刘洪海，谢王宝，程永龙，刘景刚，谢永平

（1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引 言

压实是沥青路面施工过程中的重要环节，欠压会导致沥青路面的空隙率增大，空气和雨水容易进入路面结构层内部，加速沥青混合料的老化和路面水损坏；过压会使矿料颗粒破碎，破坏混合料级配［1-2］。过压或欠压都会影响沥青混合料的施工质量和路面耐久性［3］。

长期以来，国内在沥青路面新材料、新结构和混合料设计方面做了大量的研究，但对沥青路面压实技术的研究存在较大不足，特别是缺乏对不同类型设备的压实特性的研究［4-6］。在制定碾压工艺时，忽略了设备的特点，设备的性能没有得到充分发挥，沥青路面难以达到最佳的压实效果。本文通过对施工中两种常用压路机工作装置的机构组成、压实机理进行理论分析和试验研究，探讨轮胎压路机和振动压路机压实沥青混合料时的压实特性，为合理的制定压实工艺提供依据。

1 压路机工作装置结构与压实机理

1.1 轮胎压路机的装置结构与压实机理

自行式轮胎压路机由车架、发动机、传动系统、转向系统、制动系统、压力水系统和专用碾压轮胎组成，如图1所示。中型轮胎压路机前轴有4个轮胎，后轴有4～5个轮胎；重型轮胎压路机前轴有5个轮胎，后轴有5～6个轮胎，为了均匀压实路面，前后轮胎交错布置。自行式轮胎压路机的轮胎悬挂方式主要有机械摆式悬挂（图2）和液压升降式悬挂两种。自行式轮胎压路机的每个轮子都可以在垂直方向有较大的位移，使接地压力均衡，对材料进行均匀压实。

图1 自行式轮胎压路机

图2 机械摆式悬挂

轮胎压路机在对混合料的压实过程中具有揉压的效果。碾压作业时，轮胎对被压材料产生两种作用力：一种是由重力产生的垂直向下的静作用力，该作用力会对具有一定级配组成的混合料产生垂直荷载作用，使材料产生剪应力，当达到剪切强度极限时，能够克服材料之间的粘聚力和内摩阻力，使小颗粒进入大颗粒之间的空隙中，形成更密实的结构。第二种是水平作用力，水平作用力包含两个部分，第一部分是由于充气轮胎在垂直荷载作用下发生的变形对混合料的水平作用力，轮胎在滚动过程中进入接触区对混合料产生向外的水平作用力，随着接触面增大，变形也增大，这种作用变得更加强烈，在离开接触区时，轮胎逐渐恢复原有形状，随着接触面积减小这种作用力的强度在减弱；第二部分水平作用力是驱动轮胎转动时对混合料的作用力，对于主动轮而言会产生一个与移动方向相反的水平作用力，对于从动轮则产生一个与移动方向相同的水平作用力。上述的水平作用力与垂直作用力的联合作用会对沥青混合料产生强烈的搓揉效果。

1.2 振动压路机的装置结构与压实机理

振动压路机由车架、发动机、传动系统、转向系统、行驶系统、制动系统、振动系统、喷水系统和钢制光轮组成［7-8］。振动压路机的工作装置为碾压轮，其内部装有偏心块振动器，可以使钢轮产生振动。

振动轮内部的定向振动器工作原理如图3所示，两个大小相同的偏心块a和b以相同的转速作相反方向的同步转动，两偏心块转动中心的连线与x轴成一定角度的夹角。为了便于分析，建立如图3所示坐标系，当偏心块以ω转动时，两偏心块的离心力在坐标轴上的投影分别为Fax、Fbx、Fay、Fby，见式（1）～（4）。

图3 定向振动器工作原理

式中：m为偏心块质量；e为偏心距；α为偏心块转动轴连线与x轴夹角；r为偏心块到转动中心的距离；ω为偏心块的角速度；t为偏心块转动时间；Fy为垂直激振力；Fx为水平振荡力；M（r）为力偶矩。

由式（6）、（7）可见，角度α决定了垂直激振力Fy和水平振荡力Fx的大小。α增大时，垂直力减小，水平力增加；当α＝90°时，Fy＝0，振动器作水平振荡；当α＝0°时，Fx＝0，振动器作垂直振动。由此可见，定向振动器可实现从垂直振动到水平振荡形式之间的无级转换，因此可以无级调节垂直振幅。作为特例，当α＝0°时，仅有垂直激振力而无水平激振力的振动状态是目前最常见的垂直定向振动压路机，其激振力的表达式为式（9）、（10）。在定向周期激振力的作用下，振动器的运动轨迹为一条垂线，因此对被压材料只产生上下垂直振动压实作用，而无水平搓揉效果。

2 压实特性

2.1 轮胎压路机的压实特性

（1）消除裂纹。在混合料温度过高或混合料承载力不足的情况下，钢轮振动碾压时混合料会产生层间滑动，使铺层表面产生开裂现象。裂纹一旦形成，依靠振动压路机的垂直作用不能消除。轮胎压路机则不同，弹性轮胎在水平面内产生的变形对材料具有搓揉作用，可以消除裂纹，使其形成一个整体。

（2）碾压过程具有使沥青向上迁移的作用。常温下，混合料中的沥青是一种粘结剂，将矿料颗粒粘结在一起，产生整体强度。高温下，沥青是一种润滑剂，可降低混合料颗粒之间的内摩阻力，有利于压实。沥青的另一个重要作用是表面封水，在表层颗粒之间形成均匀的油膜，可以防止水浸入，减少水损害发生。施工过程中轮胎压路机的搓揉作用类似于水泥振捣棒对混凝土的提浆作用，可以将自由沥青向上迁移，使碾压表面致密。

