材料设计参数对双层多孔路面吸声性能影响_李明亮.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；道路结构与材料交通行业重点实验室 年度开放基金项目；江苏省交通运输科技项目（）作者简介：李明亮（），男，辽宁阜新人，副研究员，工学博士，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）李明亮，华夏，肖月，等 材料设计参数对双层多孔路面吸声性能影响 长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：材料设计参数对双层多孔路面吸声性能影响李明亮，华夏，肖月，李俊，韩丁丁，武昊，（交通运输部公路科学研究院，北京 ；道路结构与材料交通运输行业重点实验室，北京 ；江苏高速公路工程养护技术有限公司，江苏 南京 ；武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 ）摘要：为提升双层多孔路面吸声性能，增强对轮胎与路面接触源头噪声的消减效果，给路面降噪功能优化设计提供依据，分析层间结合材料用量、底面层空隙率对双层多孔路面吸声性能的影响规律。采用表面声学阻抗试验获取混合料吸声系数曲线，对比不同层间结合材料用量、底面层空隙率对双层多孔路面吸声系数峰值和峰值频率的影响，并采用层间剪切、拉拔强度试验分析层间黏结性能。基于层间材料用量和底面层空隙率优化，提出一种采用聚氨酯表面层与改性沥青混合料底面层复合的双层多孔路面结构，通过室内试验分析复合路面材料的基本力学特性和吸声性能。研究结果表明：增加层间改性乳化沥青材料用量能够提升层间黏结强度，但会损失双层多孔路面的吸声效果，主要吸声频谱也会受到影响；提高底面层空隙率能够提升双层多孔路面的吸声性能，特别是对于高频噪声的吸收；而当底面层空隙率小于 时，吸声系数峰值衰减较快。在聚氨酯材料提供足够黏结强度和表面层力学性能的条件下，复合型路面未采用层间结合材料，并提高了底面层空隙率，因此呈现出显著的高、低频吸声效果。为保持双层多孔沥青路面吸声性能和黏结强度的均衡，底面层空隙率不宜低于，在保障足够有效吸声功能基础上，宜使用较高的层间结合材料用量。采用复合式双层多孔路面可以同步提高表面层和底面层的空隙率，从而增强吸声性能，具有更为突出的材料力学特性。关键词：道路工程；双层多孔沥青路面；复合型双层多孔路面；吸声系数；聚氨酯；层间结合材料；空隙率中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，：；引言随着中国居民生活品质的日益提高，公路沿线的噪声污染问题逐渐引起交通行业的重视。在路面设计与施工过程阶段关注低噪声特性设计，为噪声污染处治提供一种事先预防或解决方案，有效降低公路沿线噪声污染，对于提高人居环境水平，实现绿色公路的建设理念，是十分必要的。多孔沥青路面（）是国内外常用的低噪声路面结构形式。与单层多孔沥青路面相比，双层多孔沥青路面（）通过采用上、下层多孔沥青混合料，能够有效提升路面吸收轮胎路面噪声、排水和防堵塞能力。为了实现更好的降噪效果，荷兰公路现有多孔路面 以上为双层多孔沥青路面；研究表明，与单层多孔路面相比，双层多孔路面能够进一步降低 轮胎路面噪声。作为一种低噪声路面，多孔路面的核心设计要素为如何有效平衡路面的降噪功能和力学性能，从而在保证路用第期李明亮，等：材料设计参数对双层多孔路面吸声性能影响性能耐久性的基础上，实现降噪功能最大化。对于多孔路面，与降噪功能最为相关的表面性能参数为吸声系数和表面纹理构造深度。