開(kāi)級(jí)配瀝青磨耗層降低路面噪聲優(yōu)化

李金鳳 何兆益 官志桃

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

交通噪聲是城市地區(qū)最大的噪聲來(lái)源，嚴(yán)重影響城市居民的生理和心理健康[1-2].交通噪聲與交通量、路面狀況和行車(chē)速度有關(guān)，城市中的車(chē)輛主要以中高速行駛(40～100 km/h)，此時(shí)輪胎/路面作用產(chǎn)生的噪聲占比最大(約占90%)[3]，通過(guò)采用合適的路面結(jié)構(gòu)降低交通噪聲是改善城市環(huán)境中噪聲污染最為經(jīng)濟(jì)的方法.

開(kāi)級(jí)配瀝青磨耗層(OGFC)作為主要的低噪聲路面結(jié)構(gòu)形式，其空隙率為20%左右，這些空隙的大部分與外部空氣相互連通[4].輪胎/路面作用產(chǎn)生的噪聲聲波，一部分傳到路面發(fā)生反射；另一部分通過(guò)在路面內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)中傳播與空隙壁摩擦轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉[5].通常用吸聲系數(shù)來(lái)表征路面材料的吸聲性能(即吸收與入射聲能的比值)[6].Vaitkus等[3]采用阻抗管法對(duì)不同級(jí)配瀝青混合料的吸聲系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，表明開(kāi)級(jí)配瀝青磨耗層的吸聲性能遠(yuǎn)好于瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)和密級(jí)配瀝青混凝土(AC).Gardziejczyk等[7-8]現(xiàn)場(chǎng)近距離測(cè)試結(jié)果表明，OGFC路面相比AC路面的交通噪聲要降低3～6dB，而后又利用阻抗管測(cè)得了不同空隙率混合料的吸聲系數(shù)，建立了吸聲系數(shù)與空隙率、滲透率的關(guān)系.Peng等[9]采用現(xiàn)場(chǎng)近距離法測(cè)試了西安2條機(jī)場(chǎng)公路瀝青路面的降噪性能，并與鉆芯取樣的阻抗管測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，2種方法的試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性.Vázquez等[10]基于現(xiàn)場(chǎng)近距離測(cè)試結(jié)果，分析了瀝青路面噪聲性能與動(dòng)態(tài)模量的關(guān)系.Chen等[11]研究了多孔瀝青路面堵塞程度對(duì)降噪性能的影響，表明完全堵塞后輪胎/路面噪聲會(huì)增加4 dB.王嵐等[12]和Knabben等[13]的OGFC混合料的阻抗管測(cè)試結(jié)果表明吸聲系數(shù)隨著頻率的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，空隙率越大吸聲系數(shù)越大，試件越厚，整體吸聲性能越好.但文獻(xiàn)[12]結(jié)果顯示吸聲峰值頻率與空隙率的相關(guān)性很差，峰值頻率隨試件厚度的增加先減小后增加；文獻(xiàn)[13]顯示空隙率越大對(duì)應(yīng)的峰值頻率越大，峰值頻率受試件厚度的影響很小.Chu等[14]采用駐波比法對(duì)OGFC混合料吸聲性能的測(cè)試結(jié)果顯示，空隙率由12%增加到25%時(shí)混合料的吸聲系數(shù)峰值幾乎沒(méi)有變化，試件厚度由63 mm增加到200 mm時(shí)吸聲系數(shù)峰值有所增大，峰值頻率逐漸減小.

由上述分析可知，相比普通密級(jí)配，開(kāi)級(jí)配瀝青混合料具有很好的降噪性能，而影響混合料降噪性能的因素主要是其本身的物理構(gòu)造特征(如級(jí)配類(lèi)型、空隙率和試件厚度)，但空隙率和試件厚度對(duì)混合料降噪性能影響規(guī)律的認(rèn)知尚未統(tǒng)一，集料級(jí)配組成和粒徑尺寸對(duì)瀝青混合料降噪性能影響的研究還未見(jiàn)報(bào)道.本文主要采用駐波比試驗(yàn)法研究集料級(jí)配組成、空隙率、公稱(chēng)最大粒徑和試件厚度等因素對(duì)OGFC混合料降噪性能的影響，進(jìn)而確保在滿(mǎn)足路用性能和排水性能的前提下以降噪性能作為參考達(dá)到優(yōu)化OGFC混合料的目的.

