多孔橡膠改性瀝青混合料吸聲特性與應(yīng)用研究

張 娟

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006)

多孔橡膠改性瀝青混合料吸聲特性與應(yīng)用研究

張 娟

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006)

通過室內(nèi)試驗對廢舊橡膠改性瀝青混合料吸聲特性進行了研究。室內(nèi)試驗表明：8.0%的瀝青摻入量是橡膠瀝青混合料的最佳瀝青用量值；橡膠改性瀝青混合料的吸聲性能隨著試件厚度增加而增加；橡膠改性瀝青混合料的孔隙越多，表面越粗糙，吸聲性能越好；考慮經(jīng)濟效益，建議取橡膠粉的摻入量為15%。工程實例表明橡膠改性瀝青降噪路面具有良好的降噪效果，其降噪性能平均比SUP與AC路面降低了約3 dB，比SMA路面降低了1.5 dB，降噪效果優(yōu)異。

廢舊橡膠；改性瀝青混合料；吸聲特性；工程實例

噪聲污染給人們的生活質(zhì)量與健康帶來不利的影響[1]。將磨成粉末狀的廢舊橡膠瀝青按一定比例加入瀝青混合料中，不僅能夠提高瀝青混合料的抗低溫等力學(xué)性能[2-3]，而且廢舊橡膠改性瀝青混合料具有良好的降噪性能，其降噪吸聲的途徑分為共振與多孔吸聲。瀝青混合料的孔隙率越大，路面面層便會存在越多的連通孔隙來吸收輪胎與路面產(chǎn)生的噪聲；共振吸聲是指當橡膠改性瀝青路面結(jié)構(gòu)中固有頻率與聲波頻率相同時，瀝青混合料孔隙中的空氣會由于共振而產(chǎn)生強烈的振動，孔隙中的空氣在振動過程中會與孔隙側(cè)壁產(chǎn)生摩擦而吸收聲能[4-7]。另一方面，橡膠的摻入提高了瀝青混合料的彈性性能，在行車荷載等交變應(yīng)力的作用下，混合料間的相互摩擦將會消耗聲能，而分子間的相互運動亦會將吸收到的聲能與機械能轉(zhuǎn)化為熱能[8]。

為了研究廢舊橡膠改性瀝青混合料的吸聲性能及在工程中的應(yīng)用降噪效果，本文通過駐波管對橡膠改性瀝青混合料進了吸聲特性室內(nèi)試驗，并以未加橡膠的普通瀝青混合料作為對照組。通過室內(nèi)試驗對橡膠改性瀝青混合料吸聲特性的影響因素進行了研究。同時，通過工程應(yīng)用，評價和分析了橡膠改性瀝青路面的降噪性能，為降噪路面的研究和應(yīng)用提供參考。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

(1) 瀝青：室內(nèi)試驗采用重交AH-90瀝青，對瀝青進行相應(yīng)的性能指標檢測，結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青的性能指標

(2) 集料：集料的相關(guān)性能指標均滿足相應(yīng)的規(guī)范標準[9]。礦粉采用石灰?guī)r并磨細，選用玄武巖作為試驗用集料。

(3) 橡膠粉：室內(nèi)試驗采用廢舊橡膠粉，品種為路40-2，其顆粒粒徑0.42 mm，測得試驗所用廢舊橡膠纖維含量均大于3%，其化學(xué)成分如表2所示。

表2 橡膠粉的化學(xué)成分

(4) 抗剝落劑：室內(nèi)試驗所采用的抗剝落劑為海螺CONCH牌P.O32.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3.100 g/cm3。

1.2 配合比設(shè)計

(1) 橡膠粉的摻入量。日本以瀝青在60℃時的黏度作為決定降噪瀝青混合料的關(guān)鍵值，即當橡膠改性瀝青混合料的空隙率相同時，瀝青在60℃時的黏度越高，橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性及高低溫穩(wěn)定性越好[10]。我國遵循日本所規(guī)定的標準，對改性瀝青在60℃時的黏度要求不小于20 000 Pa·s[11]。

