【摘要】 为进一步提升路面结构与材料的耐久性，促进高模量沥青混凝土（ ｈｉｇｈ　ｍｏｄｕｌｕｓ  ａｓｐｈａｌｔｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＨＭＡＣ ）的研究与应用，系统梳理了国内外现有研究与应用成果，对比法国、欧洲及中国ＨＭＡＣ相关规范与评价指标，总结分析国内外试件成型方式及技术指标差异；全面调查了国内外ＨＡＭＣ相关研究动态，总结了各国高模量技术体系转换成果，对比评价了中国采用低标号（硬质）沥青、自调和沥青、添加聚烯烃类物质（外掺剂）３种方法制备的ＨＭＡＣ力学性能及路用性能，并针对其低温性能缺点提出了改善建议。结果表明：国内外ＨＭＡＣ相关规范对动态模量均要求大于14ＧＰａ，部分国家引入高模量技术后结合本国实情对技术体系进行了转换，导致不同地区试件成型方法与性能验证试验呈差异化；国外制备的ＨＭＡＣ高温性能多采用动态模量、动稳定度及车辙深度等指标评价，均值分别可达15836ＭＰａ、7393次／ｍｍ、2.34ｍｍ；中国则主要考虑动态模量与动稳定度等指标，其中采用低标号沥青时动态模量最高，均值可达20827ＭＰａ，采用外掺剂时动稳定度、疲劳寿命最优，均值分别可达11640次／ｍｍ、146173次（应变400×10－６），使用不同种类外掺剂的混合料路用性能差距明显；ＨＭＡＣ低温抗裂性能普遍较差，可掺入胶粉、聚乙烯等助剂予以提升。鉴于中国低标号沥青发展的局限，合理优选性能稳定的外掺剂并改善混合料低温性能是促进ＨＭＡＣ发展的基础。

【关键词】 道路工程；高模量沥青砼；性能评价；力学性能；路用性能

近年来，追求优质耐久、经济环保的品质工程及绿色可持续道路研究受到关注［１］。品质工程已成为践行现代工程管理发展的新要求，交通运输部发布《绿色 交 通 设 施 评 估 技 术 要 求》（ＪＴ／Ｔ１１９９．１—２０１８）与《公路水运品质工程评价标准（试行）》中，均将耐久性设计与长寿命路面建设作为项目评估的主要指标之一，预防重载、超载导致的路面车辙已成为当前路面品质建设的重要目标［２］。

高模量沥青混凝土（ｈｉｇｈｍｏｄｕｌｕｓａｓｐｈａｌｔｃｏｎ－ｃｒｅｔｅ，ＨＭＡＣ）动态模量高达１４ＧＰａ，表现出优秀的抗车辙、抗疲劳和耐久性［３］，成为品质工程建设的可靠路面材料。ＨＭＡＣ 高温稳定性与动态模量受沥青种类直接影响，分析沥青流变性能可为其选用提供有益参考［４－６］。各国沥青混合料设计方法差异显著，不同级配体系下的 ＨＭＡＣ性能差异明显［７］，需因地制宜选用。当前 ＨＭＡＣ 研究主要集中于沥青胶结料、外掺剂的开发及级配调整，从动态模量、路用性能等方面检测其性能效果。Ｅｓｐｅｒｓｓｏｎ采用低标号硬质沥青制备了 ＨＭＡＣ 并将其用于机场路面基层，有效减少基层厚度约２５％［８］。熊子佳等将硬质沥青与７０＃ 石油沥青进行调和，所得改性沥青仍具备较 好 的 抗 车 辙 能 力，能 承 受 较 高 的 交 通 等级［９］。赵毅等在普通７０＃ 沥青中掺入高模量添加剂时发现，需改变混合料的制备工艺才能使其疲劳寿命和模量达到最佳状态［１０］。调整混合料级配是提高 ＨＭＡＣ路用性能的另一途径。肖倩等开发出了骨架嵌挤型粗粒式高模量混合料，进一步提高了其高温稳 定 性［１１］。但 ＨＭＡＣ 也 存 在 着 一 定 缺 点。Ｒｙｓ等发现，ＨＭＡＣ用于路面基层时会增加道路在低温条件下开裂的风险［１２］。Ｊｕｄｙｃｋｉ等将其应用于低温地区时指出，低标号沥青的使用导致路面对低温气候更加敏感［１３］。耿韩等建议，在低于 －１６ ℃的环境中使用 ＨＭＡＣ 时，需充分考虑低标号沥青的低温性能［１４］。Ｍｏｎｔａｎｅｌｌｉ等推荐采用纤维／聚合物复合作为改性剂制备 ＨＭＡＣ，以改善路面低温性能［１５］。综上，当前学者从沥青性能、制备方式及级配等方面进行了大量 ＨＭＡＣ 性能优化工作。周骊巍等对高模量沥青混合料动态模量已有研究进行了总结［１６］。为进一步揭示 ＨＭＡＣ抵抗永久变形的性能及机理，改善并提高其不足之处，需更系统地整理不同种类 ＨＭＡＣ 的力学与路用性能变化规律，以便后续有针对性地展开深入研究。

鉴于此，本文系统梳理国内外高模量沥青混合料相 关 研 究 与 应 用 成 果，对 比 欧 洲、法 国、与 中 国ＨＭＡＣ指标相关规范，全面调查高模量混合料研究动态，将 ＨＭＡＣ 制备方法归为采用低标号硬质沥青、自调和沥青、聚烯烃类物质等外掺剂制备３类。在此基础上，归纳总结不同种类 ＨＭＡＣ 的力学性能及路用性能特点，阐明其性能差异，以期为后续研究提供参考，进一步促进品质工程建设。

