硅藻土復(fù)合改性橡膠瀝青混合料降噪性能研究

王 俊，李遠(yuǎn)洋

（中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

隨著現(xiàn)階段公路建設(shè)發(fā)展速度的不斷加快，各類公路修筑原材料和新型公路材料類型也在不斷涌現(xiàn)，隨之而來的是包括水、大氣，以及噪聲等方面的污染問題。這一問題又隨著交通量增長、公路總里程增長和行車速度的提升而不斷加劇，路域噪聲污染也越來越受到人們的關(guān)注。行車噪聲污染對周邊居民生活的影響不只是體現(xiàn)在生理上，對人心理上也會造成諸多不良后果，因此已有多個(gè)國家針對噪聲污染問題提出了相應(yīng)的法律法規(guī)。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對橡膠瀝青混合料路面降噪效果已有了許多研究經(jīng)驗(yàn)[1-5]，在這一過程中也發(fā)現(xiàn)了其應(yīng)用過程中的諸多問題，包括施工工藝難度、環(huán)境污染等方面。硅藻土是一種疏松多孔的硅質(zhì)巖石，其具備的豐富孔隙有著很好的吸附能力，并且無毒呈中性，目前主要應(yīng)用作為外摻劑加入到各類建筑材料中，可一定程度上提升材料的強(qiáng)度和剛度。此外，硅藻土應(yīng)用于建筑材料中，可以起到阻滯污染物、消除氣味和隔音等作用。

姚金金[6]等人將硅藻土作為復(fù)合發(fā)泡聚氨酯材料的外摻劑，發(fā)現(xiàn)隨著硅藻土摻量的提升，發(fā)泡聚氨酯的吸聲能力也隨之增強(qiáng)。對于公路路面材料吸聲特性的研究主要集中在常規(guī)瀝青混合料和橡膠瀝青混合料方面：董雨明[7]等人測定并分析了基質(zhì)瀝青混合料的聲學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)其吸聲系數(shù)主要與混合料內(nèi)部整體孔隙分布狀態(tài)，以及孔隙率大小直接相關(guān)。王小惠[8]則對橡膠瀝青混合料的聲學(xué)吸收特性進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)相較于常規(guī)瀝青混合料，橡膠瀝青混合料的吸聲系數(shù)更高，并且混合料空隙率很大程度上影響其吸聲系數(shù)，但集料粒徑的大小對此基本不產(chǎn)生影響。綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)針對硅藻土應(yīng)用于降噪材料，以及橡膠瀝青混合料吸聲特性的研究已有一定基礎(chǔ)，但將硅藻土和橡膠瀝青相結(jié)合制備復(fù)合改性瀝青方面的研究仍有著較大的空白。現(xiàn)通過試驗(yàn)制備了復(fù)合改性瀝青，并通過復(fù)摻硅藻土的方法，得到了復(fù)合改性橡膠SMA-13 及復(fù)合改性橡膠AC-13，通過駐波管法測試其在各頻段范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)，從而研究硅藻土摻量和試件層厚對混合料吸聲系數(shù)的影響規(guī)律。

1 主要原材料

1.1 硅藻土

該項(xiàng)試驗(yàn)研究選用優(yōu)質(zhì)硅藻土，其細(xì)度為300#，其粒徑分布范圍為：0～5 μm 占比為20%，5～10 μm占比為29.1%，10～20 μm 占比為20.8%，20～40 μm占比為20%，大于40 μm 占比為10.1%。硅藻土的技術(shù)指標(biāo)如表1 所列。

表1 硅藻土技術(shù)指標(biāo)一覽表

1.2 橡膠粉

該項(xiàng)試驗(yàn)研究選用廢輪胎橡膠粉作為瀝青改性材料。橡膠粉的技術(shù)指標(biāo)如表2 所列。

表2 橡膠粉技術(shù)指標(biāo)一覽表

1.3 瀝青

該項(xiàng)試驗(yàn)研究選用了90# 基質(zhì)瀝青，針對瀝青技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測，結(jié)果如表3 所列。

