为了研究温拌沥青混合料的压实性能及其可压实的难易程度，选用3种同品牌温拌沥青(ACMP1、ACMP2与ACMP3)和2种热拌沥青(70＃基质沥青与SBS改性沥青)，制备了AC-13C型沥青混合料，采用马歇尔击实试验，变化不同的击实次数和击实温度，测试了马歇尔试件的压实度和稳定度，分析了其变化规律，建立了压实度与击实次数的指数回归关系，引入了压实成长曲率因子，定义了压实难易系数。试验结果表明：沥青混合料的压实度随着击实次数的增加而呈指数增长，初期增长较快，后期较慢，且最终趋于稳定；在击实温度为90℃~℃的范围内，压实度随着击实温度的升高呈线性增长；马歇尔稳定度随压实度增大呈线性增长变化，符合传统研究结果；温拌沥青混合料的压实难易系数比热拌沥青混合料降低了13.5％~18.5％，具有较小的压实难易系数，更容易压实。
关键词
路面材料
沥青混合料
压实度
击实温度
击实次数
难易系数
温拌沥青作为一项节能减排新技术，在路面工程中逐渐得到较多应用，但国内外关于温拌性能技术评价的定量方法仍未形成[1-2]。温拌沥青混合料是否比热拌沥青混合料具有更好的和易性，更容易压实，仍需要通过试验数据来验证。沥青混合料由于其自身的结构组成特性[3-6]，使压实度或空隙率对路用力学性能的影响较大。早期的研究结果表明[3-5]，沥青混合料的力学强度指标随压实度增大呈线性增长。开展沥青混合料的压实性能(如压实度的变化规律、压实的和易性与压实难易程度等)研究，不仅可以定量认识温拌沥青的技术特性[3-20]，也可以合理地控制路面的压实质量，同时在实验室控制好试件的成型质量，以期获得稳定、可靠的力学试验数据，因此，开展温拌沥青混合料的压实试验研究，始终是一项基础性的热门课题，具有重要的现实意义。
国内外关于沥青混合料的压实性能开展了诸多研究。Yan等研究了混合料的静态压实特性[3-4]；Bijleveld等研究了混合料的压实温度对力学性能的影响[5]；李宇峙等应用旋转压实法，研究了沥青混合料的压实参数，确定了多孔混合料的最佳旋转压实次数[7-10]；Kumar等从沥青的黏度入手，研究了混合料的压实温度[12，17]；Plati等通过静、动态压实与组合压实，分析了实验室和现场沥青混合料的压实效果[15]；赵可等研究了改性沥青的感温性及其施工温度控制[16，19]；DiBénédetto等利用三轴试验研究了沥青混合料的压实度对疲劳损伤和强度破坏准则的影响[20]；胡涛等研究了压实变化规律及其影响因素[6，11，13-14，20]。
这些研究主要针对的是工程生产的技术问题，基本上都是定性的，缺乏定量研究，更没有建立压实变化规律的数值模型和分析压实难易系数，从而也未进一步研究温拌沥青混合料的压实性能。鉴于此，本文开展了温拌沥青混合料的压实性能试验研究，建立了压实变化规律的数值模型，定义并计算了压实难易系数，分析与评价了沥青的温拌特性。
沥青混合料的压实是一个广义的概念，在路面铺筑时通过摊铺碾压来实现，在实验室分析时则通常采用马歇尔击实法、静力压实法、轮碾压实法与旋转压实法等来实现。一般采用了马歇尔试验作为沥青混合料路用性能的前提性试验，其中击实试件的成型质量又直接影响着后续的试验结果，可见分析沥青混合料的马歇尔击实性能具有前提性和基础性意义。
本文采用马歇尔击实试验，选用3种型号的ACMP温拌沥青和2种热拌沥青(70＃基质沥青和SBS改性沥青)，制备了AC-13C型沥青混合料试件，通过变化初始击实温度和击实次数，研究了沥青混合料的压实度变化规律，并引入压实成长曲率因子，定义了混合料的压实难易系数[21]，从而对热拌沥青和温拌沥青的压实性能提供一个定量认识。
一、沥青混合料的压实度
压实度(KJ)是评价沥青混合料压实程度的常用指标，是一个相对于参照值的相对指标，这个参照值在《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-)中是马歇尔理论密度，是一个人为动态参数，且无法分析击实次数大于2面×75次时的击实性能，因此，通常采用三相体系分析法(图1)来定义压实度[3-4]。图1中：P1为空气的质量；P2为沥青的质量；P3为集料的质量；V1为空气的体积；V2为沥青的体积；V3为集料的体积；V4为剩余体积；Vr为真体积；Va为视体积。
