基于橡膠粉降噪微表處路用性能研究的配合比優化

王 晨， 李秀君， 朱思楊， 謝 偉， 盛靖昱

（1. 上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093；2. 浙江致欣檢測技術有限公司，嘉興 314003）

微表處路面相比于普通瀝青路面來說，行車所產生的噪聲較大，持續高分貝的道路噪聲不僅影響了駕乘人員的心理和行車安全，也給附近居民的生活帶來了許多不便[1]。而在生活中發現，被稱為“黑色污染”的廢舊輪胎數量逐年增長，大量的廢舊輪胎既浪費了寶貴的橡膠資源，也形成了比塑料污染（白色污染）更難處理的黑色污染，但如果將這些廢舊輪胎經過合理處置再利用到道路建設中來，既解決了廢舊輪胎污染環境的問題，又達到了瀝青路面減振降噪的目的。研究發現，橡膠粉可以對路面起到降噪的作用，如文獻[2-3]基于室內試驗和試驗路鋪筑發現，在不同振動頻率范圍內，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料可以大幅度地降低傳統微表處的噪音。影響微表處噪聲大小的因素有很多，文獻[4-5]通過研究微表處混合料的級配組成，提出微表處導致車內噪聲增大的原因主要與瀝青用量、集料、施工工藝、乳化瀝青可拌和時間、稀漿混合料的和易性等因素有關，可通過改變瀝青含量、摻加廢舊橡膠粉及控制級配等措施來減少車內噪聲，并推薦了低噪音微表處路面的級配范圍。本文采用干法工藝將廢舊輪胎再處理后的橡膠粉與集料拌和均勻后，加入乳化瀝青制得橡膠粉降噪微表處混合料，基于正交試驗對橡膠粉降噪微表處路用性能和降噪性能影響因素進行研究，對配合比進行優化，使其達到減振降噪的目的。

1 試驗原材料及性能指標

1.1 改性乳化瀝青

根據《微表處和稀漿封層技術指南》[6]中相關規定，試驗采用SBR改性乳化瀝青（3%SBR膠乳），改性乳化瀝青的基本技術指標如表1所示。

表 1 改性乳化瀝青技術指標Tab.1 Technical indicators of modified emulsified asphalt

1.2 水性環氧樹脂及固化劑

試驗采用由艾施姆科技有限公司生產的水性環氧樹脂（Water-borne Epoxy Resin，簡稱WER），WER具有穩定性及熱固性好、粘結性強、無毒無污染等諸多優點[7]。水性環氧樹脂中樹脂與固化劑的摻加比例為3∶2，其性能如表2所示。

1.3 集料

試驗中的粗集料選用強度高、耐腐蝕性強和抗壓性強的玄武巖，細集料選用石灰巖，此類巖石能夠保證改性乳化瀝青與集料之間具有較好的粘結力[8]。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）[9]相關規定檢測得到集料的各項技術指標如表3所示。

表 2 水性環氧樹脂體系環氧樹脂及固化劑性能指標Tab.2 Performance index of epoxy resin and curing agent for the waterborne epoxy resin system

1.4 級配的選擇

本文將高等級高速公路微表處路面結構作為研究對象，試驗中采用了MS-3型級配。由于我國推廣的微表處級配參照了國際稀漿分層協會的有關要求，所以，在4.75～9.50 mm之間沒有再進行更細的劃分，使得相鄰篩孔的尺寸偏大。研究表明，混合料中較大粒徑集料的占比直接影響了微表處路面的粗糙程度，從而影響路面產生噪聲的大小[4]。所以，通過在4.75～9.50 mm之間添加6.70 mm篩孔對粗集料進行細分，且保持4.75 mm以下集料的級配不變，從而細化微表處混合料中集料級配的具體組成比例，級配類型及級配曲線圖如表4及圖1所示。

表 4 級配類型Tab.4 Grading type%

圖1 級配曲線圖Fig. 1 Gradation curve

2 橡膠粉降噪微表處減振降噪機理分析

橡膠粉的摻入將混合料中“石料-石料”的接觸形式變為 “石料-橡膠-石料” ，如圖2（a）和2（b）所示。當路面受到振動沖擊的作用時，橡膠作為阻尼材料會將部分振動產生的能量直接消耗掉，最終有效地減弱了路面系統的振動。同時，橡膠本身作為分子量超10 000的高分子聚合物，當輪胎滾過路面時，橡膠在受到周圍集料的擠壓作用后發生形變，將部分由振動所產生的能量存儲到橡膠分子鏈中，當輪胎離開路面，作用力消失時，被存儲的能量就被釋放和消耗掉，從而起到減振的作用。

圖2 減振降噪機理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the vibration reduction mechanism

