美国国家沥青技术中心报告:通过提高压实度增强沥青路面的耐久性

谭忠华

根据美国土木工程师协会(ASCE)2011年的报告，截至2040年，美国每年需要花费大约350亿美元维护公路与桥梁。基于这个数值估算，假如路面耐久性能提升5%～25%，每年就可以节省17.5亿～87.5亿美元，这些资金可以重新投入公路系统，用于改善道路的整体状况、行车安全与拥堵问题。

美国沥青协会(AsphaltInstitute)在2007年指出，压实度是影响沥青路面性能最重要的因素之一，小幅提高就有可能使沥青路面的使用寿命明显延长。美国国家沥青技术中心(NCAT)在2016年的一份报告中称：空隙率每减小1%，预计可以使沥青路面的抗疲劳性能提升8%～44%，抗车辙性能提升7%～66%；此外，基于现场数据保守地估计，路面的使用寿命至少延长10%。

为了阐明压实度对沥青路面的生命周期成本分析(LCCA)的影响，将同一段沥青路面分别压实至沥青混合料的理论最大密度(Theoretical Maximum Density)的93%和92%，依照使用寿命延长10%进行计算,沥青路面的生命周期成本分析结果表明:通过使压实度的最低要求值从92%提高到93%(译者注:和马歇尔设计方法不同,美国使用的Superpave混合料体积设计方法把理论最大密度作为压实度标准,目前的要求是92%的理论最大密度.马歇尔密度压实度K1与理论最大密度压实度K2之间的关系为K2=K1.(1-VV),VV为沥青混合料的设计空隙率),一个总价为100万美元的铺面项目可以节约8.8万美元(不考虑运营、维护以及道路使用者的成本).

提高压实度,可以从改善现场压实情况入手.正如ChuckHughes在1977年的沥青摊铺技术专家协会(AAPT)年度会议上所说:"在那些为了保证道路的长期使用性能而采取的施工控制中,最重要的就是压实."

其他技术的进步,比如温拌沥青(Warm Mix Asphalt,简称WMA)、智能压实(Intelligent Compaction,简称IC)、红外热成像(Infrared Thermal Imaging,简称IR)以及可以连续测量密度的滚动密度仪(Rolling Density Meter,简称RDM,由美国GSSI公司开发),或者改良的施工工艺,都可以提高沥青路面的压实度,从而增强沥青混合料的耐久性、延长道路的使用寿命.

意识到压实度对于建造有成本效益的沥青路面的重要性之后,美国联邦公路局(FHWA)开始了一个名为"通过提高压实度增强沥青路面的耐久性"的示范计划.除了FHWA,参与该示范计划的机构还包括国家沥青铺面协会(NAPA)、各州交通局以及负责铺筑控制段与试验段的承包商.

目标与范围

这个示范计划的目标是通过提高压实度来改善沥青路面的性能.因此,整个研究包含两个主要的部分:检索文献,找到提高沥青路面压实度的最佳做法;建设10个示范项目.这些示范项目的用意在于支持各州交通局对当前的压实度验收要求做出评价.各州交通局可以结合实际情况,与施工承包商一起尝试最适用的技术,并且允许美国联邦公路局将他们的成功经验分享给别的州.借助这些示范项目的结果,FHWA可以为各州交通部门提供指导,或者激发他们审度与提高当前的压实度验收标准.

虽然通过提高压实度可以改善路面性能,但是这种做法并不适用于所有情况.对于使用严重离析、对水分敏感或者体积特性不合格的沥青混合料铺筑的路面,此举收效甚微.

考虑到提高压实要求对于哪些地方的影响最大,以及地理、气候的多样化,FHWA从申请名单中选出了10个州的交通局,为他们提供研讨会和施工现场协助等形式的支持.

针对各州交通局、施工承包商、设备供应商与学术界等目标听众,美国沥青协会与联邦公路局在每个入选示范计划的州交通局都举行了一次研讨会,介绍当前认可的最佳做法以及新材料、新技术.参与示范计划的各州交通局需要铺筑一条控制段、一条或更多试验段,其中的控制段由施工承包商采用常规办法压实,第一条试验段则会尝试改进的摊铺与压实工艺.遵照联邦公路局的要求,第一条试验段的目标是在不使用额外的压路机或者其他大幅度增加成本的办法的前提下,提高沥青路面的压实度.至于其他试验段,则全凭各州交通局处置,他们普遍采用了增加压路机的做法,或者放手一试自认为最适合当地的方法,这对于整个示范计划而言很重空隙率每减小1%,预计可以使沥青路面的抗疲劳性能提升8%～44%,抗车辙性能提升7%～66%;此外,基于现场数据保守地估计,路面的使用寿命至少延长10%.

