高粘高彈改性瀝青路面混合料對降噪性能的影響研究

孫占峰 崔利功 于安琪 張銳

摘 要：為了探究主骨料公稱粒徑、級配、瀝青品質(zhì)等因素對密級配降噪型混合料的影響，采用駐波法測定吸收系數(shù)并計算降噪指標，評價2因素對混合料降噪性能影響的顯著性，并提出路面材料的選擇建議。結果表明：瀝青整體降噪性能排序大小依次為：PG82高粘高彈改性瀝青、PG82高模量改性瀝青、PG76改性瀝青、普通AC-16C。相比普通AC-16C、PG76、PG82高模量、PG82高粘高彈改性瀝青降噪能力分別提高60.1%、77.5%、81.5%?；旌狭戏逯滴暷芰κ転r青種類的高度影響，基本不受粒徑影響。小汽車為主交通的路面，建議選擇高粘高彈改性瀝青+4.75 mm粒徑；載重汽車為主交通的路面，建議采用高模量改性瀝青或者高粘高彈改性瀝青+9.5 mm粒徑。

關鍵詞：密級配；瀝青混合料；降噪；改性瀝青；高粘高彈瀝青

中圖分類號：TU57+1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0064-05

Study on the influence of high viscosity and high elastic modified asphalt pavement mixture on noise reduction performance

SUN Zhanfeng，CUI Ligong，YU Anqi，ZHANG Rui

（Heilongjiang Longdu Highway Engineering Inspection Co.，Ltd.，Harbin 150080，China

）

Abstract：In order to explore the influence of nominal particle size of main aggregate，gradation，asphalt quality and other factors on dense gradation noise reduction mixture，the standing wave method was used to determine the absorption coefficient and calculate the noise reduction index. The significance of each factor on the mixtures noise reduction performance was evaluated， and recommendations for road surface material selection were provided.The results showed that the overall noise reduction performance of asphalt was ranked as follows：PG82 modified asphalt with high viscosity and high elasticity，PG82 modified asphalt with high modulus，PG76 modified asphalt，common AC-16C.Compared with AC-16C，the noise reduction capacity of PG76，PG82 modified asphalt with high modulus，and PG82 modified asphalt with?? high viscosity and high elasticity was improved by 60.1%，77.5% and 81.5%，respectively.The peak sound absorption capacity of the mixture was affected by the height of asphalt type，but not by the particle size.For cars，it is recommended to select the modified asphalt with high viscosity and high elasticity +4.75 mm particle size;For heavy trucks，it is recommended to use high modulus modified asphalt or high viscosity and high elastic modified asphalt +9.5 mm particle size.

Key words：dense gradation;Asphalt mixture;Noise reduction;Modified asphalt;High viscosity high elastic asphalt

隨著道路路面行駛功能不斷提升，公眾對行車舒適性與降噪性能的要求逐漸提高。在道路預防性養(yǎng)護工作中，加鋪薄層是恢復瀝青路面性能、降低行駛噪聲的常用手段。國內(nèi)常用的薄層加鋪技術，如SMA-8、Novachip、超薄磨耗層等，大多出于提升路用性能的目的，對吸聲降噪的兼顧性較差［1］。瀝青混合料降噪的途徑主要有2個：一是利用開級配設計；二是選擇高質(zhì)量瀝青材料。國內(nèi)降噪型路面的研究與實踐，主要集中于OGFC或Novachip，利用開級配或半開級配混合料的空隙，實現(xiàn)降噪功能。但大空隙混合料施工工藝較為復雜，運營過程中易被灰塵堵塞，影響路面使用壽命，二次養(yǎng)護則增大項目全壽命周期成本。目前，歐美國家發(fā)展出一種2～3 cm厚密級配熱拌瀝青薄層加鋪技術，能夠較好的兼顧吸聲降噪與結構補強功能［2］。為此，本論文開展密級配降噪瀝青混合料研究，針對國外常用的3種降噪路面材料（PG76改性瀝青、PG82高模量改性瀝青、高粘高彈改性瀝青），研究瀝青類型、主骨料最大公稱粒徑（級配）對混合料降噪性能的影響。希望能夠為同類研究項目提供借鑒，并推動國內(nèi)吸聲降噪型密級配瀝青加鋪技術的發(fā)展。

