硅藻土复合改性橡胶沥青混合料降噪性能研究

王 俊，李远洋

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

随着现阶段公路建设发展速度的不断加快，各类公路修筑原材料和新型公路材料类型也在不断涌现，随之而来的是包括水、大气，以及噪声等方面的污染问题。这一问题又随着交通量增长、公路总里程增长和行车速度的提升而不断加剧，路域噪声污染也越来越受到人们的关注。行车噪声污染对周边居民生活的影响不只是体现在生理上，对人心理上也会造成诸多不良后果，因此已有多个国家针对噪声污染问题提出了相应的法律法规。

国内外专家学者针对橡胶沥青混合料路面降噪效果已有了许多研究经验[1-5]，在这一过程中也发现了其应用过程中的诸多问题，包括施工工艺难度、环境污染等方面。硅藻土是一种疏松多孔的硅质岩石，其具备的丰富孔隙有着很好的吸附能力，并且无毒呈中性，目前主要应用作为外掺剂加入到各类建筑材料中，可一定程度上提升材料的强度和刚度。此外，硅藻土应用于建筑材料中，可以起到阻滞污染物、消除气味和隔音等作用。

姚金金[6]等人将硅藻土作为复合发泡聚氨酯材料的外掺剂，发现随着硅藻土掺量的提升，发泡聚氨酯的吸声能力也随之增强。对于公路路面材料吸声特性的研究主要集中在常规沥青混合料和橡胶沥青混合料方面：董雨明[7]等人测定并分析了基质沥青混合料的声学特性，发现其吸声系数主要与混合料内部整体孔隙分布状态，以及孔隙率大小直接相关。王小惠[8]则对橡胶沥青混合料的声学吸收特性进行了检测，发现相较于常规沥青混合料，橡胶沥青混合料的吸声系数更高，并且混合料空隙率很大程度上影响其吸声系数，但集料粒径的大小对此基本不产生影响。综上所述，可以发现针对硅藻土应用于降噪材料，以及橡胶沥青混合料吸声特性的研究已有一定基础，但将硅藻土和橡胶沥青相结合制备复合改性沥青方面的研究仍有着较大的空白。现通过试验制备了复合改性沥青，并通过复掺硅藻土的方法，得到了复合改性橡胶SMA-13 及复合改性橡胶AC-13，通过驻波管法测试其在各频段范围内的吸声系数，从而研究硅藻土掺量和试件层厚对混合料吸声系数的影响规律。

1 主要原材料

1.1 硅藻土

该项试验研究选用优质硅藻土，其细度为300#，其粒径分布范围为：0～5 μm 占比为20%，5～10 μm占比为29.1%，10～20 μm 占比为20.8%，20～40 μm占比为20%，大于40 μm 占比为10.1%。硅藻土的技术指标如表1 所列。

表1 硅藻土技术指标一览表

1.2 橡胶粉

该项试验研究选用废轮胎橡胶粉作为沥青改性材料。橡胶粉的技术指标如表2 所列。

表2 橡胶粉技术指标一览表

1.3 沥青

该项试验研究选用了90# 基质沥青，针对沥青技术指标进行了检测，结果如表3 所列。

表3 沥青技术指标一览表

1.4 集料及矿粉

该项试验研究选用的集料分三档，分别为3～5 mm、5～16 mm 的碎石和0～3 mm 的石屑，上述粗细集料的常规试验检测结果均符合规范要求。矿粉是由石灰岩磨制而成，其含水量等指标均满足规范要求。

2 试验设计

首先通过前期试验确定AC-13 及SMA-13 的级配，接着通过湿法制备橡胶沥青。设计不同的硅藻土掺配比例，并通过试验得到各组试件的最佳油石比。

2.1 沥青混合料组成设计

2.1.1 级配设计

该项试验研究中的AC-13 和SMA-13 对应的级配设计情况如图1 和图2 所示。

图1 AC-13 级配曲线图

图2 SMA-13 级配曲线图

2.1.2 最佳油石比

该项试验研究用湿法制改性橡胶沥青，橡胶粉质量/基质沥青质量的值为18%。按照规范要求，通过加热、搅拌、剪切、溶胀等过程后得到改性橡胶沥青，其性能指标见表4 所列。在制备复合改性橡胶沥青混合料时，需要在掺加改性橡胶沥青的基础上，额外加入硅藻土形成复合改性沥青。该项研究设计的硅藻土复掺比例分别有6%、8%、10% 和12%。6%、8%、10% 和12% 硅藻土掺量的复合改性橡胶AC-13的最佳油石比分别为6.15%、6.21%、6.28% 和6.36%；6%、8%、10% 和12% 硅藻土掺量的复合改性橡胶SMA-13 的最佳油石比分别为7.00%、7.09%、7.19% 和7.28%。

