高模量天然沥青混合料设计及路用性能对比研究

郭寅川，张争明，邵东野，石小鹏，王路生，王军茂

(1.长安大学，特殊地区公路工程教育部重点实验室,西安 710064；2.西安市公路工程管理处,西安 710065； 3.陕西三秦路桥有限责任公司,西安 710003)

0 引 言

随着我国交通量、重载车辆数量的日益增加，车辙病害成为了高速公路沥青路面主要病害之一，严重影响了行车的安全性与舒适性[1]。为此，我国公路行业专家和学者引入了法国高模量沥青混合料技术以改善行车的安全性与舒适性。高模量沥青混合料技术最初由20世纪80年代的法国学者提出，其核心理念是通过提高沥青混合料的劲度模量而增强其高温抗车辙能力。高模量沥青混合料设计常采用法国四水平设计法、Superpave设计法和马歇尔设计法等，而我国高模量沥青混合料的设计法仍以马歇尔设计法为主[2-3]。高模量沥青混合料与普通沥青混合料的差异除设计方法外，还体现在沥青种类、矿料级配和成型方式等方面。目前，高模量沥青制备方法主要有三种：(1)直接采用低标号硬质沥青；(2)基质沥青中添加天然沥青，如岩沥青、湖沥青等；(3)基质沥青中添加改性剂，如高模量剂、抗车辙剂、聚乙烯或聚丙烯等[4]。由于路面中面层是承受高温剪切和疲劳作用主要位置，将高模量沥青混合料作路面中面层使用，可显著减小路面表面层底和中面层顶压、剪应力应变[5]。因此，大多学者将高模量沥青混合料作为中面层材料进行设计，并常采用AC-20型或法国EME型矿料级配[6-7]。此外，马歇尔击实和旋转压实仍是高模量沥青混合料成型的主要方式，且成型时沥青混合料的温度会影响其性能指标[8]。

当高模量沥青种类、矿料级配和成型方式不同时，高模量沥青混合料力学性能和路用性能差别较大，但其基本具有模量高、抗疲劳好、抗车辙能力强、水稳定性好和低温抗裂性能较差等特点[2,9]。鉴于SBS改性沥青混合料技术在我国应用已较成熟，多数学者将高模量沥青混合料性能与其进行了对比研究。周彦鋆[10]研究发现在相同温度与加载频率下，硬质沥青、天然沥青改性沥青和PR.P高模量剂改性沥青制备的高模量沥青混合料的动态模量均显著高于SBS改性沥青混合料和普通沥青混合料，但其疲劳寿命略低于SBS改性沥青混合料。李晓娟等[11]研究发现利用LY抗车辙剂制备的高模量沥青混合料在不同温度和荷载下的抗车辙性能均高于SBS改性沥青混合料，而浸水车辙试验中，其与SBS改性沥青混合料动稳定度相近，但均显著高于基质沥青混合料。为改善高模量沥青混合料的低温抗裂性能，史永宏[12]将木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维分别以单掺和复掺方式添加到BRA岩沥青改性高模量沥青混合料中，发现纤维复掺不仅可大幅提升高模量沥青混合料的低温抗裂性，还可以增强其高温抗车辙能力。此外，研发增强型高模量沥青混合料[13]、温拌高模量沥青混合料[14]、再生高模量沥青混合料[15-16]和探寻更科学的性能评价方法[17]等也成为了近年来的研究热点，且高模量沥青混合料在多地高等级路面维修改造中的成功应用也加速了其发展[13,18]。

综上所述，高模量沥青混合料具有模量高、耐疲劳和高温稳定性好等优点，也具有低温抗裂性较差的不足，且国内目前仍未形成统一的配合比设计方法，大多将其作为中面层使用，却很少研究其作为表面层的设计与应用效果。本文以天然沥青、聚合物改性剂及其他外加剂调和而成的高模量天然沥青(简称“HMB”)，基于法国关键筛孔级配范围转换的BBME-13型级配，利用修正马歇尔设计法制备了模量天然沥青混合料BBME-13，并对比研究了其与SBS改性沥青混合料SBSAC-13和基质沥青混合料SKAC-13的路用性能差异，最终通过施工过程关键技术控制，将其作为路面表面层材料成功应用于S107关中环线大中修工程中，为其他高模量沥青混合料的设计和应用提供了借鉴。

