开级配沥青磨耗层降低路面噪声优化

李金凤 何兆益 官志桃

(重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074)

交通噪声是城市地区最大的噪声来源，严重影响城市居民的生理和心理健康[1-2].交通噪声与交通量、路面状况和行车速度有关，城市中的车辆主要以中高速行驶(40～100 km/h)，此时轮胎/路面作用产生的噪声占比最大(约占90%)[3]，通过采用合适的路面结构降低交通噪声是改善城市环境中噪声污染最为经济的方法.

开级配沥青磨耗层(OGFC)作为主要的低噪声路面结构形式，其空隙率为20%左右，这些空隙的大部分与外部空气相互连通[4].轮胎/路面作用产生的噪声声波，一部分传到路面发生反射；另一部分通过在路面内部空隙结构中传播与空隙壁摩擦转化为热能消耗掉[5].通常用吸声系数来表征路面材料的吸声性能(即吸收与入射声能的比值)[6].Vaitkus等[3]采用阻抗管法对不同级配沥青混合料的吸声系数进行了测试，表明开级配沥青磨耗层的吸声性能远好于沥青玛蹄脂碎石(SMA)和密级配沥青混凝土(AC).Gardziejczyk等[7-8]现场近距离测试结果表明，OGFC路面相比AC路面的交通噪声要降低3～6dB，而后又利用阻抗管测得了不同空隙率混合料的吸声系数，建立了吸声系数与空隙率、渗透率的关系.Peng等[9]采用现场近距离法测试了西安2条机场公路沥青路面的降噪性能，并与钻芯取样的阻抗管测试结果进行对比，2种方法的试验结果具有很好的一致性.Vázquez等[10]基于现场近距离测试结果，分析了沥青路面噪声性能与动态模量的关系.Chen等[11]研究了多孔沥青路面堵塞程度对降噪性能的影响，表明完全堵塞后轮胎/路面噪声会增加4 dB.王岚等[12]和Knabben等[13]的OGFC混合料的阻抗管测试结果表明吸声系数随着频率的增加呈现出先增大后减小的变化趋势，空隙率越大吸声系数越大，试件越厚，整体吸声性能越好.但文献[12]结果显示吸声峰值频率与空隙率的相关性很差，峰值频率随试件厚度的增加先减小后增加；文献[13]显示空隙率越大对应的峰值频率越大，峰值频率受试件厚度的影响很小.Chu等[14]采用驻波比法对OGFC混合料吸声性能的测试结果显示，空隙率由12%增加到25%时混合料的吸声系数峰值几乎没有变化，试件厚度由63 mm增加到200 mm时吸声系数峰值有所增大，峰值频率逐渐减小.

由上述分析可知，相比普通密级配，开级配沥青混合料具有很好的降噪性能，而影响混合料降噪性能的因素主要是其本身的物理构造特征(如级配类型、空隙率和试件厚度)，但空隙率和试件厚度对混合料降噪性能影响规律的认知尚未统一，集料级配组成和粒径尺寸对沥青混合料降噪性能影响的研究还未见报道.本文主要采用驻波比试验法研究集料级配组成、空隙率、公称最大粒径和试件厚度等因素对OGFC混合料降噪性能的影响，进而确保在满足路用性能和排水性能的前提下以降噪性能作为参考达到优化OGFC混合料的目的.

1 原材料及试样制备

1.1 原材料

试验采用玄武岩集料和石灰岩矿粉.玄武岩集料的主要技术指标见表1，石灰岩矿粉的表观相对密度为2.753.采用SBS改性沥青，并加入占沥青质量8.7%的高黏沥青改性剂.SBS改性沥青及其加入高黏剂改性后的高黏沥青的主要技术指标见表2，可看出加入高黏剂后SBS改性沥青60 ℃动力黏度有较大幅度的增加.为了提高OGFC混合料的抗裂和抗变形的能力，拌和制备时还需掺入占沥青混合料总质量0.1%的聚酯纤维，见图1(a).试验采用交通部公路院研发的大孔隙沥青路面专用的高黏度沥青改性剂(简称高黏剂)，其为黄褐色颗粒状固体材料，如图1(b)所示.该高黏剂可用于直投式干法施工，其密度和溶度指标分别为0.985 g/cm3和0.9 g/min，均满足技术要求.

(a) 聚酯纤维

(a) 驻波管整体图

表1 集料主要技术指标

表2 SBS改性沥青及高黏沥青的主要技术指标

1.2 级配类型及试样制备

为了评价集料级配组成、公称最大粒径以及空隙率对沥青混合料吸声性能的影响，通过调整筛孔通过率确定了4种OGFC-16、9种OGFC-13、4种OGFC-10、3种OGFC-5和1种AC-13混合料，共21种级配，如表3～表6所示.依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTC E20—2011)，采用双面击实50次成型马歇尔试件，每种级配包括3个平行试件，并根据体积法测得不同级配沥青混合料的空隙率，见表3～表6.

