瀝青混合料降噪特性多因素影響規(guī)律研究

摘要：為了解瀝青混合料降噪特性的影響因素，文章采用駐波管法進行了不同因素試件的吸聲系數(shù)測試評價，研究了吸聲系數(shù)與入射聲能頻率關(guān)系譜圖以及吸聲峰值變化，對比了結(jié)合料類型、級配類型以及空隙率等因素對瀝青混合料降噪性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：級配類型是瀝青混合料降噪特性的主要影響因素，PAC-13吸聲系數(shù)較SMA-13混合料高20%，較AC-13混合料高約140%；瀝青結(jié)合料性能對其混合料吸聲系數(shù)性能影響程度排序為膠粉復(fù)合改性高黏瀝青gt;橡膠瀝青gt;TPS高黏瀝青gt;SBS改性瀝青；輪胎膠粉的摻入可顯著提高瀝青混合料路面的降噪性能；瀝青混合料降噪特性與空隙率呈正比，當(dāng)混合料空隙率＞20%時，其吸聲系數(shù)＞0.7，入射聲能多頻率下的吸聲系數(shù)峰值與其空隙率呈線性增長關(guān)系。

關(guān)鍵詞：降噪；吸聲系數(shù)；高黏瀝青；排水瀝青混合料

中文分類號：U416.03A230724

0引言

路面表層作為路面降噪的主要功能層，其路面-輪胎噪音的控制水平直接影響道路使用者的行車舒適性。影響路面表層瀝青混合料降噪水平的主要因素為瀝青結(jié)合料類型、混合料級配類型及空隙率狀態(tài)。瀝青結(jié)合料類型也對混合料的阻尼比和路面構(gòu)造深度有影響，從而使得路面吸收振動和沖擊性能發(fā)生改變。已有研究采用駐波管法按1/3倍頻測試，發(fā)現(xiàn)采用高阻尼的高黏瀝青等結(jié)合料的混合料吸聲效果顯著優(yōu)于普通石油瀝青混合料［1-2］?；旌狭霞壟漕愋秃涂紫督Y(jié)構(gòu)對混合料降噪吸音特性影響顯著，不同級配和空隙率影響混合料的孔隙結(jié)構(gòu)和表面紋理狀態(tài)。孔隙結(jié)構(gòu)為輪胎與路面間高壓空氣提供消散通道，表面紋理構(gòu)造充當(dāng)空氣流通通道，降低氣壓，減弱泵吸、空氣共振和喇叭效應(yīng)等噪聲的產(chǎn)生機制，具有吸收、降低輪胎滾動噪音的作用。不同級配類型的瀝青混合料降噪水平差為3～6 dB［3-4］。

常用的瀝青膠結(jié)料有高黏瀝青、橡膠瀝青、SBS改性瀝青等多個類型。不同瀝青膠結(jié)料具有不同的阻尼特性，對瀝青混合料降噪性能的影響也不同。瀝青混合料級配設(shè)計差異較大，其級配由密級配到開級配，孔隙狀態(tài)及表面紋理存在較大區(qū)別，路面表層瀝青路面采用的主要級配類型為密級配瀝青混凝土AC、瀝青瑪蹄脂碎石SMA、開級配排水瀝青混合料PAC等。密級配瀝青混合料的級配基本穩(wěn)定在4%左右，而開級配瀝青混合料的孔隙率為17%～25%，波動較大。本文針對以上多個因素的變化范圍開展試驗研究，采用駐波管法進行了吸聲系數(shù)測試評價，研究了吸聲系數(shù)與入射聲能頻率關(guān)系譜圖以及吸聲峰值變化，分析瀝青混合料降噪特性的影響因素及規(guī)律。

1試驗

1.1降噪性能評價方法

混響室法和駐波管法是測試瀝青混合料吸聲量的主要方法，但由于混響室法消聲室投入大、對樣品的制備要求高、測量過程中構(gòu)件的側(cè)向傳聲導(dǎo)致測量誤差大等問題，在對瀝青混合料進行降噪性能測試時應(yīng)用較少。通常采用簡單方便、受外界因素影響小、測試空間較小、測試成本低的駐波管法，測試瀝青混合料吸聲系數(shù)以評價混合料噪音。測試材料表面沿管軸交替出現(xiàn)聲壓極大值和極小值，二者的比值即是測試材料的垂直入射吸聲系數(shù)［5-7］。現(xiàn)有研究對于瀝青混合料吸收聲波能力的大小通常用吸聲系數(shù)表征，即吸收聲能與入射聲能之間的比值，常用的測試方法包括駐波比法和傳遞函數(shù)法［8-9］。因此，對于瀝青混合料降噪性能，采用駐波管法進行吸聲系數(shù)評價是可行的。