１.１ ＨＭＡＣ性能相关规范调查

２０世纪８０年代，重载交通的快速增长及道路养护需求不断提高，促使法国寻找一种抗车辙、抗疲劳、长寿命，并能减少路面结构层厚度的道路材料，由此一种特殊的沥青混合料设计方法被提出，其混合料动态模量高达14ＧＰａ。经过近十年的研究与应用，法国于２０世纪９０年代从性能出发分别针对ＥＭＥ （ｅｎｒｏｂéｓàｍｏｄｕｌｅéｌｅｖé，中下面层或基层用高模量沥青混合料）与ＢＢＭＥ （ｂéｔｏｎｂｉｔｕｍｉｎｅｕｘàｍｏｄｕｌｅｅｌｅｖé，表面层和联结层用高模量沥青混凝土）编 著 了 ＮＦＰ９８－１４０ 和 ＮＦ Ｐ９８－１４１ 规 范。其中，ＥＭＥ 分 为 ＥＭＥ１、ＥＭＥ２、ＥＭＥ３ 三 种 类 型，ＢＢＭＥ在设计时则被分为３个等级。２种类型的混合料分别适用于不同的路面结构层位。２００６年，欧盟提出了针对高模量沥青的标准《Ｂｉｔｕｍｅｎａｎｄｂｉ－ｔｕｍｉｎｏｕｓ ｂｉｎｄｅｒｓ－ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒ ｈａｒｄ ｐａｖｉｎｇ ｇｒａｄｅｂｉｔｕｍｅｎｓ》（ＥＮ１３９２４—２００６）。该规范不仅提出了路用硬质沥青基本属性的技术要求，也提供了一些“信息收集属性”（如复数剪切模量、相位角等）用于收集来自于沥青供应商的试验数据，以便开发出能直接与混合料性能相关的沥青技术指标和试验方法，该标准后被 ＥＮ１３９２４—２０１５ 替代。２００７年法国发布了 ＮＦＥＮ１３１０８－１—２００７，此规范替代了原有 ＮＦＰ９８－１４０和 ＮＦＰ９８－１４１。沥青混合料性能试验分为４个等级，每个等级据适用情况而定：水平一为旋转压实、水敏感性；水平二为车辙试验；水平三为劲度模量；水平四为疲劳，后一水平均包含前一水平试验，进行混合料设计时，水平等级高的试验要在低水平试验满足要求后才能进行。

中国各省市及研究单位针对高模量沥青混合料性能进行了大量研究并提出了相关规定。辽宁省质量技术监督局于２００９年发布了地方标准《高模量沥青混凝土施工技术规范》（ＤＢ２１／Ｔ１７５４—２００９）（下文简称辽宁规范），从车辙试验动稳定度、低温弯曲破 坏 应 变、水 稳 定 性、渗 水 系 数 等 指 标 规 定 了ＨＭＡＣ技 术 要 求。山 东 省 住 房 和 城 乡 建 设 厅 于２０１２年发布了《城镇道路高模量沥青混合料设计与施工技术规范》（ＤＢＪ１４－０９０—２０１２）（下文简称山东规范）。相比辽宁规范，山东规范增加了对混合料动态模量的检验指标。２０１７年，中国公路学会发布了《高模量沥青路面施工技术指南》征求意见稿。该指南分别对混合料的力学性能、路用性能、体积参数等做了更详细的规定，并借鉴法国的理念，要求混合料疲劳试验、动态模量试验满足要求才能进行下一系列试验。同时自该指南发布后，中国高模量沥青混合料配合 比 设 计 过 程 开 始 推 荐 采 用 旋 转 压 实 法。２０１８年，中国国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布《道路用高模量抗疲劳沥青混合料》（ＧＢ／Ｔ３６１４３—２０１８）（下文简称国标），其指标与中国公路学会推荐指标相近。同年９月，河北省质量技术监督局发布《公路高模量沥青路面施工技术指南》（ＤＢ１３／Ｔ２８２３—２０１８）（下文简称河北规范），该规范除上述指标外，进一步提出了车辙变形率，与欧洲规范指标更为相近。

１.２ ＨＭＡＣ规范对比及评价

法国高模量沥青混凝土发展最为成熟，其设计方法自成体系，性能试验和评价指标与中国不尽相同。各国在研究 ＨＭＡＣ时常参考法国经验，因此，本节以法 国 ＮＦ Ｐ９８－１４０、ＮＦ Ｐ９８－１４１、ＮＦ ＥＮ １３１０８ －１—２００７规范为例，国内外各项技术要求对比见表１。

由表１空隙率指标可知，中国规范 ＨＭＡＣ设计方法与国外有显著差异。法国标准主要采用旋转压实成型试件，要求旋转压实空隙率不大于６％，试验方法与沥青混合料实际结构及受力情况更接近。中国早期 ＨＭＡＣ规范（山东规范、辽宁规范）规定，试件技术指标测试方法为马歇尔方法，空隙率分别规定为４％、3.5％～5.0％。但在新发布的国标与河北规范中指定采用旋转压实成型试件并测定其性能指标。法国早期采用“丰度系数 Ｋ”的概念，通过限定 Ｋ 值大小以确定沥青用量，ＮＦＰ９８－１４０规定丰度系数不低于3.4，后于ＥＮ１３１０８系列规范中，此概念被转换为对沥青黏结料用量的要求；而马歇尔设计方法则是综合分析多组沥青用量试件的稳定度、流值与体积参数后确定最佳沥青用量，在国标中参考法国标准丰度系数，推荐沥青用量不低于5.2％。

