融冰降噪功能型瀝青路面設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

成 紅

(江蘇省交通工程建設(shè)局，南京 210004)

在城市化進(jìn)程不斷加快、車輛保有量急遽增加的時(shí)代背景下，城市交通噪聲問題愈加凸顯，如何解決這一發(fā)展難題已成為交通領(lǐng)域的新挑戰(zhàn)[1]。在保證行車安全和舒適的前提下，建設(shè)更加綠色更加環(huán)保的功能型路面，是未來公路建設(shè)發(fā)展的新方向[2]。

開級配抗滑磨耗層(open-graded friction course，OGFC)作為一種功能型路面結(jié)構(gòu)層，可迅速排盡路表積水，減少雨天行車的水飄、水霧、反光等情況，改善路面抗滑性能[3-4]。同時(shí)，其較大的孔隙結(jié)構(gòu)，還可以消減行車過程中輪胎與路面之間產(chǎn)生的部分噪聲，改善交通噪聲污染問題。因此，開級配抗滑磨耗層在排水、降噪等功能型路面中得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。然而，對于一些冬季潮濕且存在凝冰現(xiàn)象的地區(qū)而言，路表的積雪和碎冰在行車作用下會堵塞路表孔隙，不僅會影響OGFC路面降噪功能的發(fā)揮，還會降低路面抗滑效果，嚴(yán)重影響行車安全。

基于此，本文在現(xiàn)有抗凝冰路面相關(guān)研究基礎(chǔ)上[7-9]，通過將OGFC混合料與抗凝冰涂層結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一種降噪+抗凝冰復(fù)合功能型瀝青路面，在保證其排水、降噪效果的基礎(chǔ)上，達(dá)到“小雪留不住、冰水難凝結(jié)、大雪好清除”的效果。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

礦料采用玄武巖，包括1#料(5～10 mm)、2#料(3～5 mm)和3#料(0～3 mm)，填料采用石灰?guī)r礦粉，礦料和填料的相對密度和吸水率如表1所示，礦料和填料篩分結(jié)果如表2所示。

表1 礦料和填料的相對密度和吸水率

表2 礦料和填料篩分結(jié)果 (%)

試驗(yàn)所用膠結(jié)料為高黏改性瀝青，高黏改性瀝青技術(shù)指標(biāo)的檢測結(jié)果和技術(shù)要求如表3所示，其技術(shù)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[10]相關(guān)要求。

表3 高黏改性瀝青技術(shù)指標(biāo)的檢測結(jié)果和技術(shù)要求

1.2 設(shè)計(jì)級配

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行OGFC-10混合料級配設(shè)計(jì)，最佳油石比5.6%，設(shè)計(jì)級配曲線如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)級配曲線

1.3 路用性能

按照上述設(shè)計(jì)級配和最佳油石比配制瀝青混合料，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和低溫小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行抗水損害性能和高、低溫穩(wěn)定性能驗(yàn)證，OGFC-10混合料路用性能如表4所示，其技術(shù)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[10]相關(guān)要求。

表4 OGFC-10混合料路用性能

1.4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

OGFC-10混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，其技術(shù)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[10]相關(guān)要求。

表5 OGFC-10混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 室內(nèi)試驗(yàn)

采用抗凝冰層涂刷試驗(yàn)、摩擦性能和滲水性能試驗(yàn)、抗凝冰效果試驗(yàn)與降噪效果試驗(yàn)，制作成型車轍板試件，研究抗凝冰涂層對OGFC路面抗滑性能、滲水性能以及降噪和抗凝冰效果的影響。

2.1 抗凝冰層涂刷試驗(yàn)

試驗(yàn)所用材料包括：①疏水基低冰點(diǎn)緩釋鹽，呈乳白色粉末狀，用量為乳化瀝青固含量的20%；②改性乳化瀝青，固含量57%。將二者調(diào)配得到抗凝冰涂層。在成型的車轍板試件表面進(jìn)行抗凝冰層涂刷，涂刷量1.2 kg/m2。涂刷過程中未出現(xiàn)涂層材料明顯下滲現(xiàn)象，破乳化后試件表面孔隙紋理清晰可見。

