多孔瀝青混合料的聲學(xué)性能評(píng)價(jià)

李金鳳 ，何兆益 ，孔 林

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074）

現(xiàn)代工業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使汽車保有量與日俱增，帶來的交通噪聲污染問題日益嚴(yán)重.交通噪聲作為噪聲污染的主要來源，長期暴露在噪聲污染環(huán)境中容易使人出現(xiàn)生理和心理疾病[1-3].交通噪聲的產(chǎn)生與交通量、交通流、行車速度以及路面狀況相關(guān)[4].交通噪聲的來源主要包括：車輛的動(dòng)力系統(tǒng)、輪胎/路面的接觸、車身與空氣的摩擦[5].當(dāng)車速度介于40～100 km/h時(shí)，輪胎/路面作用產(chǎn)生的噪聲對交通噪聲的貢獻(xiàn)值最大，占比約90%[5-6].隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，動(dòng)力系統(tǒng)減振降噪和輪胎制造技術(shù)日趨成熟，路面結(jié)構(gòu)對降低輪胎/路面噪聲將起著重要作用[7].

針對輪胎/路面噪聲，歐洲、日本和美國在20世紀(jì)70年代后相繼開展了低噪聲路面的研究，發(fā)現(xiàn)多孔瀝青路面是一種有效降低輪胎/路面噪聲的結(jié)構(gòu)形式，得到了廣泛應(yīng)用[8-9].多孔瀝青路面由于多孔結(jié)構(gòu)，尤其是較多的連通空隙為噪聲在路面內(nèi)部的傳播提供了有效耗散的通道，表面紋理構(gòu)造充當(dāng)空氣流通通道降低氣壓減弱了噪聲的產(chǎn)生機(jī)制（如泵吸、空氣共振和喇叭效應(yīng)）[5].目前，公路瀝青路面采用的熱拌瀝青混合料主要有：密級(jí)配瀝青混合料（AC）、瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）和開級(jí)配多孔瀝青混合料（PAC）[10].相比SMA和AC瀝青路面，多孔瀝青路面可有效降低交通噪聲3～6 dB[11-12].聲波吸收是指聲波在材料內(nèi)部傳播過程中會(huì)發(fā)生不規(guī)則的反射、折射和衍射等現(xiàn)象引起能量損耗[13].路面材料吸收聲波能力的大小通常用“吸聲系數(shù)”表征，即吸收聲能與入射聲能之間的比值，是反映路面材料吸聲性能的重要指標(biāo)[14].管測法和混響室法是測試材料吸聲性能最常用的方法：前者包括駐波比法和傳遞函數(shù)法，是國家標(biāo)準(zhǔn)《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗測量》（GB/T 18696.2—2002）[15]規(guī)定的測試方法；后者常用于建筑物室內(nèi)裝修材料對無規(guī)則入射聲波吸收性能的測試，對于路面材料并不方便使用.目前，也有些學(xué)者[9,16-17]采用了駐波比法對不同級(jí)配瀝青混合料的吸聲系數(shù)進(jìn)行測試，主要是分析了空隙率對混合料吸聲性能的影響，但并沒有系統(tǒng)闡明級(jí)配類型、集料粒徑、連通空隙率以及表面紋理等因素的影響；Gardziejczyk[18]采用現(xiàn)場近距離測試法對波蘭境內(nèi)兩條多孔瀝青路面的吸聲性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與鉆取芯樣的室內(nèi)駐波比法測得的結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，兩者具有良好的一致性.因此，采用駐波比法測試瀝青混合料的吸聲系數(shù)，并對其吸聲性能進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的.本文將采用駐波比法對多孔瀝青混合料的吸聲性能進(jìn)行測試分析.

本文將著重研究分析級(jí)配類型、空隙率、連通空隙率、試件厚度以及表面紋理等因素對多孔瀝青混合料吸聲性能的影響，揭示各種因素影響下多孔瀝青混合料的吸聲規(guī)律.

