沥青混凝土路面压实性能影响因素分析

韩树峰

(新疆交通科学研究院，新疆乌鲁木齐830000)

压实良好的路面必然要求路面空隙分布均匀，既不欠压又不过压，这样可以有效防止路面病害的出现。目前对沥青路面压实影响因素的研究多偏重于沥青混合料的材料因素，而结合压实机具和环境因素对沥青路面压实工艺影响的分析研究较少。因此，本文分析了各影响因素对路面压实的影响。由于沥青路面压实是指在一定的施工环境中，采用选定的压实机械及其组合对沥青混合料进行碾压的过程，本文据此将影响HMA压实的主要因素分为材料因素、环境因素和压实机具等，并总结这些影响因素对混合料力学特性的影响，为压实均匀性和压实程度的影响因素提供更好的理解。

1 沥青混合料材料组成因素

沥青混合料是由适当比例的粗、细集料及填料组成的符合规定级配的矿料与沥青拌制而成，因此沥青混合料的压实特性主要取决于集料的特性、沥青的性质、沥青膜的厚度以及结合料的性质等，接下来分别予以分析。

1.1 集料

沥青混合料的劲度和可压实性主要受集料颗粒自然特性的影响。在沥青混合料中，粗集料的以下三种性能将影响混合料的密度:表面纹理、颗粒形状和破裂面的数量。压实功随着集料棱角性、公称最大粒径和集料硬度的增加而增加。由于棱角性集料抵制集料间的调整，所以要求更多的密实功。单个集料颗粒的表面纹理对压实同样有很大的影响，表面光滑的集料比纹理粗糙的集料更易压实。要达到同样的压实功，圆形集料比立方形或块形集料需要更少的压实功[1]。

1.2 沥青

沥青混合料密实的能力受沥青等级和含量的影响。在给定的温度条件下，沥青的黏度越高或针入度越小，通常混合料的劲度越大，就越难压实，达到所要求的密度需要更多的压实功。因此在给定温度下，用黏度等级为AC-20的沥青拌合的混合料比用AC-10拌合的混合料要硬。

1.3 级配

不同级配类型的混合料其压实特性有较大的差别。为达到规定的密实度，通常连续密级配混合料很容易压实，而开级配或半开级配混合料一般明显需要更多的压实功。而多砂或细级配混合料，因为它们固有的不稳定性，通常很难被压实。

1.4 混合料

在高温(如150℃)下摊铺的混合料比低温(如125℃)下摊铺的混合料更容易压实。然而，如果初压温度太高，则混合料就可能变的很不稳定而很难压实，待温度降低，沥青结合料的黏度上升时才可以压实。相反，如果混合料在初压时的温度太低，为了达到规定的压实度，则需要增加压实功，实际这将永远达不到规定的压实度。

2 路面结构特征和自然环境因素

结构和环境因素对路面压实具有较大的影响，以下分别分析结构层厚度、大气温度、基层温度、混合料摊铺温度、风速和太阳辐射能对路面压实的影响。

2.1 结构层厚度

沥青混合料的可压实时间与其冷却速率密切相关，而在影响混合料冷却速率的各种变量中，结构层厚度对其影响可能最重要[2-3]。在日温差较大的季节，薄面层很难达到合适的压实度。沥青面层是以一定的厚度铺筑的，不同的情况沥青面层的铺筑厚度也有所不同。为考察沥青混合料在不同厚度下的压实性能，朱哲[4]通过成型不同厚度的车辙板对此进行了研究，研究结果如图1所示。

图1 透水系数、压实密度与结构层厚度的关系

从图1中可以看出，随着摊铺厚度的增加，沥青混合料的密度大致呈现出抛物线规律，即在摊铺厚度过小或过大时都不利于混合料的压实，而是存在一个35 cm～45 cm的最佳压实厚度范围，此时沥青面层的压实性能较好，混合料的密度较大，孔隙率可以得到有效控制。同时结合混合料渗透系数的试验数据可以看出，随着混合料压实度的提高，其渗透系数明显降低，这就大大减少了路面的降雨入渗量，降低了路面在行车荷载作用下层间动水压力的损坏概率。

2.2 温度

结构层将散失热量到大气和新铺混合料的下层路面(基层)中。而且由于基层的温降速率要快于表面的温降速率，所以在确定可压实时间时，基层温度比大气温度更为重要。在摊铺和压实混合料时，大多数规范都规定了最低大气温度，且通常假定大气温度和基层温度是相同的[4]。通过试验室成型不同温度下的马歇尔试验对此进行了研究，研究结果如图2所示[5]。可以看出，随着击实温度的降低，试件的相对密度逐渐下降，而且下降的幅度越来越大。当击实温度为 100℃时，密度仅为 140℃时的96.8%。

图2 混合料击实温度与试件密度的关系

2.3 风速及太阳辐射

风对混合料表面温度的影响比对其内部温度的影响要大得多，它能让表面很快冷却，而形成一个硬壳，在压实过程开始时，压路机必须压碎此硬壳。风速对薄层结构可压实性的影响要比厚结构层的大。太阳辐射对基层的温度影响比对混合料温度的影响大。在晴朗的天气下基层的温度高于周围环境温度。较高的基层温度将降低混合料的温降速率，也就是延长了混合料的可压实时间。