表4 改性橡胶沥青技术指标一览表

2.2 吸声系数测试原理

该项研究利用传递函数法分别对复合改性橡胶AC-13 和SMA-13 沥青混合料的吸声系数进行测试，其装置示意图如图3 所示。

图3 传递函数法装置示意图

通过计算确定该项试验中双传声器间隔为0.05 m，将已知确定吸声系数的标准标定样品放置于驻波管中，用同一公式计算测得的两个传递函数，定义复传递函数如下式所示：

进而计算传递函数校正因数Hc：

在试验装置中放入待测复合改性橡胶AC-13 和SMA-13 沥青混合料试件，测出其传递函数：

对测得的样品传递函数进行校正，校正后的实际传递函数结果为：

计算出标准标定样品的吸声系数：

3 试验结果及其分析

为同时研究复合改性橡胶沥青混合料厚度对其吸声系数产生的影响，该项试验研究分别制备了25 mm 和50 mm 两种厚度的复合改性橡胶AC-13和SMA-13 沥青混合料试件并进行吸声系数检测。25 mm 试件组的吸声系数试验结果如图4 所示，50 mm 试件组的吸声系数试验结果如图5 所示。总体上来说，两种厚度的复合改性橡胶AC-13 和SMA-13 沥青混合料试件吸声系数均随着硅藻土的掺加而有了明显变化，并随着其掺量的提升而随之呈现出上升的趋势。

图4 25 mm 试件组吸声系数结果曲线图

图5 50 mm 试件组吸声系数结果曲线图

不同厚度的复合改性橡胶AC-13 沥青混合料整体平均吸声系数总体上没有明显区别，但不同的试件厚度对吸声系数频率分布上产生一定的影响，表现为50 mm 复合改性橡胶AC-13 沥青混合料试件组的峰值吸声系数对应的频率比25 mm 试件组更大。

与之类似，不同厚度的复合改性橡胶SMA-13沥青混合料整体平均吸声系数区别也不大，而试件厚度对吸声系数频率分布上产生了影响，同样表现为50 mm 试件组的峰值吸声系数对应的频率比25 mm试件组高。

横向分别对比复合改性橡胶AC-13 和SMA-13沥青混合料试件吸声系数的大小，可以发现，无论是厚度为25 mm 的试件组还是50 mm 的试件组，均表现为复合改性SMA-13 沥青混合料试件平均吸声系数整体要大于复合改性橡胶AC-13 沥青混合料试件。当然，这一数值主要体现在各频率对应吸声系数的平均值上，并不代表在任一频率上的吸声系数均为复合改性SMA-13 沥青混合料试件更为优越。

总结归纳该项研究过程中涉及到的不同厚度各组复合改性沥青混合料试件的吸声系数结果，包括级配类型、试件厚度，以及设计参数等，可以发现硅藻土的掺加及掺量提升，是影响复合改性橡胶沥青混合料吸声系数的关键因素，而级配类型的变化对总体吸声系数也有着一定影响。除了级配类型带来的直接孔隙结构分布不同外，硅藻土具备的丰富孔隙特性和均匀的粒度分布，可以赋予材料较好的吸附能力。此外，其较小的容重能够吸附更多的沥青，可替代常规沥青混合料中的矿粉使用，相较于掺加矿粉的沥青混合料，复掺硅藻土的沥青混合料微观孔隙更为丰富，可直接增强宏观路面材料的吸声能力，从而从侧面降低行车噪声。

此外，为探究硅藻土的掺加对混合料降噪性能提升的潜在因素，针对不同试件组的空隙率情况进行分析，如表5 所列。可以发现，随着硅藻土掺量的提升，两类混合料空隙率均呈现出整体上升的趋势。这表明硅藻土的掺加能够有效改善橡胶沥青AC-13和SMA-13 的孔隙状态，从而一定程度上提升其降噪性能。

表5 空隙率指标情况一览表

4 结语

该项研究向橡胶改性沥青中添加不同比例的硅藻土，制备得到复合改性橡胶沥青，进而制备两类沥青混合料试件，利用传递函数法测试吸声系数，从而研究硅藻土掺量和试件层厚对两种复合改性橡胶沥青混合料吸声系数的影响规律，得到了如下主要结论：

（1）6%、8%、10% 和12% 硅藻土掺的复合改性橡胶AC-13 的最佳油石比分别为6.15%、6.21%、6.28% 和6.36% 。

（2）6%、8%、10% 和12% 硅藻土掺量的复合改性橡胶SMA-13 的最佳油石比分别为7.00%、7.09%、7.19% 和7.28% 。

（3）两种厚度的复合改性橡胶AC-13 和SMA-13沥青混合料试件吸声系数均随着硅藻土掺量的提升而随之上升。

（4）50 mm 复合改性橡胶沥青混合料试件组的峰值吸声系数对应的频率比25 mm 试件组更大。