基于降噪分析的路面結構研究

張航豪，田 鵬，邵 帥，張 浩，彭開興

（吉林建筑大學交通科學與工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

交通噪聲是現代城市生活中不可避免的環境污染問題之一，對人們的身心健康和社會經濟發展產生嚴重影響，如對睡眠、心理壓力和聽力等方面造成負面影響。據2022 年中國噪聲污染防治報告[1]，2021年生態環境部門全國生態環境信訪投訴舉報管理平臺共接到公眾舉報45 萬余件，其中噪聲擾民問題占全部舉報的45.0%，居各環境污染要素第2 位。

通過對山東省濟州——菏澤高速公路（下稱濟菏高速）的噪聲進行實測，找出高速公路中對噪聲值影響最顯著的車型，并探究該車型中噪聲的關鍵影響因素，即輪胎與路面接觸產生的噪聲。解決道路輪胎噪聲方法分為主動和被動，本文主要從主動降噪即對路面結構和材料進行改造，對多孔瀝青混凝土路面、橡膠瀝青混凝土路面和多孔彈性低噪音路面的降噪機理、施工難點等進行探究。

1 道路噪聲關鍵因素探究

1.1 濟菏高速噪聲實測

對濟菏高速的其中一個路段進行24 h 不間斷現場實測，實測條件如下：高速設計時速為120 km/h，雙向4 車道（行車道寬度3.75 m），中央分隔帶寬1.5 m，瀝青混凝土路面。選擇的實測路段道路斷面為路堤結構，高差4 m，道路直線段長度超過2 km。測點位于公路一側空曠地帶，地面為松軟農田土壤，無建筑物和樹木遮擋，測點距路中心線44 m，同步監測記錄車流量、車型及車速等數據。天氣晴轉多云，風速0.2 m/s～1 m/s，溫度25 ℃～34 ℃。各時段的噪聲實測數據見圖1。

圖1 各時段的噪聲實測數據

針對小型車輛車速從30 km/h～130 km/h，以10 km/h 為間隔對各個分量噪聲與總噪聲進行檢測，得出三種降噪路面與速度都呈現出明顯的正相關。但區別之處在于：車速較低即低于40 km/h 時，速度與推進噪聲對總噪聲的影響程度要大于輪胎噪聲；隨著車速的提升，輪胎噪聲對于總噪聲的影響程度逐漸提升，尤其是在100 km/h 之后，總噪聲與輪胎噪聲的數值幾乎一致。

1.2 實測數據分析

對該路段的大型、中型和小型（分類依據為公路建設項目環境影響評價規范）車輛的交通量與車速進行實測并分析：為了探究若干個自變量因素對噪聲值的影響，進行多元線形分析，找出對噪聲預測值影響最為顯著的變量；同時也為道路降噪提供一定方向性建議。

對現場實測數據進行上述處理分析后，可以得到各個因素對噪聲實測值的多元線性回歸分析數據，見表1。

表1 多元線性回歸分析數據表

小型車輛交通量是影響交通噪聲的重要因素，為了控制交通噪聲和減少環境污染，可以著重從減少小型車輛交通量入手。而小型車輛的噪聲主要來自輪胎，因此減少路面噪聲的關鍵是減少輪胎與路面接觸時產生的噪聲。

2 降噪路面結構分析

道路噪聲控制中分為主動降噪與被動降噪，主動降噪是改造路面結構或材料，采用低噪聲路面，從根源上進行降噪。被動降噪的實現手段有使用綠化帶、聲屏障等設施，優點是可在道路建成后對噪聲問題進行補救，缺點是造價往往較高且效果一般，難以從根本上解決噪聲問題。低噪聲路面可分為水泥低噪聲路面和瀝青低噪聲路面，本文主要對瀝青低噪聲路面展開闡述。

2.1 多孔瀝青混凝土路面

多孔瀝青混凝土路面具有較高的孔隙率（18%～22%），這種結構具有降噪的機理。首先，高孔隙率能迅速排水，有效減少路面積水，同時減弱輪胎與路面之間的泵吸效應，從而吸收道路噪聲。其次，多孔瀝青路面采用了負構造的設計，利用孔隙來吸收聲波，實現降噪效果。此外，粗糙的路面表面還能降低輪胎與路面接觸時產生的噪聲[2-3]。多孔瀝青混凝土路面的排水、降噪等特性主要通過較高的孔隙率來實現，不過隨著孔隙率的增高，堵塞的風險也會增高，從而導致降噪與排水性能顯著下降。此外，高孔隙率的瀝青路面更容易面臨老化帶來的風險，耐久性較差且有松散、剝落等病害困擾。具體見圖2。