1.2試驗設(shè)備

采用SW422駐波管，其內(nèi)徑為100 mm，入射管及透射管長為750 mm。駐波管安裝6個傳聲器，通過兩個傳聲器之間的距離以及與樣品之間的距離可測量60～1 800 Hz下的樣品的隔聲量［10］。采用駐波管法來測定材料的垂直入射吸聲系數(shù)，測試方法參照駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范（GBJ88-85）。

1.3試驗方案設(shè)計

混合料降噪性能的對比應(yīng)考慮混合料級配類型、結(jié)合料類型及空隙率。方案設(shè)計中，采用密級配AC-13、SMA-13及開級配PAC-13三種級配類型，并采用TPS高黏瀝青、橡膠瀝青、SBS改性瀝青、膠粉復(fù)合改性高黏瀝青四種瀝青進行性能設(shè)計，對于復(fù)合改性瀝青混合料變化4.75 mm通過率，實現(xiàn)空隙率及連通孔隙率的變化。詳見表1。

1.4原材料及試件制備

根據(jù)以上試驗方案內(nèi)容及組數(shù)，共設(shè)置10組對比方案。試驗中制備10種瀝青混合料，分別是SBS改性瀝青（AC-13、SMA-13、PAC-13）、TPS高黏瀝青PAC-13、橡膠瀝青PAC-13、膠粉復(fù)合改性高黏瀝青PAC-13（空隙率分別為17%～22%，共5組）。

試驗采用的橡膠瀝青為廣西交科新材料有限公司的工廠化瀝青（膠粉摻量為20%）；SBS改性瀝青為殼牌I-D瀝青。膠粉復(fù)合改性高黏瀝青采用15%的工廠化橡膠瀝青+8%高黏劑，其軟化點為94 ℃，60 ℃動力黏度為10.99 Pa·s。SBS改性瀝青PAC-13瀝青混合料中摻加2‰聚酯纖維，SMA-13摻加3‰木質(zhì)素纖維，其他PAC-13混合料均不摻加纖維。集料采用百色田東產(chǎn)輝綠巖，填料采用普通石灰?guī)r礦粉。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）確定瀝青混合料的最佳瀝青用量。典型瀝青混合料級配如表2所示。

試件制作方法：室內(nèi)擊實成型標準馬歇爾試件，經(jīng)切割加工制備成100 mm×50 mm的圓柱試件。

1.5試件基本參數(shù)測試

對成型的試件進行空隙率及連通孔隙率測試，相關(guān)參數(shù)的計算如式（1）、式（2）所示，試件基本參數(shù)如表3所示。

V0=ρt－ρsρt×100（1）

V1=V－（ma－mw）V×100（2）

式中：V0——混合料內(nèi)部空隙率（%）；

ρt——混合料最大理論相對密度；

mw——試件的水中重（g）；

V1——混合料內(nèi)部連通孔隙率（%）。

2級配類型對混合料降噪性能的影響

對比AC-13、SMA-13、PAC-13級配類型瀝青混合料吸聲系數(shù)與入射聲能頻率的關(guān)系，試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，試件的吸聲系數(shù)隨著入射聲能頻率的增加，呈先增大后減少的趨勢。故在一定汽車行駛條件下，噪音與汽車行駛速度是非正相關(guān)關(guān)系。頻率的變化表征聲能振動速度。在固定條件下，車輛在路面上的行駛速度越快，聲能振動頻率越高。汽車產(chǎn)生的噪聲頻率一般在1 200 Hz以下，在不同車輛行駛速度條件下，寬峰值頻率的路面降噪效果越好。級配類型對混合料降噪性能的影響較為顯著，排水瀝青混合料（TP）的吸聲系數(shù)峰值頻率寬度范圍最大。

從圖2不同級配類型瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值對比可知，試件TP的吸聲系數(shù)峰值0.43gt;SMA的吸聲系數(shù)峰值0.36gt;AC吸聲系數(shù)峰值0.18。測試結(jié)果表明，PAC-13空隙率達20%，其降噪效果最優(yōu)，最大吸聲系數(shù)高出SMA-13混合料20%，高出AC-13混合料近140%。可見，空隙率是瀝青混合料降噪性能的影響因素。AC-13吸聲系數(shù)顯著低于SMA-13，而SMA-13的空隙率略低于AC-13，其原因可能為SMA-13瑪蹄脂膠漿相對高的阻尼狀態(tài)（高油膜厚度及高油石比）以及表面構(gòu)造深度略大。

