UTAC加鋪技術(shù)在隧道降噪中的應(yīng)用*

李智， 孟繁誠

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

目前，改善較長隧道(>200 m)行車噪音問題突出而迫切。開級配OGFC、超薄排水磨耗層或半開級配NovaChiP是較常見的降噪技術(shù)方案，但由于其空隙率較大，容易被雜物堵塞導(dǎo)致降噪性能衰減較快，常導(dǎo)致其使用壽命顯著縮短；其二次養(yǎng)護技術(shù)也不夠理想，在路用性能下降嚴重時，大多數(shù)情況下選擇銑刨重鋪，造成資源浪費。探索密級配加鋪技術(shù)方案可能更具技術(shù)優(yōu)勢。

密級配加鋪技術(shù)降噪面臨3個關(guān)鍵技術(shù)問題：一是確立降噪級配設(shè)計方法；二是獲得更大的礦料間隙率VMA，實現(xiàn)更大瀝青用量設(shè)計；三是選擇優(yōu)質(zhì)瀝青膠結(jié)料，合理提高路面柔韌性。徐顯煉、李世偉將UTAC-10(Ultra-Thin Aphalt Concrete)運用于隧道水泥路面，在材料設(shè)計、施工工藝和路用性能等方面開展了相關(guān)研究。王旭東、盛飛等通過對UTAC-8、SAC、SMA等不同類型級配的對比分析，得出細粒式密實型瀝青混合料的降噪效果較好。李智勇對橡膠粉瀝青混合料性能進行研究，指出其可提高路面阻尼，減弱噪音。密級配薄層瀝青加鋪技術(shù)具有一定降噪效果，但在降噪級配設(shè)計方法方面的研究較弱，關(guān)于瀝青品質(zhì)及瀝青用量對密級配降噪性能影響的研究也較缺乏。為此，該文主要針對材料設(shè)計階段，采用間斷級配設(shè)計理念，采用主骨料空隙填充法(CAVF)進行密級配薄層瀝青砼UTAC-10級配設(shè)計，并通過室內(nèi)外試驗對其降噪性能進行檢驗。

1 試驗方案設(shè)計

輪胎與路面相互作用產(chǎn)生的噪聲機理相對復(fù)雜，級配組成特性、集料粒徑、瀝青種類等都影響UTAC路面的降噪性能。為更好地分析這些因素對降噪性能的影響，采用室內(nèi)和室外試驗相結(jié)合的方法進行評價。

1.1 因素選擇

(1) 級配。選擇UTAC-10，同時以廣東省養(yǎng)護項目中常見的GAC-16C作為對比。

(2) 最大粒徑。結(jié)合上述級配因素，選擇9.5和19 mm 2種粒徑。

(3) 瀝青。采用改性瀝青，分別為PG76、PG82、高黏高彈瀝青，通過提高瀝青的模量或黏韌性提高路面的柔韌性，減弱輪胎對路面的沖擊噪音。

1.2 降噪試驗評價設(shè)計

室內(nèi)試驗采用駐波比法，按照GB/T 18696.1-2004《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量 第1部分：駐波比法》的相應(yīng)要求進行測量。試驗溫度為室溫，采用成型φ150 mm旋轉(zhuǎn)壓實試件后取芯的方法，試件尺寸為φ96 mm×62.3 mm～φ96 mm×64.8 mm。每組試驗取6組平行試件進行測試，以平均值作為試驗結(jié)果。

室外試驗選用汽車車內(nèi)噪音測量方法，按照GB/T 18697-2002《聲學(xué) 汽車車內(nèi)噪聲測量方法》的相關(guān)要求進行測量。測量時段為15:00—17:00，在平均氣溫30 ℃、無陰雨天氣的條件下進行，以相應(yīng)路段車內(nèi)噪音的A計權(quán)聲級作為試驗結(jié)果。

2 基于CAVF法的級配設(shè)計

CAVF法設(shè)計理念突出了混合料的主骨架結(jié)構(gòu)，并兼顧了集料骨架的相互干涉因素和瀝青砂膠體的填充主骨架空隙作用，通過測量主骨架礦料的空隙率確定粗細集料和瀝青用量之間的比例，使主骨料充分形成嵌擠結(jié)構(gòu)的同時，保證瀝青砂膠體充分填充主骨架間隙。

