新型降噪和減震路面材料性能分析

袁博高奧東張澤許斌

（1.石家莊市交建高速公路建設(shè)管理有限公司，河北 石家莊 050000；2.中路高科（北京）公路技術(shù)有限公司，北京 100000）

為實(shí)現(xiàn)路面的某種特殊性能，建設(shè)人員通常會在路面材料中添加特定的添加劑或人工骨料，這不僅可以減少天然集料的消耗，而且可以實(shí)現(xiàn)降噪、抗滑、減震等特殊功能。為實(shí)現(xiàn)路面降噪、減震效果，建設(shè)人員可以通過在混合料中添加廢舊橡膠顆粒的方法增加路面的彈性，以達(dá)到減少輪胎與道路噪音的目的[1-2]；另一種方法是把混合料設(shè)計(jì)成含有大量孔隙的開級配路面，例如OGFC等，但也可以在混合料中添加多孔輕質(zhì)材料代替部分集料，實(shí)現(xiàn)增加孔隙率降噪的效果[3-4]。

本文計(jì)劃把軟木顆粒和膨脹黏土顆粒摻入混合料中設(shè)計(jì)減震和降噪混合料，探究其力學(xué)性能和降噪性能。

一、原材料

（一）軟木顆粒

軟木顆粒的主要特點(diǎn)是重量輕、有彈性、電絕緣和熱絕緣性，能夠吸收聲音和振動。由于是彈性材料，當(dāng)施加任何載荷時，其具有很強(qiáng)的恢復(fù)變形能力。在土木工程領(lǐng)域，軟木主要用作吸聲和降噪隔音材料，也有研究人員將軟木顆粒用作輕質(zhì)骨料以生產(chǎn)輕重量的結(jié)構(gòu)物。本文使用的軟木顆粒粒徑在1mm～4mm。

（二）膨脹黏土顆粒

膨脹黏土顆粒是一種典型的由膨脹黏土制成的材料，具有較高比例的半封閉孔隙顆粒體。其主要特點(diǎn)是質(zhì)量輕，具有相對較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和較低的經(jīng)濟(jì)成本。得益于顆粒內(nèi)部的大量孔隙，顆粒混合物的總孔隙率增加，混合料具有較好的降噪性能。在國外，膨脹黏土顆粒已經(jīng)用于低孔隙率的瀝青混合料中，并具有較高力學(xué)特性、抗摩擦特性和降噪性能[10]。對于降噪混凝土混合料，為保證其降噪性能，顆粒粒徑不應(yīng)大于3.5mm[11]。本文設(shè)計(jì)采用的膨脹黏土顆粒直徑為2mm～4 mm。

（三）混合料配合比

瀝青混合料中集料為花崗巖，填料采用石灰石，瀝青采用SBS改性瀝青。本文設(shè)計(jì)了兩種新型混合料和兩種常規(guī)混合料。用作表面降噪層的混合料采用占體積比10%的膨脹黏土顆粒；用作抗震聯(lián)結(jié)層或中面層的混合料采用占體積比5%的軟木顆粒。依據(jù)4種瀝青混合料的配合比曲線可知，4種瀝青混合料的油石比依次為5.0%、5.2%、5.9%和6.1%。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）力學(xué)性能驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究所設(shè)計(jì)的兩種混合料的力學(xué)性能，擬通過車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和混合料的飛散試驗(yàn)，分別確定混合料抗永久變形能力、水穩(wěn)定性能及抗飛散損失性能。試驗(yàn)方法均參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）。

（二）降噪性能驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究4種瀝青混合料的消聲性能，推斷摻加軟木顆粒和膨脹黏土顆粒對路面降噪性能的影響，先后實(shí)施兩種試驗(yàn)，測量每種混合物的降噪性能和阻尼系數(shù)。為了測量噪聲吸收效果，采用自制的直徑為80mm的阻抗管試驗(yàn)研究，該阻抗管內(nèi)含兩個傳聲器。把阻抗管的開口端放置在擬測量的表面上測量，吸收系數(shù)在250Hz到2.5kHz的頻率范圍內(nèi)。而路面阻尼是確定結(jié)構(gòu)能耗的重要指標(biāo)，可通過對路面施加沖擊荷載并記錄結(jié)構(gòu)振動的頻率響應(yīng)來測量。與振動模式的共振頻率相關(guān)的阻尼比（ξ）可以通過帶寬法計(jì)算得出[12]。

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）力學(xué)性能

4種混合料的飛散損失和水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，在質(zhì)量損失方面，摻加軟木顆粒的瀝青混合料的性能明顯優(yōu)于對照組混合料，摻加軟木顆粒后其質(zhì)量損失降低45.81%。摻加膨脹土顆粒的瀝青混合料與對照組相比，其飛散損失降低27.84%。與軟木顆粒較為相似。即摻拌軟木顆粒和膨脹土顆粒的混合料的抗水損性能分別提高了3.5%和6.4%。摻加軟木顆粒后，瀝青混合料孔隙率降低39.3%，而摻加膨脹土顆粒后，混合料的孔隙率提高11.13%。

通過對摻加軟木顆粒的混合料與其對照組混合料在60℃下施加1萬次標(biāo)準(zhǔn)荷載循環(huán)研究其車轍深度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，由于軟木顆粒具有較高的彈性性質(zhì)，使混合料具有較好的彈性恢復(fù)性能，摻加軟木顆粒的混合料表現(xiàn)出比對照混合料更好的抗車轍性能。

（二）聲學(xué)性能

4種混合料的降噪試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻加軟木顆粒的混合料的吸聲系數(shù)較對比照組有所降低。這是由于軟木顆粒的加入使混合料的孔隙率降低39.3%，混合料的孔隙率是降噪的關(guān)鍵因素。與對照組相比，摻加軟木顆粒的混合料的吸聲系數(shù)會有所降低。在混合料中摻加軟木顆粒后，因其空隙率的降低而導(dǎo)致混合料對高頻噪聲的吸收值最大。而膨脹黏土顆粒的摻入對混合料的吸聲性能影響較為顯著，吸聲系數(shù)由0.4%提高到0.75%，吸聲頻率集中在1000Hz～2000Hz的中頻噪音。

4種混合料的阻尼特性顯示，摻加膨脹黏土顆粒的混合料的阻尼比更高，且主要集中在高頻區(qū)間。膨脹黏土顆粒的摻入會顯著地降低第一振型，共振頻率發(fā)生在213Hz；而在對照組混合料中，共振頻率發(fā)生在884Hz。相反，軟木顆粒對混合料僅在低頻率下對阻尼略有影響。