另外，相較于普通微表處試件，所有摻加了橡膠粉的微表處試件表面都有許多能用肉眼觀察到的細小孔洞，如圖2（c）所示。這是由于橡膠粉的添加使微表處表面形成了多孔吸聲結構，橡膠本身具有彈性，所以，橡膠粉和瀝青混合料混合后，在橡膠粉聚集處會形成大量相互連通的小孔，使得在材料表面和內部有許多的細小孔隙，這些孔隙不封閉且互相連通，具有一定的通氣性。橡膠粉降噪微表處混合料固體部分在空間組成骨架，稱為筋絡，其作用就是將那些較大的孔隙分割成許多微小的通道。當聲波入射到材料表面時，一部分在材料表面上反射，一部分則進入到材料內部向前傳播，在傳播過程中引起孔隙中的空氣運動，且與形成孔壁的固體筋絡發生摩擦，由于黏滯性和熱傳導效應，聲能會轉化為熱能的形式消耗掉。經剛性壁面反射后的聲波經過材料內部再次返回到表面，一部分波透回到空氣中，一部分又返回到材料內部，如此反復，直到平衡?；诖耍蟛糠致暷芫捅幌鹉z粉降噪微表處混合料吸收消耗掉了。

綜上所述，橡膠粉降噪微表處混合料通過增加阻尼的方式減弱輪胎在路面上的振動，同時形成多孔吸聲結構來降低噪聲，同時起到減振降噪的作用。

3 基于路用性能研究的配合比優化

3.1 試驗方法及試驗結果

考慮到影響橡膠粉降噪微表處路用性能的因素較多，根據《微表處和稀漿封層技術指南》[6]和《路用廢胎硫化橡膠粉》[10]中相關規定和實際工程相關經驗，本文主要研究配合比、橡膠粉粒徑和橡膠粉添加量這3個因素對橡膠粉降噪微表處抗車轍性能、抗水損性能以及降噪性能的影響。由實際工程經驗確定控制每種因素影響范圍的3個水平，通過設計三因素三水平正交試驗對3個因素影響路用性能的程度進行量化分析，選用L9（33）正交表。試驗方案及結果如表5所示。因素A主要涉及到集料級配、改性乳化瀝青用量和外加水量。在大量試驗基礎上，選取噪聲水平較低的3組配合比（見表6）作為因素A的3個水平。將橡膠粉摻量2%，3%和4%作為因素B的3個水平（B1：2%，B2：3%，B3：4%），將橡膠粉粒徑0.850，0.425和0.250 mm作為因素C的3個水平（C1：0.850 mm，C2：0.425 mm，C3：0.250 mm）。

表 5 正交試驗方案及結果Tab.5 Orthogonal test plan and the results

表 6 橡膠粉降噪微表處配合比Tab.6 Mix ratio for the rubber powder noise reduction micro-surfacing

3.2 基于極差分析法的試驗結果分析

根據JB/T7510—1994《工藝參數優化方法》[11]中規定，采用極差分析法計算同因素各水平下的最大值與最小值之差，分析結果如表7所示。K為各列同級位的各試驗指標之和，為各K平均值，R為各列極差，。極差越大，兩級位相應的指標差別也越大，即對結果影響越大。

表 7 極差分析結果Tab.7 Range analysis results

根據表7中的數據可得各性能主要影響因素：

橫向輪轍變形率的影響順序為：B橡膠粉摻量＞A 配合比＞C 橡膠粉粒徑（RB＞RA＞RC）；

1 h濕輪磨耗損失的影響順序為：B橡膠粉摻量＞A 配合比＞C 橡膠粉粒徑（RB＞RA＞RC）；

噪聲水平的影響順序為：A配合比＞B橡膠粉摻量＞C 橡膠粉目數（RA＞RB＞RC）。

3.3 橡膠粉降噪微表處的路用性能分析

基于綜合評分法分析各因素對橡膠粉降噪微表處路用性能，即抗車轍性能、抗水損性能以及降噪性能的影響程度。

3.3.1 抗車轍性能

微表處混合料的抗車轍性能用試件寬度變形率來評價，試件寬度變形率越大，說明混合料的抗車轍性能越不好。由圖3可知，主要因素B中，當橡膠粉摻量從2%增加到4%時，橫向輪轍變形率從1.59%增加到3.23%，增長了約1倍，說明添加橡膠粉使微表處混合料抗車轍性能變差，這是由于過多的橡膠粉很難在混合料中均勻分布，同時吸附了不少的瀝青，降低了混合料的瀝青膜厚度，致使集料間粘附力下降，無法在反復荷載作用下提供良好的整體強度，減弱了混合料的抗車轍性能。次要因素A中，①，②，③這3種類型的配合比所對應的變形率分別為2.02%，2.95%，2.49%，說明不同配合比本身的抗車轍能力也影響了橡膠粉微表處的抗車轍性能。最次要因素C中，當橡膠粉粒徑從0.850 mm減小到0.250 mm時，寬度變形率從2.63%減小到2.4%，說明橡膠粉細度對混合料抗車轍變形能力影響較小。因此，以微表處混合料抗車轍性能考慮，3種因素中，A1，B1和C3的抗車轍性能最好。

