微表处降噪技术及设计改进研究

周 慧 周开利

微表处降噪技术及设计改进研究

周 慧 周开利

（昆明公路局，云南 昆明 650200）

微表处因其具有处治车辙、裂缝，封闭表面，恢复路表抗滑性能，开放交通快等特点在路面病害处治以及预防性养护等方面得到了广泛的应用，但其应用中出现的噪声问题以及当前设计方法存在的不足限制了其应用效果。基于对微表处研究现状的把握，通过对微表处路面的特点以及路面噪声产生的机理进行分析，针对性地给出了降噪思路和方法；分析当前微表处设计方法存在的不足，厘清设计要点，提出了改进的设计方法和步骤。为微表处的性能改善和进一步推广应用起到一定的参考借鉴作用。

道路工程；微表处；降噪技术；设计优化

0 概述

微表处可用于处治轻度或重度车辙、松散、纵横向裂缝，提高路表抗滑性能，其厚度最薄至9.5mm，最厚可达最大骨料尺寸的1.5倍。相对比于稀浆封层，微表处采用具有更高聚合物含量和更高沥青残留量的乳化沥青，沥青乳液中加入快速固化产品，因而可快速开放交通。

微表处的主要作用是通过处治车辙、裂缝，封闭表面，恢复抗滑性能来重塑路表性能，使用寿命为5~7年。有研究表明，微表处处治HMA，其使用时间越长，抗车辙性能越好，但需确保下层HMA已经过充分处理，而且避开夏季高温时期应用。将RAP、RAS添加至微表处混合料有助于进一步减少能源消耗以及温室气体排放。RAP的再利用量可为0~100%，RAS的推荐用量为17%。微表处允许在1h及以内开放交通，降低了用户成本。由于其实施过程中不用封闭交通，且具有较好的防水、耐磨、可修复车辙的特性，在道路的修补过程中具有举足轻重的作用。虽然微表处技术有很多优点，但是，微表处路面行车产生的噪音使驾乘人员感觉不适，同时道路附近居民的生活也会受到一定影响。因而需要分析出微表处噪音大的原因和特点，采取措施进行有效的控制，从而在一定程度上降低噪音的污染，使得微表处技术对环境的噪音污染最小化。

1 微表处噪音原因分析

车内噪音产生主要有两个方面：一是车辆行驶过程中车辆的传动结构、发动机的运作以及路面不平整所带来的振动；二是轮胎与路面接触时相互作用所带来的噪音。在此主要分析受路面结构设计影响的第二个方面，此类噪音产生主要有两个原因：

1）路面的空隙使得汽车行驶中车尾形成相应的快速吸气以及车辆行驶过后挤压缝隙中的空气所产生的噪音。因而可以认为路面的空隙率对噪音程度起关键作用。路面为大空隙率时，车辆行驶过后，压缩的气体是远远大于所牵引出的气体，从而减少噪音。

对于微表处，上述结论同样适用，同时发现微表处的构造深度越大，车内的噪音就会越大，这说明构造深度与噪音的产生有密切的关系，从一般角度来看，增加构造深度能够有效地提高路面的抗滑性能，但是却增加了噪音。而影响微表处构造深度的主要因素在于微表处材料的级配、形状以及排列状况，分析如下：

①集料中的粗集料针片状含量过大时，在某些位置形成凸起，小颗粒集料摊铺时若未形成堆积，就会形成一定凹陷，汽车行驶过程中针片状颗粒的凸起与凸起间的凹陷起到加大摩擦的作用，从而形成噪音。因此可以考虑减少针片状集料的含量。

②若微表处的摊铺是在不封闭交通的情况下进行，则在微表处摊铺后，没有进行一定的碾压就开放交通，是考虑让过往的车辆对其进行碾压，因而会在表面产生凸起或者凹陷的地方形成碾压噪音。

③乳化沥青的拌合时间会影响微表处沥青混合料的和易性。和易性不好的沥青会影响沥青摊铺时的平整度，在摊铺的路面形成相应的横纵向纹理，从而影响行驶中的噪音程度。

2）为增强车辆行驶中抗滑性能而设计为凹凸不平的轮胎，与路面接触产生噪音。

车轮旋转时轮齿与路面之间发生振动，这种振动与胎面花纹和车速有关，且振动显著。当轮胎与路面接触时，会产生摩擦，并且在车轮转动时发生相对位移，从而产生噪音，这种因振动和摩擦作用产生的噪音是不可避免的。

对于普通路面，厚度是名义最大骨料尺寸的2~3倍，表面相对平滑；而微表处施工不存在压实过程，路面不平是不可避免的。举例来说，Ⅲ型微表处（MS-Ⅲ）的铺装厚度是8~10mm，而名义最大骨料尺寸是9.5mm，施工导致的骨料叠加现象不容忽视；其次，9mm粒径通过率是100%，而如果细长颗粒的百分比超出设计值，那么颗粒长度将大于9.5mm。由于路表特征是由不规则的颗粒聚集形成，如果尺寸过大，当厚度大于路面设计值时，噪声会增加。

2 微表处降噪方法研究

2.1 材料组成分析

下面将对微表处所采用的材料进行分析：

2.1.1矿料及矿料级配

微表处作为修补路面破损的路面表层，要考虑其抗滑性能、耐磨性以及耐久性。矿料中的粗骨料作为骨架的支撑，特别是公称最大粒径会影响沥青摊铺的厚度，同时必须考虑微表处矿料的耐磨性能；车内噪声与构造深度呈正相关，增加4.75~9.5mm间7.13mm筛孔并控制其通过量，能显著降低路表宏观构造8~10。