多孔沥青路面的吸声性能，可以用刚性多孔介质的声学阻抗模型进行模拟。等建立了基于 扫描的实测空隙率、总空隙率、总空隙表面积和平均空隙表面积的吸声系数预测模型，更准确地描述了吸声系数与空隙分布的关系。等通过工业 扫描获取孔隙结构参数，分析了三维分形维数与孔径分布对多孔沥青材料吸声性能的影响。基于理论模型分析，对于双层多孔路面，采用常用空隙率 时，在 及 两个频率范围内，会出现个明显的吸声系数峰值，从而有效吸收中低频和高频段噪声，这也是双层多孔沥青路面具有更好的降噪性能的原因之一 。路面吸声系数常用的测试方法有驻波管法、扩展表面法（）和表面阻抗测试法（法）等 。其中法通过测试表面处的声压和空气质点振动速度，能够计算材料的声阻抗以及吸声系数。与驻波管法相比，其受试件尺寸影响较小，测试频率范围较宽，最高可达 ，并且其对背景噪声影响的敏感性低，在现场和室内均可采用。因此在本文中，主要采用法进行吸声系数的测试。另一方面，为确保多孔沥青路面耐久性，防止飞散掉粒病害，中国和日本目前主要采用高黏度改性沥青提升多孔沥青路面性能。高黏度改性沥青主要通过基质沥青与高黏度改性剂均匀混合制备而成，或采用“干法”生产高黏度多孔沥青混合料。近年来，针对不同的使用需求，高黏度改性沥青的制备方法和性能也不断改进。等针对低标号沥青制备的高黏度改性沥青开展研究，分析了基质沥青组分对高黏度改性沥青高温、抗疲劳性能的影 响。等针对高黏度改性剂与胶粉复合改性高黏度沥青性能进行研究，并推荐了 的双层多孔路面组合结构。为进一步提升混合料综合性能，聚氨酯等高分子材料也被用作多孔路面的胶结材料。王火明等针对大空隙聚氨酯碎石混合料的强度特性和路用性能进行试验研究，开展了温度对混合料强度的影响以及抗变形能力分析。李添帅等分析了多孔聚氨酯混合料（）的综合力学性能，认为当空隙率为 时，混合料仍具有显著的路用性能。等研究表明，与多孔沥青混合料相比，多孔聚氨酯混合料对土壤悬浮物过滤引起的颗粒堵塞具有更好的抵抗力，同时能够增强混合料的抗飞散剥离性能。因此，如何通过在传统的沥青路面结构中加入多孔聚氨酯混合料，进一步提升表面耐久性和吸声功能是需要研究的重要问题。综上，虽然目前在多孔路面降噪性能和耐久性方面研究较多，但是道路的耐久性和降噪的全面保障或提升仍是较大的难题，特别是用于交通流量大的高等级公路。采用沥青作为胶结料时，当混合料空隙率超过 时，抗飞散性能等指标下降较快，因此工程中一般建议的空隙率范围为 。这在一定程度上限制了空隙率的增大，即也限制了路面吸声性能的提高。对于双层多孔路面，层间结合材料的用量和底面层空隙率是个影响吸声效果的重要参数，如设计不当，将会导致底面层多孔结构吸声性能降低，甚至丧失。而目前针对这个参数的影响分析鲜有报道，这也是本文分析重点。本文以双层多孔路面吸声功能的提升和优化设计为主要目标。通过开展层间结合材料用量和底面层空隙率个参数对吸声性能的影响分析和层间黏结强度分析，获得不同参数对路面吸声性能和黏性性能的影响规律，提出适用于双层多孔沥青路面的参数值范围。基于空隙率和层间黏结材料用量优化，提出一种聚氨酯表面层与改性沥青混合料复合的双层多孔路面结构，经试验验证，该结构在提升吸声效果的同时，具有更为突出的路用性能和长期使用性能。本文结果可用于低噪声路面结构与材料的优化设计，延长低噪声路面结构耐久性。材料与试验方法 试验材料 原材料多孔沥青混合料采用添加高黏度改性剂的“干法”进行制备，基质沥青采用 型苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物（）改性沥青，粗集料类型为玄武岩。