微表處級配及外加劑對路面行車噪音的影響

孔令云，王 健，羅雅丹

(1. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 3. 重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院 ，重慶 400074)

0 引 言

微表處技術(shù)起源于稀漿封層技術(shù)，同時又優(yōu)于稀漿封層技術(shù)；目前我國已進入道路的養(yǎng)護時代，大量已有的道路面臨巨大的養(yǎng)護壓力，微表處技術(shù)憑借著經(jīng)濟快捷同時利于鋪筑的優(yōu)點，在路面預(yù)防和養(yǎng)護中被廣泛應(yīng)用；它能夠延長道路的使用壽命，降低壽命周期使用成本，為我國高速公路的養(yǎng)護提供了極大的便利，得到了道路行業(yè)的廣泛認可[1-3]。但是由于噪聲的存在，極大地限制了微表處技術(shù)的推廣。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國城市環(huán)境平均噪聲為55.33 dB(A),而交通的平均噪聲為65.95 dB(A)[4]。針對微表處高噪聲產(chǎn)生的原因，科研工作者分別從瀝青的種類、含量、集料種類、微表處混合料空隙率的大小、級配的粗細以及外加劑種類(如摻橡膠粉，纖維等)等方面進行了探討[5-8]。微表處室內(nèi)研究尚在起始階段。曹麗萍等[9]提出基于濕輪磨耗儀的微表處混合料室內(nèi)噪聲測試方法；孫曉立等[10]開發(fā)了微表處噪聲測試系統(tǒng)。筆者提出了由課題組自主研發(fā)的噪聲測試系統(tǒng)，結(jié)合室內(nèi)加速加載試驗平臺，分別從外加劑種類和級配的粗細出發(fā)，研究微表處噪聲產(chǎn)生的原因，從而為微表處減噪提供新思路。

1 原材料及其技術(shù)性能

1.1 改性乳化瀝青

試驗中所選用的SBR改性乳化瀝青檢測指標見表1。根據(jù)表1可得出改性乳化瀝青的各項指標滿足《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》的技術(shù)指標。

表1 微表處乳化瀝青試驗結(jié)果及技術(shù)要求Table 1 Experimental parameters and technical indexes of emulsified asphalt at micro-surface

1.2 礦 料

本試驗采用礦料包括0～3 mm石灰?guī)r、0～3 mm玄武巖、3～5 mm玄武巖和5～10 mm玄武巖等4檔，礦料篩分結(jié)果見表2。

表2 篩孔通過質(zhì)量百分比Table 2 Mass percentage of screen holes passing through %

1.3 纖 維

纖維具有強度高，耐久性好，耐腐蝕性高等優(yōu)點；加入進混合料之中可以起到加筋補強的作用；筆者取5 mm長度的玻璃纖維，摻入量為纖維微表處混合料的0.2%。

1.4 橡膠粉

橡膠瀝青具有高溫穩(wěn)定性，低溫柔韌性，抗老化，抗疲勞等特性；文中的橡膠粉為回收廢舊輪胎打碎而成，粒徑為80目，摻量為混合料的1.5%。

1.5 微表處混合料級配

依照《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》推薦MS-3型兩種級配， 級配曲線見圖1～圖2。

圖1 級配Ⅰ曲線Fig. 1 Gradation Ⅰ design curve

圖2 級配Ⅱ曲線Fig. 2 Gradation Ⅱ design curve

2 微表處室內(nèi)噪聲測試平臺

微表處路面噪聲室內(nèi)測試平臺糅合了小型加速加載試驗機及課題組自主研發(fā)的噪聲測試系統(tǒng)兩部分。噪音計采用型號為AR844的?，斣胍粲?，加速度傳感器采用型號為Lpms-USBAL2的小型輕量9軸姿態(tài)傳感器，數(shù)據(jù)采集卡采用型號為USB-1208FS-PULS的數(shù)據(jù)采集卡，信號采集利用USB-1208FS-PULS的配套軟件Instacal，信號處理采用Visual basic語言編寫而成DACS數(shù)據(jù)處理軟件將收集到的數(shù)據(jù)信號在DACS中集中展現(xiàn)出來。

2.1 路面功能加速加載試驗系統(tǒng)

采用小型加速加載試驗機為試驗平臺來模擬路面與輪胎間的相互作用，見圖3[11]。

圖3 小型加速加載試驗機Fig. 3 Small accelerated loading machine

2.2 噪聲測試系統(tǒng)

微表處路面噪聲測試裝置及測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由重慶交通大學(xué)道路實驗室研發(fā)，工作原理見圖4。

圖4 噪聲測試系統(tǒng)原理Fig. 4 Schematic diagram of noise test system

噪聲計和加速度傳感器是將原始聲波或加速度值轉(zhuǎn)化為可存儲的信號，然后再由數(shù)據(jù)顯卡將存儲的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)的形式顯現(xiàn)出來；最后再根據(jù)顯現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)信號進行數(shù)據(jù)的處理，從中提取出路面需要的數(shù)據(jù)。

