融冰降噪功能型沥青路面设计与应用研究

成 红

(江苏省交通工程建设局，南京 210004)

在城市化进程不断加快、车辆保有量急遽增加的时代背景下，城市交通噪声问题愈加凸显，如何解决这一发展难题已成为交通领域的新挑战[1]。在保证行车安全和舒适的前提下，建设更加绿色更加环保的功能型路面，是未来公路建设发展的新方向[2]。

开级配抗滑磨耗层(open-graded friction course，OGFC)作为一种功能型路面结构层，可迅速排尽路表积水，减少雨天行车的水飘、水雾、反光等情况，改善路面抗滑性能[3-4]。同时，其较大的孔隙结构，还可以消减行车过程中轮胎与路面之间产生的部分噪声，改善交通噪声污染问题。因此，开级配抗滑磨耗层在排水、降噪等功能型路面中得到了广泛应用[5-6]。然而，对于一些冬季潮湿且存在凝冰现象的地区而言，路表的积雪和碎冰在行车作用下会堵塞路表孔隙，不仅会影响OGFC路面降噪功能的发挥，还会降低路面抗滑效果，严重影响行车安全。

基于此，本文在现有抗凝冰路面相关研究基础上[7-9]，通过将OGFC混合料与抗凝冰涂层结合的方式，设计了一种降噪+抗凝冰复合功能型沥青路面，在保证其排水、降噪效果的基础上，达到“小雪留不住、冰水难凝结、大雪好清除”的效果。

1 试验设计

1.1 原材料

矿料采用玄武岩，包括1#料(5～10 mm)、2#料(3～5 mm)和3#料(0～3 mm)，填料采用石灰岩矿粉，矿料和填料的相对密度和吸水率如表1所示，矿料和填料筛分结果如表2所示。

表1 矿料和填料的相对密度和吸水率

表2 矿料和填料筛分结果 (%)

试验所用胶结料为高黏改性沥青，高黏改性沥青技术指标的检测结果和技术要求如表3所示，其技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)[10]相关要求。

表3 高黏改性沥青技术指标的检测结果和技术要求

1.2 设计级配

根据配合比设计方法，进行OGFC-10混合料级配设计，最佳油石比5.6%，设计级配曲线如图1所示。

图1 设计级配曲线

1.3 路用性能

按照上述设计级配和最佳油石比配制沥青混合料，采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验和低温小梁弯曲试验进行抗水损害性能和高、低温稳定性能验证，OGFC-10混合料路用性能如表4所示，其技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)[10]相关要求。

表4 OGFC-10混合料路用性能

1.4 马歇尔试验结果

OGFC-10混合料的马歇尔试验结果如表5所示，其技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)[10]相关要求。

表5 OGFC-10混合料的马歇尔试验结果

2 室内试验

采用抗凝冰层涂刷试验、摩擦性能和渗水性能试验、抗凝冰效果试验与降噪效果试验，制作成型车辙板试件，研究抗凝冰涂层对OGFC路面抗滑性能、渗水性能以及降噪和抗凝冰效果的影响。

2.1 抗凝冰层涂刷试验

试验所用材料包括：①疏水基低冰点缓释盐，呈乳白色粉末状，用量为乳化沥青固含量的20%；②改性乳化沥青，固含量57%。将二者调配得到抗凝冰涂层。在成型的车辙板试件表面进行抗凝冰层涂刷，涂刷量1.2 kg/m2。涂刷过程中未出现涂层材料明显下渗现象，破乳化后试件表面孔隙纹理清晰可见。

2.2 摩擦性能和渗水性能试验

抗凝冰涂层会覆盖沥青路表孔隙，造成渗水性能和抗滑性能衰减。采用摆式摩擦系数测定仪和渗水仪，测试抗凝冰涂层对试件摩擦系数和渗水系数的影响，试件的摩擦系数和渗水系数如表6所示。

表6 试件的摩擦系数和渗水系数

由表6可知，抗凝冰涂层涂刷后，试件的摩擦系数和渗水系数的衰减幅度分别为12.3%和5.1%。尽管试件出现不同程度的衰减，但仍满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)[10]技术要求。该结果表明，抗凝冰涂层未出现明显的孔隙堵塞，结合涂刷实际情况，涂层仅对路表孔隙产生了局部覆盖现象，即涂层在路表形成一层过滤层，起到抗凝冰效果的同时，还起到了一定的过滤作用，阻止污染物进入结构内部孔隙，减少堵塞。

2.3 抗凝冰效果试验

通过制作成型车辙板试件和马歇尔试件，研究抗凝冰涂层对OGFC路面的抗凝冰效果。试件密封后，分别置于-4 ℃、-6 ℃、-8 ℃和-10 ℃环境箱，冷冻24 h，之后每2 h在试件表面喷洒一次冷水，使试件表面形成水膜，重复4次，在最后一次喷水后继续冷冻24 h，观察试件表面冰层凝结情况。不同温度条件下试件表面凝冰情况如表7所示。