定义视密度γａ(表观密度)与真密度γｒ(理论最大密度)分别为
根据三相体系理论分析，得到沥青混合料的3个重要的量纲为1的参数，即剩余空隙率R、压实度K与沥青用量ω(油石比)，分别为
剩余空隙率和压实度均可以用来描述沥青混合料的压实程度，且二者具有K＋R＝％的关系。在实际应用中，式(2)的分子项γa为沥青混合料的现实状况，通过测量获得，而分母项γr为理论最大密度(当R为0时)，由下式计算获得
在马歇尔击实试验中，已知沥青混合料的配合比，可通过式(4)得到式(2)的分母项，即理论最大真密度γr；在击实中混合料的质量不变，由于击实模具的侧向刚性约束，击实体积的变化仅表现为试件的高度变化，故通过测量试件的高度，可得到式(2)的分子项，即实测表观视密度γa。
二、沥青混合料设计
本文采用ACMP温拌改性沥青，由四川新巩固建材有限公司独家研发生产[21-23]。按ACMP改性剂的剂量不同(表1)，初步生产了ACMP1、ACMP2、ACMP3三种型号的温拌沥青，产品的基本性状见表1。ACMP沥青改性剂的生产以废旧轮胎橡胶粉与再生塑料粉为主要原料，再添加一部分有机助剂，采用化学法合成，进而制备ACMP温拌沥青。产品生产大量使用了废旧橡胶、废旧塑料等材料，变废为宝，节约能源，促进了环境保护，具有良好的社会、经济效益。
本文共采用了5种沥青：3种型号的ACMP温拌沥青(ACMP1、ACMP2与ACMP3)和2种热拌沥青(70＃基质沥青与SBS改性沥青)[21]，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-)进行了沥青的基本技术性能试验，结果见表2和图1。5种沥青的路用技术性能研究结果表明[21-23]ACMP沥青具有良好的温拌性能。
集料采用4档石灰岩轧制碎石(1＃~4＃矿料)和石灰岩矿粉，进行了筛分试验，最终的回配曲线符合AC-13C型混合料的性状。同时测试了各档矿料的密度，测试结果见表3。
通过标准马歇尔试验，分析了稳定度、流值、饱和度、剩余空隙率、矿料间隙率与毛体积密度等技术指标[21-22]，得到最佳沥青用量为4.9~5.1％。对于相同基质的沥青，由于沥青用量根本上取决于矿料的比表面特性，故采用相同矿料级配时，针对试验选用的5种沥青，沥青用量统一取5％，制备了5种沥青混合料，并按式(4)计算了混合料的真密度，结果见表4。
需要说明的是：在混合料的压实过程中沥青起到润滑作用，沥青用量越大，混合料越容易压实[3-4]；然而，在沥青路面工程中，沥青用量按设计方案始终是一个定值，故本文研究按配合比设计结果取沥青用量为5％；此外，在混合料的配合比设计中，5种沥青混合料的体积设计参数大致相同[21]，且符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-)要求。
三、击实试验方案
本文采用马歇尔击实法，通过击实锤做自由落体运动对套筒中的试件进行击实做功，从而实现对混合料的击实。由于马歇尔击实锤的质量与落距是固定的，决定击实效果的关键因素便是击实温度和击实次数，因此，本文采用变击实温度和变击实次数2种击实试验方案。
3.1变击实温度试验
变击实温度试验简称变温击实，是指变化马歇尔击实的初始击实温度(T0)，其他试验操作严格遵循技术规程，并保持试件双面各击实75次，以期研究沥青混合料的压实度变化规律和马歇尔稳定度(S)的变化规律。试验设定4种击实温度，即T0为90℃、℃、℃与℃。试验控制要点如下。
(1)采用马歇尔拌和锅和自动击实仪，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-)对混合料进行拌和与击实。
(2)在烘箱中保温沥青混合料约45min(在托盘上平摊)，控制保温温度T1约为T0＋(5℃~10℃)。
(3)利用插入式温度计和红外温度计，测量击实套筒内混合料的温度，达到T0时启动击实。
击实终了，量测试件的高度，确定试件的视密度，并据式(2)计算其与表4中真密度的比值，从而确定压实度。
变温击实试验每组取4个试件，压实度的相对误差小于0.2％，试件高度均符合技术标准控制值(63.5±1.3)ｍｍ，并测试了试件的马歇尔稳定度，取平均值作为最终分析值。
3.2变击实次数试验