3 微表處路面噪聲測試試驗

3.1 微表處混合料室內(nèi)噪聲的試驗設(shè)計

根據(jù)《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》[12]中的規(guī)定來確定微表處的級配(詳見1.5節(jié))；采用普通硅酸鹽水泥作為養(yǎng)護載體以消除車轍產(chǎn)生的影響，每次的試件為8個，5組試驗分別為級配Ⅰ(MS-3)、級配Ⅱ(MS-3)、纖維微表處、橡膠微表處、AC-13； 參照JTG40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》和JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》采用輪載碾壓法，制備成型AC-13車轍試件。

試驗條件設(shè)置為：單獨密閉實驗室內(nèi)，真空輪胎(胎壓0.25 MPa)，轉(zhuǎn)速0.83 r/s,溫度控制為25 ℃，荷載為42.6 kg,試件高度10 mm,長寬為30 cm×30 cm，成型后試件見圖5，試件鋪設(shè)位置見圖6。

圖5 成型后試件 Fig. 5 Specimen after molding

圖6 試件鋪設(shè)位置Fig. 6 Laying position of specimen

3.2 室內(nèi)噪聲測試方法

1)由于機器本身在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生噪音，為降低機器噪音對本試驗造成的影響，在進行試驗前需要先測試機器本身產(chǎn)生的噪聲，測定空載條件下機械轉(zhuǎn)動的噪聲值。

2)分別測定自重和自重加鋼板配重2種條件下噪聲值與振動加速度值。

3)按照圖6將試件擺放完畢后測定加載鋼板及自身牽引轉(zhuǎn)頭路面噪音，同時加上鋼板配重及自重，測定此時的路面噪聲值及輪胎振動加速度值。

4 微表處路面噪聲測試試驗結(jié)果分析

4.1 噪聲測試結(jié)果與分析

加速加載測試驗依次測得路面噪聲結(jié)果見圖7，其中微表處噪聲分為機械噪音和其他噪音。

由圖7可知，試驗采用的加速加載儀器在使用過程中產(chǎn)生的機械噪音占微表處噪音的比例達到89.5%-93.5%，而測得的噪音本身變化幅度極小，且不隨試驗時間的增加而出現(xiàn)較大波動，過高的機械噪音占比大大影響了最終數(shù)據(jù)的精確性?；诒驹囼灲Y(jié)構(gòu)而言，采用加速加載試驗的室內(nèi)噪聲系統(tǒng)不能用來分析路表構(gòu)造因素對微表處高噪音的影響。為此，筆者后續(xù)采用檢測振動加速度的方法進行試驗。

圖7 路面噪聲測試結(jié)果Fig. 7 Road noise test results

4.2 振動加速度測試結(jié)果與分析

采用振動加速度指標分析路表構(gòu)造因素對微表處噪聲的影響，路面微表處振動加速度見圖8。

圖8 路面微表處輪胎振動加速度Fig. 8 Acceleration of tire vibration at the micro-surface of the road surface

根據(jù)圖8中的輪胎振動加速度可得出：

1)AC-13微表處的振動加速度是最小的，無論是規(guī)范推薦的MS-3，還是外加的橡膠和纖維微表處都比AC-13要高；因此試驗材料的路表紋理構(gòu)造不同，對振動加速度有著較大影響。

2)比較級配I與級配II可知，級配越細，粗集料的骨架越密集，路面的構(gòu)造深度會發(fā)生改變，進而影響到輪胎振動加速度。

3)試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)，隨著試驗時間的增加，測得的振動加速度數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，波動范圍較小。

4)當加入不同的外加劑，對于輪胎振動加速度影響值的影響也是不同的：橡膠微表處振動加速度高達300.34 m/s2，比纖維微表處振動加速度的282.69 m/s2高出17.65 m/s2；表明橡膠微表處比纖維微表處的減振動效果要差。李薇等[13]的研究發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒對混合料具有較好的降噪效果，但是在數(shù)據(jù)中橡膠微表處振動加速度值反而是最高的,這是由于采用混合料中橡膠粉的摻量過小(1.5%)，用作對照試驗的時候無法對混合料的降噪性能產(chǎn)生明顯的影響。

5 結(jié) 論

筆者通過自主研發(fā)的噪聲測試系統(tǒng)，研究了微表處級配、外加劑類型對行車噪音的影響，主要結(jié)論如下：

1)室內(nèi)噪聲測試試驗中的機械噪聲所占比例太大，對于試驗的準確性造成影響，所以在試驗中，采取分析振動加速度值來研究級配及外加劑對微表處路面噪聲的影響。

2)以級配Ⅰ為基準，對照級配Ⅱ，試驗發(fā)現(xiàn)級配越細，微表處路面的振動加速度值顯著減小；可見混合料級配對于微表處路面的噪聲有著影響，級配越細，噪聲越低。

3)比照噪聲值和振動加速度變化值，發(fā)現(xiàn)數(shù)值的變化始終在一定的波動范圍內(nèi)，不隨時間的增加而增長。

綜上可知，橡膠微表處及纖維微表處均能減少噪音。在傳統(tǒng)微表處中橡膠顆?？梢援a(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，從而起到吸收噪聲的作用，同時橡膠顆粒本身的阻尼較大，可以將輪胎和路面接觸產(chǎn)生的能量迅速消耗。因此，在實際工程中采用較細的級配或添加外加劑均能有效減少路面行車噪音。