（3）轮胎压路机的均匀压实特性。钢轮压路机在碾压混合料时，钢轮宽而且刚度大，在大颗粒材料之间可能会形成“搭桥”现象，当横向摊铺不平整，特别是梯形摊铺接缝处铺层厚度不一致时，会产生横向压实度不均匀现象。由于轮胎压路机轮子之间采用平衡悬挂，同一轴上的轮胎可以上下摆动，即使路面存在较大的高低变化，也可以通过摆动使轮子与混合料良好接触，产生均匀的压力。因此，轮胎压路机对平整度较差的铺层，压实效果更好。

（4）压实度随深度衰减较快，压实效率低。轮胎压路机所施加的作用力随铺层厚度的增加急速衰减，其变化规律如图4所示，图中P为轮胎单位载荷，D为轮胎宽度。由图4可知，随着深度的增加，作用力急剧减小，当深度大于1.5D时，作用力已十分微弱。因此，其压实深度小，压实效率低。

2.2 振动压路机的压实特性

图4 轮胎压路机作用力的变化规律

关于振动压实理论有三种学说：材料内摩擦减小学说、共振学说和反复荷载交变剪应变学说。振动压路机利用共振理论设计，每种材料都有固有的振动特性，具有谐波振动特征，在受到激发之后会独立于激发强度进行自我调节，每个振动幅度在系统固有频率下重复出现。自然振动取决于设备与材料组成的系统特征（如设备大小、材料参数、接触情况及临界条件等），如果某系统中包含有若干个自然频率，每个自然频率都有其自身的振动模式，当用与自然频率之一相同的频率去激发该系统时，将产生高振幅的共振现象。振动压实采用振动设备对材料施加周期性的激振力，使材料颗粒处于振动状态，如图5所示。

图5 振动压实原理

当振动频率等于材料的固有频率时，可使材料处于共振状态，减小颗粒之间的内摩阻力和粘聚力，使小颗粒填入大颗粒之间的空隙，发生重新排列，处于更加紧密的状态，以获得最佳压实效果。

2.3 两种压路机压实特性比较

振动压路机能够利用混合料的固有振动特性，使其处于共振状态，降低材料的内摩阻力，具有压实效率高、压实度大、压实深度衰减小的特点，表现出很好的压实效果，但不能改善碾压过程中铺层表面出现裂缝的情况。

轮胎压路机在碾压过程中的垂直和水平作用力交替变化，对混合料形成压和揉的联合作用，这种作用对混合料会产生特殊的压实效果，压实均匀，可以消除铺层表面出现的裂缝，碾压过程中沥青向上迁移使表面致密。但压实效率较低，混合料压实度增长较慢。

综合振动压路机和轮胎压路机的压实特点，在碾压工艺中，振动压路机适合在复压工序，轮胎压路机应紧跟振动压路机之后，放在复压或终压工序。

3 压实效果试验研究

3.1 试验方案

为了验证轮胎压路机与振动压路机的不同组合对压实效果的影响，在施工现场采用两种不同的工艺进行试验，检测成型路面的压实度和渗水系数。

试验采用的设备见表1，试验方案见表2。施工混合料为AC-20混合料，沥青含量为4.3%，级配曲线如图6所示，结合料为SBS改性沥青，针入度为72（0.1mm），软化点为61℃；混合料铺层厚度为6cm。

表1 压路机种类及数量

表2 碾压方案

图6 AC-20级配曲线

3.2 密度检测方法与试验数据分析

对两种碾压工艺进行碾压遍数与铺层密度关系的试验研究，每完成1遍碾压，在同一区域布置5个检测点（图7），采用无核密度仪PQI301（图8）对沥青混合料铺层进行密度检测，取其平均值。压实度对比结果见图9，渗水系数试验结果见表3。

由试验结果可以看出，同样的压实遍数，方案2较方案1的压实度高出近1%，渗水系数降低约12%，这是由于方案2的碾压工艺充分发挥了两种设备的作业特性。振动压路机压实效率高，可以在较短的时间内快速提高压实度；轮胎压路机压实效率低，随压实遍数增加压实度增长较慢，但是它对混合料有揉搓作用，可以使混合料表面致密，将微小裂缝弥合，提高铺层的封水效果。

图7 测点布置

图8 无核密度仪

图9 两种不同碾压方案压实度对比

表3 两种不同碾压方案渗水系数对比

4 结 语

（1）不同类型的压实设备工作原理不同，会产生不同性质的作用力，作用力的性质不同，又会对混合料产生不同的作用效果。振动压路机压实效率高，压实度增长快，压实深度衰减小，具有很好的压实效果，但是不能改善碾压过程中铺层表面出现裂缝的情况。轮胎压路机通过对混合料压和揉的联合作用，可以消除铺层表面出现的裂缝，使表面致密，但是轮胎压路机的压实效率较低，压实度增长速度较慢。

（2）对热拌沥青混合料进行复压时，宜选择振动压路机和轮胎压路机组合碾压（SMA混合料除外）。振动压路机在前，轮胎压路机紧跟其后的碾压方案，既可以提高压实效率，使路面达到较高的压实度，又可以使铺层具有较好的封水效果。