中,通过改变沥青用量和压路机数量,评估它们对研究结果的影响.两种沥青用量由旋转压实标准确定.

公路B只有两条车道,项目长21.89 km,铺筑干道主线用掉50 182 t沥青混合料,另有5 242 t用于路肩.项目在2016年9月施工,工期为5个星期.预计公路B在设计年限内的累计当量轴次为1X106ESAL,路面加铺层的预期寿命为8～10年.在这个项目中,采用的施工方案是先铣刨掉5.08 cm原有面层,再加铺8.89 cm厚的罩面(下面层和上面层分别为5.08 cm和3.81 cm).

显而易见,两个示范项目的最大差别在于交通量--公路A的累计当量轴次是公路B的10倍.

沥青混合料设计

公路A所用集料的公称最大粒径为12.70 mm;摊铺厚度(t)与集料的公称最大粒径(NMAS)的比值(t/NMAS)为3.0;使用的沥青胶结料的等级为PG 58-28.

根据道路交通量的等级,该州交通局要求沥青混合料的设计在旋转压实次数为90次的条件下进行.承包商根据此要求提交了沥青混合料设计方案,并且在空隙率为4.0%的条件下选择最佳沥青用量.然后,该州交通局将集料级配一样、沥青用量不同的沥青混合料使用Superpave旋转压实仪压实60次,在空隙率为4.0%的条件下选择最佳沥青用量.据测定,在上述两种旋转压实标准下设计沥青混合料,最佳沥青用量的差别达到0.3%.

公路B上的控制段与试验段1、5所用集料的公称最大粒径为12.70 mm,试验段2、3、4所用集料的公称最大粒径为9.53 mm.当集料的公称最大粒径为12.70 mm时,下面层的t/NMAS为4.0,上面层的t/NMAS则为3.0;当集料的公称最大粒径为9.53 mm时,上面层的t/NMAS为4.0.干道要.在施工期间,美国国家沥青技术中心(NCAT)的工作人员会为他们提供现场技术咨询.

铺筑示范项目

被选中的10个州交通局需要在施工之前召开会议,讨论如何铺筑试验段.各州交通局通常会和承包商联手制定施工方案,借此评估通过提高压实度来改善沥青路面的耐久性.

承包商被要求先使用他们的标准碾压方法建造一条控制段,然后改进碾压方法,使用同样的压实设备再铺筑一条试验段.必要时,各州交通局还可以要求承包商铺筑额外的试验段--可以使用额外的设备,改变材料、混合料配合比或者摊铺厚度,改良作业过程,以及尝试其他可以提高压实度的方法.

参与示范计划的各州交通局需要提供一份观察报告.受篇幅限制,本文仅介绍使用不同方法铺筑了多条试验段的州3的项目概况、施工方案与结果.

项目概况

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州3的交通局在两条均位于农村地区的公路上实施了两个示范项目.公路A是一条双向四车道公路,由中央分离带隔开.项目长12.39 km,铺筑干道主线用掉24 317 t沥青混合料,另有4 072 t用于路肩.项目在2016年5月施工,工期为2.5个星期.

预计公路A在设计年限内的累计当量轴次为1X107 ESAL,路面加铺层的预期寿命为17年.在这个项目中,原有的路面结构为15.24 cm碎石基层、22.86 cm混凝土路面、11.43 cm沥青路面,采用的施工方案是先铣刨掉5.08 cm原有面层,然后加铺两层3.81 cm(共7.62 cm)厚的罩面.在试验主线使用的沥青胶结料等级为PG 64-28,路肩则使用PG 58-28.

使用Superpave旋转压实仪进行沥青混合料设计,旋转压实60次.所有沥青混合料均没有进行性能试验.

