橡膠粉/芳烴油改性瀝青對高速路面的降噪與吸聲性能試驗

馬輝

摘 要：針對傳統(tǒng)瀝青路面車輛行駛噪音大的問題，提出SBS協(xié)同橡膠對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性。試驗以改性瀝青綜合性能和路用性能為指標(biāo)，研究了改性瀝青在高速公路的實際應(yīng)用性。結(jié)果表明，芳烴油在橡膠瀝青體系中起穩(wěn)定作用，增強SBS與橡膠粉在瀝青體系內(nèi)的相容性，進(jìn)而提升橡膠瀝青的綜合性能。橡膠改性瀝青最佳配比：6%橡膠粉，2%SBS和7%芳烴油，在此條件下橡膠瀝青的綜合性能表現(xiàn)良好。將該橡膠改性瀝青用于高速公路鋪設(shè)時，路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差平均值約為0.47 mm，測點基本不透水，構(gòu)造深度約為0.73 mm，較普通瀝青路面噪音降低了約5%，表現(xiàn)出良好路用性能。

關(guān)鍵詞：橡膠改性瀝青；降噪性能；路用性能；高速公路瀝青路面

中圖分類號：TQ333.99；U414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0017-05

Study on noise reduction andacoustic absorption performance of rubber powder/aromatic oil modified asphalt onexpresswaypavement

MA Hui

（Heze Trading Investment Expressway Co.，Lid.，Heze 274000，Shandong China

）

Abstract：Aiming at the problems of loud driving noise of traditional asphalt pavement，SBS cooperated rubbermodifiedbase asphaltwas proposed.The comprehensive performance of modified asphalt and road performance were taken as the index，and the practical applicability of modified asphalt in highways was studied.The test results showed that aromatic oil playeda stabilizing role in the rubber asphalt system，enhancedthe compatibility of SBS and rubber powder in the asphalt system，and thus improvedthe comprehensive performance of rubber asphalt.The optimal ratio of rubber modified asphalt was 6% rubber powder，2%SBS and 7% aromatic oil，under this condition the comprehensive performance of rubber asphalt was good.When the rubber modified asphalt was used for expressway pavement，the average standard deviation of pavement flatness was about 0.47 mm，the measuring point was basically impermeable，and the construction depth was about 0.73 mm，which reducedthe noise by about 5% compared with ordinary asphalt pavement，showing good road performance.

Key words：rubber modified asphalt;noise reduction performance;road performance;asphalt pavement of expressway

瀝青是現(xiàn)代高速公路常用的路面鋪設(shè)材料，具有行車舒適性和水穩(wěn)定性表現(xiàn)良好的特點。但普通的瀝青路面存在溫度穩(wěn)定性差，耐久性差的問題，因此需要對瀝青路面進(jìn)行改性優(yōu)化。對此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如針對瀝青路面的裂縫病害問題建立形態(tài)特征關(guān)聯(lián)，通過改變?yōu)r青路面的養(yǎng)護(hù)方式降低裂縫病害現(xiàn)象［1］；從養(yǎng)護(hù)時機和養(yǎng)護(hù)方式出發(fā)，提出對高速公路瀝青路面進(jìn)行預(yù)防養(yǎng)護(hù)處理，進(jìn)而提升高速公路瀝青路面的使用壽命［2］。還有主要研究了瀝青路面的抗滑性能影響因素［3］，采用高彈嵌段共聚物對瀝青進(jìn)行改性，從瀝青本身出發(fā)，提升瀝青的性能［4-5］。基于此，本實驗參考部分學(xué)者的方法［6］，制備了一種用于高速公路的橡膠瀝青。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：基質(zhì)瀝青（A級）， 匯杰新材料；橡膠粉（標(biāo)準(zhǔn)品），矚坤新材料；SBS（AR），中來化工；芳烴油（AR），欣久橡膠助劑；石灰?guī)r機制砂（I級）， 浙創(chuàng)化工；碎石（I級），縣嘉碩建材；礦粉（塑性指數(shù)2.6%），勝明礦產(chǎn)品；改性劑（AR），泛亞新材料。

主要設(shè)備：BL-6172型密煉機（昶豐機械）；UTL-1000型高速剪切機（艾卡儀器）；SYD-2801C型針入度測試儀（盈諾精密儀器）；阻抗管聲學(xué)材料測量系統(tǒng)（聲科聲學(xué)技術(shù)）；SU3800型掃描電鏡（天耀科技）；SY-1.5C型低溫延度儀（儀偉儀器）；XDA-300A型軟化點測試儀（金和儀器）；BYC200-ZY型噪音分貝測試儀（博云創(chuàng)環(huán)境科技）。

1.2 試驗方法

1.2.1 橡膠改性瀝青的制備

（1）按照配比將橡膠粉和SBS依次放入BL-6172型密煉機中進(jìn)行混煉，混煉溫度、轉(zhuǎn)速和時間分別為175 ℃、40 r/min和5 min，混煉結(jié)束后得到共混物；

