高模量沥青混凝土力学性能试验研究

摘要；针对添加专用外掺剂PRModule的高模量沥青混凝土(HMAC)的力学性能展开室内和现场测试研究。试验结果显示，外掺剂使得沥青混凝土材料的回弹模量值提高45%，动态模量提高了77%以上，而现场落锤式弯沉仪(FWD)的测试结果显示，高模量沥青混凝土路面的综合模量高于SBS改性沥青路面的综合模量，该外掺剂是改善路面结构整体承载能力的良好选择。

关键词:高模量沥青混凝土 高模量添加剂 外掺剂 力学性能

0 引言

伴随着公路运输交通量急剧增加，超载、重载现象日益严重，路面结构的损坏也逐渐加剧，许多沥青路面在通车不久就发生不同类型的损坏，严重影响了道路的服务质量[1]。为了解决道路早期破坏的问题，许多新型道路材料开始用于高等级公路上。高模量沥青混凝土(HMAC)在法国使用已经超过20年的时间[2]，其原理是通过提高沥青混凝土的模量，减少车辆荷载作用下沥青混凝土产生的变形，提高路面抗高温变形能力，改善路面的疲劳性能，延长路面的使用寿命。包括法国在内的许多欧洲国家都先后对其展开的研究，由于各国的材料组成和设计方法均不相同，高模量沥青混凝土也呈现出不同的性能表现。究竟何种途径可以更好地实现模量提高，各个国家均有不同的经验。在我国，针对高模量沥青混凝土的研究才刚刚起步，对高模量沥青混凝土的材料组成以及实际路用性能还不了解，需要在国外研究成果的基础上，研究高模量沥青混凝土材料组成，总结高模量沥青混凝土的力学特征，为高模量沥青混凝土在我国的推广应用积累经验。

通过前期大量调研，笔者选用了添加PRModule外掺剂来制备高模量沥青混凝土，通过一系列的模量测试评价混合料的力学性能，并结合实体工程的现场测试结果，分析外掺剂对沥青混合料力学性能的影响水平和规律。

1材料组成

　　1.1原材料

本研究中沥青材料选用韩国SK-70沥青，集料采用河南荥阳产优质石灰岩。经测试，沥青和集料的各项指标均满足规范要求。同时采用法国高模量添加剂(PRModule，如图1所示)，进行高模量沥青混凝土相关试验研究。

1.2混合料级配

试验共选用了4种级配，其中中粒式混合料2种:代表我国规范中值级配的AC20和典型的Superpave级配Sup20;粗粒式混合料2种:AC25和Sup25，并通过马歇尔方法确定相应油石比，见表1。外掺剂的用量采用推荐的0.7%。

2 室内力学性能测试

作为高模量的沥青混凝土，材料的力学性能是至关重要的。按照法国NFP-140标准中的定义[3]，只有动态模量E3(15℃，10Hz)达到≥14000MPa的要求沥青混凝土才可以被称为“高模量沥青混凝土”，因此本研究重点放在材料的力学性能上。目前我国常用的反映沥青混合料模量的指标有回弹模量、动态复数模量等[3]。由于高模量沥青混凝土具有典型的黏弹特性，因此分析高模量沥青混凝土的力学性能，需要采用特定的试验方法，在特定条件下测试相关力学指标。

2.1回弹模量

路面材料的抗压回弹模量反映了材料抵抗可回复变形的能力，作为对比，同时开展了普通沥青混凝土和添加PRModule的高模量沥青混凝土20℃抗压回弹模量的测试，表2。

试验结果显示，对4种不同级配沥青混合料而言，外掺剂的应用使得混合料的抗压回弹模量平均提高约45%。增幅最大的是Sup25型混合料，其增幅高达53%。这说明PRModule外掺剂对HMAC的抗压回弹模量有显著影响。对同一添加剂掺量而言，级配对HMAC的抗压回弹模量也有影响，Superpave级配的增幅大于AC级配。相比而言，外掺剂对Superpave级配的混合料的影响更为显著。

2.2动态复数模量

车辆荷载对沥青路面的冲击属于动态作用，沥青混合料在动态荷载作用下的力学反应更接近于实际状况。为了便于操作，本研究采用美国MTS-810材料试验机，采用单轴动态压缩试验方法进行HMAC动态模量的测试。

对4种级配的高模量沥青混凝土和同级配的普通沥青混凝土进行测试对比。试验温度为15℃，试件为静压成型的<100mm×100mm的圆柱体试件，采用频率扫描的方式，频率范围为0。1～10Hz，分别在5种频率下进行动态模量和相位角的测试，结果见表3。

