降噪微表處技術(shù)在京港澳高速瀝青路面中的應(yīng)用

張紹源，盧兆洋，高玉梅，聶 雷，朱建東，潘良材

(1. 北京建筑大學(xué) 北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程技術(shù)研究中心，北京 100044；2. 北京建筑大學(xué) 未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3. 北京首發(fā)公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，北京 102613；4. 北京卓美恒晟機(jī)械有限公司，北京 100176；5. 貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550008)

0 引 言

微表處作為一種瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)改善路面外觀、抗滑能力和使用壽命，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。高速公路由于行車速度快，造成輪胎頻繁、快速擠壓微表處構(gòu)造間隙中的空氣，從而產(chǎn)生噪音，且構(gòu)造深度越大，噪音越大[4-7]。

目前，微表處的降噪方法主要有2種[8-9]：一種為增加橡膠粉的比例[10-15]，但是橡膠顆粒的大小、質(zhì)量以及摻量的不同會(huì)影響微表處的可操作性與相關(guān)路用性能；一種為改善礦料級配[16-19]，但粗集料較多會(huì)導(dǎo)致構(gòu)深度較大，輪胎與微表處接觸時(shí)會(huì)造成較大噪音。很少研究綜合考慮微表處配合比設(shè)計(jì)，即選擇不同級配與不同瀝青、水泥及水用量對降噪效果及性能的影響，所以本文在保證施工成本及性能的情況下，通過選取降噪級配及調(diào)整微表處材料的配合比組成，研究降噪微表處技術(shù)方法。

1 降噪微表處原材料的選擇

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

本文參照國際稀漿封層協(xié)會(huì)(ISSA)對微表處礦料級配的推薦范圍。由于粗骨料在微表處結(jié)構(gòu)中作為骨架，主要承受車輛荷載，應(yīng)具有壓碎值較低、抗壓強(qiáng)度高和抗腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此采用玄武巖作為粗集料，這樣能夠保證微表處表面的抗滑性不會(huì)迅速下降。細(xì)集料則采用石灰?guī)r，這樣能夠保證瀝青與集料的裹覆性能，達(dá)到良好的可操作性。集料的技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.3 改性乳化瀝青

在本試驗(yàn)使用的改性乳化瀝青中，乳化劑采用十八烷基三甲基氯化銨(即1831)，改性劑采用SBR乳膠改性劑。改性乳化瀝青的配制見表3，其技術(shù)指標(biāo)見表4。

表3 改性乳化瀝青配制

表4 SBR改性乳化瀝青指標(biāo)

1.4 填料和水

填料作為生產(chǎn)改性乳化瀝青的材料之一，可以改善混合料特性，并調(diào)節(jié)破乳時(shí)間。本試驗(yàn)采用中值級配硅酸鹽水泥作為填料，其各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)符合《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30—2003)的要求。

2 降噪微表處配合比設(shè)計(jì)

2.1 降噪級配設(shè)計(jì)

由于本文的研究針對高速公路，因此礦料級配設(shè)計(jì)選用《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的MS-3型微表處混合料的礦料級配范圍，最大粒徑為9.5 mm。由于粗骨料在微表處結(jié)構(gòu)中發(fā)揮骨架作用，主要承受車輛荷載，且關(guān)鍵篩孔的選擇會(huì)影響降噪效果，如果將4.75 mm作為關(guān)鍵篩孔進(jìn)行級配調(diào)整，則不同級配中處于4.75～9.5 mm粒徑范圍的粗集料相同，但4.75 mm以下粒徑的礦料對于構(gòu)造深度的影響較小，即難以優(yōu)選降噪級配。故本文將2.36 mm作為關(guān)鍵篩孔，采用粒徑為2.36～9.5 mm的玄武巖作為粗集料，選取粗、中、細(xì)3種級配設(shè)計(jì)，結(jié)果見表5。

表5 設(shè)計(jì)合成級配

可以看出，與級配Ⅰ(中值級配)相比，級配Ⅱ中的4.75 mm篩孔通過率較低，2.36 mm以下篩孔通過率較高，即4.75～9.5 mm粒徑、2.36 mm以下粒徑礦料較多，容易造成構(gòu)造深度較大；在級配Ⅲ中，提高2.36～4.75 mm粒徑通過率并降低2.36 mm以下粒徑通過率時(shí)，級配曲線具有良好的S形，粗、細(xì)集料比例適中，有利于減小構(gòu)造深度。

