瀝青混合料降噪特性多因素影響規律研究

摘要：為了解瀝青混合料降噪特性的影響因素，文章采用駐波管法進行了不同因素試件的吸聲系數測試評價，研究了吸聲系數與入射聲能頻率關系譜圖以及吸聲峰值變化，對比了結合料類型、級配類型以及空隙率等因素對瀝青混合料降噪性能的影響規律。結果表明：級配類型是瀝青混合料降噪特性的主要影響因素，PAC-13吸聲系數較SMA-13混合料高20%，較AC-13混合料高約140%；瀝青結合料性能對其混合料吸聲系數性能影響程度排序為膠粉復合改性高黏瀝青gt;橡膠瀝青gt;TPS高黏瀝青gt;SBS改性瀝青；輪胎膠粉的摻入可顯著提高瀝青混合料路面的降噪性能；瀝青混合料降噪特性與空隙率呈正比，當混合料空隙率＞20%時，其吸聲系數＞0.7，入射聲能多頻率下的吸聲系數峰值與其空隙率呈線性增長關系。

關鍵詞：降噪；吸聲系數；高黏瀝青；排水瀝青混合料

中文分類號：U416.03A230724

0引言

路面表層作為路面降噪的主要功能層，其路面-輪胎噪音的控制水平直接影響道路使用者的行車舒適性。影響路面表層瀝青混合料降噪水平的主要因素為瀝青結合料類型、混合料級配類型及空隙率狀態。瀝青結合料類型也對混合料的阻尼比和路面構造深度有影響，從而使得路面吸收振動和沖擊性能發生改變。已有研究采用駐波管法按1/3倍頻測試，發現采用高阻尼的高黏瀝青等結合料的混合料吸聲效果顯著優于普通石油瀝青混合料［1-2］。混合料級配類型和孔隙結構對混合料降噪吸音特性影響顯著，不同級配和空隙率影響混合料的孔隙結構和表面紋理狀態。孔隙結構為輪胎與路面間高壓空氣提供消散通道，表面紋理構造充當空氣流通通道，降低氣壓，減弱泵吸、空氣共振和喇叭效應等噪聲的產生機制，具有吸收、降低輪胎滾動噪音的作用。不同級配類型的瀝青混合料降噪水平差為3～6 dB［3-4］。

常用的瀝青膠結料有高黏瀝青、橡膠瀝青、SBS改性瀝青等多個類型。不同瀝青膠結料具有不同的阻尼特性，對瀝青混合料降噪性能的影響也不同。瀝青混合料級配設計差異較大，其級配由密級配到開級配，孔隙狀態及表面紋理存在較大區別，路面表層瀝青路面采用的主要級配類型為密級配瀝青混凝土AC、瀝青瑪蹄脂碎石SMA、開級配排水瀝青混合料PAC等。密級配瀝青混合料的級配基本穩定在4%左右，而開級配瀝青混合料的孔隙率為17%～25%，波動較大。本文針對以上多個因素的變化范圍開展試驗研究，采用駐波管法進行了吸聲系數測試評價，研究了吸聲系數與入射聲能頻率關系譜圖以及吸聲峰值變化，分析瀝青混合料降噪特性的影響因素及規律。

1試驗

1.1降噪性能評價方法

混響室法和駐波管法是測試瀝青混合料吸聲量的主要方法，但由于混響室法消聲室投入大、對樣品的制備要求高、測量過程中構件的側向傳聲導致測量誤差大等問題，在對瀝青混合料進行降噪性能測試時應用較少。通常采用簡單方便、受外界因素影響小、測試空間較小、測試成本低的駐波管法，測試瀝青混合料吸聲系數以評價混合料噪音。測試材料表面沿管軸交替出現聲壓極大值和極小值，二者的比值即是測試材料的垂直入射吸聲系數［5-7］。現有研究對于瀝青混合料吸收聲波能力的大小通常用吸聲系數表征，即吸收聲能與入射聲能之間的比值，常用的測試方法包括駐波比法和傳遞函數法［8-9］。因此，對于瀝青混合料降噪性能，采用駐波管法進行吸聲系數評價是可行的。