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

試驗(yàn)采用玄武巖集料和石灰?guī)r礦粉.玄武巖集料的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，石灰?guī)r礦粉的表觀相對(duì)密度為2.753.采用SBS改性瀝青，并加入占瀝青質(zhì)量8.7%的高黏瀝青改性劑.SBS改性瀝青及其加入高黏劑改性后的高黏瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，可看出加入高黏劑后SBS改性瀝青60 ℃動(dòng)力黏度有較大幅度的增加.為了提高OGFC混合料的抗裂和抗變形的能力，拌和制備時(shí)還需摻入占瀝青混合料總質(zhì)量0.1%的聚酯纖維，見(jiàn)圖1(a).試驗(yàn)采用交通部公路院研發(fā)的大孔隙瀝青路面專(zhuān)用的高黏度瀝青改性劑(簡(jiǎn)稱(chēng)高黏劑)，其為黃褐色顆粒狀固體材料，如圖1(b)所示.該高黏劑可用于直投式干法施工，其密度和溶度指標(biāo)分別為0.985 g/cm3和0.9 g/min，均滿(mǎn)足技術(shù)要求.

(a) 聚酯纖維

(a) 駐波管整體圖

表1 集料主要技術(shù)指標(biāo)

表2 SBS改性瀝青及高黏瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 級(jí)配類(lèi)型及試樣制備

為了評(píng)價(jià)集料級(jí)配組成、公稱(chēng)最大粒徑以及空隙率對(duì)瀝青混合料吸聲性能的影響，通過(guò)調(diào)整篩孔通過(guò)率確定了4種OGFC-16、9種OGFC-13、4種OGFC-10、3種OGFC-5和1種AC-13混合料，共21種級(jí)配，如表3～表6所示.依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTC E20—2011)，采用雙面擊實(shí)50次成型馬歇爾試件，每種級(jí)配包括3個(gè)平行試件，并根據(jù)體積法測(cè)得不同級(jí)配瀝青混合料的空隙率，見(jiàn)表3～表6.

表3 OGFC-16的級(jí)配組成

表4 OGFC-13和AC-13的級(jí)配組成

表5 OGFC-10的級(jí)配組成

表6 OGFC-5的級(jí)配組成

2 試驗(yàn)測(cè)試方法

參照《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗測(cè)量》(GB/T 18696.2—2002)，采用駐波比法對(duì)不同級(jí)配瀝青混合料的吸聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試.該測(cè)試系統(tǒng)主要由聲阻抗管、聲頻控制器、揚(yáng)聲器、數(shù)據(jù)分析儀和顯示器等組成，如圖2所示.阻抗管為平直、剛性、氣密性良好的圓管，一端裝有測(cè)試試樣，另一端裝發(fā)射平面聲波的揚(yáng)聲器.揚(yáng)聲器產(chǎn)生的入射聲波pi與從試件反射回來(lái)的聲波pr相疊加，從而在阻抗管內(nèi)形成駐波p=pi+pr.

試樣安裝完畢后，打開(kāi)儀器設(shè)定好聲頻，通過(guò)移動(dòng)阻抗管尾部小車(chē)確定特定聲頻下聲壓的極大值和極小值處的聲壓振幅|pmax|和|pmin|.當(dāng)入射波pi(x)和反射波pr(x)同相位時(shí)，聲壓達(dá)到極大值；當(dāng)pi(x)和pr(x)反相位時(shí)，聲壓出現(xiàn)極小值，則駐波比可表示為

(1)

吸聲系數(shù)α為

(2)

式中，r為復(fù)反射因數(shù)，其振幅為|r|.

(3)

式中，n取11；αi為1/3倍頻程頻率fi的吸聲系數(shù)，fi分別為200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000 Hz.

在聲學(xué)中普遍使用對(duì)數(shù)來(lái)度量聲壓和聲強(qiáng)，稱(chēng)為聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí).輪胎/路面作用產(chǎn)生噪聲，入射聲波撞擊路面時(shí)部分能量被吸收，反射回來(lái)的聲波其能量必定小于初始入射聲波的能量，入射和反射聲強(qiáng)存在如下關(guān)系[14]：

(4)

(5)

式中，LI和LR分別為入射和反射聲強(qiáng)，dB；pe為待測(cè)聲壓，Pa；pref為參考聲壓，是正常人耳對(duì)1 kHz聲音所能覺(jué)察到的最低聲壓值，pref=2.0×10-5Pa；α為吸聲系數(shù)，材料完全吸收聲波時(shí)α=1.0，材料完全不吸聲時(shí)α=0.

