瀝青混凝土吸聲降噪性能影響因素試驗(yàn)研究

袁夢(mèng)

蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 211112

0 引言

隨交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展,道路交通噪聲污染愈發(fā)嚴(yán)重。長(zhǎng)時(shí)間噪聲污染會(huì)導(dǎo)致失眠、聽力損傷、耳鳴等疾病,道路交通噪聲污染還影響道路沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。

何虹霖等[3]、饒建成等[4]研究道路噪聲機(jī)理發(fā)現(xiàn),車輛勻速行駛時(shí),道路噪聲主要來自輪胎和路面間的相互作用,當(dāng)路面/輪胎噪聲聲波傳遞到路表時(shí),一部分反射到外部環(huán)境中,另一部分在瀝青路面內(nèi)部多次反射傳播。李金鳳等[5]、趙蕊[6]、Alber等[7]認(rèn)為瀝青混凝土類型不同,所能吸收、反射噪聲聲波的能力不同。已有研究中認(rèn)為瀝青混凝土的物理特征在不同程度上影響降噪性能,分析水等外在因素對(duì)降噪性能的影響尚存一定局限[8-9]。

本文探討瀝青混凝土的級(jí)配、試件厚度等自身特征及水等對(duì)開級(jí)配抗滑磨耗層(open graded friction course,OGFC)OGFC-13、多孔瀝青混凝土(porous asphalt concrete,PAC)PAC-13、馬蹄脂碎石瀝青混凝土(stone mastic asphalt,SMA)SMA-13、懸浮密實(shí)型級(jí)配瀝青混凝土(asphalt concrete,AC)AC-13吸聲降噪性能的影響,引入降噪系數(shù)對(duì)比瀝青混凝土吸聲降噪性能,分析瀝青混凝土吸聲降噪性能的影響因素,以期為實(shí)際工程應(yīng)用中綜合設(shè)計(jì)低噪聲路面提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料及試件制備

圖1 4種瀝青混凝土的級(jí)配曲線

制備4種瀝青混凝土OGFC-13、PAC-13、SMA-13、AC-13,采用高黏改性瀝青制備PAC-13、OGFC-13,采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene,SBS)改性SMA-13、AC-13。集料為玄武巖,填料為普通石灰?guī)r礦粉。制備AC-13、SMA-13時(shí)加入聚酯纖維,混凝土中聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。PAC-13、OGFC-13、AC-13、SMA-13的目標(biāo)空隙率分別為25%、20%、4.5%、4%。4種瀝青混凝土的級(jí)配曲線如圖1所示。

切割標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的邊緣部分,滿足駐波管試件直徑小于100 mm的要求[4,10]。對(duì)高度為35、50 mm的試件,采用輪碾法制作車轍板試件后鉆取直徑為90 mm的芯樣。

1.2 吸聲系數(shù)試驗(yàn)方法

在聲學(xué)研究中,通常以吸聲系數(shù)表征材料吸收聲能的能力,吸聲系數(shù)越大,材料的降噪吸聲性能越好。采用駐波管法測(cè)定路面材料的吸聲系數(shù)。

不同材料在不同頻率噪聲下的吸聲系數(shù)不同,汽車在瀝青路面行駛產(chǎn)生的輪胎/路面的噪聲頻率為400～1 600 Hz,選用1/3倍頻程中心頻率進(jìn)行駐波管試驗(yàn),包括100、200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000 Hz共12個(gè)頻率[11-13]。計(jì)算材料的降噪系數(shù),綜合評(píng)價(jià)瀝青混凝土的吸聲降噪性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同級(jí)配、空隙率對(duì)吸聲系數(shù)的影響

圖2 不同頻率下4種瀝青混凝土的吸聲系數(shù)曲線

對(duì)4種瀝青混凝土進(jìn)行駐波管試驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,4種瀝青混凝土的吸聲系數(shù)均隨頻率的增大而先增大后減小。峰值頻率附近的頻率為該瀝青混凝土吸聲效果最佳的頻率范圍,不同瀝青混凝土的最佳吸聲效果對(duì)應(yīng)的頻率范圍不同,OGFC-13、PAC-13的最佳吸聲頻率約為630 Hz,SMA-13約為800 Hz,AC-13約為1 000 Hz。

空隙率最大的PAC-13吸聲系數(shù)曲線的峰值為66%,吸聲降噪能力最強(qiáng);OGFC-13次之,吸聲系數(shù)的峰值為57.5%。AC-13、SMA-13吸聲系數(shù)均明顯小于大空隙瀝青混凝土。

瀝青混凝土的吸聲降噪效果受空隙率影響較大。空隙率越大,瀝青混凝土的吸聲降噪效果越好。聲波在空氣中的傳播損耗遠(yuǎn)大于固體介質(zhì),大空隙瀝青混凝土中空隙結(jié)構(gòu)較多,聲波在其內(nèi)部傳播時(shí)由空隙結(jié)構(gòu)大幅消耗聲波能量,削弱聲波的傳播效果。