1.2試驗設備

采用SW422駐波管，其內徑為100 mm，入射管及透射管長為750 mm。駐波管安裝6個傳聲器，通過兩個傳聲器之間的距離以及與樣品之間的距離可測量60～1 800 Hz下的樣品的隔聲量［10］。采用駐波管法來測定材料的垂直入射吸聲系數，測試方法參照駐波管法吸聲系數與聲阻抗率測量規范（GBJ88-85）。

1.3試驗方案設計

混合料降噪性能的對比應考慮混合料級配類型、結合料類型及空隙率。方案設計中，采用密級配AC-13、SMA-13及開級配PAC-13三種級配類型，并采用TPS高黏瀝青、橡膠瀝青、SBS改性瀝青、膠粉復合改性高黏瀝青四種瀝青進行性能設計，對于復合改性瀝青混合料變化4.75 mm通過率，實現空隙率及連通孔隙率的變化。詳見表1。

1.4原材料及試件制備

根據以上試驗方案內容及組數，共設置10組對比方案。試驗中制備10種瀝青混合料，分別是SBS改性瀝青（AC-13、SMA-13、PAC-13）、TPS高黏瀝青PAC-13、橡膠瀝青PAC-13、膠粉復合改性高黏瀝青PAC-13（空隙率分別為17%～22%，共5組）。

試驗采用的橡膠瀝青為廣西交科新材料有限公司的工廠化瀝青（膠粉摻量為20%）；SBS改性瀝青為殼牌I-D瀝青。膠粉復合改性高黏瀝青采用15%的工廠化橡膠瀝青+8%高黏劑，其軟化點為94 ℃，60 ℃動力黏度為10.99 Pa·s。SBS改性瀝青PAC-13瀝青混合料中摻加2‰聚酯纖維，SMA-13摻加3‰木質素纖維，其他PAC-13混合料均不摻加纖維。集料采用百色田東產輝綠巖，填料采用普通石灰巖礦粉。根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）確定瀝青混合料的最佳瀝青用量。典型瀝青混合料級配如表2所示。

試件制作方法：室內擊實成型標準馬歇爾試件，經切割加工制備成100 mm×50 mm的圓柱試件。

1.5試件基本參數測試

對成型的試件進行空隙率及連通孔隙率測試，相關參數的計算如式（1）、式（2）所示，試件基本參數如表3所示。

V0=ρt－ρsρt×100（1）

V1=V－（ma－mw）V×100（2）

式中：V0——混合料內部空隙率（%）；

ρt——混合料最大理論相對密度；

mw——試件的水中重（g）；

V1——混合料內部連通孔隙率（%）。

2級配類型對混合料降噪性能的影響

對比AC-13、SMA-13、PAC-13級配類型瀝青混合料吸聲系數與入射聲能頻率的關系，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，試件的吸聲系數隨著入射聲能頻率的增加，呈先增大后減少的趨勢。故在一定汽車行駛條件下，噪音與汽車行駛速度是非正相關關系。頻率的變化表征聲能振動速度。在固定條件下，車輛在路面上的行駛速度越快，聲能振動頻率越高。汽車產生的噪聲頻率一般在1 200 Hz以下，在不同車輛行駛速度條件下，寬峰值頻率的路面降噪效果越好。級配類型對混合料降噪性能的影響較為顯著，排水瀝青混合料（TP）的吸聲系數峰值頻率寬度范圍最大。

從圖2不同級配類型瀝青混合料吸聲系數峰值對比可知，試件TP的吸聲系數峰值0.43gt;SMA的吸聲系數峰值0.36gt;AC吸聲系數峰值0.18。測試結果表明，PAC-13空隙率達20%，其降噪效果最優，最大吸聲系數高出SMA-13混合料20%，高出AC-13混合料近140%。可見，空隙率是瀝青混合料降噪性能的影響因素。AC-13吸聲系數顯著低于SMA-13，而SMA-13的空隙率略低于AC-13，其原因可能為SMA-13瑪蹄脂膠漿相對高的阻尼狀態（高油膜厚度及高油石比）以及表面構造深度略大。