中国早期采用马歇尔设计方法的山东规范、辽宁规范中，性能验证试验主要包括马歇尔试验技术指标、车辙试验动稳定度、低温弯曲破坏应变、水稳定性、渗水系数、动态模量，并在后续规范中增加了对疲劳寿命的要求。法国早期混合料性能指标主要为水稳定性浸水和非浸水的抗压强度比（ｒ／Ｒ）、车辙试验３万次相对永久变形、复数模量试验的动态模量及梯形疲劳性能试验验证，并建立回归方程以预估 混 合 料 的 耐 久 性 。从 表１可 知 ：高 温 性 能 评定时，法国主要采用相对永久变形，要求ＥＭＥ不大于7.5％，ＢＢＭＥ最高不大于10％；中国则主要采用动稳定度指标，普遍要求其不低于4000次／ｍｍ，最高要求不低于8000次／ｍｍ。此外，法国规范缺乏低温抗裂性能的相关试验与指标，中国规范则将其列为必要指标，并采用低温弯拉应变进行评价，要求在－１０℃，５ｃｍ／ｍｉｎ试验条件下，其值不小于１９００×１０－６～２２００×１０－６。在动态模量方面，中国规范与法国较为相 近，最 高 要 求 １５ ℃，１０ Ｈｚ条 件 下，不 低 于１４ＧＰａ。

由上可知，中法 ＨＭＡＣ 技术指标存在显著差异。级配设计时，中国规范参考法国 ＥＭＥ 级配的设计要求，将法国筛孔通过率转换为符合中国施工技术要求规定，其中 ＥＭＥ２级配１４型转换后相当于中国公称最大粒径为１３．２ｍｍ 的级配。在混合料设计时，法国采用了“丰度系数 Ｋ”的概念，转为中国采用的马歇尔设计方法后，则主要从最低沥青用量的角度进行考虑。混合料成型时，中国早期采用马歇尔设计方法，后续推荐旋转压实，但旋转压实成型时，与法国相比中国推荐内部角更大，作用次数更少。此外，在混合料性能测试时，中国也对各试验方法进行了相应的调整：水稳定性试验采用冻融劈裂试验对应法国多列士（ＤＵＲＩＥＺ）试验；疲劳试验采用四点弯曲对应法国两点弯曲试验；车辙试验采用动稳定度对应法国车辙深度；动态模量试验采用单轴压缩动态模量试验对应法国复数模量试验。值得注意的是，中国水稳定性试验主要采用冻融劈裂强度比（ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｒａｔｉｏ，ＴＳＲ）表征，而国外则更多采用间接拉伸强度比（ｉｎｄｉｒｅｃｔｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｒａｔｉｏ，ＩＴＳＲ）。经过系列转换后各试验与中国工程实际更为贴切，更利于 ＨＭＡＣ的应用与推广。

鉴于法国高模量沥青混合料表现出的优良抗车辙 性 能，各 国 开 始 学 习 利 用 此 技 术，并 在 引 进ＨＭＡＣ时结合本国特点对技术指标进行相应调整。

波兰由于气候比法国更寒冷，且优质硬质沥青供应不足，故引入 ＨＭＡＣ 时重点修改了混合料结构与沥青等级，如混合料设计时采用了更密实的结构（空隙率２％～４％，法国为６％）、更低动态模量（１０℃下达14000ＭＰａ，法国为15℃），沥青推荐使用20／30＃ 而非10／15＃ 或15／25＃ 。在应用 ＨＭＡＣ时，低温开裂成为了波兰亟需解决的问题。Ｒｙｓ等研究指出采用 ＨＭＡＣ基层的路面开裂率是常规沥青混凝土基层路面的2.45倍［１２］。混合料模量过高易 导 致 开 裂 破 坏，但 改 善 施 工 工 艺 可 有 效 避 免ＨＭＡＣ路面早期破损［１３］。

加拿大引入 ＨＭＡＣ后对混合料级配进行了系列优 化，基 于 最 大 粒 径，利 用 可 压 缩 堆 积 模 型 对ＥＭＥ１２．５ 与 ＥＭＥ１９ 进行了混合料填料等级优化［１７］。同时，为使寒冷气候区硬质沥青开裂的风险降低，加拿大学者还对不同类型的改性沥青结合料及其制备的 ＥＭＥ 混合料流变性能进行了分析，以期开发出更高性能的聚合物改性沥青［１８］。

南非在２１世纪初引入 ＨＭＡＣ 以解决沥青路面损坏问题，但在实际应用时，优质低标号沥青产能问题以及法国规范与本国设计参数相关联系如何建 立等问题需要进一步解决［１９］。

澳大利亚对 ＨＡＭＣ与本国相应标准的转换取得了一 定 成 果。其 国 内 生 产 的 硬 质 沥 青 满 足 ＥＮ１３９２４—２０１５规范对高模量结合料的要求，为 ＨＭＡＣ的推广奠定了基础。但由于澳大利亚与法国各指标存在明显差异，引进 ＨＭＡＣ时结合本地特点对 ＥＭＥ级配进行了调整，并选择等效试验方法替代法国试验，具体体现在抗车辙性能采用 ＡＧＰＴ／Ｔ２３１规定的车辙试验替代法国大型轮辙试验、动态模量与疲劳试验采用四点弯曲而非两点弯曲等［２０］。