1 原材料及性能评价

试验沥青分别选用S107关中环线大中修工程项目部提供的HMB、SBS改性沥青(简称“SBS-A”)和自行采购的SK-70#基质沥青，其各项技术指标如表1所示。其中，HMB由西安众力沥青有限公司研发，其组成包含天然沥青(主要为岩沥青)、软沥青、道路石油沥青、偶联剂、聚合物改性剂、交联剂和降黏剂等，且天然沥青占比较高，为总质量的7%左右[19]。由表1可知，HMB的针入度较低、软化点较高，说明其高温性能较好，但其延度一般，其低温性能有待考察。集料针片状含量3.6%(质量分数)，0.075 mm以下颗粒0.4%(质量分数)，压碎值12.5%，机制砂的砂当量65%，矿粉的亲水系数0.5，矿料其他技术指标也均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求。

表1 沥青主要性质指标Table 1 Main technical indicators of matrix asphalt

2 配合比设计

2.1 矿料级配设计

S107关中环线大中修工程设计文件拟定将高模量天然沥青混合料BBME-13作为表面层，但BBME-13系统的设计方法来源于法国，其采用的套筛筛孔与我国标准筛孔差别巨大，且其关键筛孔选择也与我国SAC或美国Sperpave等级配设计不同，而是选用了0.063 mm、2 mm、4 mm和6.3 mm等4种孔径。为推广法国BBME-13设计理念，陕西相关单位技术人员利用内插法将BBME-13关键筛孔控制范围转换为国内0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm和13.2 mm等4种关键筛孔对应的控制范围[13]，其与AC-13级配范围及设计文件级配范围的对比如图1所示。由图1可知，转换后的BBME-13矿料级配包含于AC-13级配范围内，且2.36 mm以上的矿料级配范围明显变窄，2.36 mm以下(除0.075 mm外)级配范围基本沿用了AC-13级配范围，即该变化使设计出的粗集料级配更接近AC-13级配的中值曲线。同时，4.75 mm粒径以下的最低通过率提高，级配细料有所增加。此外，设计文件级配基本与BBME-13级配范围相同。根据设计文件级配范围，利用0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm和10～15 mm等4种集料配制了BBME-13型合成级配，如表2和图2所示。

图1 级配范围对比Fig.1 Comparison of gradation range

图2 BBME-13型合成级配Fig.2 BBME-13 composite gradation

表2 设计文件级配范围及合成级配一览表Table 2 List of design grading range and composite grading

由图2分析可知，BBME-13型合成级配基本在设计级配中值曲线附近，且为由下向上穿过设计级配中值曲线，使矿料整体处于悬浮密实状态，但也适当增加粗集料的含量，提升其力学性能。由于BBME-13型合成级配处于AC-13范围内，为便于研究和对比BBME-13与SBS改性沥青混合料(简称“SBSAC-13”)、SK-70#基质沥青混合料(简称“SKAC-13”)间性能差异，三种沥青混合料均采用该合成级配。

2.2 最佳沥青用量的确定

法国标准主要以旋转压实法成型高模量沥青混合料试件，以“丰度系数K”确定其最小沥青用量，并按照多列士试验、法国车辙试验、两点弯曲模量试验和疲劳试验等4水平试验逐级检验其性能并调整设计[2]。然而，该过程比较复杂和烦琐，且相关仪器设备多数依赖进口，且价格昂贵、操作要求较高。鉴于马歇尔设计法仍为国内设计、施工单位普遍认知和采用的方法，相关试验设备大多施工单位准备也较为齐全，修正马歇尔设计法对满足高模量沥青混合料的性能要求仍具有重要的理论和实践意义。本次试验采用修正马歇尔设计法确定BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的最佳沥青用量。其中，BBME-13参照《天然沥青高模量混合料施工技术规范》(DB61/T 1332—2020)及设计文件相关技术要求进行设计，其在不同油石比下的马歇尔体积参数指标如表3所示，计算得到其最佳油石比为5.8%(质量分数)。按照同样的流程，参照JTG F40—2004相关设计要求，确定SBSAC-13和SKAC-13最佳油石比分别为4.8%和4.9%，三者部分马歇尔体积参数指标及动态模量如表4所示。