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料及試樣制備

試驗(yàn)中制備8種級(jí)配的瀝青混合料，包括6種多孔瀝青混合料（PAC-16、PAC-13a、PAC-13b、PAC-13c、PAC-10和 PAC-5）、瀝青瑪蹄脂碎石（SMA-13）和密級(jí)配瀝青混合料（AC-13）.集料級(jí)配組成見表1.試驗(yàn)采用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SBS）改性瀝青和高黏改性瀝青，后者是通過向前者中加入8.7%的高黏劑制備而成，兩者在60 ℃的動(dòng)力黏度分別為 1 840 Pa·s 和 725 000 Pa·s；集料采用玄武巖，填料采用普通石灰?guī)r礦粉.制備多孔瀝青混合料時(shí)采用高黏改性瀝青，并加入混合料總質(zhì)量0.1%的聚酯纖維；制備SMA-13和AC-13時(shí)采用SBS改性瀝青，其中前者也加入混合料總質(zhì)量0.1%的聚酯纖維.根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[19]和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[20]確定瀝青混合料的最佳瀝青用量.

按照表1中的礦料級(jí)配和瀝青用量，采用輪碾法制備了不同級(jí)配類型的混合料車轍板試件，每個(gè)車轍板鉆取4個(gè)芯樣（如圖1），然后采用體積法測得不同芯樣試件的空隙率，見表1.將鉆取的芯樣試件放置在常溫且通風(fēng)良好的場所使之干燥，直至質(zhì)量不再發(fā)生變化后測定其干燥重量；然后將芯樣試件置于常溫水中約1 min后，用木槌輕輕敲打芯樣試件將空隙中殘存的空氣排出，測定其水中重量.試件連通空隙率為

圖1 不同瀝青混合料車轍板鉆心后的試件Fig.1 Core drilling specimens of different asphalt concrete

表1 不同瀝青混合料的級(jí)配組成Tab.1 Gradation composition of different asphalt concrete %

式中：V為試件的體積；m0和mw分別為試件干燥狀態(tài)和在水中的重量； ρw為常溫下水的密度.

1.2 吸聲系數(shù)測試

采用駐波比法[15]測定不同級(jí)配瀝青混合料的吸聲系數(shù)，該系統(tǒng)主要包括聲阻抗管、揚(yáng)聲器、聲頻控制器、數(shù)據(jù)分析儀和計(jì)算機(jī)等，如圖2所示.阻抗管為平直、剛性且氣密性良好的圓管，一端裝有試件，另一端為揚(yáng)聲器.揚(yáng)聲器產(chǎn)生的平面入射波pi與從試件反射回來的聲波pr相疊加，在阻抗管內(nèi)形成駐波p=pi+pr.駐波比為特定聲頻下聲壓極小值和極大值振幅 |pmax| 和 |pmin| 的比值.

由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的沿阻抗管傳播的pi（沿管軸負(fù)x方向傳播，即負(fù)x方向?yàn)槿肷浞较?，見圖2（a））為

圖2 吸聲系數(shù)測試裝置Fig.2 Test instrument for sound absorption coefficient

式中：p0為聲壓振幅；k0為波數(shù)，如式(3).

式中：ω為聲波角頻率；f為聲波頻率，Hz；c0為聲波在空氣中傳播的速度，m/s.從試件反射回來的聲波pr為

式中：r為復(fù)反射因數(shù)，如式 (5)，其中， φ 為相位角.

基準(zhǔn)面x=0處，駐波管中聲阻抗如式(6).

式中：Z0=ρ0c0， 為聲波的特征阻抗， ρ0為空氣密度，kg/m3.

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 |pmax| ；當(dāng)pi(x) 和pr(x) 反相位時(shí)，聲壓出現(xiàn)極小值 |pmin| ，則駐波比s為

則吸聲系數(shù)為

特定聲頻下，可測得聲波在阻抗管內(nèi)產(chǎn)生的|pmax|和 |pmin| ，并由式（6）和式（7）計(jì)算得到吸聲系數(shù).通常情況，阻抗管中的聲壓采用對數(shù)計(jì)量，由聲壓極大值和極小值之間的級(jí)差 ΔL（分貝dB）可得駐波比s=10ΔL/20，從而求得 α 為

阻抗管的工作頻率范圍（fl＜f＜fu，fl和fu分別為工作頻率的下限和上限）取決于長度l和橫截面直徑d，為避免揚(yáng)聲器在管中激發(fā)高次波，頻率需滿足[18]：