2.2 備選級配的配合比設(shè)計(jì)

拌合試驗(yàn)?zāi)軌蚍从澄⒈硖幓旌狭系酿じ叫浴韬闲院凸袒瘯r(shí)間等性能。為確定微表處破乳時(shí)間，本文通過拌合試驗(yàn)來確定稀漿狀態(tài)良好的混合料配合比。以中值級配為例，不同配合比下的拌合試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 不同配合比下的拌合試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在拌合時(shí)間滿足規(guī)范要求的情況下，添加水泥能夠延長拌合時(shí)間，但是添加量達(dá)到一定值后拌合時(shí)間的增長較緩；水的用量應(yīng)適中，用量過少會(huì)導(dǎo)致不易拌合，造成快速破乳，用量過大則容易造成離析，較慢形成強(qiáng)度。根據(jù)上述試驗(yàn)相關(guān)結(jié)論，對3種級配類型進(jìn)行配合比試驗(yàn)，稀漿狀態(tài)良好的混合料配合比見表7。

表7 稀漿狀態(tài)良好的混合料配合比 %

3 降噪微表處室內(nèi)試驗(yàn)評價(jià)

3.1 黏聚力試驗(yàn)

黏聚力試驗(yàn)?zāi)軌蚍从郴旌狭系某尚退俣?，便于確定開放交通的時(shí)間。同一時(shí)間內(nèi)，黏聚力與混合料的成型速度成正相關(guān)關(guān)系。對表7稀漿狀態(tài)良好的混合料進(jìn)行黏聚力試驗(yàn)，3種級配下的黏聚力試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 不同級配下的黏聚力試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，編號1-2-1-5的30 min黏聚力值為1.1 N·m，小于1.2 N·m；編號2-3-1-6的60 min黏聚值為1.8 N·m，小于2.0 N·m。其余配合比在規(guī)定時(shí)間下的黏聚力值均滿足要求。

3.2 濕輪磨耗試驗(yàn)

濕輪磨耗試驗(yàn)?zāi)軌虼_定混合料的最小瀝青用量。混合料中的瀝青用量與其濕輪磨耗值成負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)濕輪磨耗值達(dá)到要求的最大值時(shí)，對應(yīng)的瀝青用量為混合料的容許最小瀝青用量。3種級配的混合料濕輪磨耗值見表9。

表9 不同級配及配合比下的1 h濕輪磨耗值

試驗(yàn)結(jié)果表明，混合料中的瀝青用量越少，磨耗值越大。國際稀漿封層協(xié)會(huì)的《微表處技術(shù)指南》規(guī)定1 h濕輪磨耗值不大于540 g·m-2。緩曲線級配的各組配合比磨耗值均超出規(guī)范要求。編號1-3-2-1的1 h濕輪磨耗值為768.35 g·m-2，大于指南要求值，其余各組配合比滿足要求。

3.3 負(fù)荷車輪碾壓試驗(yàn)

負(fù)荷車輪碾壓試驗(yàn)?zāi)軌虼_定混合料的最大瀝青用量關(guān)系?；旌狭现械臑r青用量與其碾壓變形值成正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)超過了規(guī)定的最大碾壓變形值時(shí)，對應(yīng)的瀝青用量就是混合料的容許最大瀝青用量。3種級配的混合料輪轍變形值見表10。

試驗(yàn)結(jié)果表明，混合料中的瀝青用量越多，輪轍變形值越大。編號1-2-1-5的厚度變化為2.03 mm，編號3-2-1-3的厚度變化為5.11 mm，大于國際稀漿封層協(xié)會(huì)《微表處技術(shù)指南》提出的厚度變化(不大于2 mm)；編號3-2-1-3的寬度變化率為9.0%，大于指南提出的寬度變化率(不大于5%)。其余各組配合比滿足要求。由上述試驗(yàn)篩選4組滿足施工與路用性能要求的配合比，并對其降噪性能進(jìn)行研究。4組混合料的配合比見表11。