表3 OGFC-16的级配组成

表4 OGFC-13和AC-13的级配组成

表5 OGFC-10的级配组成

表6 OGFC-5的级配组成

2 试验测试方法

参照《声学阻抗管中吸声系数和声阻抗测量》(GB/T 18696.2—2002)，采用驻波比法对不同级配沥青混合料的吸声系数进行测试.该测试系统主要由声阻抗管、声频控制器、扬声器、数据分析仪和显示器等组成，如图2所示.阻抗管为平直、刚性、气密性良好的圆管，一端装有测试试样，另一端装发射平面声波的扬声器.扬声器产生的入射声波pi与从试件反射回来的声波pr相叠加，从而在阻抗管内形成驻波p=pi+pr.

试样安装完毕后，打开仪器设定好声频，通过移动阻抗管尾部小车确定特定声频下声压的极大值和极小值处的声压振幅|pmax|和|pmin|.当入射波pi(x)和反射波pr(x)同相位时，声压达到极大值；当pi(x)和pr(x)反相位时，声压出现极小值，则驻波比可表示为

(1)

吸声系数α为

(2)

式中，r为复反射因数，其振幅为|r|.

(3)

式中，n取11；αi为1/3倍频程频率fi的吸声系数，fi分别为200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000 Hz.

在声学中普遍使用对数来度量声压和声强，称为声压级和声强级.轮胎/路面作用产生噪声，入射声波撞击路面时部分能量被吸收，反射回来的声波其能量必定小于初始入射声波的能量，入射和反射声强存在如下关系[14]：

(4)

(5)

式中，LI和LR分别为入射和反射声强，dB；pe为待测声压，Pa；pref为参考声压，是正常人耳对1 kHz声音所能觉察到的最低声压值，pref=2.0×10-5Pa；α为吸声系数，材料完全吸收声波时α=1.0，材料完全不吸声时α=0.

在给定入射声强为LI的声源下，将式(4)与式(5)相减，便可得到材料在某一频率下的降噪值，可表示为

ΔLfi=-10lg(1-αfi)

(6)

为了反映并量化材料的整体吸声性能和降噪效果，将平均吸声系数代入式(6)中，进而求得相应的降噪值，如下所示：

(7)

3 测试结果

利用上述方法测得了1/3倍频程频率下不同级配沥青混合料的吸声系数，以OGFC-16c混合料为例，给出了3个平行试件的吸声频谱，如图3所示.可看出，3个平行试件的吸声频谱非常接近，测试结果具有较好的重现性，因而开展沥青混合料吸声性能的研究具有较高的可靠性.

(a) OGFC-16c

3.1 空隙率的影响

图4(a)～(d)分别给出了公称最大粒径相同的情况下，不同空隙率的OGFC-16、OGFC-13、OGFC-10和OGFC-5混合料以及AC-13混合料的吸声频谱曲线.由图可见：不同频率下AC-13混合料的吸声系数很小，且没有明显起伏变化；OGFC混合料的平均和峰值吸声系数均随着空隙率的增加而增大，明显大于AC-13混合料，吸声系数随着频率的增加近似呈现出先增加后减小的变化趋势.公称最大粒径相同时，较小(大)空隙率试样的峰值吸声系数对应的频率较小(大)，说明空隙率增加会使得OGFC混合料的吸声峰值频率有向高频方向移动的趋势，导致高频(低频)下的吸声性能提升(衰减).表3～表6中20种OGFC混合料吸声系数平均值为0.613，方差为0.013 5；峰值吸声系数平均值为0.251 6，方差为9.6×10-4.

(a) OGFC-16

当空隙率相差小于0.6%时，不同集料级配组成的OGFC-13混合料的吸声频谱非常接近，平均吸声系数和峰值吸声系数也非常接近，如图5所示.空隙率为19.0%时的平均吸声系数和峰值吸声系数分别为0.240和0.596，峰值频率为500 Hz；空隙率为20.7%附近时的平均吸声系数和峰值吸声系数分别为0.267和0.685，峰值频率为630 Hz.以上分析说明，公称最大粒径相同的情况下，空隙率相近时集料级配组成的变化并不会影响混合料的吸声性能.对于空隙率相差在0.6%范围内的OGFC-13混合料，平均吸声系数的方差为7.2×10-4，峰值吸声系数的方差为4×10-5.

图5 空隙相近时级配组成对吸声系数的影响

OGFC混合料的平均吸声系数和峰值吸声系数随空隙率的变化关系如图6所示.据此得到OGFC混合料的平均吸声系数和峰值吸声系数均随着空隙率的增加近似呈线性增加，数学表达式如下：

图6 吸声系数随空隙率的变化关系

αp=0.044 32Vc-0.270 1,R2=0.817 5

(8)

(9)

式中，αp为峰值吸声系数.

