多孔橡胶改性沥青混合料吸声特性与应用研究

张 娟

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)

多孔橡胶改性沥青混合料吸声特性与应用研究

张 娟

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)

通过室内试验对废旧橡胶改性沥青混合料吸声特性进行了研究。室内试验表明：8.0%的沥青掺入量是橡胶沥青混合料的最佳沥青用量值；橡胶改性沥青混合料的吸声性能随着试件厚度增加而增加；橡胶改性沥青混合料的孔隙越多，表面越粗糙，吸声性能越好；考虑经济效益，建议取橡胶粉的掺入量为15%。工程实例表明橡胶改性沥青降噪路面具有良好的降噪效果，其降噪性能平均比SUP与AC路面降低了约3 dB，比SMA路面降低了1.5 dB，降噪效果优异。

废旧橡胶；改性沥青混合料；吸声特性；工程实例

噪声污染给人们的生活质量与健康带来不利的影响[1]。将磨成粉末状的废旧橡胶沥青按一定比例加入沥青混合料中，不仅能够提高沥青混合料的抗低温等力学性能[2-3]，而且废旧橡胶改性沥青混合料具有良好的降噪性能，其降噪吸声的途径分为共振与多孔吸声。沥青混合料的孔隙率越大，路面面层便会存在越多的连通孔隙来吸收轮胎与路面产生的噪声；共振吸声是指当橡胶改性沥青路面结构中固有频率与声波频率相同时，沥青混合料孔隙中的空气会由于共振而产生强烈的振动，孔隙中的空气在振动过程中会与孔隙侧壁产生摩擦而吸收声能[4-7]。另一方面，橡胶的掺入提高了沥青混合料的弹性性能，在行车荷载等交变应力的作用下，混合料间的相互摩擦将会消耗声能，而分子间的相互运动亦会将吸收到的声能与机械能转化为热能[8]。

为了研究废旧橡胶改性沥青混合料的吸声性能及在工程中的应用降噪效果，本文通过驻波管对橡胶改性沥青混合料进了吸声特性室内试验，并以未加橡胶的普通沥青混合料作为对照组。通过室内试验对橡胶改性沥青混合料吸声特性的影响因素进行了研究。同时，通过工程应用，评价和分析了橡胶改性沥青路面的降噪性能，为降噪路面的研究和应用提供参考。

1 室内试验

1.1 试验材料

(1) 沥青：室内试验采用重交AH-90沥青，对沥青进行相应的性能指标检测，结果如表1所示。

表1 沥青的性能指标

(2) 集料：集料的相关性能指标均满足相应的规范标准[9]。矿粉采用石灰岩并磨细，选用玄武岩作为试验用集料。

(3) 橡胶粉：室内试验采用废旧橡胶粉，品种为路40-2，其颗粒粒径0.42 mm，测得试验所用废旧橡胶纤维含量均大于3%，其化学成分如表2所示。

表2 橡胶粉的化学成分

(4) 抗剥落剂：室内试验所采用的抗剥落剂为海螺CONCH牌P.O32.5普通硅酸盐水泥，其表观密度为3.100 g/cm3。

1.2 配合比设计

(1) 橡胶粉的掺入量。日本以沥青在60℃时的黏度作为决定降噪沥青混合料的关键值，即当橡胶改性沥青混合料的空隙率相同时，沥青在60℃时的黏度越高，橡胶改性沥青混合料的水稳定性及高低温稳定性越好[10]。我国遵循日本所规定的标准，对改性沥青在60℃时的黏度要求不小于20 000 Pa·s[11]。

分别取橡胶粉的掺入量为0%、12%、15%、18%、21%，对不同橡胶粉掺入量的橡胶改性沥青进行相关指标的试验检测，可得如表3所示试验结果。

表3 橡胶改性沥青在不同橡胶掺入量下的试验结果

由表3可知，当橡胶粉的掺入量达到15%后，橡胶改性沥青在60℃时的黏度为20 600 Pa·s，其值已经大于规范所要求的2 000 Pa·s，且其他指标值良好。因此，考虑经济效益，建议取橡胶粉的掺入量为15%。