材料對不同噪聲頻率的吸聲性能存有差異，車輛行駛產(chǎn)生的胎/路面噪聲頻率范圍主要介于400～1 600 Hz[21-22].為此，本文選擇在 11 個(gè) 1/3 倍頻程頻率下對瀝青混合料試件的吸聲系數(shù)進(jìn)行測試，包括 200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000 Hz，進(jìn)而綜合評(píng)估不同級(jí)配瀝青混合料的吸聲性能.為了保證揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波以平面波的形態(tài)沿阻抗管傳播，選擇阻抗管的直徑為100 mm；對于更高的頻率，需要采用較小直徑的阻抗管（如 60 mm 和 30 mm）.瀝青混合料試件在 1/3 倍頻程下 200～2 000 Hz 范圍內(nèi)平均吸聲系數(shù)為

式中： α200、 α250、 α315、···、 α2000分別為頻率為 200、250、315、···、2 000 Hz下的吸聲系數(shù).

2 測試結(jié)果分析與討論

同一種級(jí)配組成的瀝青混合料包括4個(gè)平行試件，每個(gè)試件均采用駐波比法測得1/3倍頻程頻率下的吸聲系數(shù).以PAC-16和PAC-13b為對象，分別給出了4個(gè)平行試件的吸聲頻譜，如圖3所示.由圖3可以看出：每一種級(jí)配瀝青混合料中4個(gè)平行試件的吸聲頻譜非常接近，說明測試結(jié)果具有較好的可重復(fù)性，統(tǒng)計(jì)意義顯著.因此，每個(gè)頻率下的吸聲系數(shù)可取4個(gè)平行試件對應(yīng)頻率測試結(jié)果的平均值，從而得到不同級(jí)配瀝青混合料的吸聲頻譜，然后分析級(jí)配類型、空隙率、連通空隙率、試件厚度以及表面紋理構(gòu)造等因素對瀝青混合料吸聲性能的影響.

圖3 同一級(jí)配瀝青混合料不同試件的吸聲系數(shù)Fig.3 Sound absorption coefficient of different specimens of the same gradation asphalt concrete

2.1 級(jí)配類型與空隙率的影響

公稱最大粒徑相同的情況下，圖4給出了5種級(jí)配瀝青混合料（PAC-13a、PAC-13b、PAC-13c、SMA-13和 AC-13）的吸聲頻譜曲線.SMA-13和AC-13分別屬于間斷級(jí)配和密級(jí)配瀝青混合料，空隙率分別為 3.9%和 4.2%；PAC-13a、PAC-13b、PAC-13c屬于開級(jí)配多孔瀝青混合料，空隙率分別為16.7%、20.0%、23.1%.

由圖4可以看出：

圖4 級(jí)配類型和空隙率對吸聲系數(shù)的影響Fig.4 Effect of gradation type and porosity on sound absorption coefficient spectra

1）不同頻率下AC-13的吸聲系數(shù)基本位于0.1以下，沒有明顯的起伏變化，其平均吸聲系數(shù)=0.082 9；SMA-13的吸聲系數(shù)隨著頻率變化略有起伏，并在 800 Hz時(shí)出現(xiàn)了微小峰值，=0.108 2，略高于 AC-13；雖然 SMA-13和 AC-13兩者的空隙率和連通空隙率非常接近，但前者的平均吸聲系數(shù)反而略大，主要原因在于SMA-13的表面紋理粗糙程度要好于AC-13，增加了聲波在混合料試件表面耗散的通道以及折、反射的頻次，更有利于聲能的消耗.

2）PAC-13a、PAC-13b、PAC-13c 3 種混合料的吸聲系數(shù)隨著頻率的增加先增加后減?。籔AC-13a和PAC-13b吸聲系數(shù)峰值對應(yīng)的頻率均為500 Hz，而空隙率最大的PAC-13c吸聲系數(shù)峰值對應(yīng)的頻率為630 Hz，說明混合料的吸聲頻譜峰值隨著空隙率的增加有向高頻方向移動(dòng)的跡象；上述3種混合料的峰值吸聲系數(shù)分別為0.40、0.52和0.73；平均吸聲系數(shù)分別為 0.201 2、0.230 9 和 0.265 9，空隙率每增加1%，平均吸聲系數(shù)增加4.8%，說明混合料的吸聲性能隨著空隙率的增加而增強(qiáng).由上述分析可知，多孔瀝青混合料的吸聲性能遠(yuǎn)優(yōu)于瀝青瑪蹄脂碎石和密級(jí)配瀝青混合料.

