低噪声沥青混凝土性能对城市道路的影响的研究综述

王羽鹤

云南大学建筑与规划学院

1 引言

众所周知，由于沥青混凝土路面在高速公路、城市和乡镇道路不同，对路面所产生噪声和影响程度也不一样。高速公路主要承载重型货车、客车，而城市道路和乡镇公路则以小型汽车为主，且高速公路的行驶速度远大于城乡道路行驶的速度，最高时速差最大的甚至高出数倍之多，白天行驶速度也远高于夜晚行驶速度，同时在城市和乡村的公路上每小时行车量在白天与夜晚也存在较大差别，由此可见汽车产生的噪声对城市来说已成为声音污染的重要来源，解决汽车对道路带来的噪声问题就成为城市亟待解决的问题和根本。

虽然随着技术的不断完善，汽车自身所产生的噪声已得到极大地降低，对于车辆在城市道路的行驶过程中，车速的限制使得机动车辆震动空气的能力变小，因此造成的风阻噪声也相应地有所减小。城市道路噪声问题虽然有所改观，但因噪声形成的原理是车辆轮胎在行驶中与路面形成摩擦。为了降低噪声，我们可采用低噪声的路面，同时这种路面的高耐磨性也是必需的。通过查阅资料以及实际效果证明，降低轮胎与路面噪声可以通过增加材料混合后的空隙、优化路面纹理结构、增加面层材料的黏弹特性三个途径得以实现。

本文将会从源头即噪声的形成机理、多空隙沥青混凝土路面的降噪原理、改善沥青路面纹理的路面降噪技术等方面对低噪声沥青混凝土性能对城市道路的影响展开研究。

2 噪声的形成原理

2.1 空气泵吸效应

我们都知道声音的产生源于空气的震动，车辆在行驶的过程中，路面与胎接触后，轮胎表面上纹理空间被压缩，导致了空隙内的气体受到压缩后在大气中快速地进行释放。轮胎一旦远离路面，其表面的问题就会造成空隙的增大，在此种情况下，就会形成真空度，吸入大量的空气，由于这个过程在车辆行驶中会循环不断地产生，所以车辆行驶时由于轮胎与地面的不停地接触，接触面位置的空气不断震动从而就产生了噪声。

2.2 轮框震动

汽车在凸凹不整的路面行驶的过程中，轮胎的胎面与胎侧会产生没有规律地震动，从而会产生噪声。这种情况的产生的情况主要还是因为路面表面凹凸不平所导致的。主要解决方案还是需要具体改善路面状况。

2.3 空气动力性噪声

空气动力性噪声是由不同的流体在流动的过程中相互产生力的作用，或是气体与固体之间的相互作用力而出现的噪声，在车辆行驶的过程中，一般出现于车辆速度较快的时候，因此我们在城市道路中很少考虑。由上述三点我们可以知道，为了解决路面噪声，最有效地方法就是改变路面，从而达到降低路面噪声的需求。

3 多空隙沥青混凝土路面的降噪原理

在第一部分已经总结出路面噪声产生的三种原因，轮胎发出的噪声主要来源于空气泵吸效应而产生的。低噪声沥青混凝土路面对这种效应有着良好的破坏作用，在轮胎快速转动过程中，空气泵吸效应按照一定的时间循环发生，从而在空气中形成了疏密波，故而产生了噪声，并向外传播。低噪声路面存在着较大的空隙，且这些空隙有一定全通率的孔，因此，在泵吸效应的第一个过程中，受到压缩的高速气流不会被直接释放到大气中，而是被挤入路面的空隙中，以一个较大的速度扩散。从能量的角度看，被高速挤压的气流会消耗部分动能，这些被消耗的动能又有部分通过气流流到空隙，和空隙壁发生摩擦而使动能转化为热能；另一部分在当空气被绝热压缩时，穿过路面材料中的毛细孔并在孔末端被释放，因此，噪声声源的强度得以降低。

另一方面，噪声在空隙沥青路面的流通过程中，与路面内部细小空隙之间产生连接的过程中，对声波的入射能起到了减弱的作用，同时也使噪声发生了散射和衍射这些物理现象，从而减少了路面的多普勒效应，这种路面非常适用于消减这种噪声的产生过程。对于这种多空隙的材料来说，材料的空隙率直接决定着材料吸取噪声的能力。国内外的很多研究证实，当多空隙沥青混凝土路面的空隙率20%左右的时候，减少噪声的效果是最好的。试验中还发现对于频率在250Hz～1000Hz 之间的中频声(中频声是交通噪声的主要频率)具有最大的吸声系数，因此我们认为降低交通噪声的重要原因很大程度上是由多空隙沥青混凝土路面的吸声能力的大小开来决定。

另外，多空隙沥青混凝土路面在使用过程中也会出现和存在着诸多的问题，首先如果混凝土路面的空隙率比较大的时候，可能会出现空隙堵塞的现象，就要对空隙中产生堵塞的杂物定期进行清理，另外在冬季路面由于受到天气的影响，尤其是北方地区路边常常被冰雪覆盖，这时就需要大量喷洒融雪和除冰剂来解决，但是这样道路的运营和维护成本也相对较高。但是对着人们环保意识的逐步提高，这种对降低城市道路中噪声的研究将有着越来越好的前景。