表3 BBME-13不同油石比马歇尔体积参数指标Table 3 Marshall volume parameters of BBME-13 with different oil stone ratios

表4 沥青混合料部分马歇尔体积参数指标Table 4 Marshall volume parameter value of asphalt mixture

由表4可知，BBME-13的马歇尔体积指标与SBSAC-13和SKAC-13相比，油石比分别增加了18.4%、20.8%，空隙率分别减少了36.0%、40.6%，稳定度分别提升了42.0%、106.7%，而流值差别不大。同时，BBME-13的动态模量分别较其他两者增长了59.8%和101.7%。BBME-13油石比的增加必然增加其造价，但由于其空隙率、稳定度和动态模量的提升程度较大，其水稳定性、高温稳定性和力学性能应有较大的提升。为检查BBME-13混合料设计效果，取2块成型的马歇尔试件进行横竖对半切割，观察其横竖剖面集料分布情况，如图3～4所示。

由图3～4分析可知，BBME-13混合料试件基本为悬浮密实结构，但其粗集料较AC-13混合料多，且剖面30%左右的区域已形成骨架密实结构(如图中闭合曲线包络区域)。高模量沥青混合料设计采用悬浮密实结构的原因主要是避免沥青用量过多造成其力学性能和路用性能的降低，而其沥青用量的增加主要是为提升混合料的疲劳性能、低温性能和水稳定性[20]。此外，骨架密实结构的沥青混合料因骨架间嵌挤作用强、空隙率低等特点，其抗车辙能力一般较骨架空隙结构和悬浮密实结构沥青混合料强[21]，且骨架密实结构的体积占比与其抗车辙能力具有一定的正相关性。因此，BBME-13混合料设计时，适当增加其内部骨架密实结构体积占比，将有助于大幅提升力学性能和高温抗车辙能力。

图3 BBME-13混合料试件横剖面Fig.3 Cross section of BBME-13 mixture specimen

图4 BBME-13混合料试件竖剖面Fig.4 Vertical section of BBME-13 mixture specimen

3 路用性能对比研究

3.1 高温稳定性

高模量沥青混合料最大的优势在于具备优异的高温抗车辙能力，其次为良好的水稳定性和抗疲劳性。近年来，法国车辙试验、汉堡车辙试验和小型加速加载试验等都被用于评价高模量沥青混合料的高温抗车辙性能。然而，这些仪器的昂贵性和操作的复杂性使其仍较难被工程单位所采用。此外，相关研究表明，我国的车辙试验可更好地反映高模量沥青混合料的高温变形特征[20]。因此，本试验仍选用最常被使用的中国车辙试验测评BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的高温稳定性。每种沥青混合料成型3块车辙板，试件成型过程参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中相关步骤(BBME-13、SBSAC-13的拌和温度为185 ℃，SKAC-13拌和温度为165 ℃)，即在60 ℃温度条件下，利用轮碾成型机对沥青混合料做往返24次碾压。制作尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的标准车辙板试件，后将其在自然风干条件下放置48 h，确保其内添加剂、天然沥青与基质沥青有足够反应时间。在养生完成后，将其放在车辙试验机上进行车辙试验，测试条件选用60 ℃温度和0.7 MPa轮压，测试过程自动记录车辙板的变形情况，其动稳定度和相对变形如图5～6所示。