西班牙较注重 ＨＭＡＣ在极端气候条件下的抗低温开裂能力。为开发适用于恶劣气候地区的长寿命路面材料，Ｍｏｒｅｎｏ－Ｎａｖａｒｒｏ等将高模量沥青混合料与丙烯酸纤维结合，有效改善了混合料的路用性能［２１］。

此外，各国引入 ＨＭＡＣ后，利用其技术克服本地石料抵抗冲击、磨耗性能较差等缺点同样成为了学者关注的热点。研究表明，利用性能稍差的拉脱维亚弱白云石生产的 ＨＭＡＣ也能满足混合料相关性能试验要求［２２］。ＨＭＡＣ较好的抗疲劳、车辙和水损坏特性，可作为波兰中部和北部石灰石与沥青黏结强度低而无法充分利用的有利解决方案之一［２３］。

由上可知，各国在引入 ＨＭＡＣ 后对性能试验进行了一定的转换，关注热点聚焦于 ＨＡＭＣ 低温性能改善与利用 ＨＭＡＣ 克服石料缺点等方面。为进一步说明国外 ＨＭＡＣ 研究状况，从性能角度出发，对国外研究动态进行总结与评价。

２.１ 国外力学性能评价

车轮荷载是一种动态荷载，会对路面施以随时间变化的垂直振动冲击作用以及水平推挤作用，动态模量表征的应力应变响应与路面实际交通荷载状况相符，是评价 ＨＭＡＣ 力学性能的重要指标。箱形图能简明地表达样本数据的中心与离散特征，能显示样本数据中心、范围、分布等主要特征，故用其进行动态模量数据的归纳与总结。将国外用不同技术途径制备的 ＨＭＡＣ基质沥青比例与动态模量汇总，见图１。

由图１（ａ）可知，66％的试验采用低标号沥青制备 ＨＭＡＣ，34％ 采 用 添 加 外 掺 剂 的 形 式 制 备ＨＭＡＣ。考虑到目前研究应用更广泛的高模量沥青混合料为 ＥＭＥ，其本质是由硬质沥青混合而成的热拌沥青，因此国外多采用 ＥＮ１３９２４—２０１５中推荐的低标号沥青制备 ＨＭＡＣ。但由于各国硬质沥青工艺进展不同，出于环境、经济及工程考虑，部分地区偏向于采用外掺剂制备 ＨＭＡＣ，并加入１.4％高分子聚合物与橡胶纳米复合物（ＡＰ－８）、３％～５％低分子量聚合物的混合物（ＳＰ）、多官能聚合物体系（ＰＰＳ）、温室大棚回收塑料（Ｐ）等改性剂［２４－２５］，改善其性能。

在评价力学性能时，国外学者参照 ＥＮ12697－26试验方法，在10℃、20℃、30℃、40 ℃和0.1、0.5、1.5、10、20Ｈｚ加载条件下测试动态模量，绘制出动态模量主曲线分析 ＨＭＡＣ性能。由图１（ｃ）可知，国外制备的 ＨＭＡＣ在10℃～15℃条件下动态模量均值达15836ＭＰａ，在15 ℃～20 ℃条件下动态模量均值达10326.5ＭＰａ，前者基本满足法国规范 ＮＦＥＮ13108－１—2007中15℃、10Ｈｚ条件下动态模量不低于14000ＭＰａ的要求。

２.２ 国外 ＨＭＡＣ路用性能调查与评价

国外 ＨＭＡＣ路用性能主要从抵抗永久变形、抵抗水损坏等方面进行考虑。将国外 ＨＭＡＣ 路用性能调查结果汇总，见图２。

由图２可知，国外学者在设计 ＨＭＡＣ 时，油石比在４．７５％ ～５．１０％ 之 间，采 用 ４．７５％、４．９％、５．１％三者最多，仅２个文献中数据低于４．５％，说明较高的油石比能使混合料获得更优异性能。高温效果评价时主要考虑动稳定度与车辙深度，其中动稳定度合理 的 分 布 区 间 为 ７１６８～８１７５ 次／ｍｍ。相比动稳定度指标，国外学者认为室内车辙试验应变与现 场 性 能 相 关 性 更 高，因 此 倾 向 于 采 用 ＥＮ１２６９７－２２所规定车辙试验判断混合料高温性能，加载次数从１万次到３万次不等。从图２还可看出，国外车辙试验加载１万次后深度的四分位数区间在１．７５～２．９７ｍｍ，变形较小，但上下边缘与四分位数相差较大，各研究成果性能差异明显。研究发现，添加聚合物添加剂可有效改善混凝土模量及抵抗永久变形性能［２４］，不同研究对添加剂的使用与否及使用种类差异，是导致箱形图中车辙深度上下边缘差距较大的因素之一。此外，水稳定性试验中残留稳定度最低为８８．０６％，表现出良好的水稳定性。多数试验ＩＴＳＲ表现较好，其值集中于８６．９％～９１．０％，最高可达９７％以上。而部分试验结果仅为７２％～７５％，无法满足水稳定性要求，这可能是试验中采用了 高 黏 度 改 性 沥 青 使 沥 青 混 合 料 空 隙 率 较 高所致［３１］。