给定沥青混合料质量和初始击实温度，利用马歇尔自动击实仪，对混合料进行连续击实，依次量测、记录不同击实次数N对应的试件高度，进而确定压实度，实现变击实次数试验，以考察压实度随击实次数的变化规律和沥青混合料的压实和易性。
考虑到击实次数的连续性、击实温度的有效性和试件高度量测的准确性，模拟路面施工的单面压实工艺，试验采用单面击实方法[21]，通过累计击实次数，用游标卡尺量测不断下降的试件高度，高度变化即为压实度的变化。试验控制要点如下。
(1)取试件质量为g。
(2)通过沥青的黏温曲线确定初始击实温度，见表5[21-23]。
(3)击实次数为50~次时，间隔20次测量试件高度，~次时，间隔10次测量试件高度。
对应各击实次数时的试件高度以“十字点”按减量法量测，求得体积即知视密度(已知混合料质量)；取表4真密度值，按式(2)计算在不同击实次数时的压实度。每组试验取2~4个试件进行平行试验，以校核试验精度，最大相对误差小于0.3％，压实度的分析值取平均值。
四、击实温度的影响
根据实测结果，计算不同击实温度下的压实度和稳定度，结果见表6(均为4个试件的平均值)，分析了K-T0、S-T0的变化规律，分别见图3、4。
由黏性的沥青和具有内摩阻塑性的集料组成的沥青混合料，在击实(或压实)时必然会发生重大黏塑性变形，服从黏塑性流变模型[24-27]，变形的大小取决于集料的骨架结构变形，并受到沥青的黏度性质(大小与温敏性)影响，因此，对于相同级配的沥青混合料，压实变形规律应该相同，差别仅在于沥青的种类，即黏度不同。
事实上，由图3发现：在击实温度范围内，随着温度的升高，沥青混合料的压实度随之线性增大，且5种沥青混合料压实度曲线基本上相互平行。压实度和击实温度的这种试验关系可表示为
显然，对于5种沥青混合料，具有相同的α1值，反映了相同的矿料级配；具有不同的β1值，反映了不同沥青的黏度不同[21-23]。
可见，如果集料是相同的，那么压实度随击实温度线性变化的斜率值必然相同。随着温度升高，沥青胶结体的黏度大幅减小，和易性增加，混合料变形随之增大，即压实度增大。
分析图4发现：在击实温度范围内，随着击实温度的升高，沥青混合料的马歇尔稳定度随之呈线性增大，具有如下试验关系
在力学原理上，沥青混合料强度与压实度具有线性增长关系[3]，结合试验分析结果(图5)，稳定度与压实度存在如下试验关系
将式(5)代入式(7)，可得式(6)，进一步解释了稳定度随击实温度的变化规律。
另外，通过分析图3~5的试验结果，可以发现：击实温度每变化10℃，会导致约1％的压实度差异，并最终导致约2kN的稳定度差值，这充分说明了试件成型操作与成型质量控制的重要性，在很大程度上影响着后期力学试验和技术检测的准确性和真实性；在相同击实温度下，ACMP温拌沥青由于黏度较小[21-23]，比热拌沥青具有更好的和易性，因而混合料压实度较大；达到相同压实度时，温拌沥青混合料的击实温度比热拌沥青混合料降低约15℃~35℃，说明ACMP沥青具有良好的温拌性能。
五、击实次数的影响
5.1试验结果分析
在不同击实次数下，5种沥青混合料的压实度计算结果见表7(为2~4个试件的平均值)，压实度与击实次数关系见图6。
分析图6可以看出：5种混合料的K-N变化规律基本一致，且符合静态压实法的试验结果[3-4]；压实度随着击实次数的增加而增大，前期增长速率较快，后期增长速率逐渐减慢，直到最后的收敛趋势；相比较而言，从黏度测试结果来看[21-23]，黏度最小的ACMP3温拌沥青混合料的压实度明显较大，显得更容易压实，而黏度最大的SBS改性沥青混合料则显得更难以压实。
另外，在试验过程中发现：当击实次数达到90次时，试件受击表面粒径较大的颗粒开始出现花白；当击实次数达到次时，受击面在大粒径颗粒处已出现大面积的花白，混合料已经被压实得很密实，试件高度变化很小，保证量测精度越来越困难。
5.2数值回归分析
为了进一步定量分析压实度随击实次数的变化规律，对K-N试验数据进行回归分析。一般而言，数值回归分析应满足3个基本条件：符合试验结果的变化规律；满足一定的边界条件；回归参数具有一定的物理力学意义。
设压实度是以击实次数为变量的一元函数，则据图6的K-N变化规律，拟定回归方程为指数函数
由于自然压实度的存在，必然有N＝0，故需对式(8)进行修正，最简单的办法[21]就是将式(8)改写为
