高模量沥青混合料应用综述

摘要：高模量沥青混合料（High Modulus Asphalt Concrete）能够减少路面结构的变形，延缓车辙的产生，改善路面的疲劳性能，延长路面的使用寿命。目前HMAC在国外已经比较成熟，并且已有相应的规范标准，而我国刚刚起步，针对高模量沥青混合料，应进一步研究，形成符合我国国情的成套技术。

关键词：道路工程；高模量；沥青混合料；沥青路面

中图分类号：U41 文献标识码：A

交通量的增长、轴载增加、超载严重、车辆渠化交通、持续高温天气等因素的综合影响，车辙已经成为沥青路面最严重的早期破坏形式之一。据不完全统计，在高等级公路维修原因中，车辙病害发生比率高达80%以上。基于抗车辙性能的路面新材料的研究与开发已经成为公路界研究和关注的热点问题。另外，在市政工程中在对旧路进行翻修、改造时路面标高往往受到限制，需要控制面层结构厚度，采用传统的沥青混合料在较薄的厚度下通常无法保证足够的承载力。因此如何在保证道路整体承载能力的同时降低路面结构层厚度，也成为棘手问题。

沥青混凝土的弹性模量及沥青路面的结构组合是影响车辙深度即沥青路面产生永久变形的关键参数。采用高模量沥青混凝土可显著降低荷载作用下沥青层应变，减小沥青混合料高温塑性变形，进而提高路面抗车辙能力。因此，欧美等国家长寿命路面设计及AASHTO路面设计中都对提高沥青混凝土弹性模量提出具体指标要求。

对于我国普遍采用的典型半刚性基层沥青路面，路面结构中4～10 cm范围内为压应力的高值区，3～8 cm 范围内为剪应力高值区，这两个应力高值区处于半刚性基层沥青路面结构的中面层。而我国沥青路面的中面层大多采用以70#沥青为结合料、模量较低的普通沥青混凝土，这也是部分沥青路面出现严重车辙病害的主要原因。

为提高沥青路面的抗车辙能力，高模量沥青混凝土（High Modulus Asphalt Concrete）的研究与应用得到广泛关注。按照法国沥青混合料设计规范体系（NFP -140），动态模量（15℃，10Hz）大于14，000 MPa的沥青混凝土为高模量沥青混凝土。高模量沥青混凝土的使用能够减少路面结构的变形，延缓车辙的产生，改善路面的疲劳性能，延长路面的使用寿命。

针对当前路面的诸多问题，采用新型路面材料成为国内外研究者的共识，在国内外研究开发应用的各种新型路面材料中，高模量沥青混合料（High Modulus Asphalt Concrete，以下简称HMAC）凭借其优越的性能越来越受到关注。使用HMAC能够减少路面结构的变形，延缓车辙的产生，改善路面的疲劳性能，延长路面的使用寿命。

目前主要三种方法制备高模量沥青混凝土：（1）采用低标号沥青结合料（如30号沥青）；（2）采用高模量添加剂（如法国PR，德国Duroflrx）或特殊改性沥青（如高模量改性沥青），（3）天然沥青，如岩沥青或湖沥青。在国外70%以上采用（1）方案，其优点为高模量沥青混凝土造价低、施工工艺相对简单。

1 国外应用概况

从广泛意义上分析，高模量沥青混合料（EnrobéàModule？levé/ EME）的理念来源于法国和美国永久性路面概念中的中面层高模量沥青混合料（High Modulus Asphalt Concrete/HMAC），其应用的主要目的为：（1）提高路面抗车辙能力；（2）减薄路面厚度；（3）提高路面耐久性。高模量沥青混合料已经成为研究热点之一，目前高模量沥青混合料主要应用于法国、美国、英国和北非部分国家。

HMAC最早出现于20世纪80年代的法国，并以GBTHP（路面专用沥青处治砂砾）的名字取得了专利。其最早的应用始于1981年，作为基层用于旧路面结构的补强，1985年以后使用数量有所增长。另外，法国还根据丰度系数K将HMAC分为3类，并分别命名为EME1、EME2、EME3，3种混合料均具有很高的模量及抗车辙性能。其中，前两者抗疲劳性能、水稳定性也相对优良，目前法国使用最多的是EME2；EME1的沥青用量与普通沥青混合料基本相当，但该种材料的耐久性、抗疲劳能力均不高，主要用于路面结构的受压缩层中，故并没有得到广泛应用。

法国经过二十多年的研究形成的HMAC标准NFP98-140，对配合比设计方法和结构设计均有特定的方法。目前在法国国内采用的HMAC，主要通过两种途径来制备：一是采用低标号沥青，即30#以下的沥青，主要采用20#沥青；另一种是采用高模量添加剂。前者所占的比例70%左右，后者占30%。HMAC的品质主要取决于正确的混合料设计，法国将HMAC设计为具有较高结合料用量和较低空隙率的设计理念值得借鉴。这种设计理念可以弥补混合料疲劳、抗裂性不足所带来的一些问题。其基本思想是：采用硬质沥青设计油石比大约6%的高沥青用量的混合料，通过沥青本身的品质为混合料提供高模量，在同样的厚度条件下，底基层所受的压力就会有所减小，沥青用量的增大提高了混合料的密实度和抗疲劳能力。在法国，HMAC还经常与很薄的沥青混合料（VTAC）磨耗层结合起来使用，以减少路面车辙。具有的优点：（1）HMAC抗车辙性强，且其低空隙率和高硬度能保护基层；（2）VTAC采用断级配，其抗滑性能及抗滑耐久性优良。此外，法国的研究表明：使用HMAC可以降低道路建设成本。