(2) 矿料级配。为达到路面吸声降噪的要求，橡胶改性沥青混合料的孔隙率应在18%～25%之间，因此橡胶改性沥青混合料属于开级配结构类型。粗集料为混合料的主要组成成分，级配组成为A1料(10 mm～15 mm)：A2料(5 mm～10 mm)：水泥=50∶49∶1。橡胶改性沥青混合料的级配曲线如图1所示。

图1 橡胶改性沥青混合料的级配曲线

(3) 最佳沥青用量。以橡胶改性沥青混合料制备的马歇尔试件时所规定的孔隙率为前提条件，同时参考谢伦堡沥青析漏和肯塔堡飞散试验，以及橡胶改性沥青混合料在施工时的和易性综合确定最佳沥青用量[12]。分别取沥青的用量为7.6%、7.8%、8.0%、8.2%、8.4%制作橡胶改性沥青混合料马歇尔试件，对试件双面击实50次后进行相关性能指标的试验检测，结果如表4所示。

由表4可知，当沥青用量在8.0%左右时，淅漏率曲线发生了转折，且此时的马歇尔稳定度达到了最大值，飞散率与孔隙率亦满足相应的规范标准。因此，8.0%的沥青掺入量即为橡胶沥青混合料的最佳沥青用量值。

表4 橡胶改性沥青混合料在不同沥青掺入量下的试验结果

1.3 试验方法

室内试验采用驻波管法对确定配合比下的橡胶改性沥青混合料试件的吸声性能进行测定。驻波管法是在法线入射的情况下，测得反射平面波与入射正弦波叠加产生的驻波。因此，可对驻波进行研究，并用吸声系数T0表征结构吸声性能的参数。相关表达式为[13]：

(1)

式中：T0为吸声系数；ΔL为声压的极大值pmax与极小值pmin之差，dB。

试件的吸声系数可采用JTZB测试系统[7-8]，该吸声系数测试系统由信号发射器、放大器、测试系统及频谱分析仪组成。测试时，由测试小车测得pmax与pmin数据，代入式(1)即可得到吸声系数T0。

2 室内试验结果分析

2.1 室内试验结果

模拟常用沥青面层厚度，分别制备厚度为30 mm、40 mm、50 mm的橡胶改性沥青混合料试件与未掺入橡胶粉的普通沥青混合料试件，对其分别进行驻波管法试验，测试时的频率调为频程中心的1/3，测试可得试件在11个频率值下的吸声系数T0的值如表5所示。

表5 驻波管法试验结果

2.2 试件厚度h对橡胶改性沥青混合料吸声性能的影响

由驻波管试验结果可得如图2所示橡胶改性沥青混合料吸声特征曲线。图2表明，同种混合料下的试件，其吸声特征受厚度的影响不大；橡胶改性沥青混合料的吸声系数随着声音频率的增加呈先增大后减少的趋势，当声音频率小于1 200 Hz时，吸声系数均较高，具有良好的吸声效果。另一方面，试件厚度的增加使得吸声特征曲线整体向低频方向移动，表明厚度的增加提高了橡胶改性沥青混合料的低频吸声系数。这是因为试件内的孔隙通道会随着橡胶改性沥青混合料厚度的增加而变长，从而使得声波进入孔隙通道后发生折射与反射的路径更长，消耗更多的能量，因此吸声系数会变得越大，吸声效果越好。由于汽车产生的噪声频率一般在1 200 Hz以下，因此，橡胶改性沥青路面可有效的降低行车所产生的噪音。

图2 橡胶改性沥青混合料吸声特征曲线

2.3 孔隙率n对沥青混合料吸声性能的影响

橡胶的掺入，最显著的特征是提高了沥青混合料的孔隙率。室内试验测得橡胶粉掺入量为15%时，橡胶改性沥青混合料的孔隙率为20%。分别对不同厚度的橡胶改性沥青混合料试件与普通沥青混合料试件的吸声特征曲线进行对比，可得图3。

(a) 试件厚度：30 mm

(b) 试件厚度：40 mm

(c) 试件厚度：50 mm

图3 橡胶改性沥青混合料与普通沥青混合料的吸声特征曲线

由图3可知，掺入橡胶粉后的沥青混合料，其吸声系数要远远好于普通沥青混合料，即试件的孔隙率越大，其吸声性能越好。这是因为，孔隙率的增大使得声波进入孔隙通道变得复杂曲折，并由此发生折射与漫反射，孔隙中的空气亦随之发生振动，通过空气与孔隙内侧壁的粘滞阻力、声波与内侧壁的摩擦，可将声波有效的转化为热能。