表3 瀝青技術(shù)指標(biāo)一覽表

1.4 集料及礦粉

該項(xiàng)試驗(yàn)研究選用的集料分三檔，分別為3～5 mm、5～16 mm 的碎石和0～3 mm 的石屑，上述粗細(xì)集料的常規(guī)試驗(yàn)檢測結(jié)果均符合規(guī)范要求。礦粉是由石灰?guī)r磨制而成，其含水量等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先通過前期試驗(yàn)確定AC-13 及SMA-13 的級配，接著通過濕法制備橡膠瀝青。設(shè)計(jì)不同的硅藻土摻配比例，并通過試驗(yàn)得到各組試件的最佳油石比。

2.1 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

2.1.1 級配設(shè)計(jì)

該項(xiàng)試驗(yàn)研究中的AC-13 和SMA-13 對應(yīng)的級配設(shè)計(jì)情況如圖1 和圖2 所示。

圖1 AC-13 級配曲線圖

圖2 SMA-13 級配曲線圖

2.1.2 最佳油石比

該項(xiàng)試驗(yàn)研究用濕法制改性橡膠瀝青，橡膠粉質(zhì)量/基質(zhì)瀝青質(zhì)量的值為18%。按照規(guī)范要求，通過加熱、攪拌、剪切、溶脹等過程后得到改性橡膠瀝青，其性能指標(biāo)見表4 所列。在制備復(fù)合改性橡膠瀝青混合料時(shí)，需要在摻加改性橡膠瀝青的基礎(chǔ)上，額外加入硅藻土形成復(fù)合改性瀝青。該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)的硅藻土復(fù)摻比例分別有6%、8%、10% 和12%。6%、8%、10% 和12% 硅藻土摻量的復(fù)合改性橡膠AC-13的最佳油石比分別為6.15%、6.21%、6.28% 和6.36%；6%、8%、10% 和12% 硅藻土摻量的復(fù)合改性橡膠SMA-13 的最佳油石比分別為7.00%、7.09%、7.19% 和7.28%。

表4 改性橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)一覽表

2.2 吸聲系數(shù)測試原理

該項(xiàng)研究利用傳遞函數(shù)法分別對復(fù)合改性橡膠AC-13 和SMA-13 瀝青混合料的吸聲系數(shù)進(jìn)行測試，其裝置示意圖如圖3 所示。

圖3 傳遞函數(shù)法裝置示意圖

通過計(jì)算確定該項(xiàng)試驗(yàn)中雙傳聲器間隔為0.05 m，將已知確定吸聲系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定樣品放置于駐波管中，用同一公式計(jì)算測得的兩個(gè)傳遞函數(shù)，定義復(fù)傳遞函數(shù)如下式所示：

進(jìn)而計(jì)算傳遞函數(shù)校正因數(shù)Hc：

在試驗(yàn)裝置中放入待測復(fù)合改性橡膠AC-13 和SMA-13 瀝青混合料試件，測出其傳遞函數(shù)：

對測得的樣品傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，校正后的實(shí)際傳遞函數(shù)結(jié)果為：

計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定樣品的吸聲系數(shù)：

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

為同時(shí)研究復(fù)合改性橡膠瀝青混合料厚度對其吸聲系數(shù)產(chǎn)生的影響，該項(xiàng)試驗(yàn)研究分別制備了25 mm 和50 mm 兩種厚度的復(fù)合改性橡膠AC-13和SMA-13 瀝青混合料試件并進(jìn)行吸聲系數(shù)檢測。25 mm 試件組的吸聲系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，50 mm 試件組的吸聲系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。總體上來說，兩種厚度的復(fù)合改性橡膠AC-13 和SMA-13 瀝青混合料試件吸聲系數(shù)均隨著硅藻土的摻加而有了明顯變化，并隨著其摻量的提升而隨之呈現(xiàn)出上升的趨勢。

圖4 25 mm 試件組吸聲系數(shù)結(jié)果曲線圖

圖5 50 mm 試件組吸聲系數(shù)結(jié)果曲線圖

不同厚度的復(fù)合改性橡膠AC-13 瀝青混合料整體平均吸聲系數(shù)總體上沒有明顯區(qū)別，但不同的試件厚度對吸聲系數(shù)頻率分布上產(chǎn)生一定的影響，表現(xiàn)為50 mm 復(fù)合改性橡膠AC-13 瀝青混合料試件組的峰值吸聲系數(shù)對應(yīng)的頻率比25 mm 試件組更大。