中国高模量沥青混凝土研究主要集中在黏结料的开发与混合料级配优化等方面。考虑到低标号硬质沥青具有较好的高温抗车辙能力，沙爱民等探索了中国产硬质沥青结合料的性能，研究了沥青指标与混合料路用性能之间的联系［３４］。但中国沥青产业起步较晚，低标号硬质沥青在产业化生产、质量保证等方面仍存在一定缺陷，因此，采用天然沥青与普通石油沥青调和生产出的低标号沥青成为了制备高模量沥青混合料的有效途径。杨琳研究指出，天然沥青的掺量是调和沥青制备 ＨＭＡＣ 时的重要影响因素，其高温性能随掺量增大而显著提高，但低温开裂的几率也会进一步增加［３５］。中国多采用外掺剂的方式制备 ＨＭＡＣ，外掺剂的种类及掺量均会影响混合料性能［３６］，在应用时应进行室内试验对比优选后确定其最佳掺量。

为进一步说明中国不同途径制备 ＨＡＭＣ的性能规律，全面梳理总结中国研究成果，分别从力学性能及路用性能２个方面对其进行评价。

３.１ 中国力学性能对比评价

考虑到 ＨＭＡＣ在力学方面的特殊性以及在应用中的实际需求，调查了在不同温度（主要包括１０℃、１５ ℃、２０ ℃、３０ ℃、４０ ℃、６０ ℃等）和加载频率下（主要包括 ０．１、０．５、１、５、１０、２５ Ｈｚ等）测得的ＨＭＡＣ动态模量值，并利用数理统计原理，分析不同技术途径制备的 ＨＭＡＣ动态模量差异。

３.１.１ 不同制备方法力学性能对比

将不同途径制备的 ＨＭＡＣ 在１５ ℃、１０ Ｈｚ条件下的动态模量数据绘成箱形图，见图３。

分析图３可知：采用低标号沥青制备的 ＨＭＡＣ动态模量值较小四分位数 Ｑ１ 为１７５８０ ＭＰａ，中位数Ｑ２ 为２０７３７ ＭＰａ，较大四分位数 Ｑ３ 为２３８９３ＭＰａ，四分位间距Ｉｑｒ＝Ｑ３－Ｑ１＝６３１３ ＭＰａ，由 Ｑ１与Ｑ３ 间距可知，该组５０％数据处于１７５８０～２３８９３ＭＰａ之间，Ｉｑｒ数据显示其集中程度较低，数据较为分散；采 用 自 调 和 沥 青 制 备 的 ＨＭＡＣ 动 态 模 量Ｑ１～Ｑ３分 别 为 １２９５４、１４９９５、１６９１６ ＭＰａ，Ｉｑｒ为３９２６ＭＰａ；采用外掺剂沥青制备 ＨＭＡＣ的动态模量值Ｑ１ ～Ｑ３ 分别为１２０８６、１６０６５、１７６８０ ＭＰａ，Ｉｑｒ为５５９４ＭＰａ。

由３类 ＨＭＡＣ的Ｑ２ 值可以看出，采用不同方法制备的 ＨＭＡＣ动态模量在１５ ℃、１０Ｈｚ条件下较普通混合料均有很大提高，且均值都达到了法国规范及辽宁规范的要求（≥１４０００ＭＰａ）。对比３类ＨＭＡＣ的Ｉｑｒ值可知，低标号沥青制备 ＨＭＡＣ的数据分散性最大，其次为外掺剂沥青制备 ＨＭＡＣ。另一方面，采用低标号沥青制备 ＨＭＡＣ 的箱体明显高于其他２类，虽然其分散性较大，但整体效果仍好于其他２类 ＨＭＡＣ。这是由于自调和沥青在技术生产及品质等方面相对不成熟，而多数外掺剂采用干法拌和工艺，通常添加剂熔点大于１６０℃，拌和时温度较普通沥青混凝土更高，若控制不当便会影响两者性能。

３.１.２ 不同加载条件力学性能对比

不同外界条件下 ＨＭＡＣ的性能受到广泛关注，研究动态模量随加载频率及温度变化规律有助于分析 ＨＭＡＣ对不同交通荷载及气候区域的适用性。为分析加载频率对 ＨＭＡＣ性能的影响，统计试验温度为１５℃，０．１、０．５、１、５、１０、２５Ｈｚ六个加载频率下的模量数据；考虑温度变化对 ＨＭＡＣ性能的影响，试验加载频率为１０Ｈｚ，１０ ℃、１５ ℃、２０ ℃、３０ ℃、４０ ℃、６０℃六个温度条件下其动态模量，见图４。

由图４可知，动态模量与加载频率、温度存在一定相关性，这为 ＨＭＡＣ 模量预测奠定了基础。在１５ ℃加载温度下，随着加载频率的升高，混合料动态模量显著增大，从０．１Ｈｚ时的５７７９ＭＰａ增长至２５Ｈｚ时的１８１７１ＭＰａ，总增幅达３倍。其中加载频率为０．１～０．５Ｈｚ及１～５Ｈｚ时增幅最为明显，分别达５８％与３３．５％。在１０Ｈｚ加载条件下，随着温度 升 高，动 态 模 量 呈 非 线 性 减 小，从 １０ ℃ 的１７９５８ＭＰａ大幅降低到６０ ℃的２２４５ ＭＰａ。但随温度升高其降低幅度有所减缓，其中１０ ℃～２０ ℃段模量降低速率最大，约为－５１８ＭＰａ／℃，当温度升高至４０℃后，模量降低幅度平缓至－２０１ＭＰａ／℃。

