抗滑降噪型高性能沥青混凝土设计方法研究

唐皓 韦彬

摘要 基于CAVF设计方法，利用数字图像处理技术，借助Image Pro Plus和Matlab软件，提出新的（压实沥青混合料的粗集料骨架间隙率）计算方法，用于指导抗滑降噪型沥青混合料的配合比设计。设计比对试验，分析不同级配混合料的功能性，试验结果表明改进CAVF法设计的混合料具有优良的降噪抗滑性能，长期使用性能较为稳定，性能衰减速率缓慢。通过室内模拟轮胎作用，验证了该方法的可行性。

关键词 抗滑降噪;CAVF设计法;数字图像处理;粗集料骨架间隙率;比对试验

中图分类号 U416.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0130-04

0 引言

随着社会发展，涌现了许多沥青混合料类型，例如排水路面、超薄磨耗层、降噪路面等[1-3]。相关研究表明，交通噪声污染对人、经济和环境均造成不同程度的影响，噪声不利于人的身心健康，造成引发噪声污染的社会管理费用成本上升[4]。近年来，行车的安全问题趋于明显，道路抗滑性能衰减过快已成为道路工程领域迫切需要解决的重要技术问题[5-6]。

为解决路面噪声和抗滑的问题，设计了抗滑降噪型高性能沥青混合料，如OGFC沥青混合料[7]。但目前应用过程中，存在混合料松散、空隙堵塞等问题，严重削弱道路使用性能及寿命[8]。因此，如何优化配合比设计进而提高抗滑降噪型路面的路用性能，具有较大的研究价值。在级配方面，抗滑降噪型高性能沥青混合料和普通沥青混合料存在较大差异[9]。抗滑降噪型高性能沥青混合料的配合比设计方法并没有统一的规定，国内外有许多设计方法，不同国家及地区使用着一种或多种设计方法。

该文基于CAVF法，将集料嵌挤原则和填充原则有机地结合起来，开展抗滑降噪型高性能沥青混合料配合比设计研究。设计室内试验模拟路面运营时的环境，验证沥青混合料的降噪及抗滑性能。

1 混合料配合比设计

1.1 原材料

集料在沥青混合料的体系中不但要承担起骨架的作用，还要对其骨架间的空隙进行填充。此外，集料的酸碱性决定了与沥青的粘附性，碱性集料有利于提高混合料抗剥落、抗水损的能力。该文研究所用原材料详见表1。

1.2 CAVF法设计抗滑降噪型高性能沥青混合料

1.2.1 CAVF法基本原理

CAVF法（主骨架空隙填充法）首先由张肖宁教授提出，其核心在于设计粗集料形成主骨架，然后使用细集料、填料和沥青胶结料进行填充，使得混合料形成整体发挥密水与强度性能。

沥青路面设计规范中将≤作为评价沥青混合料骨架嵌挤效果的依据。计算中包括了试样表面的所有空隙，而实际施工后路表无需胶浆完全填充，必须具备一定构造深度。为了更准确表达混合料的体积关系，设计出性能更佳的沥青混合料，大量学者研究指出以替代进行CAVF法设计。基于CAVF法，可列下式方程：

（1）

（2）

式中：、、分别为粗集料、细集料、填料的质量百分率，%;为粗集料松方毛体积相对密度;、分别为细集料和矿粉的表观相对密度;为压实沥青混合料的粗集料骨架间隙率，%;为设计混合料的空隙率，%，为有效沥青体积，%。

1.2.2 数字图像处理技术

一般用经验法进行计算，试验过程存在人为误差，如何准确检测出，对于配合比设计具有重要意义。为了准确得到粗集料骨架间隙率，利用数字图像技术进行分析。

数字图像处理运用体视学原理，建立从高维（三维）组织的截面（二维）所获得的低维测量量与定量表征该组织本身的三维空间组织参数之间关系[10]。将马歇尔试件横切，横切面间距5 mm，共拍摄24张图片。将拍摄的图片导入Matlab软件进行二值化处理（灰度值为0与255），二值化阈值按现场拍摄光线、检测量洁净程度进行适当的调整。二值化后的图片导入Image Pro Plus软件，选取粗集料区域，去除图像噪点，然后选择计算粗集料面积占比。通过汇总二维粗集料面积，采用Matlab软件重构得到三维粗集料体积，进而得到粗集料骨架间隙率。