密度测量与规范

州3交通局使用最小批量平均数(Minimum Lot Average)评估压实度.对于磨耗层,最小批量平均数为现场取样试件的理论最大密度的92%;非磨耗层则为93%.通过测量直径为10.16 cm的芯样的密度,确定压实度.该州没有采取鼓励施工承包商提高压实度的办法,但是对于未达标者有惩罚措施.

在示范项目中,除了钻取芯样测量密度之外,还使用了RDM.后者作为一种前景大好的技术,得到SHRP2研究计划的推荐.试验员分别在公路A和公路B上钻取了20多个和32个芯样.

控制段与试验段的施工及结果

州3在公路A上铺筑了1条控制段和3条试验段,在公路B上铺筑了1条控制段和5条试验段.在两个示范项目中,混合料由自卸车运输至施工现场,再转移至宝马格摊铺机的料斗中(没有使用物料转运车).摊铺机的行进速度为9.14 m.min-1,上面装着一个可以实时检测路面温度的MOBA Pave-IR系统,用来评估温度离析.所用黏结层材料为CSS-1H.

除了压路机数量、沥青用量、NMAS的变化之外,还评估了用于帮助压实的温拌剂Evotherm.当温拌剂作此用途时,沥承包商被要求先使用他们的标准碾压方法建造一条控制段,然后改进碾压方法,使用同样的压实设备再铺筑一条试验段.

表1 公路A的试验方案

表2 公路B的试验方案青混合料的生产温度没有被降低.

图1 同一位置的介电常数、摊铺速度与温度检测结果

公路A在施工时的气象条件和沥青混合料温度没有被记录;公路B的气温为10℃,大部分时间天气晴朗,有微风,沥青混合料温度也没有被记录.

使用RDM测得所有铺筑段落的平均压实度大约为94.0%.然而,当使用钻芯法对比控制段与试验段时,其中一条试验段的结果迥然不同:当沥青用量增加0.3%,并且多使用一台压路机时,压实度提高了1.2个百分点.

运用新技术

州3的示范项目运用了MOBA Pave-IR沥青摊铺红外检测系统、智能压实、RDM、WMA添加剂等几种新技术,图1清楚地表明了融合这些新技术的好处.

通过观察由同一位置的RDM所测的介电常数(译者注:明尼苏达州交通局的Kyle Hoegh博士和Shongtao Dai博士在报告"Asphalt Compaction Evaluation using GPR:TH 52 and TH 14 Field Trial"中指出,使用探地雷达技术检测沥青路面时,介电常数越大,表示压实度越高;PaveScan RDM通过这种相关关系得到检测位置的空隙率)、摊铺速度和MOBA Pave-IR系统检测的温度结果绘制而成的图1,可以得到以下结论.

(1)区域1的压实度最高,摊铺速度为9.14 m.min-1,新铺层的温度为135.0℃～148.9 ℃.

(2)区域2的压实度低于区域1,尽管以更慢的速度(3.05～6.10 m.min-1)

介电常数 摊铺速度(ft.min-1) 检测温度(℉)摊铺,新铺层的温度却明显低于区域1.

(3)区域3的压实度最低,摊铺速度接近15.24 m.mi-1,新铺层的温度为121.1 ℃ ～135.0 ℃.

实时压实度、摊铺速度和新铺层的温度数据被证明是施工承包商处理问题和分析结果时极有价值的质量控制工具.

观察结果

参与这次示范计划的10个州中,有8个州至少将压实度提高1%.对11个示范项目(州3实施了2个示范项目)的观察结果总结如下.

综述

每个州被要求至少铺筑两段沥青路面(一条控制段、一条试验段),整个示范计划最终一共铺筑了38段.各州所用的沥青混合料类型、施工设备、施工工艺流程各异,故很难对比不同段落的压实度结果.在示范项目中,每个州(包括交通局和施工承包商)都有权采取他们认为对自己的情况最有利的方法来提高压实度.

沥青混合料的参数与沥青路面的压实度如表3所示.根据《Superpave体积配合比设计标准规范》(AASHTO M 323)的关键控制筛孔,规定当公称最大粒径为9.5 mm的集料通过2.36 mm筛孔的百分比低于47%时,混合料为粗级配;当公称最大粒径为12.5 mm的集料通过2.36 mm筛孔的百分比低于39%时,混合料为粗级配.