动态模量 随 加 载 频 率 的 升 高 而 升 高，说 明 行车速度提高 时 混 合 料 模 量 更 好，处 于 弹 性 工 作 状态；而行驶 速 度 低、频 率 低，混 合 料 则 处 于 较 低 模量状态，易发生变形破坏。从图４可知，ＨＡＭＣ即使在０．１Ｈｚ下动态模量仍有５７７９ ＭＰａ，当频率升至０．５Ｈｚ时其已升至９１４７ ＭＰａ，说明高模量沥青混合料是重载上坡及车辆停靠区域应用的理想材料。同 时，相 同 加 载 频 率 下，环 境 温 度 越 高，混合料的动态模量越小，应注重提升混合料模量；当 ＨＭＡＣ应用于低温地区时，模量处于较高状态易断裂，应 采 取 相 应 措 施 改 善 其 低 温 性 能。由 模量随温度变 化 时 斜 率 减 缓 规 律 分 析 可 知，在 温 度较低时沥青 对 混 合 料 高 温 性 能 影 响 较 大，随 着 温度继续升 高，混 合 料 级 配 的 影 响 开 始 突 显。因 此提升混合料 高 温 性 能 不 仅 需 要 考 虑 结 合 料 性 能，还应考虑混合料级配的优化。

３.２ 中国 ＨＭＡＣ的路用性能调查与评价

ＨＭＡＣ的高动态模量使其具有优异的力学性能，可有效 避 免 车 辙 病 害 发 生。然 而 由 于 动 态 模量试验在中 国 推 广 进 展 尚 不 理 想，在 沥 青 混 合 料设计阶段，多数研究仍主要依靠车辙试验、低温弯曲试验、疲 劳 试 验 等 来 评 价 混 合 料 路 用 性 能。本研究全面调查了中国相关研究 ＨＭＡＣ试验数据，并对比分 析 了 不 同 技 术 途 径 制 备 ＨＭＡＣ 的 路 用性能。

３.２.１ 三类 ＨＭＡＣ路用性能分析

采用低标号沥青制备 ＨＭＡＣ的路用性能调查结果见图５；采用自调和沥青制备 ＨＭＡＣ的路用性能调查结果见图６；采用外掺剂制备 ＨＭＡＣ的路用性能调查结果见图７。

由图５～图７可知，低标号沥青制备 ＨＭＡＣ的油石比四分 位 数 区 间 为 ４．１０％ ～４．９７％，且 处 于４．１０％～４．４％ 范 围 的 数 据 比 较 集 中。动 稳 定 度５０％数据分布范围为２１１０～６４５０ 次／ｍｍ，处于中位数２８３８下方的数据较为集中，其整体上表现为倾向Ｑ１ 值，整体数据分散程度大。极限弯拉应变四分位数区间为１９４８×１０－６～２８７２×１０－６，整体数据较为分散，而其均值点位于中位线以下；说明部分低标号沥青低温性能较差，使用这类沥青将显著影响混合料低温性能。残留稳定度和 ＴＳＲ 分布范围分别为８６．４％～９２．４％和８４．３％～８８．９％，前者Ｉｑｒ比后者大，分散性大，但两者都能满足规范要求。疲劳寿命分为应力控制与应变控制２种，应力比测试在０．２、０．３、０．４、０．５四个水平居多，多采用三点、四点弯曲试验；应变水平则测试了１３０×１０－６、１６０×１０－６、１９０×１０－６三个水平，采用两点弯曲试验。当控制应力比为０．２时，疲劳寿命分布为０．９万～３万次；控制应变水平为１３０×１０－６时，疲劳寿命均值大于１１３万次，满足河北规范中不低于１００万次的要求。值得注意的是通常采用两点弯曲试验时考虑应变水平为１３０×１０－６，而采用三点、四点弯曲试验时则常考虑应变水平为２００×１０－６以上。

自调和沥青制备 ＨＭＡＣ的油石比５０％数据分布范围为４．３５％～４．８０％，处于４．３５％～４．５０％范围的 数 据 较 为 集 中。动 稳 定 度 四 分 位 数 区 间 为４８７０～８１１５ 次／ｍｍ，处于中位数６０６９次／ｍｍ 下方的数据较为集中，其趋势与低标号沥青 ＨＭＡＣ相似。极限弯拉应变四分位数区间为２３３１×１０－６ ～３６４８×１０－６，数据整体具有对称性。残留稳定度和ＴＳＲ分布范围分别为９０．７％～９４．２％和８５．４％～９０．２％。疲劳寿命多采用三点、四点弯曲试验，在３００×１０－６、４００×１０－６、５００×１０－６应变条件下测试，从３００×１０－６～４００×１０－６时曲线斜率最大，降幅最明显，在４００×１０－６水平下均值能达１３万次。

外掺剂制备 ＨＭＡＣ的油石比四分位数区间为４．２０％～４．９０％，中位数以上数据分散程度大，少数值偏大，尾重较大。动稳定度四分位数区间为６８３８～１２６５１次／ｍｍ，中位数９２００次／ｍｍ 下方的数据分布较为集中，说明大部分外掺剂高温性能相近；而其均值达到１１６４０次／ｍｍ，均值点远高于中位线，说明部分种类的外掺剂对混合料高温性能贡献更大，在 实 际 应 用 时 这 部 分 外 掺 剂 以 及 与 之 适 应 的ＨＭＡＣ工艺更值得关注。极限弯拉应变四分位数区间为２２３８×１０－６～２９９４×１０－６，数据整体分布集中于中位数２５７３×１０－６左右，在数据趋势上并未与上述低标号沥青、自调和沥青制备 ＨＭＡＣ有较大差异；残留稳定度和 ＴＳＲ 分布范围分别为９３．７％～９６．１％和８４．１％～９２．９％，后者数据分布比前者分散。疲劳寿命测试条件与低标号沥青相似，分为应力控制与应变控制２类，但采用两点弯曲的试验较少。当控制应力比为０．２时，疲劳寿命为８．５万～２３．５万次；应变水平为４００×１０－６时，疲劳寿命分布在８．３万～１９．３万次。