1.3 配合比设计结果

依据1.2中改进的CAVF法，按图1流程设计抗滑降噪型高性能沥青混合料。

结合施工经验，控制关键筛孔2.36的通过率为12.5%～14%，根据拌和楼热料筛分结果，得到配合比为11～15 mm∶6～11 mm∶0～3 mm∶矿粉∶水泥=35.5∶45∶16∶2.5∶1。以油石比为5.0%、5.3%和5.6%进行马歇尔体积指标检测，综合考虑析漏和飞散试验指标，以空隙率为19.5%、油膜厚度14 μm作为判别依据决定最终的设计油石比，确定最佳油石比为5.3%。

2 室内试验设计

2.1 噪声检测

2.1.1 检测设备

采用主驱动轮式路面材料加速加载试验系统进行路面噪声室内试验，装置如图2所示。

噪声采集系统位置距离轮胎10 cm，通过数据采集仪，将信号放大连接计算机，计算得到声压级。

2.1.2 试验方法与流程

（1）试件制作与安装。由试验材料制作两个级配的弧形车辙板试件，两个级配分别由改进CAVF法及馬歇尔法设计，级配如图3所示。

（2）运行条件设置。温度25℃并保证试验过程中的温度恒定;轮胎接地压力设置在0.7 MPa;轮胎荷载250 kN;采样时间120 s;固定传声器，稳定连接计算机。

（3）背景噪声测量。

（4）运行系统，保存结果。

2.2 抗滑性能检测

借助胶轮搓揉试验装置，采用花纹橡胶轮胎对试件施加竖向碾压与切向磨耗作用，设备见图4。

具体试验参数为：

（1）温度：室温25℃。

（2）轮宽：50 mm。

（3）试件横向移动速度：10 cm/min。

（4）车轮行走次数：42±1次/分。

（5）轮重：42～100 kg。

试验步骤：

1）选用改进CAVF法设计和马歇尔法设计沥青混合料，使用轮碾法制作长300 mm、宽300 mm、高50 mm的板块试件。

2）采用浸水60℃来模拟夏季高温湿热环境下得行车作用，每间隔1 h进行车辙板的构造深度、摆值测定，间隔2 h采用胶片测试系统获取不同车辙板试件的接触界面情况，试验周期为8 h。

3 结果及分析

3.1 噪声水平

室内加速加载试验系统通过增加对路面的轮胎作用次数，研究路面噪声的长期变化情况，结果见表2。

随着轮胎作用次数的增加，声压级逐渐增大。CAVF法设计的路面噪声声压级较小，比马歇尔法平均减少1.2 dB（A），且随着轮胎作用时间的推移，CAVF法噪声水平增长速率更慢。通过改进CAVF法设计的路面噪声水平降低，长期使用效果更佳。

3.2 抗滑性能

选择前文设计的两种混合料，进行8 h的搓揉作用，结果见表3和表4。

构造深度随时间呈现单调递减的趋势，CAVF法试件的构造深度较大，车轮碾压之后的终值亦较大。说明混合料主骨架对其表面的构造稳定性影响较大，主骨架较强，则表面的构造稳定性越好，有利于保持更持久的宏观构造深度。

两种级配混合料的摆值对比可得，初始状态下的摆值差别不大，但8 h后的CAVF法试件摆值更大，摆值衰减速率相对较为缓慢，长期抗滑性能更加优良。

4 结语

基于CAVF设计方法，采用数字图像处理技术，借助Image Pro Plus和Matlab软件，提出新的粗集料骨架间隙率计算方法，指导配合比设计。通过室内试验模拟车辆轮胎作用，比较分析不同级配混合料的功能性，结果表明采用改进的CAVF法设计的混合料具有优良的降噪抗滑性能，路用性能衰减较为缓慢。

参考文献

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