圖2 多孔瀝青路面傳播示意圖

在實際工程應用中，現場施工的連通空隙率和目標孔隙率仍存在一定誤差，且系統評價測試體系缺失。多孔瀝青混凝土路面的粗集料含量較高，采用骨架的孔隙結構，因此所使用的集料應力較集中，對性能要求較高。多孔瀝青混凝土路面的壓實是確保其質量和性能的關鍵。由于多孔結構的存在，壓實過程應避免過度壓實導致孔隙率下降，影響排水性能，且施工時間要避開降雨和極端溫度等不利因素。

2.2 橡膠瀝青混凝土路面

橡膠瀝青路面的降噪機理是由于路面結構加入橡膠顆粒后，彈性變形能力增強且孔隙率增大，路面的表面紋理增多[4]。當聲波到達材料表面時，大部分聲波會通過微小孔隙傳遞到材料的內部。聲波受到空氣和孔隙壁的摩擦、空氣分子間的黏滯力及孔隙間的空氣媒介漲縮效應等的共同影響。這個過程中，部分聲波會轉化為熱能并耗散掉。這種轉化和耗散現象是由于摩擦和黏滯阻尼作用所引起的[5]。

此外，橡膠瀝青路面表面具有豐富的紋理結構，會導致氣流在路面內部向四周擴散，紋理結構具有如下作用：①能夠消散聲能，使得聲波能夠更好地分散和減弱。②可以減少路面和輪胎之間的“泵送效應”[6]。泵送效應是指車輛行駛時，輪胎與路面之間的交互作用產生的空氣壓縮和釋放，進而引起噪聲的產生。通過減少泵送效應，可以有效抑制噪聲的產生，具體見圖3。

圖3 橡膠瀝青路面傳播示意圖

橡膠瀝青混凝土路面的施工方式有干法和濕法兩種，其中干法是將原來的集料同體積替換成橡膠顆粒，因此要對級配重新計算；濕法的工藝較為復雜且耗能較大，相對而言干法應用更廣。無論是干法或是濕法，在摻入橡膠顆粒后都會產生大量的毒霧，對健康與環境的危害都較大，且目前暫無有效的解決方案或工藝。橡膠瀝青路面中橡膠顆粒與瀝青的混合比例對路面性能具有重要影響，過高或過低的橡膠含量都可能導致路面性能下降。在施工中需要準確控制橡膠與瀝青的混合比例，確保最佳的性能表現。橡膠瀝青路面的施工需要控制瀝青的溫度，以確保其在施工過程中具有適當的流動性和粘附性。溫度過高會使瀝青過早固化，難以均勻鋪設；溫度過低則會影響其流動性和粘附性。因此，需要合理控制施工溫度，以保證施工質量。

2.3 多孔彈性低噪聲路面

多孔彈性路面是彈性吸聲材料，具有多孔和共振吸聲性能，而橡膠顆粒是高阻尼材料，所以多孔彈性路面兼具吸聲和減震雙重效果，降噪性能較普通路面大幅提高。在小型車輛車速為60 km/h 時，降噪效果能達到13 dB（A）[7]。相比傳統的多孔瀝青路面，多孔彈性低噪聲路面在具有高孔隙率的同時，還具有良好的彈性，聲波在剛性壁面發射后，經過材料返回表面時，一部分聲波透回空氣中，另一部分有反射回材料內部，聲波在這種反復的傳播過程中能量不斷逸散[8-9]。具體見圖4。

圖4 多孔彈性低噪音瀝青路面傳播示意圖

多孔彈性路面一般在工廠中將橡膠顆粒摻入瀝青中，預制成1 m×1 m×0.05 m 的預制板，在施工現場通過聚氨酯與瀝青路面下面層進行黏結，但經常由于黏結力不足發生路面剝落現象，耐久性較差。在現場施工中，多孔彈性低噪聲路面需要更長的施工時間以確保多孔結構的形成和路面的完整性；且壓實過程需嚴格控制，以保證其孔隙率與目標孔隙率一致。

3 結語

1）多孔瀝青路面通過多孔吸聲和泵吸效應實現降噪，橡膠瀝青路面通過共振吸聲和阻尼降噪實現降噪；多孔彈性低噪音路面則融合了兩者的機理實現降噪。三種降噪路面共同的缺點是隨著降噪效果的提升，路用性能會下降；多孔瀝青混凝土隨孔隙率增加而提升降噪效果，但其隨強度提高易引起內部結構松散剝落；橡膠瀝青路面隨著橡膠含量的增加，降噪效果提升顯著，同時表面會有更多的橡膠顆粒，這是由于其暴露在空氣中造成老化、磨損并降低抗裂性能；多孔彈性低噪音路面蓄水后，降噪效果和防滑性能也會降低。

2）三種降噪路面的材料和級配有所差異，但相同點是孔隙率、構造深度與降噪效果成正比，粒徑大小關系則相反；其中粒徑大小和孔隙率相對于構造深度，對降噪效果的影響更顯著。