图5 沥青混合料动稳定度Fig.5 Dynamic stability of asphalt mixture

图6 沥青混合料60 min相对变形Fig.6 Relative deformation of asphalt mixture in 60 min

由图5分析可知，BBME-13试件中，最低动稳定度为5 625次/mm，分别比SBSAC-13、SKAC-13最高动稳定度和标准值高9.7%、97.2%和12.5%，而其动稳定度代表值分别比SBSAC-13、SKAC-13和标准值高32.2%、148.3%和29.2%。与此同时，BBME-13、SBSAC-13、SKAC-13试件动稳定度的标准差分别为694.2次/mm、231.6次/mm和219.2次/mm。由图6分析可知，BBME-13试件最大相对变形分别比SBSAC-13和SKAC-13最大相对变形低104.3%、139.1%，而其60 min相对变形代表值分别比SBSAC-13和SKAC-13低57.8%和63.8%。此外，BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13试件相对变形的标准差分别为0.32%、0.20%和0.24%。因此，相比SBSAC-13和SKAC-13，BBME-13的动稳定度显著增大，相对变形显著降低，波动性相对较高，但其最劣指标值仍具有显著优势。究其原因，HMB中含有的岩沥青和聚合物改性剂将发达的网状结构带入基质沥青中，与沥青分子相互交联缠绕，聚合成大分子空间网状结构，增强了沥青的黏聚性，减缓了沥青分子的热运动，且岩沥青内沥青质、胶质和灰分含量较高，温度敏感性较弱，进而显著提升了BBME-13的模量和高温稳定性[7,22]。此外，混合料设计注重适当增加HMB和粗集料的占比，促使BBME-13混合料在悬浮密实结构前提下，形成了30%左右的骨架密实结构，进而增强了其高温稳定性。

3.2 水稳定性

根据JTG E20-2011中相关要求，BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13各成型2组马歇尔试件，每组包含4块试件，分别进行浸水与未浸水马歇尔稳定度和流值的测试。其中，BBME-13、SBSAC-13的拌和温度均为185 ℃，而SKAC-13拌和温度为165 ℃。试件残留稳定度的测算结果如图7所示，代表值如表5所示。

图7 沥青混合料残留稳定度试验值Fig.7 Test values of residual stability of asphalt mixture

由图7和表5分析可知，BBME-13的残留稳定度代表值为99.4%，比SBSAC-13、SKAC-13和标准值分别高9.0%、19.6%和16.9%，而其流值也略高，但均满足规范要求。同时，BBME-13与SBSAC-13和SKAC-13残留稳定度标准差分别为9.42%、2.61%和1.43%。由此可见，BBME-13的残留稳定度较高，也具有较大的波动性，但其最低值为88.8%，高于DB 61/T 1332—2020规定的85%，并与SBSAC-13最低值89.0%仅相差0.2%。BBME-13的水稳定性较高的原因可能有3点：(1)混合料内含有的HMB沥青较多，其用量达5.8%，分别比SBSAC-13和SKAC-13增加了18.3%和20.8%，进而有效填充了矿料间隙，起到了较强的防水作用；(2)混合料内细料含量较多，基本由悬浮密实结构与部分骨架密实结构组成，空隙率仅分别为SBSAC-13和SKAC-13的63.9%和59.4%，较少的空隙率有效阻止了水分的浸入；(3)HMB沥青中岩沥青分子极性较大，其与基质沥青缔结而形成较大胶核，最终其黏度显著增大，进而提升了其与集料结合界面的表面能，更难被水分所取代[3]。由于旋转黏度与沥青黏附性能存在正相关关系[23]，为验证第3点推测，测试了HMB、SBS-A和SK-70#的175 ℃旋转黏度，其值分别为0.926 Pa·s、0.231 Pa·s和0.147 Pa·s。由此可知，HMB的旋转黏度较大应是BBME-13水稳定性提高的重要因素之一。

表5 沥青混合料残留稳定度代表值Table 5 Representative value of residual stability of asphalt mixture

3.3 低温抗裂性

按照前述车辙板的制作方法，先对BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13各成型1块车辙板，在养生完毕后再用切割机将其切割成尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的标准棱柱体小梁试件，再进行24 h自然风干养生。每种沥青混合料共制作6根小梁，在-10 ℃条件下保温60 min后，利用UTM-30型试验机分别对其进行低温弯曲试验，6根BBME-13小梁破坏后如图8所示，最大弯拉应变如图9所示，代表性测试结果见表6。