分別取橡膠粉的摻入量為0%、12%、15%、18%、21%，對不同橡膠粉摻入量的橡膠改性瀝青進行相關(guān)指標的試驗檢測，可得如表3所示試驗結(jié)果。

表3 橡膠改性瀝青在不同橡膠摻入量下的試驗結(jié)果

由表3可知，當橡膠粉的摻入量達到15%后，橡膠改性瀝青在60℃時的黏度為20 600 Pa·s，其值已經(jīng)大于規(guī)范所要求的2 000 Pa·s，且其他指標值良好。因此，考慮經(jīng)濟效益，建議取橡膠粉的摻入量為15%。

(2) 礦料級配。為達到路面吸聲降噪的要求，橡膠改性瀝青混合料的孔隙率應(yīng)在18%～25%之間，因此橡膠改性瀝青混合料屬于開級配結(jié)構(gòu)類型。粗集料為混合料的主要組成成分，級配組成為A1料(10 mm～15 mm)：A2料(5 mm～10 mm)：水泥=50∶49∶1。橡膠改性瀝青混合料的級配曲線如圖1所示。

圖1 橡膠改性瀝青混合料的級配曲線

(3) 最佳瀝青用量。以橡膠改性瀝青混合料制備的馬歇爾試件時所規(guī)定的孔隙率為前提條件，同時參考謝倫堡瀝青析漏和肯塔堡飛散試驗，以及橡膠改性瀝青混合料在施工時的和易性綜合確定最佳瀝青用量[12]。分別取瀝青的用量為7.6%、7.8%、8.0%、8.2%、8.4%制作橡膠改性瀝青混合料馬歇爾試件，對試件雙面擊實50次后進行相關(guān)性能指標的試驗檢測，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，當瀝青用量在8.0%左右時，淅漏率曲線發(fā)生了轉(zhuǎn)折，且此時的馬歇爾穩(wěn)定度達到了最大值，飛散率與孔隙率亦滿足相應(yīng)的規(guī)范標準。因此，8.0%的瀝青摻入量即為橡膠瀝青混合料的最佳瀝青用量值。

表4 橡膠改性瀝青混合料在不同瀝青摻入量下的試驗結(jié)果

1.3 試驗方法

室內(nèi)試驗采用駐波管法對確定配合比下的橡膠改性瀝青混合料試件的吸聲性能進行測定。駐波管法是在法線入射的情況下，測得反射平面波與入射正弦波疊加產(chǎn)生的駐波。因此，可對駐波進行研究，并用吸聲系數(shù)T0表征結(jié)構(gòu)吸聲性能的參數(shù)。相關(guān)表達式為[13]：

(1)

式中：T0為吸聲系數(shù)；ΔL為聲壓的極大值pmax與極小值pmin之差，dB。

試件的吸聲系數(shù)可采用JTZB測試系統(tǒng)[7-8]，該吸聲系數(shù)測試系統(tǒng)由信號發(fā)射器、放大器、測試系統(tǒng)及頻譜分析儀組成。測試時，由測試小車測得pmax與pmin數(shù)據(jù)，代入式(1)即可得到吸聲系數(shù)T0。

2 室內(nèi)試驗結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)試驗結(jié)果

模擬常用瀝青面層厚度，分別制備厚度為30 mm、40 mm、50 mm的橡膠改性瀝青混合料試件與未摻入橡膠粉的普通瀝青混合料試件，對其分別進行駐波管法試驗，測試時的頻率調(diào)為頻程中心的1/3，測試可得試件在11個頻率值下的吸聲系數(shù)T0的值如表5所示。

表5 駐波管法試驗結(jié)果

2.2 試件厚度h對橡膠改性瀝青混合料吸聲性能的影響

由駐波管試驗結(jié)果可得如圖2所示橡膠改性瀝青混合料吸聲特征曲線。圖2表明，同種混合料下的試件，其吸聲特征受厚度的影響不大；橡膠改性瀝青混合料的吸聲系數(shù)隨著聲音頻率的增加呈先增大后減少的趨勢，當聲音頻率小于1 200 Hz時，吸聲系數(shù)均較高，具有良好的吸聲效果。另一方面，試件厚度的增加使得吸聲特征曲線整體向低頻方向移動，表明厚度的增加提高了橡膠改性瀝青混合料的低頻吸聲系數(shù)。這是因為試件內(nèi)的孔隙通道會隨著橡膠改性瀝青混合料厚度的增加而變長，從而使得聲波進入孔隙通道后發(fā)生折射與反射的路徑更長，消耗更多的能量，因此吸聲系數(shù)會變得越大，吸聲效果越好。由于汽車產(chǎn)生的噪聲頻率一般在1 200 Hz以下，因此，橡膠改性瀝青路面可有效的降低行車所產(chǎn)生的噪音。