３.２.２ 三类 ＨＭＡＣ路用性能对比

依据图５～图７数据，作不同技术途径制备的ＨＭＡＣ的油石比及路用性能指标对比，见图８。

分析图８可知：对于油石比，采用低标号沥青制备 ＨＭＡＣ的Ｉｑｒ为 ０．８７％，采 用 自 调 和 沥 青 制 备ＨＭＡＣ的Ｉｑｒ为 ０．４５％，采 用 外 掺 剂 制 备 ＨＭＡＣ的动稳定度Ｉｑｒ为０．７％；低标号沥青 ＨＭＡＣ 的油石比分布范围最大，外掺剂 ＨＭＡＣ 的油石比尾重最大，而自调和 ＨＭＡＣ 的数据分布较为集中。说明在选择低标号和外掺剂制备 ＨＭＡＣ 时，采用的级配类型可能更加丰富，不同级配对应的油石比差别较大。

对于动稳定度指 标，低 标 号 沥 青 制 备 ＨＭＡＣ的Ｉｑｒ为４３４０次／ｍｍ，采用自调和沥青制备 ＨＭＡＣ的Ｉｑｒ为３２４５ 次／ｍｍ，采用外掺剂制备 ＨＭＡＣ 的Ｉｑｒ为５８１３ 次／ｍｍ；其中外掺剂制备 ＨＭＡＣ 动稳定度数据集中于６８３８～１２６５１ 次／ｍｍ 之间，整体效果好于另２种 ＨＭＡＣ，然而其Ｉｑｒ值最大，数据分散性较大。同时从图８（ｂ）可看出，三者中值线及均值点呈上升趋势。低标号沥青 ＨＭＡＣ动稳定度最低而外掺剂 ＨＭＡＣ最高，分别达４００９、１１６４０次／ｍｍ，相差近２．８倍。对于动稳定度而言，外掺剂 ＨＭＡＣ更符合山东规范中高模量沥青混凝土要求。其原因可能是低标号沥青 ＨＭＡＣ 受限于中国硬质沥青生产工艺，同时自调和沥青生产处于探索状态，无法与成品高模量外掺剂媲美。

分析极限弯拉应变指标，采用低标号沥青制备ＨＭＡＣ的Ｉｑｒ为 ９２４×１０－６；采用自调和沥青制备ＨＭＡＣ的 Ｉｑｒ 为 １３１７×１０－６；采 用 外 掺 剂 制 备ＨＭＡＣ的Ｉｑｒ为７５６×１０－６。从 Ｑ２ 看，自调和沥青ＨＭＡＣ的中位数较其他两者大，但其数据分散性大也最大。低标号沥青 ＨＭＡＣ与外掺剂沥青 ＨＭＡＣ均值相对较低，分别为２４６１×１０－６与２６６２×１０－６，自调 和 沥 青 ＨＭＡＣ 弯 拉 应 变 最 高，达 到３００９×１０－６。总体来说，３类 ＨＭＡＣ的低温性能不如高温性能好，仅自调和沥青 ＨＭＡＣ 表现良好。而其余两者虽能满足前述高模量沥青混合料规范的要求，但考虑中国《公路沥青路面设计规范》（ＪＴＧ Ｄ５０—２０１７）要求时，其低温性能还有待提升。因此在低温环境下应用 ＨＭＡＣ需要采取一定措施改善其低温性能。

添加外掺剂制备 ＨＭＡＣ 的残留稳定度、劈裂强度比（ＴＳＲ）均有微弱优势。残留稳定度与劈裂强度比均能反映混合料的水稳定性，其中低标号沥青ＨＭＡＣ残留稳定度 Ｑ１ 值最低，为８６．４％；外掺剂沥青 ＨＭＡＣ 劈裂强度比 Ｑ１ 值最小，但也能 达 到８４．１％，两者均满足各规范中对残留稳定度与劈裂强度比不低于８０％的要求。３种技术途径制备的ＨＭＡＣ在此方面相差不大。

疲劳寿命测试方法有多种，主要分为两点弯曲、三点弯曲及四点弯曲疲劳试验。调查的 ＨＭＡＣ 性能测试中疲劳试验以三点弯曲、四点弯曲为主，控制应力比加 载 条 件 时，多 数 试 验 测 试 了 应 力 水 平 为０．２～０．４的疲劳寿命；控制应变水平加载条件时，多数试验测试变形为３００×１０－６ ～６００×１０－６时的疲劳寿命。

由图８（ｅ）、图８（ｆ）可知：同等加载条件下外掺剂沥青 ＨＭＡＣ的疲劳寿命均值曲线均高于其余两者，在应力比为０．２条件下，外掺剂沥青 ＨＭＡＣ 疲劳寿 命 均 值 达 １６８９７７ 次，远 高 于 低 标 号 沥 青ＨＡＭＣ的１６９０８次；应变水平为４００×１０－６时，外掺剂沥青 ＨＭＡＣ疲劳寿命均值达１４６１７３次，高于自调和沥青的１３４６９８次，表现出最好的抗疲劳性能。