图8 破坏后的BBME-13小梁试件Fig.8 BBME-13 trabecular specimens after failure

图9 沥青混合料最大弯拉应变Fig.9 Maximum bending tensile strain of asphalt mixture

表6 沥青混合料低温弯曲试验代表性结果Table 6 Representative value of low temperature bending test for asphalt mixture

由图9和表6分析可知，BBME-13与SBSAC-13最大弯拉应变波动性均较大，其标准差分别为166.08 με和188.0 με，而SKAC-13标准差仅为108.73 με。同时，BBME-13最大弯拉应变代表值为3 019.45 με，比SBSAC-13相应值低3.3%，但分别比SKAC-13和标准值高34.4%和20.7%。由此可知，BBME-13低温弯曲性能略差于SBSAC-13，但远高于SKAC-13，且其波动性介于两者之间。BBME-13低温弯曲性能高于SKAC-13的原因除与其内HMB沥青中岩沥青和聚合物改性剂与基质沥青分子交联形成大分子空间网状结构增强了其抗拉强度有关外，还与HMB沥青用量和黏度均较大，进而增大了混合料内细料表面沥青膜厚，增强了混合料内部的团聚力，提升了其抗弯拉强度和韧性密不可分，而其劣于SBSAC-13的原因可能是其内岩沥青含有较多的灰分，且添加了偶联剂、聚合物改性剂、交联剂和降黏剂等多种外加剂，这些物质与基质沥青的混溶程度必然劣于SBSAC-13中SBS改性剂与基质沥青的混溶程度。此外，BBME-13与SBSAC-13的最大弯拉应变均波动较大也可能是岩沥青中的灰分、偶联剂、聚合物改性剂、交联剂和降黏剂等多种外加剂的加入削弱了其与基质沥青混溶程度，加之储存时间较长、外部剪切和搅拌的不均匀等因素的影响，必然会影响其BBME-13混合料低温性能的稳定。

3.4 低温抗冻裂性

目前，利用低温小梁弯曲试验评价高模量沥青混合料的低温性能仍存在较多的争议，而国内外已有学者认为约束试件温度应力试验(或“低温冻断试验”)更适于评价沥青混合料低温性能[24]。为此，本研究参照英国标准BS EN 12697-46:2012对BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13开展了低温冻断试验，以对比分析其低温抗冻裂性能差异。试件成型中，采用SGC旋转压实机以碾压60次方式对每种沥青混合料各成型一块φ150 mm×180 mm圆柱体试件，自然养生12 h后，切割为160 mm×50 mm×50 mm尺寸的棱柱体小梁，并取3块小梁进行试验，如图10所示。试验中，温度量程为-40～20 ℃，由20 ℃开始以10 ℃/h的降温速率进行降温直至小梁断裂为止，记录其温度-应力变化过程，绘制出3种沥青混合料温度-应力曲线，如图11所示。

图10 冻断试验过程Fig.10 Process of freeze fracture test

图11 沥青混合料温度-应力曲线Fig.11 Temperature stress curves of asphalt mixture

冻断温度反映试件破坏时所能承受的最低温度，冻断强度表示试件破坏时所能承受的最大温缩应力，而转化点温度代表试件由黏弹性转化为弹性时的临界温度[24]。由图11分析可知，BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的冻断温度分别为-27.74 ℃、-24.29 ℃和-23.92 ℃，即BBME-13的冻断温度比SBSAC-13和SKAC-13分别低14.2%、16.0%，而SBSAC-13和SKAC-13的冻断温度差别不大。BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的冻断强度分别为3 058.07 kPa、2 101.67 kPa和1 582.49 kPa，则BBME-13的冻断强度比SBSAC-13和SKAC-13分别高45.5%、93.2%。BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的转化点温度相差不大，均在-12 ℃附近。出现上述现象的原因可能是天然岩沥青和聚合物改性剂与基质沥青分子交联形成空间网状结构，增强了其在低温下抵抗温缩应力的能力，而BBME-13中高黏HMB用量的增加，也提升了其团聚性和延展性，且其内包含30%左右的骨架密实结构对其抵抗温缩应力更为有效。对比而言，SBS改性沥青虽然含有聚合物SBS成分，也能与基质沥青分子交联形成空间网状结构，但其在SBSAC-13内含量较低，空隙率较高，骨架密实结构占比较小，故其抗冻性能和抗裂性能低于BBME-13。此外，由于BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13内所含沥青的主要成分均为基质沥青，而集料类型和性质也相同，故三者的转化点温度差别较小。