與之類似，不同厚度的復(fù)合改性橡膠SMA-13瀝青混合料整體平均吸聲系數(shù)區(qū)別也不大，而試件厚度對吸聲系數(shù)頻率分布上產(chǎn)生了影響，同樣表現(xiàn)為50 mm 試件組的峰值吸聲系數(shù)對應(yīng)的頻率比25 mm試件組高。

橫向分別對比復(fù)合改性橡膠AC-13 和SMA-13瀝青混合料試件吸聲系數(shù)的大小，可以發(fā)現(xiàn)，無論是厚度為25 mm 的試件組還是50 mm 的試件組，均表現(xiàn)為復(fù)合改性SMA-13 瀝青混合料試件平均吸聲系數(shù)整體要大于復(fù)合改性橡膠AC-13 瀝青混合料試件。當(dāng)然，這一數(shù)值主要體現(xiàn)在各頻率對應(yīng)吸聲系數(shù)的平均值上，并不代表在任一頻率上的吸聲系數(shù)均為復(fù)合改性SMA-13 瀝青混合料試件更為優(yōu)越。

總結(jié)歸納該項(xiàng)研究過程中涉及到的不同厚度各組復(fù)合改性瀝青混合料試件的吸聲系數(shù)結(jié)果，包括級配類型、試件厚度，以及設(shè)計(jì)參數(shù)等，可以發(fā)現(xiàn)硅藻土的摻加及摻量提升，是影響復(fù)合改性橡膠瀝青混合料吸聲系數(shù)的關(guān)鍵因素，而級配類型的變化對總體吸聲系數(shù)也有著一定影響。除了級配類型帶來的直接孔隙結(jié)構(gòu)分布不同外，硅藻土具備的豐富孔隙特性和均勻的粒度分布，可以賦予材料較好的吸附能力。此外，其較小的容重能夠吸附更多的瀝青，可替代常規(guī)瀝青混合料中的礦粉使用，相較于摻加礦粉的瀝青混合料，復(fù)摻硅藻土的瀝青混合料微觀孔隙更為豐富，可直接增強(qiáng)宏觀路面材料的吸聲能力，從而從側(cè)面降低行車噪聲。

此外，為探究硅藻土的摻加對混合料降噪性能提升的潛在因素，針對不同試件組的空隙率情況進(jìn)行分析，如表5 所列。可以發(fā)現(xiàn)，隨著硅藻土摻量的提升，兩類混合料空隙率均呈現(xiàn)出整體上升的趨勢。這表明硅藻土的摻加能夠有效改善橡膠瀝青AC-13和SMA-13 的孔隙狀態(tài)，從而一定程度上提升其降噪性能。

表5 空隙率指標(biāo)情況一覽表

4 結(jié)語

該項(xiàng)研究向橡膠改性瀝青中添加不同比例的硅藻土，制備得到復(fù)合改性橡膠瀝青，進(jìn)而制備兩類瀝青混合料試件，利用傳遞函數(shù)法測試吸聲系數(shù)，從而研究硅藻土摻量和試件層厚對兩種復(fù)合改性橡膠瀝青混合料吸聲系數(shù)的影響規(guī)律，得到了如下主要結(jié)論：

（1）6%、8%、10% 和12% 硅藻土摻的復(fù)合改性橡膠AC-13 的最佳油石比分別為6.15%、6.21%、6.28% 和6.36% 。

（2）6%、8%、10% 和12% 硅藻土摻量的復(fù)合改性橡膠SMA-13 的最佳油石比分別為7.00%、7.09%、7.19% 和7.28% 。

（3）兩種厚度的復(fù)合改性橡膠AC-13 和SMA-13瀝青混合料試件吸聲系數(shù)均隨著硅藻土摻量的提升而隨之上升。

（4）50 mm 復(fù)合改性橡膠瀝青混合料試件組的峰值吸聲系數(shù)對應(yīng)的頻率比25 mm 試件組更大。