橡膠顆粒改性瀝青阻尼降噪性能研究

方淑艷

(內(nèi)蒙古路橋集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010051)

0 引 言

科技的發(fā)展，對于路面的要求不僅僅是行車，更多的是要求可以達(dá)到排水、吸塵、降噪等多功能型道路，在現(xiàn)在城市當(dāng)中，人們的生活上需要優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境，很多工作都需要低分貝的工作環(huán)境，所以作為產(chǎn)生大量噪聲的道路來說，路面的降噪已經(jīng)成為一項重要環(huán)境評價指標(biāo)。當(dāng)前路面的降噪大體分為兩種，一種是通過在路面上加鋪一層磨耗層消耗輪胎與路面碰撞產(chǎn)生的噪音，另一種是設(shè)計多空結(jié)構(gòu)設(shè)計層，通過大量空隙增加空隙間的振動將噪音消耗，但這兩種方法都增加了施工的成本和難度，所以對于低成本的、施工工藝簡單的降噪型路面的研究已經(jīng)成為當(dāng)今的重要研究內(nèi)容。

肖飛鵬、王濤等人對橡膠顆粒改性瀝青的降噪原理進(jìn)行了闡述并總結(jié)了橡膠顆粒改性瀝青降噪技術(shù)的最新研究成果[1]。V Chandran;，Lenin Nagarajan等人研究了不同尺寸的廢輪胎橡膠顆粒和沉淀硅填充天然橡膠復(fù)合材料，以評估廢輪胎橡膠填充橡膠復(fù)合材料的振動阻尼行為[2]。何立平通過DSR試驗，通過用DMA的分析方法分析了橡膠瀝青的流變性能[3]。

1 橡膠顆粒改性瀝青實驗介紹

制備不同橡膠顆粒目數(shù)和用量比的改性瀝青，探究其降噪性能。對橡膠顆粒改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)實驗，通過針入度試驗確定橡膠顆粒改性瀝青的當(dāng)量軟化點，采用當(dāng)量脆性點和塑性溫度區(qū)間來評價橡膠顆粒改性瀝青的高溫高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。通過軟化點試驗確定橡膠顆粒改性瀝青的軟化點。橡膠顆粒改性瀝青的降噪特性主要表現(xiàn)在屬于高粘彈性瀝青，使車輛輪胎與路面的相互作用即振動能量最終變成熱能被消耗。大幅度減少輪胎與路面的振動來達(dá)到降噪的功能，而動態(tài)剪切流變儀實驗中的彈性模量的能量釋放與粘性模量熱能耗散即表示橡膠瀝青的阻尼降噪性能。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG-E20—2011)，采用針入度儀、軟化點儀、延度儀和動態(tài)剪切流變儀(aristole)對橡膠顆粒的三項指標(biāo)和DSR指數(shù)進(jìn)行檢測，以確定道路橡膠顆粒改性瀝青的阻尼降噪性能。

2 橡膠顆粒改性瀝青阻尼降噪機理分析

瀝青的降噪特性與阻尼有關(guān)。橡膠顆粒改性瀝青是一種大型粘彈性阻尼材料，可以有效地降低輪胎和車輛的整體振動。振動是噪音的根源。從結(jié)構(gòu)振動發(fā)出的固體噪聲的大小與固體振動的速度成正比。研究發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒改性瀝青路面可以將道路車輛的振動降低到1/10，從而可以降低20 dB的噪音聲壓[4]。通過將振動產(chǎn)生的噪聲能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他可以消耗的能量，可以有效地減少振動和噪聲的產(chǎn)生[5]。當(dāng)輪胎通過路面時，輪胎的振動能量將轉(zhuǎn)移到橡膠瀝青的橡膠分子鏈上，當(dāng)輪胎離開路面時，一部分能量將被釋放，另一部分的能量會通過橡膠與瀝青粒子間的摩擦轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。

在橡膠分子鏈中貯存又釋放的能量就是動態(tài)剪切流變儀實驗所測得的彈性模量，另一部分將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉的則是DSR實驗中測得的粘性模量。橡膠顆粒目數(shù)為30～60目，摻量為0%、18%、20%和22%。通過動態(tài)剪切流變實驗測得的動態(tài)模量、粘性模量和相位角。測量的相位角越大，粘性模量越大，降噪效果越好。