级配类型

如前所述,沥青路面的渗透性与压实度有关,也受到级配类型和集料的公称最大粒径的影响.压实度提高1%,对于公称最大粒径更大的粗级配混合料而言意义更大.在示范计划中,有4个州使用了细级配,6个州使用了粗级配.

在大多数情况下,各州的试验段没有试图评估改变集料级配带来的影响,其中的一个原因是很难量化级配的变化.虽然有少数州对混合料做了一些改变,但是无法确定级配变化对压实度的影响.

经验表明,细级配混合料的施工和易性更好,也更容易压实.从表3的数据明显可见,无论使用粗级配还是细级配混合料,都有可能得到良好或者不理想的压实度.基于这些数据,当混合料的空隙率、集料的公称最大粒径和室内击实水平等发生变化时,也许可以通过调整压实过程来获得足够的压实度.很多其他因素--比如混合料的体积属性,对压实度的影响都有可能比集料级配大.

集料的公称最大粒径(NMAS)

由表3可知,一共有4个州使用了NMAS为9.5 mm的集料,7个州使用了NMAS为12.5 mm的集料,1个州使用了NMAS为19.0 mm的集料.

当新铺层厚度不变时,改变NMAS会使t/NMAS的值发生变化,让直接对比两个不同的NMAS变得困难.通常,细级配混合料的t/NMAS的值不应小于3.0,粗级配混合料的t/NMAS的值不应小于4.0.在示范项目中,只有1个州的t/NMAS的值小于3.0;9个州的t/NMAS的值不小于3.0;8个州的t/NMAS的值不小于4.0.

为了检验t/NMAS的值对沥青路面压实度的影响,州3和州4均评价了在相同的摊铺厚度下两种NMAS的影响.两个州分别使用NMAS为12.5 mm的混合料和NMAS为9.5 mm的混合料铺筑了一条路段.州3的结果是:当NMAS为12.5 mm时,平均压实度为94.1%;当NMAS为9.5 mm时,平均压实度为93.8%.压实度的测量结果没有实时压实度、摊铺速度和新铺层的温度数据被证明是施工承包商处理问题和分析结果时极有价值的质量控制工具.

表3 沥青混合料的特性概述及压实度

注:"C"表示控制段,"TS"表示试验段;州3在两条公路上实施了示范项目,故以A、B区分.太大差别.州4的结果是:当NMAS为12.5 mm时,平均压实度为94.1%;当NMAS为9.5 mm时,平均压实度为95.2%.两者相差1.1%.

有的州通过往混合料里面加入更多沥青胶结料来获得更高的压实度,有的则通过增加压实次数来实现.这两种减小现场空隙率的方法对沥青路面的性能会产生不同的影响.需要注意的是,增加沥青会改变混合料的特性,因此,除非室内试验结果证明调整后的混合料符合要求,否则不能在工程中应用.

为了提高最佳沥青用量,有4个州在工程应用中对AASHTO的Superpave混合料设计标准做了调整.这些州将沥青用量提高了0.1%～0.3%.如前所述,调整沥青用量主要通过改变旋转压实标准和空隙率来实现.

州3的旋转压实标准从90次变为60次,结果压实度提高了1.2%.州6把旋转压实从100次减少至50次,与此同时,还将空隙率的设计值从4%降低至3%,对VMA的要求则从15%提高至16%,结果压实度提高了大约2.1%.州3和州6的结果表明:降低实验室内的旋转压实标准可以提高沥青路面的压实度(空隙率更小).

沥青混合料的空隙率设计值也会影响压实度.在同样的级配下,空隙率小的新铺层更容易压实.州4和州5在不显著地改变混合料的其他特性和压实过程的前提下调整空隙率设计值,得到以下结果:州5将空隙率设计值从4.0%降低至3.0%,压实度大约提高2.5%;州4在不改变级配的前提下将空隙率设计值从4.0%降低至3.0%,压实度大约提高1.9%.

以AASHTO的Superpave标准确定在实际施工中调整最佳沥青用量的起始值,发现将沥青用量提高0.3%仍然适宜.如果使用高于AASHTO的Superpave标准推荐的最佳沥青用量,则应该对沥青混合料进行抗车辙、裂缝与水损害等性能测试.如果某个州交通局提高了工程应用中的最佳沥青用量,他们也应该相应地调整对压实度的要求.