2.2 公稱最大粒徑與連通空隙率的影響

PAC-5、PAC-10、PAC-13b 和 PAC-16 4 種多孔瀝青混合料的平均空隙率分別為19.4%、19.8%、20.0%、19.5%，所得吸聲頻譜曲線如圖5所示.由圖5可以看出：上述4種混合料的吸聲頻譜隨頻率均先升后降，峰值吸聲系數(shù)分別為0.39、0.43、0.52和0.58，對應(yīng)的峰值頻率分別為 400、500、500、630 Hz，平均吸聲系數(shù)分別為 0.197 3、0.200 4、0.230 9、0.244 5.由此可知，空隙率相接近的多孔瀝青混合料，隨著公稱最大粒徑的增加吸聲頻譜峰值向高頻方向移動(dòng)，吸聲性能也會(huì)逐漸減弱.主要是因?yàn)樯鲜?種混合料的連通空隙率依次增大（分別為8.2%、10.1%、12.6%、13.2%），隨公稱最大粒徑的增加而增大，較大的連通空隙率為聲波在混合料中的傳播提供了較多的通道，更有利于聲能的吸收，相應(yīng)的吸聲性能也就越好.

圖5 最大公稱粒徑對吸聲系數(shù)的影響Fig.5 Effect of maximum nominal particle size on sound absorption coefficient spectra

由上述分析可知，連通空隙率是影響多孔瀝青混合料吸聲性能的主要因素，混合料吸聲系數(shù)的平均值和峰值分別隨連通空隙率的變化規(guī)律，如圖6所示，并得到了吸聲系數(shù)隨連通空隙率近似線性增加的表達(dá)式，其中： αP為吸聲系數(shù)峰值.

圖6 瀝青混合料吸聲系數(shù)隨連通空隙率的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between sound absorption coefficient of asphalt concrete and connected porosity

2.3 試件厚度的影響

考慮到實(shí)際瀝青路面厚度的差異性，圖7給出了 PAC-13b、PAC-10和 PAC-5 3種瀝青混合料分別在3種不同厚度下的吸聲頻譜曲線.由圖7可以看出：3種級(jí)配混合料試件在不同厚度下的吸聲頻譜隨頻率同樣表現(xiàn)為先升后降的趨勢；隨著試件厚度的減小，同一種級(jí)配混合料的吸聲頻譜峰值逐漸向高頻方向移動(dòng)，有利于對高頻噪聲的吸收，對應(yīng)的峰值吸聲系數(shù)會(huì)略有增大，但平均吸聲系數(shù)（表2）在逐漸減小，說明混合料的整體吸聲性能在逐漸減弱.這是因?yàn)樵嚰穸鹊臏p小會(huì)導(dǎo)致聲波在混合料空隙通道中傳播的路徑縮減，受曲折空隙的阻擋次數(shù)減少，聲波在空隙間發(fā)生反射和折射的次數(shù)也在減少，因而聲波損失的能量也就越少，故試件越薄整體吸聲性能越差.

表2 不同厚度下瀝青混合料試樣的平均吸聲系數(shù)Tab.2 Average sound absorption coefficient of asphalt concrete samples with different thicknesses

圖7 試件厚度對吸聲系數(shù)的影響Fig.7 Effect of specimen thickness on sound absorption coefficient spectra

2.4 試件表面紋理形態(tài)的影響

為了比較表面紋理構(gòu)造對多孔瀝青混合料吸聲性能的影響，選擇PAC-13b和PAC-10兩種混合料為研究對象，試件厚度同為4.0 cm左右，測試試件糙面（圖8(a)）和光面（圖8(b)）分別接收入射聲波時(shí)的吸聲性能，測得吸聲頻譜見圖9.