图2和图3中的试验结果表明，随着频率的增加，4种HMAC沥青混合料的模量随之提高，相位角随之降低。动态模量整体上随加载频率呈半对数直线关系，说明当行车荷载速度提高时，沥青混合料的行为接近于弹性，模量较高，相位角较低，当频率降低，即行车速度较慢时，沥青混合料的模量较低，相位角随之增大，沥青混合料的行为接近于黏性，不利于路面变形的恢复。在重载车辆多、坡度大的路段，车辆的行驶速度会比较低，这样的条件下应用高模量沥青混凝土更利于抵抗荷载作用。

在频率从高到低的变化过程中，掺入0.7%外掺剂的HMAC混合料动态模量比未掺入的动态模量均有大幅度提高，最大提高幅度可达到1倍以上，说明在车速变化范围内，该外掺剂对提高沥青混合料动态模量具有显著的效果。因此可以采用此外掺剂来提高沥青路面的整体承载性能。

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3 现场落锤式弯沉仪FWD测试

本研究于2006年9月在河南省扶项高速公路铺筑了500m的HMAC试验段，并选取了相邻的500m作为对比段，见图4。作为对试验路整体力学性能的评价，于2007年5月对试验段和对比路段进行现场弯沉和动态综合模量测试。

3.1测试设备

选用丹麦生产的拖挂式DYNATEST8000型落锤式弯沉仪。利用50kN重锤从一定高度自由落下，模拟标准测试车后轴单侧动荷载，通过承载板给路表面一半正弦脉冲力，使路表面产生变形;通过传感器自动采集，即可自动显示弯沉盆及弯沉最大值等参数，通过专业软件反算出沥青面层的综合动态模量，从而评价路面承载能力^[5-7]

3.2测试结果

分别对试验段和对比段的左、中、右3幅进行检测，试验段检测频率为1测点/20m，对比段检测频率为1测点/50m。在同一测点重复测试3次，由于承载板、位移传感器与路表面的接触不密贴和不稳定，经前2次锤击，保证测梁及其他构件处于正常测试状态，第3次可视为无形中的“3次平均值”，取用第3次测值作为该测点实测结果，见图5。将左、中、右3幅测试结果的代表值分别计算出来，对测试结果进行温度修正后列入表4中。根据文献[8]，温度修正系数K按式(1)计算。

K=10^{0.01693(T-T0)                  (1)}

结果表明，用落锤式弯沉仪(FWD)检测试验段3个车道的反算模量比正常路段的要高。虽然反算出来的模量属于沥青面层的综合模量，但由于路基情况基本类似，路面其它结构层相同，综合模量的差异也能反映HMAC中面层和SBS改性沥青中面层力学性能的差异。高模量沥青混凝土路段比SBS改性沥青混凝土路段的整体承载力好。

4 结论

(1)外掺剂的使用可以显著提高沥青混凝土材料的回弹模量，提高程度平均可达到45%左右。

(2)在频率从高到低的变化过程中，掺外掺剂的HMAC混合料动态模量比普通沥青混凝土的动态模量有大幅度提高，可达到77%以上，在车速变化范围内，该外掺剂对提高沥青混合料动态模量具有显著的效果。

(3)高模量沥青混凝土试验段反算的综合模

量高于SBS改性沥青混凝土对比段的模量，HMAC路面的承载能力比SBS改性沥青混凝土路面要好。

(4)外掺剂的使用能够改善路面结构的整体承载能力。使用该种外掺剂配制的HMAC在交通量大，超载、重载比例较高，车速缓慢的路段将能够体现出较好的承载性能。

参考文献:

[1]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防

[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2]Jean-FrancoisCorté。Developmentandusesofhard-gradeasphaltandofhigh-modulusasphaltmixesinfrance[C]。WashingtonDC:TransportationResearchBoard，2001:12-31。

[3]陈佩茹.与性能相关的法国沥青混合料设计方法

[J].中外公路，2002，22，(2):56-59.

[4]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社，2001.

[5]杨屹东.沥青路面结构动态模量试验研究[J].公路，2002，43，(2):26-28.

[6]刘建华，乐金朝，王复明，等.落锤式弯沉仪在道路施工质量控制中的应用[J].郑州大学学报:工学版，2002，14(2):12-15.

[7]姬亦工，王复明，郭忠印.基于落锤式弯沉仪(FWD)动态数据的路面模量反演方法[J].土木工程学报，2002，24(3):34-37.

[8]查旭东.沥青路面反算模量的温度修正[J].公路，2002，43(6):51-53.