粗細集料比例按式(1)、式(2)控制，滿足式(3)則認為粗集料之間形成了良好的骨架結(jié)構(gòu)。

qc+qf+qp=100%

(1)

(2)

VCAmix≤VCADRC

(3)

式中：qc、qf、qp、qa分別為粗集料、細集料、礦粉和瀝青的質(zhì)量百分數(shù)；γs為粗集料的緊裝密度；VCADRC、VVS分別為搗實狀態(tài)下粗集料骨架空隙率和混合料設(shè)計空隙率；γf、γp分別為細集料和礦粉的表觀密度；γa為瀝青密度；VCAmix為瀝青混合料的粗集料骨架空隙率。

基于CAVF法開展UTAC-10級配設(shè)計，擬定UTAC-10的目標空隙率VVS=4.5%，粗集料質(zhì)量百分數(shù)qc=73.8%，細集料質(zhì)量百分數(shù)qf=18.7%，礦粉用量qp=7.5%，瀝青用量qa=6.0%，并測得VCAmix=35.5%，VCADRC=42.0%，滿足式(3)，認為粗集料之間已形成良好的骨架結(jié)構(gòu)。UTAC-10的級配設(shè)計結(jié)果見表1。GAC-16C選用廣東省某項目的生產(chǎn)配合比。

表1 瀝青混合料級配設(shè)計結(jié)果

2.1 降低最大粒徑

將UTAC-10最大粒徑降低至9.5 mm，以減小輪胎對路面的沖擊振動噪音，同時有利于減小加鋪厚度。

2.2 間斷級配設(shè)計

考慮到級配干涉效應(yīng)，間斷2.36 mm顆粒，以改善路表構(gòu)造的連通性。UTAC-10的2.36 mm分計篩余比例為6.5%，GAC-16C的2.36 mm分計篩余比例為8.2%。UTAC-10的粗集料選擇4.75～9.5 mm顆粒。實際生產(chǎn)階段使用5～9.5和0～3 mm兩檔規(guī)格料，不采用3～5 mm規(guī)格料。

2.3 VMA

提高VMA獲得較大的瀝青用量，使瀝青混合料采用更多的膠結(jié)料，從而更好地提高路面柔韌性，改善輪胎與集料顆粒之間的沖擊作用。實測UTAC-10級配的VMA達到17.5%，瀝青用量為6.0%；GAC-16C的VMA為15.5%，瀝青用量為4.8%。相比普通AC類混合料，采用CAVF法設(shè)計的級配的VMA顯著提高。

根據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》在OGFC混合料配合比設(shè)計中確定瀝青膜厚度的方法，測得UTAC-10的集料比表面積總和為5.78 m2/kg、瀝青膜厚度為9.51 μm，GAC-16C集料比表面積總和為5.03 m2/kg、瀝青膜厚度為8.84 μm(見表2)。

表2 瀝青膜厚度計算

3 室內(nèi)降噪性能試驗

采用駐波比法對UTAC-10進行室內(nèi)降噪性能評價。

3.1 駐波比試驗原理

吸聲系數(shù)可用于評價材料的吸聲能力，用α表示，其定義如下：

(4)

式中：E入為入射波的聲能(dB)；E反為反射波的聲能(dB)；E吸為吸收的聲波聲能(dB)。

根據(jù)式(1)，入射波能量一定時，α越大，反射波的能量越少，被材料吸收的能量越多，材料的吸聲能力越強。

駐波比法通過揚聲器發(fā)出的入射正弦聲波和由試件反射聲波疊加形成駐波，再通過測量聲級差換算駐波比和吸聲系數(shù)。吸聲系數(shù)計算公式為：

(5)

式中：ΔL為聲壓極大值和極小值之間的差值。

3.2 試件優(yōu)化設(shè)計

由于駐波管的內(nèi)徑尺寸為96 mm，標準馬歇爾試件的直徑為101.6 mm，需對試件尺寸作調(diào)整。為避免因擊實功變化導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，試件成型采用成型φ150 mm旋轉(zhuǎn)壓實試件后取芯的方法。取芯過程保持連貫不卡頓、試件固定不動，以保證試件的形狀、尺寸符合要求。同時在被取芯的試件下方固定一塊剛度較大的墊板防止形成凸邊。