3.2 公称最大粒径的影响

空隙率相接近的情况下，OGFC-16、OGFC-13、OGFC-10和OGFC-5混合料的吸声频谱曲线如图7所示.

(a) 空隙率为19.0%附近时不同混合料的吸声频谱

由图7可看出：空隙率为19.0%左右时，OGFC混合料的峰值吸声系数随着公称最大粒径的增加有所增大，OGFC-16和OGFC-13的峰值吸声频率为500 Hz，OGFC-10和OGFC-5的峰值吸声频率为400 Hz；空隙率为22.3%左右时，OGFC-16和OGFC-13的峰值吸声频率为630 Hz，OGFC-10的峰值吸声频率为500 Hz，表明公称最大粒径和空隙率的增加均有助于混合料的吸声频谱峰值向高频方向移动.空隙率接近为19.0%时，OGFC-16b、OGFC-13h、OGFC-10a和OGFC-5a的峰值吸声系数分别为0.63、0.60、0.51、0.45，平均吸声系数分别为0.242、0.238、0.229和0.220；空隙率为22.3%左右时，OGFC-16c、OGFC-13f和OGFC-10d的峰值吸声系数分别为0.77、0.73和0.68，平均吸声系数分别为0.282、0.279和0.276.由此可知，空隙率相差不大时，混合料峰值吸声系数随着公称粒径的减小而有所减小，平均吸声系数基本不受公称最大粒径的影响，相应的整体吸声性能差别不大.对于空隙率相差在0.6%范围内的不同公称最大粒径的OGFC混合料，平均吸声系数的方差为3.03×10-3，峰值吸声系数的方差为1.5×10-4.

3.3 试件厚度的影响

针对实际沥青路面厚度的不同，将OGFC-13c和OGFC-10c的马歇尔试件切割成不同厚度，测得了2种混合料不同厚度下的吸声频谱曲线，如图8所示.由图可看出：不同厚度下OGFC混合料的吸声频谱曲线均呈先升后降的趋势；峰值吸声系数随着试件厚度的减小略有增大，对应的峰值频率逐渐向高频方向移动，但平均吸声系数随着混合料试件厚度的减小而减小，见表7.这是因为沥青混合料试件厚度减小导致了声波在其内部空隙中的传播路径缩减，声波在空隙内受到阻挡发生反射和折射的次数减少，其引发的声能损失也在减少，因而厚度较薄的混合料试件的整体吸声性能较差.

(a) OGFC-13c， Vc=20.8%

表7 不同厚度下沥青混合料试样的平均吸声系数

4 降噪效果分析

将不同级配沥青混合料的平均和峰值吸声系数分别代入式(7)和式(6)中，计算得到相应的平均和峰值降噪值随空隙率的变化关系，如图9所示.据此得到OGFC混合料的降噪值随空隙率变化的数学表达式：

图9 OGFC混合料降噪值随空隙率的变化关系

NRA=0.074 1Vc-0.212 9,R2=0.942 2

(10)

NRP=0.237 9exp(0.141 9Vc),R2=0.881 5

(11)

式中，NRA和NRP分别为平均降噪值和峰值降噪值.

根据《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTG/T 3350-03—2020)，开级配沥青路面在满足强度、稳定性、抗飞散和抗水损害等路用性能和排水性能的前提下，要求开级配相比密级配沥青路面能够降低噪声4～6 dB.因而，降噪性能可视作优化开级配沥青混合料的依据，根据图6中降噪峰值值与空隙率的关系，OGFC混合料的空隙率应控制为20%～23%.

5 结论

1) 相比密级配沥青混合料，OGFC混合料具有良好的降噪性能，其吸声系数随频率近似呈先增加后减小的趋势，得到了OGFC混合料吸声系数和降噪值随空隙率增加逐渐增大的数学表达式.

2) 公称最大粒径相同时，空隙率的增加更有利于OGFC混合料对高频噪声的吸收；空隙率相近时，级配组成和公称最大粒径的变化对OGFC混合料整体吸声吸能的影响很小，但公称最大粒径越大，峰值频率越大，对高频噪声的吸收越明显.

3) 随着试件厚度的减小，OGFC混合料的峰值吸声系数会略有增大，峰值频率向高频方向移动，但平均吸声系数在逐渐减小，即OGFC混合料的整体吸声性能会逐渐变差.

4) 在满足路用性能和排水性能的前提下，降噪效果可作为优化OGFC混合料的依据，根据OGFC混合料降噪值与空隙率的关系，其空隙率宜控制为20%～23%.