抗滑降噪型高性能瀝青混凝土設計方法研究

唐皓 韋彬

摘要 基于CAVF設計方法，利用數(shù)字圖像處理技術，借助Image Pro Plus和Matlab軟件，提出新的（壓實瀝青混合料的粗集料骨架間隙率）計算方法，用于指導抗滑降噪型瀝青混合料的配合比設計。設計比對試驗，分析不同級配混合料的功能性，試驗結果表明改進CAVF法設計的混合料具有優(yōu)良的降噪抗滑性能，長期使用性能較為穩(wěn)定，性能衰減速率緩慢。通過室內(nèi)模擬輪胎作用，驗證了該方法的可行性。

關鍵詞 抗滑降噪;CAVF設計法;數(shù)字圖像處理;粗集料骨架間隙率;比對試驗

中圖分類號 U416.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0130-04

0 引言

隨著社會發(fā)展，涌現(xiàn)了許多瀝青混合料類型，例如排水路面、超薄磨耗層、降噪路面等[1-3]。相關研究表明，交通噪聲污染對人、經(jīng)濟和環(huán)境均造成不同程度的影響，噪聲不利于人的身心健康，造成引發(fā)噪聲污染的社會管理費用成本上升[4]。近年來，行車的安全問題趨于明顯，道路抗滑性能衰減過快已成為道路工程領域迫切需要解決的重要技術問題[5-6]。

為解決路面噪聲和抗滑的問題，設計了抗滑降噪型高性能瀝青混合料，如OGFC瀝青混合料[7]。但目前應用過程中，存在混合料松散、空隙堵塞等問題，嚴重削弱道路使用性能及壽命[8]。因此，如何優(yōu)化配合比設計進而提高抗滑降噪型路面的路用性能，具有較大的研究價值。在級配方面，抗滑降噪型高性能瀝青混合料和普通瀝青混合料存在較大差異[9]。抗滑降噪型高性能瀝青混合料的配合比設計方法并沒有統(tǒng)一的規(guī)定，國內(nèi)外有許多設計方法，不同國家及地區(qū)使用著一種或多種設計方法。

該文基于CAVF法，將集料嵌擠原則和填充原則有機地結合起來，開展抗滑降噪型高性能瀝青混合料配合比設計研究。設計室內(nèi)試驗模擬路面運營時的環(huán)境，驗證瀝青混合料的降噪及抗滑性能。

1 混合料配合比設計

1.1 原材料

集料在瀝青混合料的體系中不但要承擔起骨架的作用，還要對其骨架間的空隙進行填充。此外，集料的酸堿性決定了與瀝青的粘附性，堿性集料有利于提高混合料抗剝落、抗水損的能力。該文研究所用原材料詳見表1。

1.2 CAVF法設計抗滑降噪型高性能瀝青混合料

1.2.1 CAVF法基本原理

CAVF法（主骨架空隙填充法）首先由張肖寧教授提出，其核心在于設計粗集料形成主骨架，然后使用細集料、填料和瀝青膠結料進行填充，使得混合料形成整體發(fā)揮密水與強度性能。

瀝青路面設計規(guī)范中將≤作為評價瀝青混合料骨架嵌擠效果的依據(jù)。計算中包括了試樣表面的所有空隙，而實際施工后路表無需膠漿完全填充，必須具備一定構造深度。為了更準確表達混合料的體積關系，設計出性能更佳的瀝青混合料，大量學者研究指出以替代進行CAVF法設計?；贑AVF法，可列下式方程：

（1）

（2）

式中：、、分別為粗集料、細集料、填料的質(zhì)量百分率，%;為粗集料松方毛體積相對密度;、分別為細集料和礦粉的表觀相對密度;為壓實瀝青混合料的粗集料骨架間隙率，%;為設計混合料的空隙率，%，為有效瀝青體積，%。

1.2.2 數(shù)字圖像處理技術

一般用經(jīng)驗法進行計算，試驗過程存在人為誤差，如何準確檢測出，對于配合比設計具有重要意義。為了準確得到粗集料骨架間隙率，利用數(shù)字圖像技術進行分析。

數(shù)字圖像處理運用體視學原理，建立從高維（三維）組織的截面（二維）所獲得的低維測量量與定量表征該組織本身的三維空間組織參數(shù)之間關系[10]。將馬歇爾試件橫切，橫切面間距5 mm，共拍攝24張圖片。將拍攝的圖片導入Matlab軟件進行二值化處理（灰度值為0與255），二值化閾值按現(xiàn)場拍攝光線、檢測量潔凈程度進行適當?shù)恼{(diào)整。二值化后的圖片導入Image Pro Plus軟件，選取粗集料區(qū)域，去除圖像噪點，然后選擇計算粗集料面積占比。通過匯總二維粗集料面積，采用Matlab軟件重構得到三維粗集料體積，進而得到粗集料骨架間隙率。

1.3 配合比設計結果

依據(jù)1.2中改進的CAVF法，按圖1流程設計抗滑降噪型高性能瀝青混合料。

結合施工經(jīng)驗，控制關鍵篩孔2.36的通過率為12.5%～14%，根據(jù)拌和樓熱料篩分結果，得到配合比為11～15 mm∶6～11 mm∶0～3 mm∶礦粉∶水泥=35.5∶45∶16∶2.5∶1。以油石比為5.0%、5.3%和5.6%進行馬歇爾體積指標檢測，綜合考慮析漏和飛散試驗指標，以空隙率為19.5%、油膜厚度14 μm作為判別依據(jù)決定最終的設計油石比，確定最佳油石比為5.3%。

