多孔弹性路面弹性组分用量确定与降噪效果分析_刘江.pdf

收稿日期：2022-11-17基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（2021-9048，2021-9009）；中铁二局科技研究开发(推广)项目计划；交通运输行业重点科技项目清单面上项目（2021-MS1-034，2021-MS1-033）作者简介：刘江，男，高级工程师，学士，主要研究方向为公路桥梁工程建设与管理。通讯作者：李俊，男，助理研究员，硕士，主要研究方向为道路结构与材料。引文格式：刘江，李俊，李学友，等.多孔弹性路面弹性组分用量确定与降噪效果分析 J.市政技术，2023，41（3）：7-11.（LIU J，LI J，LI X Y，et al.Determination of elastic component amounts of perforated elastic road surface and analysis of the noise reduction effect J.Journalof municipal technology，2023，41（3）：7-11.）文章编号：1009-7767（2023）03-0007-05第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.007Journal of Municipal Technology多孔弹性路面弹性组分用量确定与降噪效果分析刘江1，李俊2*，李学友1，李明亮2（1.中铁二局 第四工程有限公司，四川 成都 610399；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088）摘要：确定橡胶颗粒和聚氨酯在混合料中的合理掺量，能够保证多孔弹性路面在具备减振降噪功能的同时还具有符合标准的力学性能。首先分析了橡胶颗粒掺量对多孔弹性路面混合料力学性能的影响，提出了橡胶颗粒的最高掺量；其次采用肯塔堡飞散试验和自然裹覆试验确定了最小和最大聚氨酯用量，基于不同聚氨酯用量下多孔弹性路面混合料力学性能的变化规律，确定了最佳聚氨酯用量；最后制备了多孔弹性路面混合料，并对比分析了不同类型混合料的降噪效果。试验结果表明：随着橡胶颗粒掺量的增加（不宜超过 20%），多孔弹性路面混合料的马歇尔稳定度呈快速下降趋势，飞散损失呈先下降后上升趋势；随着聚氨酯用量的增加，多孔弹性路面混合料的马歇尔稳定度呈上升趋势，飞散损失呈下降趋势，当橡胶颗粒掺量为 20%时，最佳聚氨酯用量为 5%；多孔弹性路面比密级配路面降低噪声约 7 dB，比大空隙沥青路面降低噪声 4 dB 以上。关键词：道路工程；多孔弹性路面；力学性能；降噪效果；橡胶颗粒；聚氨酯中图分类号：U 416文献标志码：ADetermination of Elastic Component Amounts of Perforated ElasticRoad Surface and Analysis of the Noise Reduction EffectLiu Jiang1，Li Jun2*，Li Xueyou1，Li Mingliang2（1.The Forth Engineering Company CREGC，Chengdu 610399，China；2.Reaearch Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China）Abstract：That determining the reasonable dosage of rubber particles and polyurethane in the mixture can ensurethat the perforated elastic road surface（PERS）has the function of vibration and noise reduction，the mechanicalproperties meet the requirements as well.Firstly，the influence of rubber particle amount on the mechanical proper-ties of PERS mixture was analyzed，and the maximum rubber particle amount was proposed.Secondly，the minimumand maximum polyurethane dosages were determined by Cantabro raveling test and natural coating test.Based on thechange law of mechanical properties of PERS mixture with different polyurethane dosage，the optimal polyurethanedosage was determined.Finally，the PERS mixture was prepared.The noise reduction effect of different types ofmixture was compared and analyzed.The test results show that the Marshall stability of PERS mixture rapidly de-clined with the increase of rubber particles amount（not more than 20%），and the raveling loss decreased firstly andthen increased.With the increase of polyurethane content，the Marshall stability of PERS mixture increased and theraveling loss decreased.When the rubber particles amount is 20%，the optimal polyurethane content is 5%.Com-Journal of Municipal Technology第41卷交通噪声污染治理备受国家关注，我国交通强国建设纲要中明确提出了要降低公路沿线噪声和振动。