硅藻土復合改性橡膠瀝青混合料降噪性能研究

王 俊，李遠洋

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

隨著現階段公路建設發(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，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注。行車噪聲污染對周邊居民生活的影響不只是體現在生理上，對人心理上也會造成諸多不良后果，因此已有多個國家針對噪聲污染問題提出了相應的法律法規(guī)。

國內外專家學者針對橡膠瀝青混合料路面降噪效果已有了許多研究經驗[1-5]，在這一過程中也發(fā)現了其應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度和剛度。此外，硅藻土應用于建筑材料中，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合發(fā)泡聚氨酯材料的外摻劑，發(fā)現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。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瀝青混合料的聲學特性，發(fā)現其吸聲系數主要與混合料內部整體孔隙分布狀態(tài)，以及孔隙率大小直接相關。王小惠[8]則對橡膠瀝青混合料的聲學吸收特性進行了檢測，發(fā)現相較于常規(guī)瀝青混合料，橡膠瀝青混合料的吸聲系數更高，并且混合料空隙率很大程度上影響其吸聲系數，但集料粒徑的大小對此基本不產生影響。綜上所述，可以發(fā)現針對硅藻土應用于降噪材料，以及橡膠瀝青混合料吸聲特性的研究已有一定基礎，但將硅藻土和橡膠瀝青相結合制備復合改性瀝青方面的研究仍有著較大的空白。現通過試驗制備了復合改性瀝青，并通過復摻硅藻土的方法，得到了復合改性橡膠SMA-13 及復合改性橡膠AC-13，通過駐波管法測試其在各頻段范圍內的吸聲系數，從而研究硅藻土摻量和試件層厚對混合料吸聲系數的影響規(guī)律。

1 主要原材料

1.1 硅藻土

該項試驗研究選用優(yōu)質硅藻土，其細度為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%。硅藻土的技術指標如表1 所列。

表1 硅藻土技術指標一覽表

1.2 橡膠粉

該項試驗研究選用廢輪胎橡膠粉作為瀝青改性材料。橡膠粉的技術指標如表2 所列。

表2 橡膠粉技術指標一覽表

1.3 瀝青

該項試驗研究選用了90# 基質瀝青，針對瀝青技術指標進行了檢測，結果如表3 所列。

表3 瀝青技術指標一覽表

1.4 集料及礦粉

該項試驗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，上述粗細集料的常規(guī)試驗檢測結果均符合規(guī)范要求。礦粉是由石灰?guī)r磨制而成，其含水量等指標均滿足規(guī)范要求。

2 試驗設計

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

2.1 瀝青混合料組成設計

2.1.1 級配設計

該項試驗研究中的AC-13 和SMA-13 對應的級配設計情況如圖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

該項試驗研究用濕法制改性橡膠瀝青，橡膠粉質量/基質瀝青質量的值為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，其性能指標見表4 所列。在制備復合改性橡膠瀝青混合料時，需要在摻加改性橡膠瀝青的基礎上，額外加入硅藻土形成復合改性瀝青。該項研究設計的硅藻土復摻比例分別有6%、8%、10% 和12%。6%、8%、10% 和12% 硅藻土摻量的復合改性橡膠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 改性橡膠瀝青技術指標一覽表

2.2 吸聲系數測試原理

該項研究利用傳遞函數法分別對復合改性橡膠AC-13 和SMA-13 瀝青混合料的吸聲系數進行測試，其裝置示意圖如圖3 所示。

圖3 傳遞函數法裝置示意圖

通過計算確定該項試驗中雙傳聲器間隔為0.05 m，將已知確定吸聲系數的標準標定樣品放置于駐波管中，用同一公式計算測得的兩個傳遞函數，定義復傳遞函數如下式所示：

進而計算傳遞函數校正因數Hc：

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

對測得的樣品傳遞函數進行校正，校正后的實際傳遞函數結果為：

計算出標準標定樣品的吸聲系數：

3 試驗結果及其分析

為同時研究復合改性橡膠瀝青混合料厚度對其吸聲系數產生的影響，該項試驗研究分別制備了25 mm 和50 mm 兩種厚度的復合改性橡膠AC-13和SMA-13 瀝青混合料試件并進行吸聲系數檢測。25 mm 試件組的吸聲系數試驗結果如圖4 所示，50 mm 試件組的吸聲系數試驗結果如圖5 所示。總體上來說，兩種厚度的復合改性橡膠AC-13 和SMA-13 瀝青混合料試件吸聲系數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出上升的趨勢。

圖4 25 mm 試件組吸聲系數結果曲線圖

圖5 50 mm 試件組吸聲系數結果曲線圖

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

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

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

總結歸納該項研究過程中涉及到的不同厚度各組復合改性瀝青混合料試件的吸聲系數結果，包括級配類型、試件厚度，以及設計參數等，可以發(fā)現硅藻土的摻加及摻量提升，是影響復合改性橡膠瀝青混合料吸聲系數的關鍵因素，而級配類型的變化對總體吸聲系數也有著一定影響。除了級配類型帶來的直接孔隙結構分布不同外，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，復摻硅藻土的瀝青混合料微觀孔隙更為豐富，可直接增強宏觀路面材料的吸聲能力，從而從側面降低行車噪聲。

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行分析，如表5 所列。可以發(fā)現，隨著硅藻土摻量的提升，兩類混合料空隙率均呈現出整體上升的趨勢。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 空隙率指標情況一覽表

4 結語

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

（1）6%、8%、10% 和12% 硅藻土摻的復合改性橡膠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）兩種厚度的復合改性橡膠AC-13 和SMA-13瀝青混合料試件吸聲系數均隨著硅藻土摻量的提升而隨之上升。

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