高模量桥面铺装材料HMM-13 在山区高速的应用研究

一、引言

1.1 研究背景与意义

山区高速公路因地形切割剧烈，桥梁占比常达 30% 以上，桥面铺装直接影响行车安全与养护成本。传统的桥面铺装材料在山区复杂的交通和气候条件下，往往容易出现车辙、开裂等病害，导致桥面过早损坏，增加了维护成本和安全隐患。据统计，山区高速通车 3 年后桥面铺装病害率达 18% ，维修成本占养护总费用的 40% 。高模量材料 HMM-13 通过提升沥青胶浆模量与集料骨架结构，在法国高速公路中已验证其抗变形能力，但在我国山区特殊环境下的应用研究仍显不足。开展 HMM-13 在山区高速公路桥面铺装的应用研究，对降低全寿命周期成本具有现实意义。

1.2 国内外研究现状

国外对高模量沥青混合料的研究始于 20 世纪 90 年代，法国规范（NFP 18-590）明确要求高模量材料需满足 15^∘C 动态模量⩾14000MPa_⨀ 。美国 SHRP 计划通过 Superpave 体系优化高模量材料的性能评价方法。我国于 2005 年引入高模量沥青混合料，许多科研机构和高校对高模量沥青混合料的性能特点、配合比设计以及施工技术等方面进行了大量的试验研究和工程实践。一些地区已经在高速公路和城市道路建设中成功应用了高模量沥青混合料，并取得了良好的效果。如云南普宣高速采用 HMM-13 中面层，车辙深度较传统 AC-13 减少 52% 。然而，针对山区高速公路特殊的地形、气候和交通条件，高模量桥面铺装材料 HMM-13 的应用研究还相对较少，如针对山区纵坡 ⩾5% 、昼夜温差 ⩾15^∘C 等极端条件的适应性研究仍缺乏系统数据，需要进一步深入探讨。

二、HMM-13 的材料性能与作用机制

2.1 高模量沥青混合料的技术内涵

高模量沥青混合料HMM-13 是一种采用高模量剂作为添加剂与沥青、集料、矿粉拌和成型，满足设计空隙率小、高模量、抗车辙、密级配等要求的沥青混合料，能够大幅度减少路面铺装渗水、“泛白”、“唧浆”、压实度均匀性不足等问题。

目前高模量沥青路面技术作为长寿命路面主流技术，与以往理解的高模量技术有所不同，混合料的技术体系发生了较大变化，采用低空隙率、高模量的高强密水型混合料，依靠沥青胶结料提高模量，相比传统依靠骨料的骨架嵌挤形成强度，对集料指标本身具有更大的宽容性设计，很大程度上可以解决石料指标过高难以采购的问题，现场也更容易压实，尤其是一般路基段沥青路面和桥面铺装的密水性和均匀性得到有效保证，低空隙率也减少了压密车辙的发生，保证了抗车辙性能和消除水损害性能。

2.2 高模量特性与抗变形机理

HMM-13 的动态模量在 15^∘C 时可达 14000MPa ，较 AC-13 提升70% 。其模量提升源于三方面： ① 采用 70 号硬质沥青并掺加 2.5% SBS 改性剂，使沥青胶浆复数模量 G 达到 1.8kPa （ 60^∘C ）； ② 骨架结构中 4.75mm 以上集料占比达 62% ，形成嵌挤型级配； ③ 矿粉掺量控制在 8% ，优化沥青膜厚度至 12μm ，增强界面粘结。室内车辙试验显示，HMM-13 的动稳定度达 8500 次 /mm ，较传统材料提高 3 倍。

2.3 多环境适应性分析

在 -10^∘C 弯曲试验中，HMM-13 的破坏应变达 2800με ，满足山区低温抗裂需求；浸水马歇尔残留稳定度 95% ，冻融劈裂强度比 88%^[1] ，优于规范要求。其抗疲劳性能通过四点弯曲试验验证，加载次数达 12 万次时仍未出现贯穿裂缝，较 AC-13 提升 1.8 倍。

三、山区高速环境对桥面铺装的特殊要求

3.1 地形与气候挑战

以巫云开高速公路为例，实测数据显示，桥梁纵坡普遍⩾4% ，最大达 6.5% ，重载车辆爬坡时轮胎接地压强达 0.8MPa ，较平原路段高 30% 。巫溪属高海拔地区，导致桥面昼夜温差年均12^∘C ，极端可达 20^∘C ，温度梯度导致铺装层产生 0.3MPa 拉应力。降雨天数年均 135 天，桥面长期处于干湿循环状态。