在給定入射聲強(qiáng)為L(zhǎng)I的聲源下，將式(4)與式(5)相減，便可得到材料在某一頻率下的降噪值，可表示為

ΔLfi=-10lg(1-αfi)

(6)

為了反映并量化材料的整體吸聲性能和降噪效果，將平均吸聲系數(shù)代入式(6)中，進(jìn)而求得相應(yīng)的降噪值，如下所示：

(7)

3 測(cè)試結(jié)果

利用上述方法測(cè)得了1/3倍頻程頻率下不同級(jí)配瀝青混合料的吸聲系數(shù)，以O(shè)GFC-16c混合料為例，給出了3個(gè)平行試件的吸聲頻譜，如圖3所示.可看出，3個(gè)平行試件的吸聲頻譜非常接近，測(cè)試結(jié)果具有較好的重現(xiàn)性，因而開(kāi)展瀝青混合料吸聲性能的研究具有較高的可靠性.

(a) OGFC-16c

3.1 空隙率的影響

圖4(a)～(d)分別給出了公稱(chēng)最大粒徑相同的情況下，不同空隙率的OGFC-16、OGFC-13、OGFC-10和OGFC-5混合料以及AC-13混合料的吸聲頻譜曲線.由圖可見(jiàn)：不同頻率下AC-13混合料的吸聲系數(shù)很小，且沒(méi)有明顯起伏變化；OGFC混合料的平均和峰值吸聲系數(shù)均隨著空隙率的增加而增大，明顯大于AC-13混合料，吸聲系數(shù)隨著頻率的增加近似呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì).公稱(chēng)最大粒徑相同時(shí)，較小(大)空隙率試樣的峰值吸聲系數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率較小(大)，說(shuō)明空隙率增加會(huì)使得OGFC混合料的吸聲峰值頻率有向高頻方向移動(dòng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致高頻(低頻)下的吸聲性能提升(衰減).表3～表6中20種OGFC混合料吸聲系數(shù)平均值為0.613，方差為0.013 5；峰值吸聲系數(shù)平均值為0.251 6，方差為9.6×10-4.

(a) OGFC-16

當(dāng)空隙率相差小于0.6%時(shí)，不同集料級(jí)配組成的OGFC-13混合料的吸聲頻譜非常接近，平均吸聲系數(shù)和峰值吸聲系數(shù)也非常接近，如圖5所示.空隙率為19.0%時(shí)的平均吸聲系數(shù)和峰值吸聲系數(shù)分別為0.240和0.596，峰值頻率為500 Hz；空隙率為20.7%附近時(shí)的平均吸聲系數(shù)和峰值吸聲系數(shù)分別為0.267和0.685，峰值頻率為630 Hz.以上分析說(shuō)明，公稱(chēng)最大粒徑相同的情況下，空隙率相近時(shí)集料級(jí)配組成的變化并不會(huì)影響混合料的吸聲性能.對(duì)于空隙率相差在0.6%范圍內(nèi)的OGFC-13混合料，平均吸聲系數(shù)的方差為7.2×10-4，峰值吸聲系數(shù)的方差為4×10-5.

圖5 空隙相近時(shí)級(jí)配組成對(duì)吸聲系數(shù)的影響

OGFC混合料的平均吸聲系數(shù)和峰值吸聲系數(shù)隨空隙率的變化關(guān)系如圖6所示.據(jù)此得到OGFC混合料的平均吸聲系數(shù)和峰值吸聲系數(shù)均隨著空隙率的增加近似呈線性增加，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

圖6 吸聲系數(shù)隨空隙率的變化關(guān)系

αp=0.044 32Vc-0.270 1,R2=0.817 5

(8)

(9)

式中，αp為峰值吸聲系數(shù).

3.2 公稱(chēng)最大粒徑的影響

空隙率相接近的情況下，OGFC-16、OGFC-13、OGFC-10和OGFC-5混合料的吸聲頻譜曲線如圖7所示.