英国[6～7]先后于1994和1997年对硬质沥青及其混合料进行研究，并建立长寿命路面的耐久性研究项目，主要针对硬质沥青及混合料的抗老化、抗裂性能进行研究。

意大利[8]曾对HMAC和三种改性沥青混合料基层展开调查研究，目的是分析HMAC的路用性能及其提高基层承载力的实际效果，还提出了正确使用HMAC基层的要点。

葡萄牙针对炎热的气候，展开了对HMAC抵抗车辙能力的研究，通过对16km试验路的跟踪测试，总结了HMAC的永久变形参数，从而为准确预估车辙量提供依据。

美国在2004年发起了对HMAC作为永久性沥青路面中、下面层的研究，并着重对HMAC的设计方法和费用展开研究。永久性路面的主要理念为表面层采用Superpave、SMA或OGFC等混合料作为磨耗层，中面层采用高模量沥青混合料抵抗车辙的变形，下面层采用高沥青用量的抗疲劳层作为基本的路面结构组合，通过材料设计和结构层组合设计，使得设计的路面结构能够使用50年以上，采用较厚的沥青层柔性路面，降低了传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙，由于此路面的损害仅仅限于路面顶部，因此只需要定期的表面洗刨，罩面修复，使得沥青路面在使用年限内不需要大的结构性重建。在美国高模量沥青混合料是一个比较宽泛的概念：泛指使用采用PG较高如76-22分级的胶结料、采取更好的骨架嵌挤获得的相对较高模量的混合料，美国并没有专门的阈值和专门的规范，而在法国，高模量沥青混合料是一种专门的混合料，图1为永久路面结构示意图。

2 国内应用概况

国内在HMAC研究方面尚处于起步阶段。中国石化集团石油化工科学研究院、辽宁省高等级公路建设局经过近两年半的科技攻关，项目取得了一系列科研成果[11]：自主研发的HMAC外掺剂（改性PE/PP）填补了我国相关领域的技术空白，达到国外同类产品的先进水平；在国内率先提出了以提高沥青混合料模量作为解决路面高温稳定性不足的技术途径，并研究提出了提高沥青混合料模量的两种主要技术方案；提出了45℃，10Hz条件下动态模量达到2000MPa，45℃，0.1Hz条件下达到500MPa以上，作为HMAC的界定标准；通过调研和室内研究，研究开发出高模量低标号沥青工艺、并提出其技术指标；2006年分别在抚顺-南杂木高速公路路面中面层铺筑了2.7km，鹤岗-大连二级公路（东港段）路面上面层铺筑了2km试验路的基础上，提出了施工工艺和质量控制指标。

长安大学沙爱民教授对HMAC路面应用进行了研究[12]，在室内试验成果的基础上，结合河南抚项高速公路的修筑以及通车后的检测结果，经过两年多的试验研究，最终提出了能够进一步提高抗车辙能力和降低沥青用量的适合我国沥青路面修筑条件的HMAC级配选用方法；提出了以我国现行沥青混合料马歇尔设计方法为基础的HMAC配合比设计方法；结合路面实体工程的铺筑提出了HMAC路面的施工工艺。

重庆交通大学何兆益教授对高模量沥青混合料路面新结构及应用进行了研究[13]。自行开发和设计了直接剪切仪、直接拉伸仪和加压渗水仪，在此基础上系统研究和评价了多种高性能层间材料的抗剪、粘结和防水性能，并结合实体工程，推荐了高性能层间粘结材料及其最佳用量。通过汽车动载模型振动方程的分析与求解，建立了路面设计标准轴载的简化动力荷载模型，提出了适用于重载交通条件、基于粘弹性动力学理论的沥青路面车辙计算方法，计算表明：岩沥青改性高模量沥青路面可减小沥青路面的车辙深度17%～20%。通过理论分析结合工程实际，提出高模量沥青路面合理结构建议。

长沙理工大学郑健龙教授对重交通条件下高模量沥青混合料路面材料设计与施工技术进行了深入研究[14]。构建了重交通条件下沥青路面轮胎/路表复杂接触应力模型和高模量沥青混合料路面复杂接触应力下的路面动力学计算方法，对高模量沥青路面结构进行了动、静力学分析，揭示了高模量沥青混合料路面路用性能提高的力学机理。分析了高模量沥青混合料高低温、疲劳和水损坏等路用性能，首次获得了高模量沥青混合料疲劳方程，建立了基于疲劳损耗等效的高模量沥青路面结构设计轴载换算方程式。从高模量沥青混合料的施工特性出发，提出了施工过程中的温度控制、碾压工艺及离析控制方法，建立了高模量沥青路面施工质量控制体系。

结语

高模量沥青混合料方面，目前HMAC在法国已经比较成熟，并且已有相应的规范标准，按照法国沥青混合料设计规范体系（NFP -140），动态模量（15℃，10Hz）大于14，000 MPa的沥青混凝土为高模量沥青混凝土。但是法国HMAC的与我国现实存在较大差异，首先，从材料选择上，法国的HMAC的生产主要是采用高掺量低标号硬质沥青方案获得，我国目前主要是70号或90号沥青，材料来源很不相同，所以我国目前的获得HMAC的主要技术路线是采用高模量添加剂；其次，从设计方法上，法国采用以旋转压实为成型方式，以丰度系数为设计的控制指标的设计方法，这与我国的规范中规定的传统马歇尔设计方法不完全一致，故而其设计方法不完全适用于我国现状，需要加以修正和调整。再次，由于高模量沥青混凝土的施工和易性问题，国内普遍采用保证较高的拌合和压实温度，采用高强压实功的方法保证高模量沥青混合料的施工质量。针对高模量沥青混合料，应进一步研究，形成符合我国国情的成套技术。

参考文献

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