3.2 交通荷载特征

该区域重载货车占比达 35% ，轴重 ⩾55t 的车辆占比 12% ，远超设计标准。车载动态称重系统显示，货车爬坡时制动- 启动频繁，桥面承受的水平剪切力达 0.5MPa ，是平直路段的 2 倍。

四、HMM-13 的设计与施工关键技术

4.1 配合比优化设计

通过正交试验确定最佳参数：油石比 4.2% ，空隙率 2.1% ，集料采用石灰岩岩（压碎值 ⩽24% ），矿粉选用石灰岩（亲水系数<1 ）。马歇尔试验指标控制为： 60^∘C 车辙动稳定度 ⩾8000 ， 70^∘C 车辙动稳定度 ⩾3000 ，空隙率 1.5%-2.5% ， 15^∘C 、 10Hz 动态模量14000～18500， 45^∘C 、10Hz 动态模量 2000～6000_⨀ 。针对山区桥梁特点，将桥面铺装中面层 AC-20C（6cm）替换为高模量 HMM-13（6cm），上面层 SMA-13（ 4cm ）不变。层间采用 0.2～0.4kg/m² 快裂洒布型改性乳化沥青粘层，桥面抛丸处理后构造深度达 0.8mm ，确保层间粘结强度 ⩾0.6MPa. 。

4.2 原材料选择

4.2.1 沥青

对于 HMM-13，应优先选用高粘度、高软化点的硬质沥青。选择 70 号硬质沥青，其针入度较小，软化点较高，能够提高沥青混合料的高温稳定性和模量。同时，为进一步改善沥青的性能，需添加适量改性剂进行改性。改性剂能够与沥青发生化学反应，形成空间网络结构，从而提高沥青的粘度和弹性，增强沥青混合料的抗车辙能力和抗疲劳性能。使用的改性剂为中石油旗下的独山子石化分公司生产的合成橡胶改性剂，为苯乙烯 - 丁二烯嵌段共聚星型结构SBS 改性剂，其掺量一般为沥青质量的 4% 。

4.2.2 集料

集料的质量对 HMM-13 的性能至关重要。粗集料应选用质地坚硬、耐磨、棱角性好的石灰岩 [2]，其压碎值应不大于 24% ，洛杉矶磨耗损失应不大于 28% ，以保证集料在车辆荷载作用下具有足够的强度和耐磨性。细集料应采用采用坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质并有适当级配的人工轧制的米砂，石质为石灰岩，不能采用山场的下脚料，其洁净、干燥、无风化、无杂质，且具有良好的颗粒形状和级配，其粉尘含量应不大于 12.5% ，亚甲蓝值应 ⩽25% 。矿粉应采用石灰岩等碱性石料磨细得到的矿粉 ，其亲水系数应 <1 ，以保证矿粉与沥青之间具有良好的粘附性。集料筛孔通过率如下表所示：

表 1 HMM-13 设计级配范围

4.2.3 高模量剂

1、高模量剂技术原理

接枝增韧：在高密度氧化聚烯烃上接枝热塑性弹性体提升沥青韧性，提升沥青的变形恢复能力。

双重增强：芳香芬的刚性基团，可以增大沥青的刚性，而高密度氧化聚烯烃的结晶可进一步提升混合料模量，通过双重增强实现混合料抗车辙性能的提升。

加筋作用：高模量剂中的多链聚烯烃可在沥青混合料中起到加筋作用提升混合料大幅提高沥青混合料的高温性能。

2、高模量剂关键技术指标

高模量剂掺量为矿料质量的 1% ，其关键技术指标如下表所示：

表2 高模量剂关键技术指标

4.3 级配设计

HMM-13 的级配设计应遵循骨架密实型结构的原则，使粗集料形成良好的骨架嵌挤作用，同时细集料和矿粉填充骨架间隙，形成密实的混合料结构。通过马歇尔试验、车辙试验、旋转压实试验等方法，对不同级配的 HMM-13 进行性能测试，确定最佳级配范围。一般来说，HMM-13 的级配中，粗集料（粒径大于 4.75mm ）的比例为 71% ，细集料（粒径小于 4.75mm ）的比例为 25% ，矿粉的比例为 4% 。在级配设计过程中，还应考虑到山区高速的实际情况，如交通荷载、气候条件等因素，对级配进行适当调整。例如，在重载交通路段，可适当增加粗集料的比例，以提高混合料的抗车辙能力；在寒冷地区，可适当增加细集料的比例，以改善混合料的低温