2.2 摩擦性能和滲水性能試驗(yàn)

抗凝冰涂層會覆蓋瀝青路表孔隙，造成滲水性能和抗滑性能衰減。采用擺式摩擦系數(shù)測定儀和滲水儀，測試抗凝冰涂層對試件摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)的影響，試件的摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)如表6所示。

表6 試件的摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)

由表6可知，抗凝冰涂層涂刷后，試件的摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)的衰減幅度分別為12.3%和5.1%。盡管試件出現(xiàn)不同程度的衰減，但仍滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[10]技術(shù)要求。該結(jié)果表明，抗凝冰涂層未出現(xiàn)明顯的孔隙堵塞，結(jié)合涂刷實(shí)際情況，涂層僅對路表孔隙產(chǎn)生了局部覆蓋現(xiàn)象，即涂層在路表形成一層過濾層，起到抗凝冰效果的同時(shí)，還起到了一定的過濾作用，阻止污染物進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙，減少堵塞。

2.3 抗凝冰效果試驗(yàn)

通過制作成型車轍板試件和馬歇爾試件，研究抗凝冰涂層對OGFC路面的抗凝冰效果。試件密封后，分別置于-4 ℃、-6 ℃、-8 ℃和-10 ℃環(huán)境箱，冷凍24 h，之后每2 h在試件表面噴灑一次冷水，使試件表面形成水膜，重復(fù)4次，在最后一次噴水后繼續(xù)冷凍24 h，觀察試件表面冰層凝結(jié)情況。不同溫度條件下試件表面凝冰情況如表7所示。

表7 不同溫度條件下試件表面凝冰情況

抗凝冰涂層有效抑制試件冰層凝結(jié)，尤其對冬季溫度不低于-8 ℃的地區(qū)而言，其具有良好的抗凝冰效果；對溫度更低的地區(qū)而言，抗凝冰涂層雖難以抑制冰層凝結(jié)，但其表面冰層易剝離，利于后期清理。

2.4 降噪效果試驗(yàn)

輪胎噪聲是指車輛在行駛過程中，輪胎與路面碰撞接觸產(chǎn)生的振動、擠壓和摩擦引起的噪聲。為了盡可能在室內(nèi)模擬輪胎和路面的接觸狀態(tài)以及噪聲產(chǎn)生方式，將測試汽車輪胎置于固定高度(1.5 m)平臺的邊緣處，施加一定的橫向推力使車輪呈拋物線下落至涂刷凝冰涂層的車轍板試件，模擬輪胎和路面碰撞瞬間的撞擊振動噪聲、空氣泵壓、膨脹噪聲和摩擦噪聲。試驗(yàn)時(shí)選用無噪聲干擾的實(shí)驗(yàn)室，采用手持式噪聲頻譜分析儀進(jìn)行噪聲測試。測試輪胎和試件接觸瞬間產(chǎn)生的最大噪聲。以SMA-13為對照組、OGFC-10混合料+抗凝冰涂層為試驗(yàn)組，設(shè)置30 ℃(模擬夏季)和10 ℃(模擬冬季)兩種溫度，分別檢測8次，噪聲試驗(yàn)測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 噪聲試驗(yàn)測試結(jié)果

由圖2可知，相較于SMA-13試件，OGFC-10混合料+抗凝冰涂層試件在30 ℃條件下，噪聲值降低3.2 dB；在10 ℃條件下，噪聲值降低2.7 dB，降噪效果顯著。

3 試驗(yàn)段實(shí)施及應(yīng)用效果評價(jià)