（2）將基質(zhì)瀝青與芳烴油按照一定的比例進(jìn)行混合，在加熱狀態(tài)下不斷攪拌，攪拌溫度為175 ℃。待基質(zhì)瀝青與芳烴油混合均勻后，按照一定比例加入橡膠粉與SBS的共混物，在UTL-1000型高速剪切機的作用下4 000 r/min混合2 h，得到橡膠改性瀝青。具體配比見表1。

1.2.2 吸聲性能試驗

通過阻抗管聲學(xué)材料測量系統(tǒng)在30～2 000 Hz內(nèi)測定吸聲系數(shù)。

（1）將被測材料置于阻抗管中間，然后將厚度為2 mm的鋼板作為剛性末端緊貼材料后側(cè)放置；

（2）用堵頭將未用的傳聲器孔堵住，避免在試驗過程中出現(xiàn)漏聲的現(xiàn)象；

（3）打開測量系統(tǒng)開始傳聲，待聲波開始穩(wěn)定傳輸后，對受聲管一側(cè)2個傳聲器接收到的聲場聲壓進(jìn)行測定。在測定時需要注意，試驗受聲管測量位置需要隨試驗頻率的改變而改變。當(dāng)頻率為30～280 Hz時，測量位置為1#、3#位;當(dāng)頻率為280～2 000 Hz時，測量位置為2#、3#位。調(diào)換傳聲器位置測量1次。

吸聲系數(shù)表達(dá)式［7］：

∝=1-（H12-HiHr-H12e-2jkx1）2（1）

式中：∝為吸聲系數(shù)；Hr、Hi、H12分別為反射波、入射波、總聲場傳遞函數(shù)；k為復(fù)波數(shù)。

（4）正交試驗：設(shè)計3因素4水平的正交試驗，因素水平設(shè)計見表2。

1.3 綜合測試

1.3.1 微觀結(jié)構(gòu)

通過SU3800型掃描電鏡對材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由于本試驗制備的瀝青難以直接通過掃描電鏡觀察，因此需要先將瀝青通過液氮中脆斷，分析斷面微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.2 低溫延度測試

通過低溫延度儀測試材料的低溫延度。

1.3.3 針入度測試

通過針入度測試儀測試PI值，表征瀝青的溫度敏感性。

1.3.4 軟化點測試

通過軟化點測試儀測試材料的軟化點。

1.3.5 彈性恢復(fù)測試

參照J(rèn)TG E20—2011［8］，對瀝青彈性恢復(fù)性能進(jìn)行測試。

1.3.6 降噪性能測試

通過BYC200-ZY型噪音分貝測試儀對橡膠瀝青路面降噪性能進(jìn)行測試。

1.4 實際工程應(yīng)用

參照J(rèn)TG F40—2004要求，對橡膠改性瀝青材料配合比進(jìn)行設(shè)計［9-10］。以某高速公路為試驗對象，研究改性瀝青的路用性能。

瀝青混合料的現(xiàn)場制備及應(yīng)用：

（1）集料拌合。拌合參數(shù)為：拌合量含量為滿負(fù)荷75%，出料質(zhì)量為2.5 T，瀝青罐溫度儀表設(shè)置

溫度為超過室內(nèi)溫度15 ℃，拌合溫度約為175～185 ℃。

（2）攤鋪要求。

由于高速公路特殊的通行需求，若施工接縫處理不當(dāng)，易導(dǎo)致早期路面病害，進(jìn)而導(dǎo)致安全隱患。因此在進(jìn)行路面鋪設(shè)時，采用半幅連續(xù)攤鋪的方式，以此減少施工縫的存在。再攤鋪的過程中，為了避免溫度過高出現(xiàn)搭接位置拉鉤，或者鋪攤速率過快導(dǎo)致因鋪機振力不足出現(xiàn)麻面或壓實度不足的現(xiàn)象，因此對鋪設(shè)參數(shù)設(shè)置為：慰平板預(yù)熱溫度和時間分別為100 ℃和60 min，振動夯錘振動等級為III級，攤鋪速度為2～3 m/min。

（3）碾壓。下層鋪設(shè)主要起承重作用，因此選擇的瀝青混合料較粗，且壓實度較高。而上層鋪設(shè)則需要考慮路面行駛舒適性與吸噪性，因此需要選擇較細(xì)的瀝青混合料，按照微振和靜壓的方式進(jìn)行碾壓。待路面瀝青完全干燥投入使用后，對其路面性能進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性瀝青基本性能

2.1.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

由于常態(tài)瀝青難以直接置于顯微鏡下觀察，因此需要先將瀝青材料置于液氮中脆斷，然后對其斷面進(jìn)行掃描分析。可以觀察到，單獨橡膠粉的結(jié)構(gòu)為明顯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)對噪音的吸收的產(chǎn)生積極的作用［11］。當(dāng)SBS改性瀝青與橡膠粉混合后，在芳烴油的穩(wěn)定作用下，橡膠粉和SBS均會發(fā)生一定的溶脹反應(yīng)，這在一定程度上提升了橡膠粉，SBS和基質(zhì)瀝青的相容性，進(jìn)而提升了橡膠瀝青的綜合性能［12］。

