基于降噪分析的路面结构研究

张航豪，田 鹏，邵 帅，张 浩，彭开兴

（吉林建筑大学交通科学与工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

交通噪声是现代城市生活中不可避免的环境污染问题之一，对人们的身心健康和社会经济发展产生严重影响，如对睡眠、心理压力和听力等方面造成负面影响。据2022 年中国噪声污染防治报告[1]，2021年生态环境部门全国生态环境信访投诉举报管理平台共接到公众举报45 万余件，其中噪声扰民问题占全部举报的45.0%，居各环境污染要素第2 位。

通过对山东省济州——菏泽高速公路（下称济菏高速）的噪声进行实测，找出高速公路中对噪声值影响最显著的车型，并探究该车型中噪声的关键影响因素，即轮胎与路面接触产生的噪声。解决道路轮胎噪声方法分为主动和被动，本文主要从主动降噪即对路面结构和材料进行改造，对多孔沥青混凝土路面、橡胶沥青混凝土路面和多孔弹性低噪音路面的降噪机理、施工难点等进行探究。

1 道路噪声关键因素探究

1.1 济菏高速噪声实测

对济菏高速的其中一个路段进行24 h 不间断现场实测，实测条件如下：高速设计时速为120 km/h，双向4 车道（行车道宽度3.75 m），中央分隔带宽1.5 m，沥青混凝土路面。选择的实测路段道路断面为路堤结构，高差4 m，道路直线段长度超过2 km。测点位于公路一侧空旷地带，地面为松软农田土壤，无建筑物和树木遮挡，测点距路中心线44 m，同步监测记录车流量、车型及车速等数据。天气晴转多云，风速0.2 m/s～1 m/s，温度25 ℃～34 ℃。各时段的噪声实测数据见图1。

图1 各时段的噪声实测数据

针对小型车辆车速从30 km/h～130 km/h，以10 km/h 为间隔对各个分量噪声与总噪声进行检测，得出三种降噪路面与速度都呈现出明显的正相关。但区别之处在于：车速较低即低于40 km/h 时，速度与推进噪声对总噪声的影响程度要大于轮胎噪声；随着车速的提升，轮胎噪声对于总噪声的影响程度逐渐提升，尤其是在100 km/h 之后，总噪声与轮胎噪声的数值几乎一致。

1.2 实测数据分析

对该路段的大型、中型和小型（分类依据为公路建设项目环境影响评价规范）车辆的交通量与车速进行实测并分析：为了探究若干个自变量因素对噪声值的影响，进行多元线形分析，找出对噪声预测值影响最为显著的变量；同时也为道路降噪提供一定方向性建议。

对现场实测数据进行上述处理分析后，可以得到各个因素对噪声实测值的多元线性回归分析数据，见表1。

表1 多元线性回归分析数据表

小型车辆交通量是影响交通噪声的重要因素，为了控制交通噪声和减少环境污染，可以着重从减少小型车辆交通量入手。而小型车辆的噪声主要来自轮胎，因此减少路面噪声的关键是减少轮胎与路面接触时产生的噪声。

2 降噪路面结构分析

道路噪声控制中分为主动降噪与被动降噪，主动降噪是改造路面结构或材料，采用低噪声路面，从根源上进行降噪。被动降噪的实现手段有使用绿化带、声屏障等设施，优点是可在道路建成后对噪声问题进行补救，缺点是造价往往较高且效果一般，难以从根本上解决噪声问题。低噪声路面可分为水泥低噪声路面和沥青低噪声路面，本文主要对沥青低噪声路面展开阐述。

2.1 多孔沥青混凝土路面

多孔沥青混凝土路面具有较高的孔隙率（18%～22%），这种结构具有降噪的机理。首先，高孔隙率能迅速排水，有效减少路面积水，同时减弱轮胎与路面之间的泵吸效应，从而吸收道路噪声。其次，多孔沥青路面采用了负构造的设计，利用孔隙来吸收声波，实现降噪效果。此外，粗糙的路面表面还能降低轮胎与路面接触时产生的噪声[2-3]。多孔沥青混凝土路面的排水、降噪等特性主要通过较高的孔隙率来实现，不过随着孔隙率的增高，堵塞的风险也会增高，从而导致降噪与排水性能显著下降。此外，高孔隙率的沥青路面更容易面临老化带来的风险，耐久性较差且有松散、剥落等病害困扰。具体见图2。