3 橡膠顆粒改性瀝青阻尼降噪實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗材料

內(nèi)蒙古東部位于溫帶季風(fēng)氣候，降水量少且不均勻，季節(jié)變化劇烈。一月份的氣溫最低，從南到北為-10～32 ℃。7月氣溫最高，最高氣溫為36 ℃。根據(jù)內(nèi)蒙當(dāng)?shù)貧鉁靥攸c，瀝青采用SK90#瀝青(A級)。橡膠顆粒是在室溫下壓碎小型汽車輪胎的側(cè)壁加工制成，成分是30%的天然橡膠和70%的丁苯橡膠。目數(shù)范圍在30～60目。橡膠顆粒改性瀝青采用溫拌法制備，用外摻的方法加入膠粉。

3.2 基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表1 基質(zhì)瀝青的主要指標(biāo)

3.3 橡膠顆粒改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

橡膠顆粒改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 橡膠顆粒改性瀝青指標(biāo)

3.4 橡膠瀝青動態(tài)剪切流變儀試驗

(1)應(yīng)變掃描

通過應(yīng)變掃描確定了橡膠顆粒改性瀝青的線性粘彈范圍。在46 ℃和64 ℃條件下，分別對0%、18%、20%和22%四種橡膠含量進(jìn)行了1%～13%的應(yīng)變掃描試驗，膠粉的粒徑范圍在30～60目。對于壓力老化(PAV)瀝青和中等試驗溫度(4～40)，平行板之間的間距要求為2 mm。因此，為了減小橡膠顆粒離散性的影響，本實驗采用了一個間距為2 mm的25 mm平行板。

由圖1、圖2知，橡膠摻量為0%、18%、20%、22%在應(yīng)變1%～16%內(nèi)都是處于線性粘彈范圍內(nèi)。

圖1 46 ℃應(yīng)變掃描

圖2 64 ℃應(yīng)變掃描

(2)溫度掃描

在溫度掃描中，損耗模量和儲能模量分別代表橡膠瀝青的彈性模量的粘性模量。損失模量是指橡膠瀝青將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的內(nèi)能消耗，而聲音是由振動產(chǎn)生的，因此損失模量的增加會提高瀝青的降噪性能。根據(jù)上節(jié)應(yīng)變掃描結(jié)果，本次試驗選用控制應(yīng)變模式，加載應(yīng)變?yōu)?%，加載頻率取10 rad/s，在46～82 ℃間，以6 ℃為梯度共七個梯度范圍，選2 mm間距25 mm平行板夾具，試驗結(jié)果如圖3，圖4所示。

圖3 損耗、儲能模量

圖4 相位角

由圖可以看出隨著溫度的升高，損耗模量和儲能模量均呈下降趨勢，且趨勢逐漸減緩。

與基質(zhì)瀝青相比，橡膠顆粒改性瀝青損耗模量更大，也就是他們將振動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能消耗的能力越強所以他們的降噪性能越好，并且隨著膠粉含量的增加，損耗模量增大，降噪效果更好。

(3)頻率掃描

采用頻率掃描法測量瀝青在恒溫恒壓條件下的動態(tài)模量和損耗隨頻率的變化，評價動態(tài)力學(xué)性能對速度的依賴性。本實驗是對四個不同摻量的橡膠瀝青進(jìn)行頻率掃描，來評價膠粉的摻入與否和摻入的量對瀝青的粘彈模量的影響。

在橡膠粉摻量為0%、18%、20%、22%，溫度46 ℃和64 ℃，頻率范圍為1%～16%，與溫度掃描相同，采用控制應(yīng)變模式，統(tǒng)一應(yīng)變?yōu)?%。用25 mm平行板，間距為2 mm。試驗結(jié)果如圖5，圖6所示。

圖5 46 ℃損耗、儲能模量

圖6 64 ℃損耗、儲能模量

由圖可見在不同頻率下膠粉摻量越高瀝青的損耗模量和儲能模量越高，且都隨著頻率的增加而增加。一般來說，頻率的增加更能反映瀝青的粘彈性，并且隨著膠粉含量的增加，粘彈性更加明顯。因此對于膠粉含量的增加，損耗模量增大，降噪效果更好。

4 結(jié) 論

從溫度掃描和頻率掃描的模量-溫度和模量-頻率分析中得出，橡膠顆粒改性瀝青的粘彈性模量明顯高于基質(zhì)瀝青，并且隨著橡膠粉含量的增加，粘彈性模量隨之升高，降噪性能也隨之更好。

在動態(tài)剪切流變儀試驗中，對損耗模量、溫度和頻率的分析表明，橡膠顆粒改性瀝青的損耗模量大于基質(zhì)瀝青。在膠粉摻量為18%、20%和22%瀝青中，22%瀝青的損耗模量最大，說明橡膠顆粒改性瀝青的降噪性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且隨著膠粉含量的增加，降噪性能更加優(yōu)異。