表7 不同温度条件下试件表面凝冰情况

抗凝冰涂层有效抑制试件冰层凝结，尤其对冬季温度不低于-8 ℃的地区而言，其具有良好的抗凝冰效果；对温度更低的地区而言，抗凝冰涂层虽难以抑制冰层凝结，但其表面冰层易剥离，利于后期清理。

2.4 降噪效果试验

轮胎噪声是指车辆在行驶过程中，轮胎与路面碰撞接触产生的振动、挤压和摩擦引起的噪声。为了尽可能在室内模拟轮胎和路面的接触状态以及噪声产生方式，将测试汽车轮胎置于固定高度(1.5 m)平台的边缘处，施加一定的横向推力使车轮呈抛物线下落至涂刷凝冰涂层的车辙板试件，模拟轮胎和路面碰撞瞬间的撞击振动噪声、空气泵压、膨胀噪声和摩擦噪声。试验时选用无噪声干扰的实验室，采用手持式噪声频谱分析仪进行噪声测试。测试轮胎和试件接触瞬间产生的最大噪声。以SMA-13为对照组、OGFC-10混合料+抗凝冰涂层为试验组，设置30 ℃(模拟夏季)和10 ℃(模拟冬季)两种温度，分别检测8次，噪声试验测试结果如图2所示。

图2 噪声试验测试结果

由图2可知，相较于SMA-13试件，OGFC-10混合料+抗凝冰涂层试件在30 ℃条件下，噪声值降低3.2 dB；在10 ℃条件下，噪声值降低2.7 dB，降噪效果显著。

3 试验段实施及应用效果评价

3.1 试验段实施

2019年12月，连云港徐宿路支线建设工程进行了施工铺筑，融冰降噪实施方案为3 cm OGFC-10混合料+抗凝冰涂层。OGFC-10混合料上面层铺筑完成后第3天进行抗凝冰涂层的涂刷，涂层采用人工涂刷的方式，现场涂刷量控制范围为1.0～1.4 kg/m2。

3.2 施工质量检测

试验段铺筑完成后，次日进行了空隙率、构造深度、摩擦系数和渗水系数测定。涂层施工次日进行了芯样摩擦系数和渗水系数测定。路面性能检测结果如表8所示。试验段整体情况较好，路面空隙率、构造深度、摩擦系数和渗水系数等技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)[10]技术要求。

表8 路面性能检测结果

3.3 跟踪观测

3.3.1 表面功能

通车5个月后，对融冰降噪复合功能型沥青路面的构造深度、摩擦系数和渗水系数等进行检测。通车5个月后路面性能检测结果如表9所示。与涂层施工次日相比，通车5个月后路面摩擦系数有所提升，但渗水系数小幅度下降，分析其原因可能为海风较大，道路绿植的沙土造成了路面孔隙堵塞。

表9 通车5个月后路面性能检测结果

3.3.2 抗凝冰效果观测

2020年2月15日试验段所处地区降雪(中到大雪、温度-3 ℃～-7 ℃)，次日(温度-5 ℃～2 ℃)，对试验段进行了实际观测。AC-13为对照组，其路表积水状况显著，OGFC-10混合料+抗凝冰涂层路段的表层冰雪与路面之间存在自由水，在冰雪融化后路表水逐渐排走。结果表明，该技术方案能够提升路面抗滑性能，也能有效预防温度骤降引发的路面凝结暗冰的隐患。

3.3.3 降噪效果观测

对车内噪声和路侧噪声进行降噪效果测试。车内噪声测试时，车速设置为60 km/h和80 km/h，采用手持式噪声仪，测量位置为车内副驾驶处。路侧噪声测试时，由于该路段重载货车较多，为排除货车干扰，以单车进行测试，车速设置为40 km/h、60 km/h和80 km/h。噪声测试结果如图3所示。

由图3(a)可知，道路新建情况下，与AC-13路段相比，OGFC-10混合料+抗凝冰涂层路段在60 km/h 和80 km/h匀速行驶状态下，车内噪声分别降低了3.4 dB和4.7 dB。通车11个月后，与AC-13 路段相比，OGFC-10 混合料+抗凝冰涂层路段在60 km/h 和80 km/h匀速行驶状态下，车内噪声分别降低了2.8 dB和2.9 dB，究其原因可能是试验段位置风力较大、沙尘较多，且重载货车占比较大，孔隙堵塞现象较为严重，导致降噪效果衰减[11]。

由图3(b)可知，与AC-13相比，OGFC-10混合料+抗凝冰涂层路段在40 km/h、60 km/h和80 km/h匀速行驶状态下，路侧噪声均降低了约3.5 dB。

(a) 车内噪声

(b) 路侧噪声图3 噪声测试结果

4 结论

(1) 室内试验和现场试验效果表明，OGFC-10混合料和抗凝冰涂层二者融合可操作性良好，抗凝冰涂层无明显的堵孔和渗水现象。

(2) 融冰降噪复合功能型沥青路面有效抑制冰层凝结，尤其是对于冬季温度不低于-8 ℃的地区，具有良好的抗凝冰效果。

(3) 融冰降噪复合功能型沥青路面降噪效果显著，可降低交通噪声约3 dB。