圖2 橡膠改性瀝青混合料吸聲特征曲線

2.3 孔隙率n對瀝青混合料吸聲性能的影響

橡膠的摻入，最顯著的特征是提高了瀝青混合料的孔隙率。室內(nèi)試驗測得橡膠粉摻入量為15%時，橡膠改性瀝青混合料的孔隙率為20%。分別對不同厚度的橡膠改性瀝青混合料試件與普通瀝青混合料試件的吸聲特征曲線進行對比，可得圖3。

(a) 試件厚度：30 mm

(b) 試件厚度：40 mm

(c) 試件厚度：50 mm

圖3 橡膠改性瀝青混合料與普通瀝青混合料的吸聲特征曲線

由圖3可知，摻入橡膠粉后的瀝青混合料，其吸聲系數(shù)要遠遠好于普通瀝青混合料，即試件的孔隙率越大，其吸聲性能越好。這是因為，孔隙率的增大使得聲波進入孔隙通道變得復(fù)雜曲折，并由此發(fā)生折射與漫反射，孔隙中的空氣亦隨之發(fā)生振動，通過空氣與孔隙內(nèi)側(cè)壁的粘滯阻力、聲波與內(nèi)側(cè)壁的摩擦，可將聲波有效的轉(zhuǎn)化為熱能。

2.4 表面粗糙程度對橡膠改性瀝青混合料吸聲性能的影響

按得到的配合比制作兩組厚度為40 mm的橡膠改性瀝青混合料試件，將其中一組進行摩擦處理，使其表面粗糙。用駐波管法測定了兩組試件的吸聲系數(shù)。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 表面粗糙程度對橡膠改性瀝青混合料吸聲性能的影響

由圖4可知，當橡膠改性瀝青混合料表面粗糙時，其吸聲性能要優(yōu)于表面光滑的混合料。這是因為，粗糙的表面增大了與聲波的接觸表面積，使得橡膠瀝青混合料表面對聲波充分吸收，吸聲效果得到增強。

3 橡膠改性瀝青降噪路面的工程應(yīng)用

3.1 工程概況

本文對橡膠改性瀝青降噪路面的應(yīng)用研究依托于某新建一級公路展開，征得業(yè)主與設(shè)計單位同意后，選擇車流量較多的K101+140—K101+640段作為試驗路段，鋪筑橡膠改性瀝青降噪路面，路面面層厚度為50 mm，橡膠粉的摻入量為15%，配合比設(shè)計同室內(nèi)試驗。該公路建成通車后，對其進行了降噪性能的觀測。

3.2 橡膠改性瀝青路面降噪性能檢測

試驗路段建成后，對其進行了持續(xù)的觀測，通車8個月內(nèi)，該路段路面未出現(xiàn)任何病害，排水與孔隙率保持較好。選擇天氣晴朗的天氣，分不同時段，對該橡膠改性瀝青降噪路面的噪音情況進行檢測。并且作為對照，在同一時段對相鄰鋪筑SMA、AC、SUP路面的噪音情況進行了檢測。各路段的噪音檢測方法為：采用聲級計進行噪音檢測，聲級計的布設(shè)距離地面的高度為1.2 m，距離機動車道的路緣石邊緣為7.5 m，其參考軸線應(yīng)與道路中心線垂直。噪音測量的相關(guān)參數(shù)設(shè)定為：行車速度80 km/h～100 km/h、道路承受荷度為0.7～1.0。各路段的噪音檢測結(jié)果如表6所示。