综上可知，３类制备工艺下的 ＨＭＡＣ低温性能与水稳定性相近，低温性能普遍较差，而其动态模量、动稳定度及抗车辙性表现优异，其中采用外掺剂沥青 ＨＭＡＣ高温性能尤为突出。然而 ＨＭＡＣ 性能随外掺剂种类波动较大，其性能受外掺剂成分、基质沥青组分及拌和施工工艺影响，外部控制因素较多，易受到干扰，实际应用时需在选取高性能外掺剂同时控制好施工工艺。低标号硬质沥青和自调和沥青高温性能稍差但表现相对稳定，其主要影响因素为沥青组分中的沥青质、胶质及其分子结构，控制沥青生产 工 艺 与 产 品 质 量 可 为 此 ２ 种 途 径 制 备 的ＨＭＡＣ性能提供保障。

３.２.３ ＨＭＡＣ低温性能改性效果分析

由于 ＨＭＡＣ低温性能表现较差，研究者常采用柔韧性添加剂以改善 ＨＭＡＣ 低温性能。当前研究结果表明，将聚酯纤维、乙烯－乙酸乙烯脂、胶粉等常用柔韧性添加剂与硬质沥青、高模量外掺剂复配可在不影响高温性能的前提下，有效改善 ＨＭＡＣ低温性能［５１，６３］与疲劳性能［６６］。为说明柔韧性添加剂对 ＨＭＡＣ低温性能的改善效果，基于图５～图７中弯拉应变数据，将其分为只掺加高模量剂的第１类 ＨＭＡＣ和同时掺加 ＳＢＳ、橡胶粉和纤维等辅助改性剂的第２类 ＨＭＡＣ，如图９所示。

由图９可知，第１类 ＨＭＡＣ 极限弯拉应变四分位数区间为２２３５×１０－６ ～２８８９×１０－６，第２类ＨＭＡＣ极限弯拉应变四分位数区间为２６９１×１０－６～ ３２１９×１０－６，明显高于第１类 ＨＭＡＣ，这说明掺加ＳＢＳ、橡胶粉和纤维等辅助改性剂后，ＨＭＡＣ 的低温极限弯拉应变有明显提升。以两者均值代表其整体 水 平 可 知，第 １ 类 ＨＭＡＣ 弯 曲 应 变 均 值 仅２５８１×１０－６，而 经 过 改 性 后 第 ２ 类 ＨＭＡＣ 可 达３０２１×１０－６，满足了中国现行沥青路面设计规范中冬季严寒区域的要求（不小于３０００×１０－６）。在混合料中加入上述材料能有效改善 ＨＭＡＣ 的低温抗裂性能，这为 ＨＭＡＣ 在冬季寒冷地区的推广奠定了基础。

（１）本文系统整理了法国、欧洲及中国 ＨＭＡＣ相关规范与评价指标，对比结果显示：国外推荐旋转压实成型试件，更接近路面真实状态；中国早期规范规定采用马歇尔成型方式，后推荐为旋转压实；性能指标方面，国外倾向于采用车辙深度评价高温性能而中国采用动稳定度指标，且国外较少考虑低温性能试验，中国则普遍将低温弯曲应变纳入了考虑。

（２）国外研究制备的 ＨＭＡＣ 动态模量均值为１５８３６ＭＰａ，油石比范围为４．７５％～５．１０％，动稳定度、１ 万次车辙深度分别 为 ７３９３ 次／ｍｍ、２．３４ｍｍ，残 留 稳 定 度 均 值 达 ９２．１８％；中 国 制 备 的ＨＭＡＣ动态模量均值范围为１５４８９～２０８２７ＭＰａ，油石比、动稳定度、弯拉应变、残留稳定度与４００×１０－６应 变 下 疲 劳 寿 命 均 值 范 围 分 别 为 ４．４８％ ～４．６７％、４００９～１１６４０次／ｍｍ、２４６１×１０－６～３００９×１０－６、８８．９５％～９４．５０％、１３４６９８～１４６１７３ 次，其力学与路用性能随制备途径不同而波动。

（３）分析中国３种技术途径制备的 ＨＭＡＣ 力学性能可知，力学性能从高到底排序为低标号沥青 ＨＭＡＣ、外掺剂沥青 ＨＭＡＣ、自调和沥青 ＨＭＡＣ，其均值分别为２０８２７、１５４８９ 、１５２２９ ＭＰａ。结合动态模量随加载频率变化规律，推荐重载上坡及车辆停靠区域优先考虑采用低标号沥青 ＨＭＡＣ。

（４）高温稳定性能从高到低排序依次为外掺剂沥青 ＨＭＡＣ、自 调 和 沥 青 ＨＭＡＣ、低 标 号 沥 青ＨＭＡＣ，其中采用外掺剂制备时其动稳定度均值高达１１６４０次／ｍｍ，而低标号沥青制备时仅为４００９次／ｍｍ。同时考虑到动态模量会随温度升高而大幅降低，高温性能优异的外掺剂 ＨＭＡＣ 更适用于夏季气候炎热地区。

（５）由于 ＨＭＡＣ低温性能普遍较差，易产生低温开裂，采用 ＳＢＳ或橡胶粉等材料改善 ＨＭＡＣ 低温抗裂性是未来研究的一大方向。此外，鉴于中国低标号沥青发展局限，外掺剂沥青 ＨＭＡＣ 需进一步开发性能稳定且优异的添加剂材料。

参考文献：略

来源：   长安大学学报(自然科学版)    2020年01期

作者： 王朝辉１，舒 诚１，韩 冰２，傅 一１，周骊巍３ （１．长安大学 公路学院，陕西 西安 ７１００６４；２．齐鲁交通发展集团有限公司，山东 济南 ２５０１０１； ３．天津市市政工程设计研究院，天津 ３０００５１）