2.1.2填料

填料的作用主要是，第一，用于填补缝隙，起到调节混合料级配以及减轻集料离析的作用；第二，填料的加入会有效地提高强度，微表处填料可采用矿粉、橡胶粉等。

2.1.3改性乳化沥青

能够提高粘结性、低温延度。

2.2 降噪措施

在微表处混合料中加入橡胶粉以及矿粉来减少噪音，对不同的橡胶粉/矿粉掺加比例进行相关的研究，通过轮胎的振动衰减试验，以及车辆往返试验来研究微表处减噪问题。对以下几点进行研究。

2.2.1道路噪音特征研究

结合国内外对于道路产生噪音原因的研究，得出产生噪音的相关原因以及对道路路面的特性研究，为以后的试验提供基础依据。

2.2.2原材料质量控制

颗粒形状、针片状颗粒含量以及集料级配对微表处路面噪声有显著影响。在微表处中，针片状颗粒含量应当严格少于15%。

2.2.3微表处橡胶粉添加

胶粉与沥青混合后会发生复杂的物理和化学反应，反应后，胶粉均匀地分散在沥青粘结剂中，形成网状结构。同时，沥青混合料会因为粉末的弹性而膨胀，孔隙增加。当声波到达空隙表面，大部分声音在空隙中传播，而由于空气与孔隙的摩擦，孔隙会存在粘性阻尼，由于摩擦和粘滞作用，声能转换为热能耗散。此外，当声波传播到材料表面时，表面纹理形成的空隙发生共振，吸收声波能量，使得路表噪声降低。Meiling Zhao等11试验研究指出，废橡胶的添加可以显著提高路面的弹性和阻尼性能，并明显降低噪声，在外加应力作用下，废橡胶的非线性分子链发生拉伸、扭曲、脱位和滑移，当外加应力消除后，大部分变形分子链恢复到原来的位置和相对运动，而永久变形意味着外加应力能转变为热能，废橡胶改性沥青混合料的变形大于普通路面，在变形过程中，振动能量储存在分子链中，产生粘性摩擦和滞后效应，然后一部分声能转化为热能而消耗，相当于声音被吸收。

2.2.4降噪微表处级配选择

微表处的宏观纹理比普通路面大，这使得其具有防滑的优点。然而，防滑与降噪存在着矛盾，降低宏观纹理的程度可以减轻噪声；相反，随着构造深度的增加，抗滑性能越好。因而，优化宏观纹理与构造深度的平衡设计意义显著。Zhen Li等12提出了改进的MS-Ⅲ，增加6.7mm筛，同时2.36mm以上粒径比例由10%~30%降低到5%~20%，该骨料的级配介于MS-Ⅱ和MS-Ⅲ之间。

通过轮胎的振动衰减试验，以及车辆往返试验来研究微表处减噪问题，用以上两种方法来评价微表处的降噪效果。满足了降噪效果后，通过一定的试验进行路面的路用性能检验，包括微表处的耐磨耗性能、抗车辙能力以及高低温性能、水稳定性。

3 改进微表处设计程序

3.1 当前设计方法的不足

ISSA微表处配合比设计试验中，沥青乳液残渣量和混合料中加入的水量对试验响应的大小有很大影响。ISSA提出的微表处混合料设计方法确定最佳沥青用量是基于轮载试验和湿轮磨耗试验，通过对湿轮磨耗试验和轮载试验的磨耗损失进行评估，选择最佳沥青用量，沥青乳液的少量增加或减少会导致粘聚损失，但两试验的一致性较差。混合料含水量对轮载试验试样的粘砂和湿轮磨耗试验试样的骨料损失有较大影响。

3.2 设计要点

在进行微表处具体设计之前，应当把握如下几个方面：

1）项目概况。主要包括路面技术状况以及气候情况。

2）表面处治的目标。此改进混合料设计流程可用于重交通地区的重车辙病害。

3）评价和选择材料。在微表处混合料中，良好的集料以及与沥青乳液的相容性非常重要。

3.3 设计步骤

1）表面积法预估沥青用量；

2）3种沥青用量水平的选择。按表面积法确定沥青用量的±0.75%；

3）确定最小含水量。选择填料/添加剂并添加到集料中，进行混合时间运行测试确定室温混合至少120s所需最小水量。

4）相容性试验。对三种沥青乳液/填料/水组合进行骨料、填料与沥青相容性测定。

5）最佳含水率选择。每种沥青乳液/填料组合的最佳含水率由30min和60min时最大内聚力确定。

6）最佳沥青乳液的选择。对具有较大30min和60min粘结力的沥青乳液/填料/水组合进行稳定性、抗压性以及垂直和侧向位移的测量。抗车辙性能较好的最佳乳液含量可以确定为在56.7kg负载下1000次循环最小垂直和侧向位移对应的沥青用量。

4 结论

基于对微表处研究现状的把握，通过对微表处路面的特点以及路面噪声产生的机理进行分析，针对性地给出了降噪思路和方法；分析当前微表处设计方法存在的不足，厘清设计要点，提出了改进的设计方法和步骤。主要结论如下：

1）车辆行驶产生的噪声主要来源于三个方面：汽车动力系统的噪音、汽车行驶前方的空气噪声以及轮胎与路面之间的摩擦和挤压噪声，而构造深度与路表平整度是影响微表处路面噪声的关键因素。

2）为减小微表处路面的噪声，应充分认识噪声的特征，控制颗粒形状、针片状颗粒含量和集料级配；另外（废）胶粉的适量添加可明显降低噪声。

3）因混合料含水量对微表处配合比设计试验结果有较大影响，给出了改进设计方法，并指出应当充分把握实际应用关键要点。

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TU723

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1007-6344（2021）04-0238-02