现场混合料的特性

评估沥青混合料的设计特性对现场压实的影响,最好基于施工现场所用混合料的特性,因为随机的变化、集料离析及其他在生产过程中出现的问题,都会让沥青混合料的特性与设计状态不同.各州对沥青混合料的设计进行了充分的检验,并且在工程应用中适当地调整,确保现场混合料的生产级配和体积特性符合规范的要求.

摊铺与压实

压路机组合、碾压模式与新技术的应用对压实度的影响如表4所示.已经被证明可以提高平整度和减少离析的物料转运车(MTV),被8个州应用于示范项目中--州1、4、5、6、7、8、9、10至少在其中一条铺筑路段上使用了物料转运车.

由表4可知,在这些示范项目中,有的州仅使用了1台压路机,有的州则多达5台,其间的击实功差异极大.对压实过程的观察结果可以归纳为以下几点.

(1)有2个州对铺筑路段的压实不足10遍;4个州压实10～20遍;其余4个州压实超过20遍.

(2)当项目中使用振动压路机或者振荡压路机时,通常整个压实过程都会使用振动压实或者振荡压实模式;只是在某些情况下,最后一、两遍使用了静碾模式.但是,也有例外--州1的控制段被钢轮压路机压实18遍,全部使用静碾评估沥青混合料的设计特性对现场压实的影响,最好基于施工现场所用混合料的特性,因为随机的变化、集料离析及其他在生产过程中出现的问题,都会让沥青混合料的特性与设计状态不同.

表4 压路机组合、碾压模式与新技术的应用对压实度的影响

续表4

(3)在10个州里面,有6个州采用梯队作业的方式完成初压,1个州使用轮胎式压路机以梯队作业的方式完成复压.

(4)在10个州里面,有5个州使用了轮胎式压路机.应该注意的是,这些使用了轮胎式压路机的示范项目,都没有应用聚合物改性沥青.

和其他州相比,州2、8、9的压实度最低.虽然只使用了1台压路机,但是通过多压实2遍的做法,州2还是成功地把压实度提高了.使用2台压路机的州8追求一致性和更低的空隙率标准偏差,有效地将规范中的压实度最低值提高了1%.州9使用了1台振动压路机和1台振荡压路机,但是压实遍数与其他州相比少得多.它也是惟一一个未能在试验段上取得更高压实度的州.实际上,该州压实试验段的次数比控制段更少.不出所料,压实总量极大地影响了压实度.

州1、3、4的结果表明,额外增加1台压路机对于提高压实度也有裨益.州1在试验段上增加了1台轮胎式压路机,使压实度明显地提高了.但是,仅使用钢轮压路机无法得到更高的压实度.

除了增加1台压路机,还有好多其他办法同样可以提高压实度,比如调整压路机的振动与行进速度、新铺层的温度、振动熨平板以及摊铺机的行驶速度等.这些做法可能比增加1台压路机的成本还低.

在摊铺与压实的过程中出现的设备故障或者操作不当问题多得有点出人意料--州1、4、8、9、10均遇到了设备方面的问题.在这些示范项目中,设备问题成了妨碍它们取得更高压实度的一道障碍.因此,各州交通局需要制定一个质量控制方案,在开始摊铺之前确保压实设备可以正常运转.

纵向接缝

沥青路面的纵向接缝是否能被很好地压实,对于获得良好的路面性能而言非常重要.在一些示范项目中,1台压路机主要集中于对接缝的压实;有的示范项目则应用了密封材料--在摊铺相邻的车道之前,打开卷状的沥青密封胶条,将其置于上一条铺好的车道的自由边上;还有的示范项目使用了接缝加热器.本次研究没有对上面几种接缝处理方法的效果进行评估.

密度测量与报告

在压实的过程中,现场空隙率是表征压实效果的重要指标.以"理论最大密度的百分比"的形式表示压实度,可以直接提供混合料被压实之后的空隙率,其他方法只能间接地得到空隙率,在某些情况下结果具有误导性.

续表

注:"C"表示控制段,"TS"表示试验段;州3在两条公路上实施了示范项目,故以A、B区分.

现场验收标准

在一个项目上采集多少压实度数据,取决于各州交通局的规范.以下为基于这些规范对示范项目的观察结果.

