袁博高奥东张泽许斌
(1.石家庄市交建高速公路建设管理有限公司,河北 石家庄 050000;2.中路高科(北京)公路技术有限公司,北京 100000)
为实现路面的某种特殊性能,建设人员通常会在路面材料中添加特定的添加剂或人工骨料,这不仅可以减少天然集料的消耗,而且可以实现降噪、抗滑、减震等特殊功能。为实现路面降噪、减震效果,建设人员可以通过在混合料中添加废旧橡胶颗粒的方法增加路面的弹性,以达到减少轮胎与道路噪音的目的[1-2];另一种方法是把混合料设计成含有大量孔隙的开级配路面,例如OGFC等,但也可以在混合料中添加多孔轻质材料代替部分集料,实现增加孔隙率降噪的效果[3-4]。
本文计划把软木颗粒和膨胀黏土颗粒掺入混合料中设计减震和降噪混合料,探究其力学性能和降噪性能。
软木颗粒的主要特点是重量轻、有弹性、电绝缘和热绝缘性,能够吸收声音和振动。由于是弹性材料,当施加任何载荷时,其具有很强的恢复变形能力。在土木工程领域,软木主要用作吸声和降噪隔音材料,也有研究人员将软木颗粒用作轻质骨料以生产轻重量的结构物。本文使用的软木颗粒粒径在1mm~4mm。
膨胀黏土颗粒是一种典型的由膨胀黏土制成的材料,具有较高比例的半封闭孔隙颗粒体。其主要特点是质量轻,具有相对较高的结构强度和较低的经济成本。得益于颗粒内部的大量孔隙,颗粒混合物的总孔隙率增加,混合料具有较好的降噪性能。在国外,膨胀黏土颗粒已经用于低孔隙率的沥青混合料中,并具有较高力学特性、抗摩擦特性和降噪性能[10]。对于降噪混凝土混合料,为保证其降噪性能,颗粒粒径不应大于3.5mm[11]。本文设计采用的膨胀黏土颗粒直径为2mm~4 mm。
沥青混合料中集料为花岗岩,填料采用石灰石,沥青采用SBS改性沥青。本文设计了两种新型混合料和两种常规混合料。用作表面降噪层的混合料采用占体积比10%的膨胀黏土颗粒;用作抗震联结层或中面层的混合料采用占体积比5%的软木颗粒。依据4种沥青混合料的配合比曲线可知,4种沥青混合料的油石比依次为5.0%、5.2%、5.9%和6.1%。
为了研究所设计的两种混合料的力学性能,拟通过车辙试验、冻融劈裂试验和混合料的飞散试验,分别确定混合料抗永久变形能力、水稳定性能及抗飞散损失性能。试验方法均参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)。
为了研究4种沥青混合料的消声性能,推断掺加软木颗粒和膨胀黏土颗粒对路面降噪性能的影响,先后实施两种试验,测量每种混合物的降噪性能和阻尼系数。为了测量噪声吸收效果,采用自制的直径为80mm的阻抗管试验研究,该阻抗管内含两个传声器。把阻抗管的开口端放置在拟测量的表面上测量,吸收系数在250Hz到2.5kHz的频率范围内。而路面阻尼是确定结构能耗的重要指标,可通过对路面施加冲击荷载并记录结构振动的频率响应来测量。与振动模式的共振频率相关的阻尼比(ξ)可以通过带宽法计算得出[12]。
4种混合料的飞散损失和水稳定性能试验结果显示,在质量损失方面,掺加软木颗粒的沥青混合料的性能明显优于对照组混合料,掺加软木颗粒后其质量损失降低45.81%。掺加膨胀土颗粒的沥青混合料与对照组相比,其飞散损失降低27.84%。与软木颗粒较为相似。即掺拌软木颗粒和膨胀土颗粒的混合料的抗水损性能分别提高了3.5%和6.4%。掺加软木颗粒后,沥青混合料孔隙率降低39.3%,而掺加膨胀土颗粒后,混合料的孔隙率提高11.13%。
通过对掺加软木颗粒的混合料与其对照组混合料在60℃下施加1万次标准荷载循环研究其车辙深度的变化规律。结果表明,由于软木颗粒具有较高的弹性性质,使混合料具有较好的弹性恢复性能,掺加软木颗粒的混合料表现出比对照混合料更好的抗车辙性能。
4种混合料的降噪试验结果显示,掺加软木颗粒的混合料的吸声系数较对比照组有所降低。这是由于软木颗粒的加入使混合料的孔隙率降低39.3%,混合料的孔隙率是降噪的关键因素。与对照组相比,掺加软木颗粒的混合料的吸声系数会有所降低。在混合料中掺加软木颗粒后,因其空隙率的降低而导致混合料对高频噪声的吸收值最大。而膨胀黏土颗粒的掺入对混合料的吸声性能影响较为显著,吸声系数由0.4%提高到0.75%,吸声频率集中在1000Hz~2000Hz的中频噪音。
4种混合料的阻尼特性显示,掺加膨胀黏土颗粒的混合料的阻尼比更高,且主要集中在高频区间。膨胀黏土颗粒的掺入会显著地降低第一振型,共振频率发生在213Hz;而在对照组混合料中,共振频率发生在884Hz。相反,软木颗粒对混合料仅在低频率下对阻尼略有影响。