由不同路段的噪音檢測結(jié)果可知：橡膠改性瀝青路面在不同的時段均具有良好的降噪效果，其降噪性能平均比SUP與AC路面降低了約3 dB，比SMA路面降低了1.5 dB，降噪效果良好。

表6 不同時段下各路段的噪音檢測

單位：dB

4 結(jié) 論

(1) 滿足相應(yīng)穩(wěn)定度、孔隙率與飛散率條件下，8.0%的瀝青摻入量是橡膠瀝青混合料的最佳瀝青用量值；考慮經(jīng)濟效益，工程應(yīng)用中，建議取橡膠粉的摻入量為15%。

(2) 橡膠改性瀝青混合料的吸聲系數(shù)隨著聲音頻率的增加呈先增大后減少的趨勢，當聲音頻率小于1 200 Hz時，吸聲系數(shù)均較高，具有良好的吸聲效果。

(3) 橡膠改性瀝青混合料的吸聲性能隨著試件厚度增加而增加，且其孔隙越多，表面越粗糙、接觸面積越大，吸聲性能越好。

(4) 工程應(yīng)用表明橡膠改性瀝青降噪路面具有良好的降噪效果，其降噪性能平均比SUP與AC路面降低了約3 dB，比SMA路面降低了1.5 dB，降噪效果優(yōu)異。

[1] 劉月紅,程為波,李國旗.高速公路交通噪聲仿真模擬及聲屏障設(shè)計研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2015,13(3):156-160.

[2] 廖 雋．橡膠粉改性瀝青的機理及影響因素分析[J].山西交通科技,2007(4):26-28．

[3] 許愛華，郭朝陽，盧 偉．廢胎膠粉橡膠瀝青改性機理研究[J].交通科技,2010(3):87-89．

[4] 苗英豪，王秉綱．瀝青路面降噪性能研究綜述[J]．中外公路，2006，26(4)：65-68．

[5] 周海生，呂偉民，葛劍敏，等.阻尼瀝青路面降噪特性的研究[J]．公路交通科技，2005，22(8)：8-11．

[6] 路凱冀，楊蕓波.膠粉改性瀝青路面減噪技術(shù)[J]．交通節(jié)能與環(huán)保，2006(2):23-26．

[7] 姜洪源，武國啟，閆 輝，等.金屬橡膠吸聲降噪性能分析及試驗研究[J]．機械科學(xué)與技術(shù)，2007，26(4):403-407．

[8] 武國啟，姜洪源，閆 輝，等.駐波管測試儀測量金屬橡膠吸聲性能誤差分析[J]．噪聲與振動控制，2007(2):109-112．

[9] 交通運輸部公路科學(xué)研究院.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40—2004[S].北京：人民交通出版社,2005.

[10] 徐 皓.排水性瀝青混合料性能及設(shè)計方法研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.

[11] 郭 勇.高速公路排水性瀝青混合料應(yīng)用研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[12] 交通運輸部公路科學(xué)研究院.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程：JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社,2011.

[13] 周 洪,李 波,黃光速.高分子微粒吸聲材料的聲學(xué)特性[J].高分子材料科學(xué)與工程,2004,20(3):190-193.

Sound Absorption Characteristics and Application of Porous Rubber Modified Asphalt Mixture

ZHANG Juan

(ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In this paper the sound absorption characteristic of waste rubber modified asphalt mixture is studied by laboratory test. The results show that 8% asphalt mixture quantity is the best asphalt content of rubber asphalt mixture; the sound absorption performance of rubber modified asphalt mixture increases with the increase of specimen thickness; the more pores of rubber modified asphalt mixture, the more rough the surface, the better the sound absorption; considering the economic benefits, it is suggested that the incorporation of rubber powder is 15%. Engineering examples show that: rubber modified asphalt pavement noise reduction has a good noise reduction effect, its average noise reduction performance is lower than SUP and AC pavement reduced by about 3 dB, SMA pavement than 1.5 dB.

waste rubber; modified asphalt mixture; sound absorption property; engineering examples

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.043

2017-02-10

2017-03-12

張 娟(1985—)，女，山西晉中人，工程師，主要從事公路路線的勘察設(shè)計工作。E-mail:y4zhangjuan@126.com

U416.217

A

1672—1144(2017)03—0209—05