2.4 表面粗糙程度对橡胶改性沥青混合料吸声性能的影响

按得到的配合比制作两组厚度为40 mm的橡胶改性沥青混合料试件，将其中一组进行摩擦处理，使其表面粗糙。用驻波管法测定了两组试件的吸声系数。测试结果如图4所示。

图4 表面粗糙程度对橡胶改性沥青混合料吸声性能的影响

由图4可知，当橡胶改性沥青混合料表面粗糙时，其吸声性能要优于表面光滑的混合料。这是因为，粗糙的表面增大了与声波的接触表面积，使得橡胶沥青混合料表面对声波充分吸收，吸声效果得到增强。

3 橡胶改性沥青降噪路面的工程应用

3.1 工程概况

本文对橡胶改性沥青降噪路面的应用研究依托于某新建一级公路展开，征得业主与设计单位同意后，选择车流量较多的K101+140—K101+640段作为试验路段，铺筑橡胶改性沥青降噪路面，路面面层厚度为50 mm，橡胶粉的掺入量为15%，配合比设计同室内试验。该公路建成通车后，对其进行了降噪性能的观测。

3.2 橡胶改性沥青路面降噪性能检测

试验路段建成后，对其进行了持续的观测，通车8个月内，该路段路面未出现任何病害，排水与孔隙率保持较好。选择天气晴朗的天气，分不同时段，对该橡胶改性沥青降噪路面的噪音情况进行检测。并且作为对照，在同一时段对相邻铺筑SMA、AC、SUP路面的噪音情况进行了检测。各路段的噪音检测方法为：采用声级计进行噪音检测，声级计的布设距离地面的高度为1.2 m，距离机动车道的路缘石边缘为7.5 m，其参考轴线应与道路中心线垂直。噪音测量的相关参数设定为：行车速度80 km/h～100 km/h、道路承受荷度为0.7～1.0。各路段的噪音检测结果如表6所示。

由不同路段的噪音检测结果可知：橡胶改性沥青路面在不同的时段均具有良好的降噪效果，其降噪性能平均比SUP与AC路面降低了约3 dB，比SMA路面降低了1.5 dB，降噪效果良好。

表6 不同时段下各路段的噪音检测

单位：dB

4 结 论

(1) 满足相应稳定度、孔隙率与飞散率条件下，8.0%的沥青掺入量是橡胶沥青混合料的最佳沥青用量值；考虑经济效益，工程应用中，建议取橡胶粉的掺入量为15%。

(2) 橡胶改性沥青混合料的吸声系数随着声音频率的增加呈先增大后减少的趋势，当声音频率小于1 200 Hz时，吸声系数均较高，具有良好的吸声效果。

(3) 橡胶改性沥青混合料的吸声性能随着试件厚度增加而增加，且其孔隙越多，表面越粗糙、接触面积越大，吸声性能越好。

(4) 工程应用表明橡胶改性沥青降噪路面具有良好的降噪效果，其降噪性能平均比SUP与AC路面降低了约3 dB，比SMA路面降低了1.5 dB，降噪效果优异。

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Sound Absorption Characteristics and Application of Porous Rubber Modified Asphalt Mixture

ZHANG Juan

(ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In this paper the sound absorption characteristic of waste rubber modified asphalt mixture is studied by laboratory test. The results show that 8% asphalt mixture quantity is the best asphalt content of rubber asphalt mixture; the sound absorption performance of rubber modified asphalt mixture increases with the increase of specimen thickness; the more pores of rubber modified asphalt mixture, the more rough the surface, the better the sound absorption; considering the economic benefits, it is suggested that the incorporation of rubber powder is 15%. Engineering examples show that: rubber modified asphalt pavement noise reduction has a good noise reduction effect, its average noise reduction performance is lower than SUP and AC pavement reduced by about 3 dB, SMA pavement than 1.5 dB.

waste rubber; modified asphalt mixture; sound absorption property; engineering examples

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.043

2017-02-10

2017-03-12

张 娟(1985—)，女，山西晋中人，工程师，主要从事公路路线的勘察设计工作。E-mail:y4zhangjuan@126.com

U416.217

A

1672—1144(2017)03—0209—05