1 材料設計

1.1 原材料

試驗所用改性瀝青為盤錦北方瀝青公司生產(chǎn)的PG76及以上品質(zhì)的高性能改性瀝青，粗細集料采用石家莊德澤礦產(chǎn)產(chǎn)品公司生產(chǎn)的玄武巖軋制集料，由于試驗采用的級配偏細，對粗集料的針片狀含量作進一步要求：3∶1針片狀顆粒含量不大于12%，2∶1顆粒含量不大于15，以便混合料兼具一定的抗滑性與空隙率［4］。材料的各項性能均能滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》等規(guī)范要求。

1.2 級配

采用主骨料空隙填充法（CAVF法）進行礦料級配設計。CAVF 法能夠兼顧主骨料嵌擠結構與瀝青砂膠體填充作用，避免集料間的相互干涉［3］。集料配合比如表1所示；通過馬歇爾試驗確定的最佳瀝青用量為6%。

1.3 試件制作

選擇3種瀝青： PG76 SBS改性瀝青、PG82高模量改性瀝青、PG82高粘高彈改性瀝青開展研究。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的要求，制作標準尺寸車轍板試件。由于駐波管內(nèi)徑小于車轍板尺寸，因此采用內(nèi)徑92 mm鉆頭對車轍板鉆芯取樣［9］。

1.4 試驗方法

試驗采用駐波比法測定各組試件的吸聲系數(shù)。將芯樣四周涂抹硅油后放入駐波管內(nèi)，使試件與管壁穩(wěn)固貼合。道路交通噪聲主要集中在中低頻段與中頻段，因此試驗設置的噪聲測量范圍是100～1 980 Hz，能夠覆蓋各類車輛噪聲頻率［10］。

1.5 測試指標

結合相關研究［11-15］，選擇7項指標評價試件的吸聲特征，分別為：（1）峰值吸聲系數(shù)，代表試件最大吸聲系數(shù)；（2）平均吸聲系數(shù)，代表吸聲系數(shù)的算術平均值；（3）峰值吸聲頻率，代表最大吸聲系數(shù)對應的入射頻率；（4）全頻率吸聲效率，代表100～1 980 Hz吸聲系數(shù)曲線與x軸圍成的面積；（5）交通頻率吸聲效率，代表250～1 000 Hz曲線與x軸圍成的面積；（6）載重汽車吸聲效率，代表600～800 Hz曲線與x軸圍成的面積；（7）小汽車吸聲效率，代表800～1 000 Hz曲線與x軸圍成的面積。

2 瀝青類型對降噪性能的影響

2.1 駐波比試驗結果與分析

以瀝青用量6%，制作PG76 SBS改性瀝青、PG82高模量改性瀝青、PG82高粘高彈改性瀝青混合料車轍板試件。為了對比降噪效果，另制作國內(nèi)常見的AC-13C混合料試件作為對照。利用駐波比法測定各組試件的吸聲系數(shù)，結果如圖1所示。

從圖1（a）、（b）、（c）可以看出，在最大公稱粒徑一定時，PG76改性瀝青、高模量改性瀝青、高粘高彈改性瀝青，在200～1 000 Hz（交通噪聲主頻段）內(nèi)的吸聲系數(shù)明顯優(yōu)于AC-13C，表明瀝青經(jīng)過改性后降噪性能明顯提升。從圖1還可以看出，4種瀝青混合料的峰值吸聲系數(shù)對應的頻率均在660 Hz附近，說明瀝青路面對660 Hz附近頻率的吸聲效果最好，這是由瀝青自身性質(zhì)所決定。在600～800 Hz（載重車噪聲主頻段）內(nèi)，高模量瀝青與高粘高彈瀝青的峰值吸聲系數(shù)差異不大，這表明在該頻率內(nèi)，二者具有相近的降噪效果。這是因為載重交通噪聲來源主要是輪胎滾動敲擊路面產(chǎn)生的沖擊噪聲，降噪效果受混合料模量影響較大［6］，而短時重荷載下高模量瀝青的勁度模量與高粘高彈的瀝青彈性模量相當，因此二者降噪效果相近。