4 试验段铺筑

4.1 工程概况

S107关中环线大中修工程起于太乙宫十字交叉口(K105+557)，终于西太路支线三块板断面终点处(K125+958)，全长20.401 km，为一级双向四车道公路，设计车速80 km/h，重型交通荷载等级。原路面类型为沥青混凝土路面，铺筑前期路面损坏状况指数(PCI)在60～70范围内，主要存在块状裂缝(55%)、纵横缝(14%)、龟裂(13%)和车辙(13%)等病害。由于陕西公路建设已基本进入维修养护期，维修中产生的大量铣刨料难以处置或不能被合理利用，加之天然集料的匮乏和环保政策与理念深入人心，热再生沥青混合料技术和泡沫沥青再生混合料技术被要求必须融入该工程的设计和施工中。为此，试验段采用加铺4 cm BBME-13上面层+PC-3乳化沥青黏层+8 cm AC-20厂拌热再生沥青混凝土+1 cm同步碎石封层的铺装方案。

4.2 施工关键技术

试验段铺筑开展前，制定的施工过程控制关键技术方案如表7所示。

表7 试验路段BBME-13施工控制要点Table 7 Key points for construction control of test road BBME-13

由表7分析可知，BBME-13的施工控制过程与普通沥青混合料差别较大，主要体现在以下3点：(1)温度方面，沥青与集料加热温度高10～25 ℃，拌和温度高20～40 ℃，运输温度高30～45 ℃，摊铺温度高25 ℃，碾压温度高20～30 ℃；(2)速度方面，摊铺速度是其1/2，初压速度慢0.5～1.0 km/h，复压速度慢1～2 km/h，终压速度慢0.5～3 km/h；(3)碾压长度方面，初压长度短30～60 m，复压长度短20～40 m。总体而言，BBME-13的施工过程具有加热温度高，施工速度缓和碾压长度短等特点。

4.3 施工检测指标

试验段施工完成后，对K123+060～K123+190段路面压实度、渗水状况、构造深度以及摆值等进行了抽样检测，发现其马氏压实度均在99%以上，其他部分指标如表8所示。

表8 试验路段BBME-13路面检测结果Table 8 Test results of test road BBME-13

由表8分析可知，试验路段BBME-13路面渗水系数、构造深度和摆值的平均值分别为6.1 mL/min、0.62 mm、54.3 BPN，分别比标准值低92.4%、高12.7%和高20.7%，但渗水系数波动性较大。尽管如此，BBME-13路面渗水系数最大测试值为13.3 mL/min，也比标准值低83.4%。因此，BBME-13路面抗渗性优异，且抗滑性完全满足相关规范要求。

5 结 论

(1)法国标准转换的BBME-13矿料级配范围基本包络在AC-13内，且2.36 mm以上的包络面明显变窄，而BBME-13的油石比、稳定度和动态模量均显著高于SBSAC-13和SKAC-13，但空隙率最低，且其混合料内部形成了30%左右的骨架密实结构；

(2)BBME-13的动稳定度、残留稳定度、最大弯拉应变和冻断强度代表值分别比SBSAC-13增大32.2%、增大9.0%、减小3.3%和增大45.5%，分别比SKAC-13增大148.3%、19.6%、34.4%和93.2%，但其波动性较高，可能是由于HMB中天然沥青和各种外加剂的添加削弱了其内基质沥青的稳定性；

(3)BBME-13施工过程相比普通沥青混合料具有加热温度更高，施工速度更缓和碾压长度更短等特点，且按要求铺筑后的路面抗渗性能优异，抗滑性和压实度等也均能满足规范要求，即BBME-13完全可作为高等级公路表面层材料。