国内的应用笔者认为还存在以下不足：第一、国内早期引入的高模量沥青混合料技术，只强调了混合料的高模量特性而忽视了疲劳性能，使该技术和抗车辙技术混为一谈，未能体现其抗疲劳的优异性。第二、国内引入该技术时未采纳法国的专用级配，大多直接沿用国内惯用的AC 级配,难以充分发挥HMAC 的技术特性。法国的高模量沥青混合料级配偏细，细料多，混合料空隙率小，能容纳更多的沥青用量，对于保证混合料的疲劳性能以及抗水损能力至关重要。第三、缺乏专用沥青结合料，需使用高模量添加剂。河北交通科学研究院的研究认为高模量剂难以兼顾混合料的模量和疲劳性能。第四、传统HMAC 的低温弯曲破坏应变不足2 000 με 低温抗裂性不足导致其难以在冬寒区使用。第五、国内缺乏配套的混合料设计方法，不利于该技术的推广。

本文以天然沥青改性沥青为结合料，采用法国的高模量沥青混合料BBME 及EME 应用于甘肃G309 板桥至小园子（甘宁界）段升级改造项目中的表面层及下面层。

1 项目概况

G309 线（青兰公路）是东西走向的国家干线公路。G309 板小段由于沿线石油矿产开采，重型车辆的增多，沥青路面损坏严重，2017年大修前路面PCI 不足50，路面坑槽、沉陷、壅包、粗颗粒裸露等病害严重，路面破损率在90%以上。2017年的升级改造项目中，在K21+400-K21+900 段采用天然沥青高模量沥青混合料4 cm BBME-13 上面层+5 cm EME-16 下面层结构。以解决该路段解决重载交通以及长大纵坡路段的耐久性铺装难题。该路段为两道连续的S 型转弯，路面纵坡达到7%，设计时速80 km/h。

2 沥青

沥青结合料的选择是影响高模量沥青混合料性能的关键因素。在法国70%以上的高模量沥青混合料采用满足EN13924 要求的专用硬质沥青，仅有不到30%使用高模量剂。由于油源属性和加工工艺的原因，国内炼厂难以生产这种硬质沥青，但近年来随着高模量沥青混合料关注度越来越高，国内也开始开展硬质沥青的相关研究。天然沥青的低针入度、大分子量、黏度大的特性，是生产硬质沥青的理想材料。汪于凯等人对硬质沥青、烯烃类改性剂、天然沥青三类高模量沥青混合料的分析发现，在动态模量对频率和和温度敏感性分析中，天然沥青表现最佳[7]。

HMB 是西安众力沥青有限公司开发的工厂化稳定型天然沥青改性沥青。通过减小天然沥青中无机物平均粒径至5 μm 以下，90%以上颗粒粒径小于12μm，实现天然沥青改性沥青的成品化。HMB 的应用提供了新的高模量沥青混合料结合料选择。本项目使用的HMB-W 检测结果如表1所示。

表1 HMB-W 的检测结果

由表1可知，HMB 为低针入度沥青，黏度大，不离析。沥青混合料的强度除来自矿料颗粒之间的摩擦力和嵌挤力外，还包括集料和沥青之间的黏结力。沥青黏度越高，混合料受剪切时的黏滞阻力就越大，因而黏结力越大。

HMB 的存储稳定性是决定其能否成品化应用的关键技术指标，通过控制沥青中无机物粒径以及48 h 离析软化点差，实现控制存储稳定性的目的。

3 级配

本文通过内插法及经验将法国高模量沥青混合料的级配转换为国内筛孔尺寸下的级配范围。表2所示为本项目采用的级配，由表2可知，高模量沥青混合料的级配有两个特点，第一是只控制关键筛孔0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm 的通过率。第二细料偏多，级配偏细。通过和我国惯用的AC 级配对比发现，BBME-13 的级配范围在AC-13 级配范围内，EME-16 在AC-16 的级配范围内但都比同公称最大粒径下的AC 级配范围更窄且4.75 mm 以下通过率更高。

高模量沥青混合料的级配冲击了传统观念中级配对混合料强度的影响。首先细级配，并不意味着混合料的高温稳定性就差，相反高模量沥青混合料的动稳定度都在5 000 次/mm 以上；其次不要过分迷信骨架密实结构和大粒径骨架才能抗车辙，相反高模量沥青混合料偏悬浮密实结构，公称最大粒径最大到26.5 mm，但其模量比改性沥青混合料要高50%左右。同时，高模量沥青混合料的细级配，沥青用量高，混合料均匀性好，不易离析，有效保障了施工质量。

4 最佳油石比

本项目采用马歇尔试验方法[8,9]确定BBME和EME 的最佳油石比分别为5.6%和5.8%。

高模量沥青混合料的构成特点之一就是高油石比，沥青饱和度不低于75%。裹附在集料表面的沥青膜厚，混合料的耐久性及低温抗裂性都能得到有效的保障。同时HMB 的低针入度也使其不会出现高温泛油问题。高油石比和混合料的级配有关，这也是本文强调高模量沥青混合料需要采用法标级配而非AC 级配的原因，后者难以达到HMAC 要求的高的沥青饱和度。我们建议HMAC 的油石比不应低于5.2%。

由表3可知BBME 和EME 的空隙率均低于3%、低孔隙率有助于提高混合料的抗水损能力，同时使用的是低针入度沥青HMB，因此不会出现由于混合料空隙率低于3%而路面泛油的问题。 混合料路用性能验证结果显示，BBME 和EME 的动稳定度分别达到8 186 次/mm 和6 117 次/mm、-10 ℃低温弯曲破坏应变均超过2 500 με，实现了高低温性能的均衡。由表3可知，高模量沥青混合料的综合性能超过传统的改性沥青混合料技术要求。

表2 BBME 和EME 的级配

表3 沥青混合料性能检测结果

5 施工及现场检测

高模量沥青混合料是高油石比，密集配的沥青混合料，因此施工均匀性好，宜压实。但沥青结合料的针入度低，因此碾压主要以胶轮揉搓为主，因此复压阶段采用胶轮碾压4 ～6 遍。因此每台摊铺机后配备了两台双钢轮、两台胶轮。天然沥青高模量沥青混合料的施工工艺基本和改性沥青混合料相当，施工难度小。

施工完成后的现场检测结果如表4所示，由于高模量沥青混合料的低空隙率特性，因此路面渗水系数均仅50 mL / min。同时路面的构造深度超过0.6 mm，因此BBME 可以作为理想的路表面层材料。

表4 现场检测结果

项目于2017年10月开放交通，在运行了两年之后的2019年10月，项目组到现场检查发现路面状况良好，无车辙及裂缝等病害出现。

6 总结

高模量沥青混合料是综合性能优异的高品质筑路材料，其构成特点可总结为低针入度结合料、高油石比、连续级配和低孔隙率。以高模量天然沥青HMB 为结合料，在甘肃庆阳的G309板小项目中以BBME 和EME 分别做为路面的表面层和下面层。室内实验结果显示，其路用性能远超原设计要求，尤其在保证混合料的动稳定度不低于5 000 次/mm 的情况下，低温抗裂性不低于2 500 με，打破了高模量沥青混合料不能在冬寒区应用的限制，对甘肃地区的公路建设意义重大。且高模量沥青混合料作为上面层抗滑性能和密水性均满足现行规范要求。证实了高模量沥青混合料技术适用于沥青层全结构层使用。