3結(jié)合料類型對混合料降噪性能的影響

采用相同級配對比分析SBS改性瀝青、TPS高黏瀝青、橡膠瀝青、膠粉復(fù)合改性高黏瀝青等不同結(jié)合料類型下PAC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)與入射聲能頻率關(guān)系，試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖4可知，PAC瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值的大小順序為：AT4gt;ARgt;TPgt;SX。相同級配類型下，試件AT4（膠粉復(fù)合改性高黏瀝青）與AR（橡膠瀝青）吸聲系數(shù)峰值較大，試件TP（TPS高黏瀝青）略大于SX（SBS改性瀝青）。試驗結(jié)果表明，排水瀝青混合料中瀝青結(jié)合料對其吸聲系數(shù)性能影響較大，其影響程度為：膠粉復(fù)合改性高黏瀝青gt;橡膠瀝青gt;TPS高黏瀝青gt;SBS改性瀝青。

分析其原因，輪胎膠粉的摻入可顯著提高排水路面的降噪性能，主要是因為膠粉顆粒的阻尼及高彈特性，提高了混合料吸收振動和抗瞬間沖擊的能力。在四種膠結(jié)料類型中，膠粉復(fù)合改性高黏瀝青試件的吸聲系數(shù)峰值最大。因為膠粉復(fù)合改性高黏瀝青中膠粉顆粒與高黏劑形成更加均勻的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒裂解及分散性優(yōu)于橡膠瀝青，加之高黏劑的復(fù)合混溶改性作用，增加了其對聲波的粘滯吸收作用，從而顯著提升其瀝青混合料的吸聲效果［11］。TPS高黏瀝青PAC-13試件大于同等條件下的SBS改性瀝青，這說明瀝青結(jié)合料的粘彈狀態(tài)和阻尼特性對吸聲系數(shù)影響顯著。

4空隙率指標對混合料降噪性能的影響

在相同級配下，通過油石比變化得到不同空隙率（17%～22%）的多孔瀝青混合料試件（AT1～AT5），其空隙率及連通孔隙率指標見圖5，其試件聲能吸收特性試驗結(jié)果見圖6。

由圖6可見，隨著空隙率的變化，不同空隙率PAC-13吸聲系數(shù)峰值、峰值頻率及幅寬也存在差異。其吸聲系數(shù)峰值為0.4～0.72，頻率為450～650 Hz?？梢姡障堵蕦r青混合料的吸聲性能影響較大。在設(shè)計瀝青混合料時，應(yīng)通過對其吸聲頻率和吸聲系數(shù)等吸聲性能要求，設(shè)置合理的空隙率范圍。

由圖7可知，PAC-13瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值隨著空隙率增加而提高，空隙率＞20%時，混合料吸聲系數(shù)＞0.7，具有較高的吸聲效果。吸聲系數(shù)峰值與空隙率存在一定的相關(guān)性（見圖8）。

由圖8可知，PAC-13瀝青混合料的空隙率擬合呈線性關(guān)系。在瀝青結(jié)合料不變的情況下，混合料吸聲系數(shù)與空隙率呈線性關(guān)系，而與連通孔隙率的規(guī)律性相對不顯著，可能與試驗誤差有關(guān)。

5結(jié)語

針對瀝青混合料進行多因素吸聲性能影響評價，可得出結(jié)論如下：

（1）PAC-13吸聲系數(shù)高于SMA-13混合料20%，高于AC-13近140%，吸聲效果最好。SMA-13較AC-13吸聲效果顯著提高的原因可能為瑪蹄脂膠漿相對高的阻尼狀態(tài)（高油膜厚度及高油石比）以及表面構(gòu)造深度略大。

（2）瀝青結(jié)合料性能對其混合料吸聲系數(shù)性能影響較大，其影響程度排序為膠粉復(fù)合改性高黏瀝青gt;橡膠瀝青gt;TPS高黏瀝青gt;SBS改性瀝青。輪胎膠粉的摻入可顯著提高瀝青混合料的降噪性能。

（3）瀝青混合料吸聲系數(shù)峰值隨著空隙率增加而提高，空隙率＞20%時，混合料吸聲系數(shù)＞0.7，具有較高的吸聲效果，瀝青混合料吸聲系數(shù)與空隙率呈線性關(guān)系。在設(shè)計瀝青混合料時，應(yīng)根據(jù)其吸聲頻率和吸聲系數(shù)等吸聲性能要求，設(shè)置合理的空隙率范圍。

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基金項目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“基于功能定向開發(fā)的橡膠瀝青排水路面技術(shù)研究”（編號：2024KY1205）

作者簡介：宋柳（1986—），碩士，高級工程師，副教授，主要從事路橋方面教學(xué)及科研工作。