圖8 表面紋理接收入射聲波的情況Fig.8 Condition of specimen surface texture receiving incident sound wave

由圖9可以看出：相比光面，同一多孔瀝青混合料試件糙面接收入射聲波時(shí)的峰值吸聲系數(shù)較大，相應(yīng)的峰值頻率也較高；PAC-13b光面和糙面接收入射聲波時(shí)的平均吸聲系數(shù)分別為0.210 1和0.188 2；PAC-10光面和糙面接收入射聲波時(shí)的平均吸聲系數(shù)分別為0.190 9和0.1583.主要原因是入射聲波傳至混合料試件糙面時(shí)，聲波會(huì)發(fā)生較多的折、反射次數(shù)，從試件表面反射回來色聲波相互疊加后聲能消耗較大，相應(yīng)的吸聲效果較好；光面接收入射聲波時(shí)，情況恰好相反.以上分析說明，混合料表面紋理構(gòu)造對混合料吸聲性能有顯著影響，如何量化表面紋理的影響還有待深入研究.

圖9 表面紋理對吸聲系數(shù)的影響Fig.9 Effect of specimen surface texture on sound absorption coefficient spectra

3 降噪水平分析

噪聲水平在聲學(xué)中通常是指聲壓和聲強(qiáng)（dB），交通噪聲的入射波撞擊路面時(shí)部分進(jìn)入內(nèi)部空隙被吸收或損失掉，反射回來的聲波能量必定小于入射聲波能量，入射和反射聲強(qiáng)普遍使用對數(shù)來度量[14]，如式（12）、（13）.

式 中：LI和LR分 別 為 入 射 聲 強(qiáng) 和 反射 聲 強(qiáng) ，dB；pe為待測聲壓，Pa；pref為參考聲壓，取值為正常人耳對1 kHz聲音所能覺察到的最低聲壓值，2.0 ×10-5Pa； α =1.0 表示材料完全吸收聲波， α =0 表示材料完全不吸聲.

利用式（12）減去式（13），便可得到材料在給定聲源下的降噪水平值（降噪值），可表示為

由圖10可以看出：PAC混合料的降噪水平遠(yuǎn)好于瀝青瑪蹄脂碎石（SMA-13）和密級(jí)配瀝青混合料（AC-13）；隨著公稱最大粒徑增加，空隙率接近的 PAC-16、PAC-13b、PAC-10、PAC-5等 4種多孔瀝青混合料（空隙率分別為19.5%、20.0%、19.8%和19.4%）的降噪水平依次降低；空隙率分別為16.7%、20.0%和 23.1%的 PAC-13a、PAC-13b和 PAC-13c 3種多孔瀝青混合料的降噪水平依次增大.

圖10 不同級(jí)配瀝青混合料的降噪水平Fig.10 Noise reduction level of asphalt concrete with different gradations

4 結(jié) 論

針對輪碾法成型的不同級(jí)配瀝青混合料車轍板鉆心取樣，并采用駐波比法對鉆取的芯樣試件進(jìn)行吸聲性能測試，得到如下結(jié)論：

1）相比瀝青瑪蹄脂碎石SMA和密級(jí)配瀝青混凝土AC，多孔瀝青混合料PAC的吸聲性能要好得多，PAC的吸聲頻譜隨頻率先增加后減小.

2）隨著空隙率的增加，瀝青混合料的吸聲系數(shù)逐漸增大，相應(yīng)的吸聲頻譜峰值有向高頻移動(dòng)，空隙率每增加1%，平均吸聲系數(shù)增加約4.8%.

3）空隙率相近的PAC混合料，公稱最大粒徑越大，連通空隙率越高，吸聲系數(shù)越大，吸聲性能越好，并給出了吸聲系數(shù)隨連通空隙率的線性關(guān)系式；隨著公稱最大粒徑的增加，PAC混合料的吸聲頻譜峰值逐漸向高頻方向移動(dòng).

4）隨著試件厚度的變小，PAC混合料的吸聲頻譜峰值逐漸向高頻方向移動(dòng)，也就更有利于對高頻噪聲的吸收，平均吸聲系數(shù)逐漸減小，整體吸聲性能也就越差.

5）相比密級(jí)配瀝青混合料AC-13，瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13的平均吸聲系數(shù)較大；相比光面，同一個(gè)PAC混合料試件糙面接受入射聲波時(shí)的平均吸聲系數(shù)大約13.9%，說明混合料的表面紋理構(gòu)造會(huì)顯著影響其吸聲性能.