3 路面压实机械设备条件

目前主要采用自动式压路机来提供压实能量，自动式压路机可分为三类:静力钢轮压路机、胶轮压路机、振动钢轮压路机。

3.1 静力钢轮压路机

静力钢轮压路机主要用于沥青路面的初压或终压阶段。静力钢轮压路机，如图3所示，通常其重量范围介于3 t～14 t之间，钢轮直径介于1.5 m～2.5 m之间。钢轮与混合料之间的有效接触压力决定了这种压路机的实际压实功[6]。双钢轮静力压路机的碾压机理如图4所示，从图4中左图所示碾压轮静止时路面材料的受力分布可知被压实材料的中间变形最大，因此，所受压力也最大，边缘部位变形逐渐减小，所受压力逐渐减小。当碾压轮滚动时，被压实材料的受力分布如图4中右图所示，碾压轮碾压过后对某一点施加的应力是从小到大，达到最大压力值的时间只是一瞬间。碾压轮碾压过后，材料被压缩变形，一部分成为永久变形，一部分产生微小的弹性。

图3 静力钢轮压路机(双钢轮)

图4 被压实材料的轮胎压力分布示意图

3.2 胶轮压路机

胶轮压路机通常用于复压阶段，即用在振动或静力钢轮压路机初压之后，静力钢轮压路机终压之前。胶轮压路机也是一种静作用压路机，如图5所示。胶轮压路机的碾压轮是专用的充气胶轮，表面光洁平整，没有花纹，胶轮踏面较宽，自然状态下与地面接触的部位是平的，与地面接触面积较大，是普通胶轮的1.5倍，如图6所示，胶轮压路机的胶轮受压后产生变形，与地面接触为平面，使接触带受压基本均匀。此外，胶轮的变形增大了胶轮与混合料的实际接触面积，降低了单位面积上的压力，但是延长了实际的压实时间，有利于压实。

胶轮压路机除了具有静力压实的作用外，还具有揉压(剪切压实效果)作用[6]。首先胶轮压路机的揉压作用可以使混合料得到最佳的压实效果，同时还有助于将混合料中多余的沥青结合料返到面层，从而提高沥青路面的密封效果；其次，胶轮压路机能消除路表在钢轮碾压时所形成的热裂纹，从而阻止水和空气等进入混合料的内部，能有效预防沥青路面的早期病害；再次，胶轮压路机能防止沥青路面上出现压实方面的离析，避免不均匀的压实效果；最后，胶轮压路机的揉压作用使得混合料中留下的内应力很小，可以避免其在路表产生应力裂缝。

图5 胶轮压路机

图6 胶轮受压变形示意图

3.3 振动钢轮压路机

振动钢轮压路机(如图7)有一个振动加载组件，并且它的重量要轻于静力钢轮压路机。通过在钢轮中心增加一个围绕旋转轴的偏心重来产生压路机的振动荷载。钢轮直径介于1.02 m～1.52 m之间，钢轮宽度介于1.5 m～2.5 m之间，工作重量介于10 t～30 t之间。

在振动压路机振动轮的振动冲击作用下，沥青混合料就产生一个冲击波，该冲击波在混合料的内部沿纵深方向扩散和传播，随着振动的持续，冲击波也将不断产生和扩散，混合料在冲击波的作用下，由静止状态转变为振动状态，使颗粒间的摩擦阻力大为降低，为颗粒的运动创造了十分有利的条件，混合料由原来的松散堆积状态，逐渐变为相互填充的状态，大颗粒之间相互嵌合，小颗粒运动到大颗粒的缝隙中，逐步形成密实稳定的状态，振动轮的自重和冲击力加快了填充密实的速度。

图7 振动压路机(双钢轮)

4 结 语

沥青路面的压实性能受多种内外因素的影响，诸如沥青混合料原材料本身性能、压实机械设备和施工现场的自然环境条件等。沥青混合料压实质量的高低直接影响混合料的孔隙率及其空间分布状态，影响沥青路面的耐水损害、抵抗低温开裂及高温抗车辙等性能，进而影响沥青路面的耐久性和使用品质。可以说，施工现场压实度质量对沥青路面使用性能具有决定性的影响。鉴于此，本文重点从原材料和施工的角度研究了沥青混凝土路面压实性能的影响因素。通过分析认为，要想提高沥青路面的压实质量，大混合料设计到施工的全过程必须从原材料质量抓起，保证进场的集料性能和沥青品质，保证混合料的拌合质量，同时做好现场的施工安排和工艺优化措施，选用合理的压实机械设备，尽可能缩短现场摊铺、碾压时间，保证适宜的施工温度，提高沥青路面的压实质量，保证路面的长期使用性能。

[1]谭忆秋.沥青与沥青混合料[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2007.

[2]廖陈林.厚层沥青路面压实特性研究[D].西安:长安大学，2008.

[3]中华人民共和国交通部.JTG F40-2004.公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[4]朱 哲，孙志勇.沥青混合料压实特性对压实工艺的影响分析[J].交通标准化，2007，(6):99-101.

[5]陈新轩.轮胎压路机压实热拌沥青混合料的机理和作用[J].长安大学学报(自然科学版)，2003，23(5):49-51.

[6]陈振春.压路机构造与技术运用[M].北京:人民交通出版社，1991.