表10 不同級配下的輪轍變形值

表11 確定優(yōu)選配合比

3.4 不同配合比的吸聲系數(shù)對比

路面在采用微表處養(yǎng)護(hù)時(shí)，時(shí)常由于車輛行駛中輪胎與路面之間的碰撞與振動(dòng)作用而產(chǎn)生遠(yuǎn)大于中值級配瀝青路面的噪音。這是由于微表處混合料中的粗、細(xì)集料分布不均，導(dǎo)致其表觀構(gòu)造不平整，或者壓實(shí)度不夠。聲波與材料表面碰撞過后發(fā)生能量損失的現(xiàn)象，被稱為吸聲行為，其指標(biāo)吸聲系數(shù)越大，則表明試件的降噪效果越好，反之則越差。本文采用駐波管法測定微表處試件的吸聲系數(shù)，得到不同配合比下混合料的吸聲系數(shù)見表12。

表12 不同配合比下的吸聲系數(shù)

由于車輛行駛過程中產(chǎn)生的噪音頻率集中在500～1 000 Hz，由表12可以看出， MS-Ⅲ型微表處的吸聲性能為：配合比3>配合比4>配合比2>配合比1。由此可見，配合比3的降噪效果最出色。研究表明，微表處的降噪效果因混合料的配合比組成而異，可以通過調(diào)整微表處混合料的級配與瀝青、水泥及水的用量來優(yōu)選降噪效果最佳的方案。

4 降噪微表處施工應(yīng)用

京港澳高速K0+300～K9+900路段交通量較大，隨著車輛重載率和交通量的逐年增加，路面出現(xiàn)微小裂縫、車轍等病害現(xiàn)象，路面空隙率增大，摩擦因數(shù)大幅度降低，抗滑能力下降，無法滿足行車要求?；诖?，擬采用上述降噪微表處試驗(yàn)結(jié)果配合比3處理該路段。依次對鋪筑微表處的試驗(yàn)路段進(jìn)行噪音收集、負(fù)荷輪試驗(yàn)、濕輪磨耗試驗(yàn)，并與中值級配微表處(配合比1)進(jìn)行構(gòu)造深度、摩擦因數(shù)和滲水指標(biāo)的試驗(yàn)對比驗(yàn)證，結(jié)果見表13～16。

表13 車內(nèi)噪音對比

對比分析上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，降噪微表處能夠有效降低行車噪音，且其構(gòu)造深度、摩擦因數(shù)和滲水系數(shù)等各項(xiàng)路面指標(biāo)均滿足路面規(guī)范要求。

表14 構(gòu)造深度對比

表15 摩擦因數(shù)對比(路面溫度28 ℃±1 ℃)

表16 滲水系數(shù)對比

5 結(jié) 語

(1)降噪微表處混合料的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)滿足工程施工、路用性能和降噪性能要求。微表處的降噪效果因混合料的配合比組成而異，本文將2.36 mm作為關(guān)鍵篩孔來選擇級配，粒徑大于2.36 mm的集料作為粗集料，小于2.36 mm的集料作為細(xì)集料；且通過調(diào)整乳化瀝青、水泥及水的用量來研究可拌合時(shí)間、降噪效果及性能影響。

(2)通過拌合試驗(yàn)、濕輪磨耗試驗(yàn)和負(fù)荷車輪碾壓試驗(yàn)，依次確定滿足工程施工、路用性能要求的降噪微表處混合料配合比，并通過駐波管法測定不同配合比下微表處混合料的吸聲系數(shù)，以此確定降噪效果最佳的配合比方案。

(3)通過對京港澳高速降噪微表處試驗(yàn)路段施工前后的多次跟蹤檢測，并采集路況技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果表明，試驗(yàn)路段的行車噪音低于60 dB，滿足路面規(guī)范要求。在此基礎(chǔ)上，可以選用向混合料中添加橡膠粉或鋼渣等材料對粗骨料進(jìn)行替換，不僅為后續(xù)降噪微表處施工技術(shù)的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為高速公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)增加了有效手段。