2.1.2 常用指標(biāo)分析

表3為瀝青基本性能指標(biāo)測試結(jié)果。

由表3可知，摻橡膠粉和SBS均對瀝青的針入度產(chǎn)生不良影響。觀察表3中PI值變化可以發(fā)現(xiàn)，加入芳烴油和橡膠粉后，PI值有一定下降；但摻入SBS后，PI值開始回升，這說明SBS能有效改善瀝青溫度敏感性。

同時還觀察到，芳烴油加入后，軟化點提升，但提升幅度不大，繼續(xù)加入9%的膠粉后，軟化點繼續(xù)提升，較基準(zhǔn)瀝青提高了約8.8%，再次加入9%的SBS后，軟化點較基準(zhǔn)瀝青增加了75%。這說明橡膠粉和SBS均對瀝青的高溫性能有提高作用；但SBS的提高效果更好，通過SBS改性的瀝青具備更好的抵抗高溫變形能力。

SBS和橡膠粉對瀝青的低溫延度有較好的改善效果，證明摻入橡膠粉和SBS后，瀝青低溫抗裂性能得到較大的提升。

單加橡膠粉和SBS，改性瀝青彈性恢復(fù)率差別較大。SBS改性瀝青彈性恢復(fù)率明顯高于橡膠改性瀝青。這說明SBS對彈性恢復(fù)率提升作用較好。而復(fù)摻橡膠粉與SBS后，彈性恢復(fù)的差距在慢慢的減小，甚至與單摻SBS的彈性恢復(fù)無異，這說明SBS與橡膠產(chǎn)生了協(xié)同作用，在一定程度上修復(fù)了橡膠提升彈性恢復(fù)的不足。而摻入一定量的橡膠在成本和環(huán)境污染處理問題方面均有較好的作用，這說明橡膠粉替代部分SBS是可行的。

2.2 正交試驗結(jié)果

表4為正交試驗結(jié)果。

由表4可知，A因素的極差值最大，C因素極差值居中，B因素極值最小，這說明對橡膠瀝青吸聲系數(shù)影響最大的因素是橡膠粉含量，其次是芳烴油含量，最后是SBS含量。極差分析結(jié)果表明，橡膠瀝青的最優(yōu)配比為A2B3C2，即在該因素條件下，橡膠瀝青對噪音的吸聲效果最好。但分析可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)水平組合并未完全在試驗研究的具體變量試驗組中，也就是說，該組合在部分試驗中無法體現(xiàn)，還需要進(jìn)行細(xì)化分析。從試驗變量指標(biāo)與經(jīng)濟性角度進(jìn)行考慮，將最優(yōu)組合調(diào)整為A2B1C2，此時，橡膠粉摻量為6%，SBS摻量為2%，芳烴油摻量為7%。

2.3 基礎(chǔ)性能測試結(jié)果

表5為路用性能測試結(jié)果。

由表5數(shù)據(jù)可知，瀝青路面的厚度與壓實度均滿足相關(guān)要求，對測點進(jìn)行滲水性能測試，測點基本不透水，表現(xiàn)出良好的路面平整度和良好的密水性能［13-21］。試驗路段構(gòu)造深度約為0.73 mm，抗滑性能表現(xiàn)良好。

2.4 噪音測試結(jié)果

由于高速公路的通行特性，因此以重型卡車和小轎車為代表，測試不同車型在 100 km/h的車速下的噪音情況，結(jié)果見表6。

由表6可知，橡膠瀝青路面的噪音明顯降低，較普通瀝青路面噪音降低了5%左右，表現(xiàn)出良好的降噪性能［22-29］。

3 結(jié)語

（1）微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果表明，橡膠粉的結(jié)構(gòu)為均勻的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)對提升瀝青吸聲系數(shù)有積極作用;

（2）在改性瀝青中，SBS和橡膠粉對溫度敏感、抵抗高溫變形、低溫抗裂性能和彈性恢復(fù)性能均有很好的提升作用;

（3）橡膠粉慘量為6%，SBS摻量為2%，芳烴油摻量為7%，此配比的橡膠瀝青吸聲系數(shù)最高，且具備良好的經(jīng)濟效益;

（4）將制備的橡膠瀝青用于高速公路的鋪設(shè)，結(jié)果表明：瀝青路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差平均值約為0.47 mm，測點基本不透水，構(gòu)造深度約為0.73 mm，表現(xiàn)出良好的平整性、密水性和抗滑性能;

（5）防噪性能測試結(jié)果：橡膠瀝青路面較普通瀝青路面噪音降低了約5%，表現(xiàn)出良好的降噪性能。

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