(1)施工承包商的任务是以低价竞标,并且保证施工质量符合规范的要求.州1和州2直接向施工承包商提出了希望提高压实度的要求;有些州则提高了规范中对压实度的最低要求,施工承包商则通过调整压实方法,轻而易举地让结果符合规范的要求.

(2)PWL(译者注:Percent Within Limits,即限定范围内的百分比,在1970年代,美国新泽西州交通局首次使用了这种方法.根据美国国家公路合作研究计划的统计数据,在2005年的一次研究涉及的45个州中,有27个使用PWL方法评估道路的施工质量,并且据此向承包商支付费用)作为验收标准,相对于最小批量平均数(Minimum Lot Average)的优势在于一致性.判定一致性的空隙率标准偏差也被包含在规范里.州7和州8的结果表明,将空隙率标准偏差降低至1.0以下是有可能的.

(3)在规范中加入奖励措施有利于获得更高的压实度.在示范项目中,州1、3、5、6、7、8、10使用了奖励措施.

(4)只有4个州(州1、5、7、9)规定了压实度的最大值或规范上限值.

新技术

在这次示范计划中,WMA、MOBA Pave-IR、RDM和智能压实技术的应用情况如下.

(1)在参与示范计划的10个州里,有6个州使用了WMA.

(2)有3个州使用了MOBA Pave-IR沥青摊铺红外检测系统.

(3)有3个州使用了智能压实技术.

(4)有2个州使用了RDM密度仪.

上述新技术都展示了它们的前景.虽然这些新技术被应用于某些示范项目中,数据也被成功地收集,但是在绝大部分情况下,各州都没有进行数据分析--尤其是实时的.大部分新技术具有改善大型项目施工质量的潜力,不过在示范项目的小规模应用就不怎么有效了.

虽然应用新技术没能给示范项目的摊铺与压实带来太大的改观,但是施工承包商可以得到更多的检测结果,也能更好地对现场的材料进行量化.总而言之,这些新技术是非常好的质量控制工具,但是用于验收则要小心.

结语

示范项目表明了可以获得更高的沥青路面压实度.在参与示范计划的10个州里,有8个州将压实度提高了至少1%,所用方法归纳如下.

(1)改进州交通局的规范,加入激励机制,审查对压实度的最低要求.各州使用的压路机数量有明显的区别--有的州只使用1台压路机,有的州则多达4或5台;每台压路机的碾压遍数也相去甚远.这与各州交通局的要求有很大的关系.一些州取得的理论最大密度压实度高达95.0%～96.0%,有的州却低至90.0%～91.0%.压路机数量和振动压实的遍数越少,通常会导致压实度越低;使用的压路机数量越多,则有更好的结果.

(2)在工程应用中调整沥青混合料设计,使最佳沥青用量稍微增大,可以获得更高的压实度.在配合比设计中减少旋转压实次数,也能收此功效.保证设计和生产的沥青混合料具有良好的性能,并且大部分新技术具有改善大型项目施工质量的潜力,不过在示范项目的小规模应用就不怎么有效了.

在施工现场得到充分的压实,这一点很重要.不能只是出于提高压实效果的目的而添加额外的沥青,因为混合料的特性也会随之发生变化.只有当室内试验的结果符合要求时,才可以使用经过调整的混合料.

(3)温度、摊铺机速度、碾压模式等因素的一致性,会对压实度产生极大的影响.州7和州8收集的信息表明,低于1.0的空隙率标准偏差可以通过例行程序获得.

(4)遵循最佳做法很重要.在参与示范计划的10个州里,有多个州的控制段的结果优于人们预期的全州范围内的平均值.换言之,各州的压实度改善状况有可能比这份报告记录的还要好.在这次示范计划中,许多铺筑路段的规模都很小.受到沥青混合料生产率的限制,有些州降低了摊铺机和压路机的速度,这种慢速铺筑可能帮助它们取得了良好的压实效果.因此,当沥青搅拌站满负荷生产时,一些州的压实度可能会降低.最后,还应该指出的是,尽管各州做了不少尝试,一定还有很多其他最佳做法起作用.除了额外地增加1台压路机,调整压路机的振动与行驶速度、新铺层的温度、振动熨平板及摊铺机的速度等也值得一试--它们可能比多使用1台压路机的成本还低.

(5)示范项目中使用的WMA、MOBA Pave-IR、RDM与智能压实技术表明,使用新技术有助于提高沥青路面的压实度.