2 室內(nèi)試驗設計

2.1 噪聲檢測

2.1.1 檢測設備

采用主驅動輪式路面材料加速加載試驗系統(tǒng)進行路面噪聲室內(nèi)試驗，裝置如圖2所示。

噪聲采集系統(tǒng)位置距離輪胎10 cm，通過數(shù)據(jù)采集儀，將信號放大連接計算機，計算得到聲壓級。

2.1.2 試驗方法與流程

（1）試件制作與安裝。由試驗材料制作兩個級配的弧形車轍板試件，兩個級配分別由改進CAVF法及馬歇爾法設計，級配如圖3所示。

（2）運行條件設置。溫度25℃并保證試驗過程中的溫度恒定;輪胎接地壓力設置在0.7 MPa;輪胎荷載250 kN;采樣時間120 s;固定傳聲器，穩(wěn)定連接計算機。

（3）背景噪聲測量。

（4）運行系統(tǒng)，保存結果。

2.2 抗滑性能檢測

借助膠輪搓揉試驗裝置，采用花紋橡膠輪胎對試件施加豎向碾壓與切向磨耗作用，設備見圖4。

具體試驗參數(shù)為：

（1）溫度：室溫25℃。

（2）輪寬：50 mm。

（3）試件橫向移動速度：10 cm/min。

（4）車輪行走次數(shù)：42±1次/分。

（5）輪重：42～100 kg。

試驗步驟：

1）選用改進CAVF法設計和馬歇爾法設計瀝青混合料，使用輪碾法制作長300 mm、寬300 mm、高50 mm的板塊試件。

2）采用浸水60℃來模擬夏季高溫濕熱環(huán)境下得行車作用，每間隔1 h進行車轍板的構造深度、擺值測定，間隔2 h采用膠片測試系統(tǒng)獲取不同車轍板試件的接觸界面情況，試驗周期為8 h。

3 結果及分析

3.1 噪聲水平

室內(nèi)加速加載試驗系統(tǒng)通過增加對路面的輪胎作用次數(shù)，研究路面噪聲的長期變化情況，結果見表2。

隨著輪胎作用次數(shù)的增加，聲壓級逐漸增大。CAVF法設計的路面噪聲聲壓級較小，比馬歇爾法平均減少1.2 dB（A），且隨著輪胎作用時間的推移，CAVF法噪聲水平增長速率更慢。通過改進CAVF法設計的路面噪聲水平降低，長期使用效果更佳。

3.2 抗滑性能

選擇前文設計的兩種混合料，進行8 h的搓揉作用，結果見表3和表4。

構造深度隨時間呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢，CAVF法試件的構造深度較大，車輪碾壓之后的終值亦較大。說明混合料主骨架對其表面的構造穩(wěn)定性影響較大，主骨架較強，則表面的構造穩(wěn)定性越好，有利于保持更持久的宏觀構造深度。

兩種級配混合料的擺值對比可得，初始狀態(tài)下的擺值差別不大，但8 h后的CAVF法試件擺值更大，擺值衰減速率相對較為緩慢，長期抗滑性能更加優(yōu)良。

4 結語

基于CAVF設計方法，采用數(shù)字圖像處理技術，借助Image Pro Plus和Matlab軟件，提出新的粗集料骨架間隙率計算方法，指導配合比設計。通過室內(nèi)試驗模擬車輛輪胎作用，比較分析不同級配混合料的功能性，結果表明采用改進的CAVF法設計的混合料具有優(yōu)良的降噪抗滑性能，路用性能衰減較為緩慢。

參考文獻

[1]張娟.OGFC-13型排水瀝青鋪面在高架快速路上的應用研究[J].上海公路，2021（3）：54-57+81+154.

[2]李增慶.瀝青混凝土路面施工質(zhì)量控制[J].交通世界，2021（27）：89-90.

[3]房佳儀，張震，彭宗林，等.瀝青路面降噪原理及其靜音化設計[J].石油瀝青，2021（3）：57-62.

[4]張茂林.城市道路交通噪聲污染特征分析與管理對策研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2021（5）：76-77.

[5]梁庭熹，包聰靈，許新權，等.OGFC-13在惠清高速公路路面中的應用[J].廣東公路交通，2021（4）：30-34+40.

[6]于立澤，劉作強，張海濤，等.功能性瀝青混合料排水特性的評價研究[J].重慶理工大學學報，2021（8）：106-113.

[7]陶志鵬.透水瀝青路面混合料配合比設計及其路用性能研究[D].南昌：南昌工程學院，2020.

[8]范安華，伯冬冬，包維剛，等.環(huán)氧瀝青OGFC配合比設計及優(yōu)化[J].建筑技術，2020（10）：1160-1163.

[9]唐心能.山區(qū)多霧條件下高速公路運營安全管控技術研究[D].西安：西安理工大學，2020.

[10]趙毅，楊旋，郝增恒，等.瀝青混合料均勻性數(shù)字圖像評價方法研究進展[J].材料導報，2020（23）：23088-23099.