4 改善沥青路面纹理的路面降噪技术

在研究中发现，对于路面的摩擦系数的保障通过良好的路面花纹是可以很好来实现的。这一技术除了可以有效地保障路面的摩擦系数，也可以有效降低轮胎与路面摩擦而产生的噪声。因此我们除了可以通过破坏轮胎噪声的声源来降低噪声，还能够通过改善沥青路面纹理的路面降噪的技术从而实现降低噪声的目的。这个降噪的原理就是使用粒径比较小而公称又相对比较最大的沥青混合材料来增加轮胎下接触的碎石数量，使噪声生成的声波互相影响，达到降低噪声强度的目的。

据了解，目前在国际上较成功地路面结构主要为BBTM（6、10）、SMA（6、10）等，上述的路面结构对降低噪声的效果虽然没有多孔沥青路面那么好，但它容易维护，耐久性相比多空隙沥青路面也要好一些。研究表明，不同的路面材料、不同的纹理类型都会对轮胎产生的噪声带来不同的影响。比如PhilMorgan 的研究认为如果花纹在0.5mm～10mm之间的范围内就可以降低轮胎与路面产生的噪声，而且在低频阶段和高频阶段均有着有不一样的功用。随机花纹的噪声就会明显的低于横向花纹所产生噪声影响，正、负纹理对降低噪的影响也不尽相同，正纹理的路面因为车辆驶过时会产生较强的振动所以对降低噪声不利，而负纹理则因为振动较弱而对降低噪声较为有利。目前，虽然路面的表面纹路与噪声之间的关系方面的相关研究还处在定性的阶段，优化但路面纹理定将是降低噪声的一个很有效地方法。

5 改变沥青路面黏弹性的路面降噪技术

沥青路面作为黏弹性材料具有一定的阻尼特性，其降噪机理就是减弱振动的强度。当车辆行驶证中轮胎所产生的振动传送到沥青路面上时，混合料的阻尼特性通过内部摩擦和互相错动使得振动能量被消耗，达到降低噪声的作用。我们知道，沥青混合料的黏弹塑性主要是沥青材料的厚度、起胶结作用的沥青的属性和矿料之间的相互作用力而产生的。因此要改善沥青混合料的黏弹特性就要注重从两方面去改善，第一是改善矿料配合比，第二就是改善黏结料的性。现在较为常用的方法主要是通过改变矿料配合比以及优化公称最大粒径和空隙率来实现。研究中发现，使用高性能的SBS 改性沥青和橡胶沥青这两次种材料对增加路面材料的黏弹特性也有很好地帮助。

6 玄武岩纤维低噪声沥青

为了增强降噪效果，采用的是骨架空隙结构的沥青混合料这种低噪声的沥青路面，这种沥青混合料中细集料含量一般比较少，而粗集料含量相对较多，机构上主要靠粗集料来形成骨架型的嵌挤结构，这样混合料中空隙率就会较大，从而减低了噪声，降噪同时还能够排除路结构面中的积水，这种结构由于其内摩阻力大，黏聚力较小，如若要获得较大的强度提高其抗破坏的能力，就需加如高性能的胶结料和外加剂。其中，沥青混合料的高温稳定性可以通过使用高粘改性沥青来解决，混合料的低温抗裂性能及疲劳性能可以通过纤维来得以改善。在对纤维改性沥青及沥青混合料的研究中得到：玄武岩纤维与其他的有机类纤维相比能较好地弥补有机类纤维吸水性高、高低温性能较差等方面的不足，同时还能避免石棉等纤维对施工人员的伤害。加入玄武岩纤维可以解决大孔隙配嵌挤结构的沥青路面的耐久性差、低温开裂所造成的耐久性差的明显的缺陷问题，大大提高了低温易疲劳以及耐久性的问题。从1994 年起，美国对高速公路及州际公路OGFC 面层均提出来使用玄武岩纤维作为改性剂的要求。目前，我国因及生产条件和价格等原因，对玄武岩纤维沥青混合料的研究不够，其性能还有待今后的研究去得以验证。

7 结束语

通过对低噪声沥青混凝土路面的研究中通过对相同厚度，不同空隙率的试件吸声系数的测试得出：孔隙率如果越大的话，其吸音的效果就越明显，所以降噪效果也最好。在对不同厚度排水沥青混合料进行测试结果的分析后得出：随着频率的不断加大，吸声系数峰值所对应的频率就会向低频逐渐移动，从而提高了低频的吸声系数。根据汽车行驶时路面与轮胎相互作用产生的噪声峰值频率，综合路面交通情况，排水型沥青路面应尽量选择厚度在40mm 左右的。通过测量不同粒径沥青混合料试样的吸声系数最后得出：路面粒径越小，其减噪就越明显；路面粒径越大大、空隙越大，其减噪效果就较差。此种路面对于解决噪声问题有很大的效果，但是此种路面需要进行保养和维护产生的成本较高，因此此种材料还有很大的发展前景。