該方案的優(yōu)點在于：1) 用鉆芯法可使材料與駐波管內(nèi)壁更貼合，內(nèi)部空間截面較一致、均勻，密封性較好；2) 節(jié)約經(jīng)濟成本和時間成本；3) 既滿足試驗規(guī)程中試件成型要求，又滿足駐波比法中聲學(xué)試驗要求；4) 可較方便地在試驗段中進行取芯和檢測，能較好地與工程實踐相結(jié)合。

3.3 試驗結(jié)果

UTAC-10的瀝青用量為6.0%，瀝青選用高溫等級為PG82、PG76的SBS改性瀝青及高黏高彈改性瀝青。GAC-16C的瀝青用量為4.8%，瀝青選用高溫等級為PG82的SBS改性瀝青。不同瀝青混合料的吸聲系數(shù)見表3、圖1。

由表3、圖1可知：1)整體上UTAC-10在峰值頻率范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)峰值大于GAC-16C，其中UTAC-10(PG82)的峰值吸聲系數(shù)比GAC-16C(PG82)高20%左右，說明頻率500～800 Hz范圍內(nèi)UTAC-10的吸聲能力優(yōu)于GAC-16C。UTAC-10(PG82)和GAC-16C(PG82)吸聲系數(shù)的平均值相差不大，更加說明UTAC-10(PG82)對于中低頻噪音具有突出的吸聲效果。2) 同種UTAC-10級配下，PG82瀝青和高黏高彈瀝青的吸聲系數(shù)峰值優(yōu)于PG76瀝青5%左右，說明提高瀝青模量或黏韌性可增強混合料的降噪能力；高黏高彈瀝青的吸聲系數(shù)平均值優(yōu)于PG82瀝青，PG76瀝青最差，說明高黏高彈改性瀝青在頻率100～1 980 Hz范圍內(nèi)的吸聲效果更具優(yōu)勢。

表3 瀝青混合料的吸聲系數(shù)

圖1 不同瀝青混合料吸聲系數(shù)的峰值和平均值比較

4 工程應(yīng)用

2019年8月，在廣東合水、大路崗、龍祖山等隧道先后鋪筑UTAC-10試驗段。瀝青采用廣州新粵瀝青有限公司生產(chǎn)的PG82 SBS改性瀝青，瀝青用量為5.8%，粗集料采用河源紫金芙蓉石場生產(chǎn)的5～10 mm碎石，細集料采用該石場生產(chǎn)的0～3 mm機制砂。施工過程及級配效果見圖2。經(jīng)過1年多的通車，該UTAC-10罩面路用性能良好。

圖2 UTAC-10試驗段施工過程及級配效果

實測隧道內(nèi)UTAC-10的噪音水平為58.5～62.5 dB，鄰近路段GAC-16C路面的噪音水平為62～67 dB，未罩面水泥路段的噪音水平為64～69.5 dB，UTAC-10可降低路面噪音3～6 dB，能力優(yōu)于GAC-16C罩面。

5 結(jié)論

基于隧道降噪需求及廣東省高溫多雨的氣候特點，針對密級配混合料的降噪性能開展UTAC-10降噪技術(shù)研究。主要結(jié)論如下：

(1) UTAC-10的最大粒徑降低至9.5 mm，4.75 mm通過率約28%，間斷2.36 mm顆粒。在目標配合比設(shè)計階段，不采用3～5 mm規(guī)格料，僅采用5～9.5 mm作為粗集料。施工期間盡可能少用2.36 mm集料對應(yīng)的熱料倉集料，控制2.36 mm的分計篩余比例，實現(xiàn)理想的斷級配設(shè)計效果，使其抗滑構(gòu)造更豐富、更均勻，降低泵吸噪音。

(2) 采用CAVF法提高UTAC-10的礦料間隙率和瀝青用量，UTAC-10的VMA為17.5%(比GAC-16C高2%左右)，瀝青用量為6%(比GAC-16C高1.2%左右)，進而提高UTAC-10的黏韌性，降低輪胎與路面之間的低頻沖擊噪音。

(3) 駐波比試驗結(jié)果表明，UTAC-10在500～800 Hz的吸聲效果比GAC-16C更好，提高瀝青模量或黏韌性可有效吸收噪音。

(4) 實際工程噪音測量結(jié)果表明，UTAC-10可有效降低路面噪音，實測UTAC-10的噪音水平為58.5～62.5 dB，相比鄰近的水泥路面和GAC-16C罩面路段，噪音降低3～6 dB。