针对5种沥青混合料，利用式(9)进行回归分析，结果见表8，可以看出：数值回归具有良好的相关性，5种沥青混合料的极限压实度基本趋于相同，平均值为95.33％，反映了相同矿料级配组成的颗粒骨架结构的相似性；由于沥青的黏度不同，其混合料的自然压实度也不同，黏度较小的ACMP沥青混合料具有较大的自然压实度，黏度较大的SBS沥青混合料的自然压实度较小；回归参数b为曲率因子，反映了K-N曲线的曲率大小，b值越小，曲率越大，b值越大，曲率越小(图7)。
5.3压实难易系数分析
沥青混合料压实的难易性，是指在相同压实功下达到某一压实度的困难程度或快慢幅度。综合上述分析可知：沥青混合料压实的难易程度取决于压实度的初始值(自然压实度)和压实度的成长幅度(曲率因子)，且二者必须同时存在。分析函数式(9)的几何曲线特性见图7，曲线A和B具有相同的K0或K∝-K0，但曲率因子b不同，压实度的成长过程不同；曲线B和C具有相同的曲率因子b，但K0或K∝-K0不同，压实度的成长效果也不同。可见，K∝-K0和b同时决定了图7曲线的变化特性，因此，定义沥青混合料压实的难易系数u为
归一化处理K∝，取平均值为95.33％，难易系数计算结果见表9，结果表明：难易系数客观地反映了5种沥青混合料压实的困难程度，数值越大，越难以压实，数值越小，越容易压实，黏度较小或较软质的ACMP沥青混合料容易压实，黏度较大或较硬质的SBS改性沥青混合料压实比较困难。压实难易系数的研究有助于区别热拌和温拌沥青混合料，以期定量分析温拌沥青的技术性能。
最后需要说明的是：击实次数的增加，相当于击实能量J的累计，可用能量分析来研究沥青混合料的压实性能，安舒文分析了K-J的变化规律[21]，得到与K-N完全一致的结论。
5.4数值模型的有效性验证
进一步分析压实度变化规律的数值模型式(9)和数值分析结果表8，可以看出：压实度与击实次数的指数模型由自然压实度、极限压实度和曲率因子3个参数决定；K∝取决于混合料的级配类型，级配类型相同的混合料应该具有相同的K∝；K0除了具有与K∝相同的性质外，还兼具了与b同样的性质，其特性取决于沥青品种，当沥青的黏度较小时，K0较大，b较小；试验结果的数值模型符合静态压实试验结果的变化规律[3-4]，说明无论是动态还是静态压实，该数值模型是有效的，只是针对不同的沥青混合料(沥青品种与级配类型)，需要适当修正模型参数；在混合料的压实过程中沥青起到润滑作用，沥青用量越大，等价于沥青黏度的减小(b变小或K0增大)，混合料越容易压实[3-4]，结合沥青路面工程实际，本文的数值模型取用了恒定沥青用量，变沥青用量有待后续研究。
总之，沥青混合料压实特性的数值模型，主要取决于级配类型和沥青品种，前者影响模型参数K0和K∝，后者影响K0和b，深层次揭示了沥青混合料的组成特性和压实特性，且模型的变化规律符合传统的定性分析规律，说明该数值模型是有效的。
六、结语
(1)基于马歇尔击实试验，变温击实的压实度和变击实次数的难易系数可以用来定量评价温拌沥青混合料的温拌效果。
(2)达到相同压实度时，温拌沥青混合料的击实温度比热拌混合料降低约15℃~35℃，且具有较小的压实难易系数，说明ACMP沥青具有良好的温拌性能。
(3)在压实温度范围内，压实度随击实温度的升高呈线性增长，且温度每变化10℃，会导致约1％的压实度差异与约2kN的稳定度差值，试件的成型质量对力学指标测试影响较大。
(4)压实度随击实次数的变化规律呈指数函数形式增长，从最初自然堆积时的自然压实度出发，前期增长较快，后期越来越慢，最终趋于水平收敛，收敛值为极限压实度。
(5)沥青混合料压实的难易程度可用难易系数定量评价，定义为极限压实度和自然压实度之差与压实成长曲率因子的积，可以客观反映不同性质沥青混合料的压实性能，如温拌沥青混合料比传统热拌沥青混合料更容易压实。
(6)沥青混合料的极限压实度主要取决于矿料级配类型，而自然压实度与沥青的黏度性质密切关联；不同混合料相互平行的压实度与击实温度直线，也进一步表明了颗粒结构和沥青黏性对压实的作用性质。
(7)下一步研究需要变化沥青用量，以拓展数值模型的适用范围，并开发可以测试沥青混合料黏度的试验装置，以期研究混合料的压实和易性与施工温度的黏度诺谟图。
全文完首发于《交通运输工程学报》年2月