抗裂性能。合成级配曲线图如下：

图 1 HMM-13 级配曲线图

图2 油石比与各技术指标关系曲线图

4.4 最佳油石比确定

采用旋转压实试验确定 HMM-13 的最佳油石比。分别用 4.0% 、4.2% 、 4.4% 的油石比进行旋转压实试验，旋转压实次数设定为 N设计 =80 次，测定各组试件的空隙率，并计算确定各组对应的理论最大相对密度。试验中合成表观相对密度为 2.728，合成毛体积相对密度为 2.661 。根据试验结果，绘制油石比与各项指标的关系曲线[4]，按照相关规范要求，确定最佳油石比。在确定最佳油石比时，应综合考虑混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和耐久性等性能。一般来说，HMM-13 的最佳沥青用量比传统沥青混合料略高，这是因为较高的沥青用量可以更好地包裹集料，提高集料之间的粘结力，同时也有助于改善混合料的施工和易性，但沥青用量过高会导致混合料的高温稳定性下降，本研究通过试验确定的最佳油石比为 4.2% 。油石比与各技术指标的关系曲线图如下：

五、工程应用与效果验证

5.1 案例概况

本研究在巫溪至开州高速公路 K11+378～K11+778 黄家湾大桥采用 HMM-13 高模量沥青混凝土作为桥面铺装中面层，全长400m ，纵坡 4% ，设计时速 80km/h ，交通量初期 2.5 万辆 / 日，重载率 32% 。对比段采用传统 AC-20C 改性沥青混凝土。

5.2 施工工艺控制

混合料出厂温度控制在 170^∘C～185^∘C ，摊铺温度 ⩾160^∘C ，初压温度 ⩾150^∘C ，终压温度 ⩾100^∘C ，碾压遵循 “高温、紧跟、高频” 原则：初压采用两台 13t 双钢轮压路机前静后振碾压 2 遍，速度 2-3km/h ；复压采用两台 25t 胶轮压路机碾压4 遍，速度 3-4km/h ，终压用 13t 双钢轮压路机静压2 遍，速度 2-3km/h 陡坡路段采用“先横向后纵向”、由低到高碾压顺序，避免混合料滑移。

5.3 性能检测结果

后续经过试验检测显示：HMM-13 段渗水系数 ⩽20mL/min ，优于设计 ⩽80mL/min 的要求；构造深度平均值 0.95mm ，满足抗滑要求；桥面平整度 IRI 值 <1.2m/km ，优于设计 <2.0m/km 的要求。取芯检测显示，HMM-13 芯样压实度平均值 99.5% ，空隙率 1.8% ，层间粘结强度 0.72MPa 。

5.4 经济效益分析

HMM-13 铺装成本较传统方案增加 15% 左右，但全寿命周期内养护周期可由 5 年延长至 8 年，预计 10 年内可节省桥梁养护费用 210 万元 /km，综合效益显著。

六、结论与展望

本研究通过对高模量沥青混凝土HMM-13 的设计和应用，发现其有以下几个技术特点：

1、抗车辙性能突出：考虑到中面层作为车辙主要层位，高模量混合料可以大幅度提升中面层抗车辙能力，进而提升路面结构整体抗车辙能力；

2、密水性好：高模量沥青混合料空隙率相对常规中下面层材料更低，一般为 2% 左右，可以有效阻止路表水下渗对桥梁混凝土结构的损害；

3、施工和易性好，便于压实：由于高模量剂具有温拌降粘效果，可以改善混合料施工和易性，降低施工温度，具有良好的施工性能；

4、施工均匀性好：由于高模量沥青混合料级配类型为 HMM-13，比传统中面层改性沥青混合料 AC-20 的粒径更细，具有优异的压实施工均匀性；

5、改善路面结构力学性能：混合料具有高模量效果，可以有效分散并承担车辆荷载，减轻老路下面层和基层的受力。

HMM-13 通过高模量骨架结构与改性沥青协同作用，在山区高速桥面铺装中表现出优异的抗车辙、抗疲劳性能，可有效应对重载交通与复杂气候挑战。未来需进一步研究长期老化性能及生态型改性剂的应用，推动绿色高模量材料的发展。

参考文献：

[1] 朱景彬 ， 刘星呈 . 一种沥青混和料性能增强剂及其制备方法[N]. 复合材料学 ，2018，12（3）：53-55.

[2] 方友军 .ARC-13 橡胶沥青混合料的配合比设计及路用性能[J]. 筑路机械与施工机械化 ，2012，（4）：50-52，55.

[3] 杨军 ， 王彬 ， 黄冰释 ， 卜跃辉 . 基于灰色关联分析的沥青混合料级配研究 [J]. 建材世界 ，2012，（4）：39-41，45.

[4] 孙培 .Honeywell TitanTM 聚合物改性沥青混合料性能对比研究 [C]. 长安大学硕士论文 ，2012，（12）：84-86.

[5] 张艺霞 ， 王海龙 . 基于综合性能的 AC-16 沥青混合料级配设计 [J]. 城市建筑 ，2016，（1）：275.