3結合料類型對混合料降噪性能的影響

采用相同級配對比分析SBS改性瀝青、TPS高黏瀝青、橡膠瀝青、膠粉復合改性高黏瀝青等不同結合料類型下PAC-13瀝青混合料吸聲系數與入射聲能頻率關系，試驗結果如圖3所示。

由圖4可知，PAC瀝青混合料吸聲系數峰值的大小順序為：AT4gt;ARgt;TPgt;SX。相同級配類型下，試件AT4（膠粉復合改性高黏瀝青）與AR（橡膠瀝青）吸聲系數峰值較大，試件TP（TPS高黏瀝青）略大于SX（SBS改性瀝青）。試驗結果表明，排水瀝青混合料中瀝青結合料對其吸聲系數性能影響較大，其影響程度為：膠粉復合改性高黏瀝青gt;橡膠瀝青gt;TPS高黏瀝青gt;SBS改性瀝青。

分析其原因，輪胎膠粉的摻入可顯著提高排水路面的降噪性能，主要是因為膠粉顆粒的阻尼及高彈特性，提高了混合料吸收振動和抗瞬間沖擊的能力。在四種膠結料類型中，膠粉復合改性高黏瀝青試件的吸聲系數峰值最大。因為膠粉復合改性高黏瀝青中膠粉顆粒與高黏劑形成更加均勻的交聯網狀結構，顆粒裂解及分散性優于橡膠瀝青，加之高黏劑的復合混溶改性作用，增加了其對聲波的粘滯吸收作用，從而顯著提升其瀝青混合料的吸聲效果［11］。TPS高黏瀝青PAC-13試件大于同等條件下的SBS改性瀝青，這說明瀝青結合料的粘彈狀態和阻尼特性對吸聲系數影響顯著。

4空隙率指標對混合料降噪性能的影響

在相同級配下，通過油石比變化得到不同空隙率（17%～22%）的多孔瀝青混合料試件（AT1～AT5），其空隙率及連通孔隙率指標見圖5，其試件聲能吸收特性試驗結果見圖6。

由圖6可見，隨著空隙率的變化，不同空隙率PAC-13吸聲系數峰值、峰值頻率及幅寬也存在差異。其吸聲系數峰值為0.4～0.72，頻率為450～650 Hz。可見，空隙率對瀝青混合料的吸聲性能影響較大。在設計瀝青混合料時，應通過對其吸聲頻率和吸聲系數等吸聲性能要求，設置合理的空隙率范圍。

由圖7可知，PAC-13瀝青混合料吸聲系數峰值隨著空隙率增加而提高，空隙率＞20%時，混合料吸聲系數＞0.7，具有較高的吸聲效果。吸聲系數峰值與空隙率存在一定的相關性（見圖8）。

由圖8可知，PAC-13瀝青混合料的空隙率擬合呈線性關系。在瀝青結合料不變的情況下，混合料吸聲系數與空隙率呈線性關系，而與連通孔隙率的規律性相對不顯著，可能與試驗誤差有關。

5結語

針對瀝青混合料進行多因素吸聲性能影響評價，可得出結論如下：

（1）PAC-13吸聲系數高于SMA-13混合料20%，高于AC-13近140%，吸聲效果最好。SMA-13較AC-13吸聲效果顯著提高的原因可能為瑪蹄脂膠漿相對高的阻尼狀態（高油膜厚度及高油石比）以及表面構造深度略大。

（2）瀝青結合料性能對其混合料吸聲系數性能影響較大，其影響程度排序為膠粉復合改性高黏瀝青gt;橡膠瀝青gt;TPS高黏瀝青gt;SBS改性瀝青。輪胎膠粉的摻入可顯著提高瀝青混合料的降噪性能。

（3）瀝青混合料吸聲系數峰值隨著空隙率增加而提高，空隙率＞20%時，混合料吸聲系數＞0.7，具有較高的吸聲效果，瀝青混合料吸聲系數與空隙率呈線性關系。在設計瀝青混合料時，應根據其吸聲頻率和吸聲系數等吸聲性能要求，設置合理的空隙率范圍。

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基金項目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于功能定向開發的橡膠瀝青排水路面技術研究”（編號：2024KY1205）

作者簡介：宋柳（1986—），碩士，高級工程師，副教授，主要從事路橋方面教學及科研工作。