2.2 降噪結果計算指標與分析

根據(jù)駐波比法測定的數(shù)據(jù)，按照瀝青種類分類，取平均值匯總計算降噪指標，結果如表2所示。

由表可知，從峰值吸聲系數(shù)來看，相比AC-13C，PG76改性瀝青降噪性能提升60.1%，PG82高模量混合料提升77.5%，高粘高彈混合料提升81.5%。從全頻率吸聲效率與平均吸聲系數(shù)來看，高粘高彈瀝青的降噪效果最明顯，相比AC-13C，提高24.1%。從交通頻率（200～1 000 Hz）吸聲效率來看，高粘高彈瀝青與PG82高模量瀝青的差別不大，僅提高2.2%，相比PG76改性瀝青提高4.3%，相比AC-13C提高6.0%。表明提高瀝青粘韌性與模量，對于吸收交通噪音具有的效果相似。從小汽車吸聲效率來看，高粘高彈瀝青對小汽車噪聲（800～1 000 Hz）的降噪效果最好，相比高模量瀝青提高15.8%，相比PG76改性瀝青提高13.4%，相比PG普通瀝青提高27.9%。這是因為小汽車速度較快，胎-路面振動頻率較高，相對位移頻繁，而高粘高彈瀝青具有較高的韌性與粘性，能夠減少胎-路相對位移產(chǎn)生的噪聲［7］。從載重汽車吸聲效率來看，高粘高彈瀝青對載重汽車噪聲（600～800 Hz）的降噪效果最好，但與高模量瀝青差異不大，相比AC-13C提高超過35%。表明普通瀝青在經(jīng)過增彈處理后，抵抗荷載與變形能力提升，能夠有效消減較大荷載對結構的動能量與噪聲。

3 最大公稱粒徑對混合料降噪性能的影響

3.1 駐波比法試驗結果與分析

以瀝青用量6%，最大公稱粒徑分別為9.5、8.0、4.75 mm，分別成型3種瀝青類型的車轍板試件。駐波管法測定的吸聲系數(shù)結果如圖2所示。

從圖2可以看出，同類型瀝青試件在不同最大公稱粒徑下，吸聲系數(shù)的隨噪聲頻率變化規(guī)律差異較小。在噪聲頻率為200～1 000 Hz時，隨著頻率增大，吸聲系數(shù)表現(xiàn)均先增加后減小的規(guī)律，峰值吸聲系數(shù)的對應頻率為660 Hz左右。由圖2（a）可知，對于高粘高彈改性瀝青，9.5 mm與8 mm的峰值吸收系數(shù)基本相同，超過4.75 mm峰值系數(shù)近6%；由圖2（b）可知，對于高模量改性瀝青，9.5 mm與8 mm的峰值吸收系數(shù)也較為接近，超過4.95 mm的14.5%。表明對于高性能改性瀝青混合料，最大公稱粒徑的增大有利于混合料降噪性能提高，但粒徑達到8 mm后，繼續(xù)增大粒徑對降噪效果的影響較小，此時高性能瀝青自身的高韌高彈特性起主要減振降噪作用。由圖2（c）可知，對于PG76改性瀝青而言，不同最大公稱粒徑下的吸聲峰值、頻率-吸聲關系大致相同，這表明最大公稱粒徑的變化對PG76改性瀝青降噪性能的影響較小。