图2 多孔沥青路面传播示意图

在实际工程应用中，现场施工的连通空隙率和目标孔隙率仍存在一定误差，且系统评价测试体系缺失。多孔沥青混凝土路面的粗集料含量较高，采用骨架的孔隙结构，因此所使用的集料应力较集中，对性能要求较高。多孔沥青混凝土路面的压实是确保其质量和性能的关键。由于多孔结构的存在，压实过程应避免过度压实导致孔隙率下降，影响排水性能，且施工时间要避开降雨和极端温度等不利因素。

2.2 橡胶沥青混凝土路面

橡胶沥青路面的降噪机理是由于路面结构加入橡胶颗粒后，弹性变形能力增强且孔隙率增大，路面的表面纹理增多[4]。当声波到达材料表面时，大部分声波会通过微小孔隙传递到材料的内部。声波受到空气和孔隙壁的摩擦、空气分子间的黏滞力及孔隙间的空气媒介涨缩效应等的共同影响。这个过程中，部分声波会转化为热能并耗散掉。这种转化和耗散现象是由于摩擦和黏滞阻尼作用所引起的[5]。

此外，橡胶沥青路面表面具有丰富的纹理结构，会导致气流在路面内部向四周扩散，纹理结构具有如下作用：①能够消散声能，使得声波能够更好地分散和减弱。②可以减少路面和轮胎之间的“泵送效应”[6]。泵送效应是指车辆行驶时，轮胎与路面之间的交互作用产生的空气压缩和释放，进而引起噪声的产生。通过减少泵送效应，可以有效抑制噪声的产生，具体见图3。

图3 橡胶沥青路面传播示意图

橡胶沥青混凝土路面的施工方式有干法和湿法两种，其中干法是将原来的集料同体积替换成橡胶颗粒，因此要对级配重新计算；湿法的工艺较为复杂且耗能较大，相对而言干法应用更广。无论是干法或是湿法，在掺入橡胶颗粒后都会产生大量的毒雾，对健康与环境的危害都较大，且目前暂无有效的解决方案或工艺。橡胶沥青路面中橡胶颗粒与沥青的混合比例对路面性能具有重要影响，过高或过低的橡胶含量都可能导致路面性能下降。在施工中需要准确控制橡胶与沥青的混合比例，确保最佳的性能表现。橡胶沥青路面的施工需要控制沥青的温度，以确保其在施工过程中具有适当的流动性和粘附性。温度过高会使沥青过早固化，难以均匀铺设；温度过低则会影响其流动性和粘附性。因此，需要合理控制施工温度，以保证施工质量。

2.3 多孔弹性低噪声路面

多孔弹性路面是弹性吸声材料，具有多孔和共振吸声性能，而橡胶颗粒是高阻尼材料，所以多孔弹性路面兼具吸声和减震双重效果，降噪性能较普通路面大幅提高。在小型车辆车速为60 km/h 时，降噪效果能达到13 dB（A）[7]。相比传统的多孔沥青路面，多孔弹性低噪声路面在具有高孔隙率的同时，还具有良好的弹性，声波在刚性壁面发射后，经过材料返回表面时，一部分声波透回空气中，另一部分有反射回材料内部，声波在这种反复的传播过程中能量不断逸散[8-9]。具体见图4。

图4 多孔弹性低噪音沥青路面传播示意图

多孔弹性路面一般在工厂中将橡胶颗粒掺入沥青中，预制成1 m×1 m×0.05 m 的预制板，在施工现场通过聚氨酯与沥青路面下面层进行黏结，但经常由于黏结力不足发生路面剥落现象，耐久性较差。在现场施工中，多孔弹性低噪声路面需要更长的施工时间以确保多孔结构的形成和路面的完整性；且压实过程需严格控制，以保证其孔隙率与目标孔隙率一致。

3 结语

1）多孔沥青路面通过多孔吸声和泵吸效应实现降噪，橡胶沥青路面通过共振吸声和阻尼降噪实现降噪；多孔弹性低噪音路面则融合了两者的机理实现降噪。三种降噪路面共同的缺点是随着降噪效果的提升，路用性能会下降；多孔沥青混凝土随孔隙率增加而提升降噪效果，但其随强度提高易引起内部结构松散剥落；橡胶沥青路面随着橡胶含量的增加，降噪效果提升显著，同时表面会有更多的橡胶颗粒，这是由于其暴露在空气中造成老化、磨损并降低抗裂性能；多孔弹性低噪音路面蓄水后，降噪效果和防滑性能也会降低。

2）三种降噪路面的材料和级配有所差异，但相同点是孔隙率、构造深度与降噪效果成正比，粒径大小关系则相反；其中粒径大小和孔隙率相对于构造深度，对降噪效果的影响更显著。