3.1 試驗(yàn)段實(shí)施

2019年12月，連云港徐宿路支線建設(shè)工程進(jìn)行了施工鋪筑，融冰降噪實(shí)施方案為3 cm OGFC-10混合料+抗凝冰涂層。OGFC-10混合料上面層鋪筑完成后第3天進(jìn)行抗凝冰涂層的涂刷，涂層采用人工涂刷的方式，現(xiàn)場涂刷量控制范圍為1.0～1.4 kg/m2。

3.2 施工質(zhì)量檢測

試驗(yàn)段鋪筑完成后，次日進(jìn)行了空隙率、構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)測定。涂層施工次日進(jìn)行了芯樣摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)測定。路面性能檢測結(jié)果如表8所示。試驗(yàn)段整體情況較好，路面空隙率、構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[10]技術(shù)要求。

表8 路面性能檢測結(jié)果

3.3 跟蹤觀測

3.3.1 表面功能

通車5個(gè)月后，對融冰降噪復(fù)合功能型瀝青路面的構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)等進(jìn)行檢測。通車5個(gè)月后路面性能檢測結(jié)果如表9所示。與涂層施工次日相比，通車5個(gè)月后路面摩擦系數(shù)有所提升，但滲水系數(shù)小幅度下降，分析其原因可能為海風(fēng)較大，道路綠植的沙土造成了路面孔隙堵塞。

表9 通車5個(gè)月后路面性能檢測結(jié)果

3.3.2 抗凝冰效果觀測

2020年2月15日試驗(yàn)段所處地區(qū)降雪(中到大雪、溫度-3 ℃～-7 ℃)，次日(溫度-5 ℃～2 ℃)，對試驗(yàn)段進(jìn)行了實(shí)際觀測。AC-13為對照組，其路表積水狀況顯著，OGFC-10混合料+抗凝冰涂層路段的表層冰雪與路面之間存在自由水，在冰雪融化后路表水逐漸排走。結(jié)果表明，該技術(shù)方案能夠提升路面抗滑性能，也能有效預(yù)防溫度驟降引發(fā)的路面凝結(jié)暗冰的隱患。

3.3.3 降噪效果觀測

對車內(nèi)噪聲和路側(cè)噪聲進(jìn)行降噪效果測試。車內(nèi)噪聲測試時(shí)，車速設(shè)置為60 km/h和80 km/h，采用手持式噪聲儀，測量位置為車內(nèi)副駕駛處。路側(cè)噪聲測試時(shí)，由于該路段重載貨車較多，為排除貨車干擾，以單車進(jìn)行測試，車速設(shè)置為40 km/h、60 km/h和80 km/h。噪聲測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)可知，道路新建情況下，與AC-13路段相比，OGFC-10混合料+抗凝冰涂層路段在60 km/h 和80 km/h勻速行駛狀態(tài)下，車內(nèi)噪聲分別降低了3.4 dB和4.7 dB。通車11個(gè)月后，與AC-13 路段相比，OGFC-10 混合料+抗凝冰涂層路段在60 km/h 和80 km/h勻速行駛狀態(tài)下，車內(nèi)噪聲分別降低了2.8 dB和2.9 dB，究其原因可能是試驗(yàn)段位置風(fēng)力較大、沙塵較多，且重載貨車占比較大，孔隙堵塞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致降噪效果衰減[11]。

由圖3(b)可知，與AC-13相比，OGFC-10混合料+抗凝冰涂層路段在40 km/h、60 km/h和80 km/h勻速行駛狀態(tài)下，路側(cè)噪聲均降低了約3.5 dB。

(a) 車內(nèi)噪聲

(b) 路側(cè)噪聲圖3 噪聲測試結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)效果表明，OGFC-10混合料和抗凝冰涂層二者融合可操作性良好，抗凝冰涂層無明顯的堵孔和滲水現(xiàn)象。

(2) 融冰降噪復(fù)合功能型瀝青路面有效抑制冰層凝結(jié)，尤其是對于冬季溫度不低于-8 ℃的地區(qū)，具有良好的抗凝冰效果。

(3) 融冰降噪復(fù)合功能型瀝青路面降噪效果顯著，可降低交通噪聲約3 dB。