2.2 降噪結果計算指標與分析

根據(jù)駐波比法測定的吸聲系數(shù)結果，按照最大公稱粒徑分類，取平均值匯總并計算6大降噪指標，結果如表3所示。

由表3可知，瀝青類型一定時，采用9.5 mm與8 mm的混合料的全頻率降噪效果相近，超過4.75 mm近7%。表明8.0 mm與9.5 mm形成的混合料表面構造相對較大，提升了降噪效果。從交通頻率吸聲效率（200～1 000 Hz）來看，3種粒徑下的指標計算值相近，表明粒徑對交通頻率吸聲效率的影響較小，此時降噪效果主要受瀝青自身性質(zhì)影響。從小汽車吸聲效率來看，4.75 mm粒徑混合料的指標值最優(yōu)，表明細集料對于小汽車交通噪聲（800～1 000 Hz）的降噪效果更好。原因是小汽車交通噪聲主要是高速度、小荷載頻繁沖擊路面以及胎-路相對位移產(chǎn)生的，小粒徑下集料與瀝青的裹覆性與粘附性能更好，抵抗變形與吸收噪聲的能力更優(yōu)［8］。從載重車吸聲效率來看，9.5 mm混合料明顯優(yōu)于8 mm與4 mm。原因在于重載交通下路面的彈性壓縮與恢復量較大，形成較多泵吸噪聲，而較大粒徑混合料的連通空隙多，能夠快速疏散輪胎壓縮的空氣，有效消散噪聲。

4 2因素綜合分析

4.1 2因素對降噪影響的顯著性分析

通過方差分析法，檢驗瀝青種類、最大公稱粒徑對降噪指標影響的顯著性，進而為降噪路面的材料與粒徑選擇，提供建議。假設2大因素之間交互作用不顯著，不隨試驗次數(shù)增加而變化。計算結果如表4所示，其中A因素為瀝青種類，B因素為最大公稱粒徑。

由表4可知，就峰值吸收能力（660 Hz附近）而言，瀝青種類對其有高度顯著影響，粒徑影響不顯著；就全頻率（100～1 980 Hz）整體降噪效果而言，瀝青種類與最大公稱粒徑對其都有明顯影響，前者大于后者；就交通頻率（200～1 000 Hz）降噪而言，2個因素的影響均不顯著；（就小汽車頻率（800～1 000 Hz）載降噪而言，最大公稱粒徑有顯著影響，瀝青種類有一定影響；就載重車頻率（600～800 Hz）降噪而言，瀝青種類的影響顯著，最大公稱粒徑有一定影響。

4.2 降噪路面材料的推薦

結合吸聲曲線、降噪指標及兩因素的顯著性分析，建議密級配降噪路面的組合如下，對于交通類型以小汽車為主時，建議選擇4.75 mm最大公稱粒徑，搭配PG82高粘高彈改性瀝青。對于交通類型以載重汽車為主時，建議采用9.5 mm最大公稱粒徑，搭配PG82高模量改性瀝青或者PG82高粘高彈改性瀝青。

5 結語

（1）混合料的整體降噪性能受到瀝青種類和粒徑大小的影響，瀝青種類影響更顯著。整體降噪性能排序大小依次為：PG82高粘高彈改性瀝青、PG82高模量改性瀝青、PG76改性瀝青、普通AC-13C；

（2）瀝青改性、增粘、增彈、增韌都可以提高混合料降噪性能，相比普通AC-13C，PG76改性瀝青降噪能力提高60.1%， PG82高模量提高77.5%，PG82高粘高彈提高81.5%；

（3）混合料的峰值吸聲能力受到瀝青種類的高度影響，基本不受粒徑影響；

（4）從公稱粒徑角度分析，4.75 mm粒徑的級配對中頻段（小汽車）降噪效果好，9.5 mm粒徑級配對中低頻段（載重車）降噪效果好；

（5）從瀝青種類角度分析，高粘高彈改性瀝青對中頻段（小汽車）的降噪效果最優(yōu)，高模量改性瀝青與高粘高彈改性瀝青對中低頻段（載重車）的降噪效果好；

（6）對密級配降噪路面的材料選擇建議：小汽車為主交通，采用PG82高粘高彈改性瀝青+4.75 mm最大公稱粒徑，載重車為主交通，采用PG82高模量改性瀝青或者PG82高粘高彈改性瀝青+9.5 mm。

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