(a) 空隙率為19.0%附近時(shí)不同混合料的吸聲頻譜

由圖7可看出：空隙率為19.0%左右時(shí)，OGFC混合料的峰值吸聲系數(shù)隨著公稱(chēng)最大粒徑的增加有所增大，OGFC-16和OGFC-13的峰值吸聲頻率為500 Hz，OGFC-10和OGFC-5的峰值吸聲頻率為400 Hz；空隙率為22.3%左右時(shí)，OGFC-16和OGFC-13的峰值吸聲頻率為630 Hz，OGFC-10的峰值吸聲頻率為500 Hz，表明公稱(chēng)最大粒徑和空隙率的增加均有助于混合料的吸聲頻譜峰值向高頻方向移動(dòng).空隙率接近為19.0%時(shí)，OGFC-16b、OGFC-13h、OGFC-10a和OGFC-5a的峰值吸聲系數(shù)分別為0.63、0.60、0.51、0.45，平均吸聲系數(shù)分別為0.242、0.238、0.229和0.220；空隙率為22.3%左右時(shí)，OGFC-16c、OGFC-13f和OGFC-10d的峰值吸聲系數(shù)分別為0.77、0.73和0.68，平均吸聲系數(shù)分別為0.282、0.279和0.276.由此可知，空隙率相差不大時(shí)，混合料峰值吸聲系數(shù)隨著公稱(chēng)粒徑的減小而有所減小，平均吸聲系數(shù)基本不受公稱(chēng)最大粒徑的影響，相應(yīng)的整體吸聲性能差別不大.對(duì)于空隙率相差在0.6%范圍內(nèi)的不同公稱(chēng)最大粒徑的OGFC混合料，平均吸聲系數(shù)的方差為3.03×10-3，峰值吸聲系數(shù)的方差為1.5×10-4.

3.3 試件厚度的影響

針對(duì)實(shí)際瀝青路面厚度的不同，將OGFC-13c和OGFC-10c的馬歇爾試件切割成不同厚度，測(cè)得了2種混合料不同厚度下的吸聲頻譜曲線，如圖8所示.由圖可看出：不同厚度下OGFC混合料的吸聲頻譜曲線均呈先升后降的趨勢(shì)；峰值吸聲系數(shù)隨著試件厚度的減小略有增大，對(duì)應(yīng)的峰值頻率逐漸向高頻方向移動(dòng)，但平均吸聲系數(shù)隨著混合料試件厚度的減小而減小，見(jiàn)表7.這是因?yàn)闉r青混合料試件厚度減小導(dǎo)致了聲波在其內(nèi)部空隙中的傳播路徑縮減，聲波在空隙內(nèi)受到阻擋發(fā)生反射和折射的次數(shù)減少，其引發(fā)的聲能損失也在減少，因而厚度較薄的混合料試件的整體吸聲性能較差.

(a) OGFC-13c， Vc=20.8%

表7 不同厚度下瀝青混合料試樣的平均吸聲系數(shù)

4 降噪效果分析

將不同級(jí)配瀝青混合料的平均和峰值吸聲系數(shù)分別代入式(7)和式(6)中，計(jì)算得到相應(yīng)的平均和峰值降噪值隨空隙率的變化關(guān)系，如圖9所示.據(jù)此得到OGFC混合料的降噪值隨空隙率變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

圖9 OGFC混合料降噪值隨空隙率的變化關(guān)系

NRA=0.074 1Vc-0.212 9,R2=0.942 2

(10)

NRP=0.237 9exp(0.141 9Vc),R2=0.881 5

(11)

式中，NRA和NRP分別為平均降噪值和峰值降噪值.

根據(jù)《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3350-03—2020)，開(kāi)級(jí)配瀝青路面在滿(mǎn)足強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗飛散和抗水損害等路用性能和排水性能的前提下，要求開(kāi)級(jí)配相比密級(jí)配瀝青路面能夠降低噪聲4～6 dB.因而，降噪性能可視作優(yōu)化開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的依據(jù)，根據(jù)圖6中降噪峰值值與空隙率的關(guān)系，OGFC混合料的空隙率應(yīng)控制為20%～23%.

5 結(jié)論

1) 相比密級(jí)配瀝青混合料，OGFC混合料具有良好的降噪性能，其吸聲系數(shù)隨頻率近似呈先增加后減小的趨勢(shì)，得到了OGFC混合料吸聲系數(shù)和降噪值隨空隙率增加逐漸增大的數(shù)學(xué)表達(dá)式.

2) 公稱(chēng)最大粒徑相同時(shí)，空隙率的增加更有利于OGFC混合料對(duì)高頻噪聲的吸收；空隙率相近時(shí)，級(jí)配組成和公稱(chēng)最大粒徑的變化對(duì)OGFC混合料整體吸聲吸能的影響很小，但公稱(chēng)最大粒徑越大，峰值頻率越大，對(duì)高頻噪聲的吸收越明顯.

3) 隨著試件厚度的減小，OGFC混合料的峰值吸聲系數(shù)會(huì)略有增大，峰值頻率向高頻方向移動(dòng)，但平均吸聲系數(shù)在逐漸減小，即OGFC混合料的整體吸聲性能會(huì)逐漸變差.

4) 在滿(mǎn)足路用性能和排水性能的前提下，降噪效果可作為優(yōu)化OGFC混合料的依據(jù)，根據(jù)OGFC混合料降噪值與空隙率的關(guān)系，其空隙率宜控制為20%～23%.