圖3 三因素與抗車轍性能關系Fig. 3 Relationship between the three factors and anti-rutting performance

3.3.2 抗水損性能

微表處混合料的抗水損性能用1 h濕輪磨耗損失來評價，濕輪磨耗損失越小，抗水損性能越好。由圖4可知，主要因素B中，當橡膠粉摻量從2%增加到3%時，濕輪磨耗損失也增加了120 g/m2，此時耐磨耗性能有略微下降；但當摻量從3%增加到4%時，濕輪磨耗損失大幅度增加了1 147 g/m2，增加了約10倍。這表明在本研究中，當橡膠粉摻量超過3%，微表處混合料的抗水損性能急劇下降。同時由表5可知，第3，6，9組試驗中的濕輪磨耗損失質量不滿足指南中的要求（即不大于540 g/m2），所以，橡膠粉摻量應控制在3%以下。相較于因素B對混合料抗水損性能明顯的不利影響，A，C兩個因素的影響明顯較小，這主要是因為橡膠顆粒在混合料中具有較大的彈性變形幅度，但瀝青混合料本身不能進行協同變形，使混合料的整體性受到了影響。與此同時，橡膠本身的極性又大于瀝青，對水的吸附性要明顯強于瀝青，水分更容易進入橡膠顆粒與瀝青的粘附界面中，這也導致了混合料集料之間的粘附性變差。因此，從微表處混合料抗水損性能考慮，3種因素中，A1，B1和 C3的抗水損性能最好。

圖4 三因素與抗水損性能關系Fig. 4 Relationship between the three factors and water resistance

3.3.3 降噪性能

圖5 三因素與降噪性能關系Fig. 5 Relationship between the three factors and noise reduction performance

由圖5可知，主要因素A中，③類型的降噪性能最佳，②類型的最差。這是因為微表處本身表面的宏觀構造對于輪胎/路面噪聲的大小起到了重要作用，路表面越平整，所產生的振動就越小。次要因素B中，橡膠粉摻量越多，降噪性能就越好，這主要是因為混合料的阻尼隨著橡膠粉摻量的增加而增大，在路面受到撞擊時，阻尼便會將一部分能量消耗掉。但摻量從2%提升到3%時的噪聲水平降低幅度比摻量從3%提升到4%時的大，所以，考慮到經濟性，將摻量設置在3%也是較好的。最次要因素C中，粒徑0.850 mm橡膠粉的降噪效果較好，這是因為橡膠粉經溶脹作用之后，粒徑0.850 mm的尺寸更好地填補了混合料的空隙，同時降低了混合料表面構造深度與表面剛度，但又不會過多改變混合料的原有結構。因此，從微表處混合料降噪性能出發，3種因素中，A3，B3，C1的降噪性能最好。

3.4 橡膠粉降噪微表處最優配合比

通過對各因素的分析并綜合平衡各因素對路用性能的影響，可以得出橡膠粉降噪微表處配合比優化方案為：級配為①類型均勻級配，其中，改性乳化瀝青用量為11.5%，外加水量為3%，水性環氧樹脂摻量為10%，另外，橡膠粉的細度選擇0.250 mm，摻量為3%。

4 結 論

a. 添加了橡膠粉的微表處混合料通過增加阻尼的方式減弱輪胎在路面上的振動，同時形成多孔吸聲結構來降低噪聲，同時起到減振降噪的作用。

b. 通過正交試驗來評價改性乳化瀝青配合比、橡膠粉摻量以及橡膠粉粒徑對橡膠粉降噪微表處抗車轍性能、抗水損性能以及降噪性能的影響，3種因素對路用性能的貢獻由大到小的順序分別為：抗車轍性能：橡膠粉摻量—配合比—橡膠粉粒徑；抗水損性能：橡膠粉摻量—配合比—橡膠粉粒徑；降噪性能：配合比—橡膠粉摻量—橡膠粉粒徑。

c. 對各因素進行極差分析并綜合平衡各因素對路用性能的影響，得到橡膠粉降噪微表處配合比的優化方案為：級配為①類型均勻級配，其中，改性乳化瀝青用量為11.5%，外加水量為3%，水性環氧樹脂摻量為10%，另外，橡膠粉的細度選擇為0.250 mm，摻量為3%。