2.2 表面構(gòu)造紋理對(duì)吸聲系數(shù)的影響

以鋪沙法試驗(yàn)結(jié)果表征混凝土試件表面構(gòu)造紋理,計(jì)算降噪系數(shù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。鋪沙法是指將已知體積的沙攤鋪在測(cè)試構(gòu)造深度的測(cè)點(diǎn)上,量取沙攤平覆蓋的面積。沙的體積與平均覆蓋面積之比為構(gòu)造深度。降噪系數(shù)是指中心頻率為250、500、1 000、2 000 Hz下,材料吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值。4種瀝青混凝土的構(gòu)造深度與降噪系數(shù)如表1所示。由表1可知:瀝青混凝土試件表面構(gòu)造紋理與降噪系數(shù)存在一定關(guān)系,表面越粗糙,瀝青混凝土的整體吸聲效果越好[14-15]。

表1 4種瀝青混凝土的構(gòu)造深度與降噪系數(shù)

PAC-13、OGFC-13試件表面的開孔空隙較多,表面構(gòu)造豐富,可反射聲波越多,噪聲在試件表面的消耗越多,吸聲降噪性能優(yōu)于AC-13、SMA-13。SMA-13的構(gòu)造深度較大,表面紋理較豐富,吸聲降噪效果優(yōu)于AC-13瀝青混凝土?？障堵氏嗖钶^小時(shí),表面紋理越豐富,瀝青混凝土的吸聲降噪性能越好。

2.3 不同試件厚度對(duì)吸聲系數(shù)的影響

制備試件厚度分別為35、50 mm及馬歇爾試件標(biāo)準(zhǔn)高度(63.5±1.3) mm進(jìn)行駐波管試驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知:大空隙結(jié)構(gòu)的OGFC-13、PAC-13的吸聲系數(shù)較大,較厚試件的吸聲降噪性能整體優(yōu)于較薄試件,較厚試件的最佳吸聲頻率范圍更符合輪胎/路面相互作用所產(chǎn)生的噪聲頻率,吸聲效果較好。試件越厚,吸聲系數(shù)越大,吸聲降噪效果越好,噪聲的最佳吸收頻率向低頻方向移動(dòng)。

可根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用路段的降噪需求、噪聲頻率范圍,從面層厚度及混凝土級(jí)配方面綜合設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu),達(dá)到較為理想的降噪效果。

2.4 干、濕狀態(tài)對(duì)吸聲系數(shù)的影響

圖4 飽水后不同頻率下4種瀝青混凝土的吸聲系數(shù)曲線

表2 4種瀝青混凝土飽水前、后降噪系數(shù)對(duì)比

路面在日常應(yīng)用中經(jīng)常受降水影響,水會(huì)滲入PAC-13、OGFC-13路表內(nèi)部并存留一段時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的飽水試驗(yàn)方法(T0717)進(jìn)行真空飽水試驗(yàn),對(duì)飽水狀態(tài)的瀝青混凝土試件進(jìn)行駐波管試驗(yàn),與干燥狀態(tài)下的降噪系數(shù)比較,分析水對(duì)瀝青混凝土吸聲降噪性能的影響,飽水后不同頻率下4種瀝青混凝土的吸聲系數(shù)曲線如圖4所示, 4種瀝青混凝土飽水前、后降噪系數(shù)對(duì)比表2所示。

由圖4可知:瀝青混凝土飽水后的吸聲系數(shù)與干燥狀態(tài)的吸聲系數(shù)變化趨勢(shì)相似,但整體吸聲降噪效果有所衰減,大空隙結(jié)構(gòu)的OGFC-13、PAC-13的吸聲系數(shù)下降明顯。

由表2可知:水對(duì)OGFC-13、PAC-13瀝青混凝土的降噪性能的影響較大,瀝青混凝土的空隙中充滿水時(shí),空隙結(jié)構(gòu)反射消耗聲波的能力大幅降低,OGFC-13、PAC-13的吸聲降噪性能隨之衰減。SMA-13、AC-13本身結(jié)構(gòu)的空隙率較小,吸聲降噪性能衰減相對(duì)較小。

3 結(jié)論

對(duì)4種瀝青混凝土OGFC-13、PAC-13、SMA-13、AC-13進(jìn)行駐波管試驗(yàn),研究材料吸聲降噪性能的影響因素。

1)空隙率對(duì)瀝青混凝土的吸聲降噪性能有較大影響:空隙率越大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)消耗的聲波能量越多,吸聲降噪效果越好。PAC-13、OGFC-13因大空隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為良好的吸聲降噪性能。空隙率相差較小時(shí),表面紋理越豐富,瀝青混凝土的吸聲降噪性能越好。SMA-13的吸聲降噪能力優(yōu)于AC-13。

2)厚度與吸聲降噪能力有關(guān)。試件越厚、吸聲系數(shù)越大、吸聲降噪效果越好,噪聲的最佳吸收頻率向低頻方向移動(dòng)。

3)水對(duì)大空隙瀝青混凝土的吸聲降噪性能有較大影響。瀝青混凝土處于飽水狀態(tài)時(shí),空隙結(jié)構(gòu)反射消耗聲波的能力大幅降低,混凝土的吸聲降噪性能隨之衰減。