研究资料表明，当车速超过临界值（50 km/h）时，轮胎-路面噪声是交通噪声的主要组成部分1。因此，对于高等级公路或城市快速路，从轮胎-路面角度考虑降低交通噪声，是一种切实有效的技术措施。多孔弹性路面（Poroelastic road surface，PERS）由废旧轮胎橡胶颗粒、聚氨酯和碎石组成，最高可降低交通噪声10 dB（A）以上，可有效防治噪声污染2-3，且PERS可以消耗一定的废旧轮胎，有利于解决固废污染问题，具有生态环保意义。PERS混合料的力学性能和降噪效果与其材料组成密切相关，聚氨酯用量、橡胶颗粒掺量和粒径等材料参数均显著地影响了PERS混合料的力学性能和声学性能4-6。PERS材料具有弹性，且通常使用小粒径骨料，其表面光滑平整，弱化了轮胎撞击路面时产生的振动效应，有利于降低振动噪声；PERS与轮胎接触区存在众多小而弹的橡胶颗粒，减少了轮胎在行驶过程中的粘滑运动，有利于降低轮胎-路面噪声7-8。PERS降噪能力在于其优异的减振、吸声性能，尤其是高阻尼带来的减振性能，是橡胶沥青路面、多孔沥青路面等低噪声路面无法比拟的9-11。国内一些学者12-14针对聚氨酯碎石混合料开展了大量的研究工作，提出了最佳聚氨酯用量确定方法，分析了聚氨酯碎石混合料的强度影响因素和路用性能。还有学者15-16为进一步提升降噪效果，采用橡胶颗粒替代开级配抗滑磨耗层（Open-graded friction course，OGFC）混合料中的部分碎石，分析了混合料孔隙结构的分布规律和降噪性能。国外制备PERS混合料时，骨料最初全部采用橡胶颗粒，后因其抗滑性能不足而掺加了部分碎石，因此橡胶颗粒掺量大（一般在20%以上）。国内开展的研究多是采用橡胶颗粒替代OGFC、SMA（Stone masticasphalt）或AC（Asphalt concrete）混合料中的部分碎石，因此橡胶颗粒掺量较小。高掺量橡胶颗粒带来的阻尼减振作用是PERS具有优异降噪效果的关键所在。但橡胶颗粒掺量较大时，有关PERS混合料力学性能和降噪效果的研究较少。鉴于此，笔者采用单粒级碎石和橡胶颗粒制备PERS混合料，分析橡胶颗粒和聚氨酯等弹性组分用量对PERS混合料力学性能的影响，并采用轮胎下落法测试PERS混合料的降噪效果。1试验设计1.1原材料1）橡胶颗粒和碎石有研究表明，多孔沥青混合料中掺加最大粒径（4.75 mm）橡胶颗粒时，弹性模量明显降低，有助于提升混合料缓冲消能的能力。但橡胶颗粒粒径继续增大时，混合料的力学性能会显著降低；而橡胶颗粒粒径减小时，混合料的性能会明显衰退17。因此，笔者采用粒径为35 mm的橡胶颗粒，以确保在混合料中起到缓冲消能的作用，同时又不会因粒径过大而对混合料的力学性能产生明显不利影响。橡胶颗粒和玄武岩碎石筛分结果如表1所示。2）聚氨酯采用单组分聚氨酯作为PERS混合料的胶结料，能有效粘结石料、橡胶颗粒等，形成性能优良且美观的铺装层。单组分聚氨酯主要物理性质参数如表2所示。1.2试验方法马歇尔稳定度试验和肯塔堡飞散试验均按照JTG E202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程相关规定执行。自然裹覆试验和轮胎下落法噪声测试方法如下。pared with dense-graded pavement，the noise of PERS mixture was reduced by 7 dB.Compared with porous asphaltpavement，the noise reduction effect of PERS mixture was more than 4 dB.Key words：road engineering；perforated elastic road surface（PERS）；mechanical property；noise reduction effect；rubber particle；polyurethane表1橡胶颗粒和玄武岩碎石筛分结果Tab.1 Sieving results of rubber particles and basaltaggregate%骨料类型橡胶颗粒（35 mm）玄武岩碎石（510 mm）10010010099.510018.415.40.82.60.60.60.60.30.60.20.60.10.6通过下列筛孔尺寸/mm的质量通过率13.20 9.504.752.361.180.600.300.15 0.0758第3期技术指标检测结果技术要求不挥发物含量/%黏度（2125）/（MPas）密度/（g/cm3）NCO（异氰酸酯）含量/%固化成膜后拉伸强度/MPa断裂伸长率/%99.39951.049.210.418498.08001 2001.001.108.010.06.0150表2单组分聚氨酯主要物理性质参数Tab.2 Main physical properties of single componentpolyurethane adhesive1.2.1自然裹覆试验步骤1）自然裹覆试验电子天平秤取200 g烘干后的集料和100 g聚氨酯。将秤取好的集料倒在玻璃板上，混合均匀的聚氨酯倒在集料上，用铲刀贴着玻璃表面快速拌和。将拌和好的聚氨酯碎石混合料倒在1.18 mm试验筛上，用铲刀将混合料分开并均摊在试验筛上。静置至试验筛下不再有聚氨酯滴落时，秤取混合料的质量。从聚氨酯与集料混合至秤取混合料质量应在5 min内完成。2）自然裹覆试验