材料性能、混合料设计与制备均符合 排水沥青路面设计与施工技术规范（）的技术要求。为改善多孔混合料的力学性能和吸声功能，采用异氰酸酯预聚物的聚氨酯树脂材料作为表面层高分子混合料的胶结材料，材料性能参数如表所示。双层多孔沥青混合料设计双层多孔沥青混合料试件表面长、宽均为，表面层厚度为，底面层厚度为，表面层采用最大粒径为 的 型混合料，长安大学学报（自然科学版）年表聚氨酯树脂材料物理性能 序号项目参数试验方法不挥发物含量 黏度（）（）密度（）异氰酸酯（）含量 化成膜后拉伸强度 断裂伸长率 底面层采用最大粒径为 的 型混合料，结构示意如图所示。根据现有研究，空隙率为 时，表面层具有良好的吸声性能和路用性能，因此，在本文中，双层多孔沥青路面表面层空隙率统一设定为。重点观测层间结合材料用量和底面层空隙率的影响。个材料参数相对独立，因此并未进行交叉影响分析。本文材料参数设置如下：（）层间结合材料用量对比试验底面层混合料目标空隙率设为。上、下多孔沥青层之间的层间结合材料采用 改性乳化沥青，根据实际工程层间结合材料的常用剂量，设置其用量分别为、，以纯沥青含量计。（）底面层空隙率对比试验双层之间不采用结合材料，即为。研究中采用的底面层空隙率分别为、，通过调整混合料级配及 和 集料通过率，达到目标空隙率。图双层多孔沥青路面结构 双层多孔沥青混合料试件成型方法采用标准车辙仪进行试件的制备，车辙试件模具根据试件厚度需求单独加工而成。本文中试件成型的主要步骤为：根据相应的配合比和设计空隙率拌制底面层多孔沥青混合料，采用车辙仪成型试件；试件在空气中静置 以上，脱模；根据设定的黏层用量在底面层表面涂抹改性乳化沥青，对于为的情况，省略此步骤；根据相应的配合比和设计空隙率拌制表面层多孔沥青混合料，采用车辙仪成型试件；试件在空气中静置 后，开展室内试验。对同一类型的双层多孔沥青混合料，成型个平行试件。聚氨酯多孔混合料成型方法制备表面长宽均为 的双层多孔混合料试件，其中：表面层厚度为，采用最大粒径为 的 型混合料，目标空隙率；底面层厚度为，采用最大粒径为 的 型 改 性 沥 青 混 合 料，目 标 空 隙 率 为。同时，为对比分析，制备 全厚式多孔聚氨酯混合料，采用最大粒径为的 型混合料，目标空隙率。按照第 节中方法成型双层多孔试件。聚氨酯表面层在常温条件下进行碾压制备，无需加热。试验方法 吸声系数试验本文采用表面阻抗测试法（法）测试双层多孔沥青吸声系数，即通过发声器发出白噪声，由声压速度传感器采集试件表面声压及空气质点振动速度，并计算表面阻抗，获得吸声系数曲线。研究采用的设备为荷兰 公司的原位吸声系数测试仪，设备和传感器如图所示。压力传 感 器 精 度 为 ，速 度 传 感 器 精 度 为 ，压力和速度传感器相位匹配精度为；仪器量程为 ，根据轮胎路面噪声的频率范围，本研究主要采用 的数据进行分析。图吸声系数测试 黏结强度试验采用层间抗剪和抗拉强度作为多孔沥青路面黏结层性能参数。采用多功能试验机，试验温度为，剪切和拉拔速率为 。双层试件在完成吸声系数试验后，钻取个直径为 的芯样。每组试验平行对比芯样不少于个。第期李明亮，等：材料设计参数对双层多孔路面吸声性能影响层间结合材料用量和底面层空隙率对吸声系数的影响 层间结合材料用量的影响 吸声系数试验分析对采用不同层间结合材料用量的双层多孔沥青试件进行吸声系数试验，取个平行试样的平均值，结果如图所示。图（）为 倍频程吸声系数曲线，吸声系数频谱采用倍频程的中心频率为横坐标。可知，在所示频率内，可以观察到个明显的峰值，这是双层多孔路面吸声系数曲线的主要特征，对于单层多孔路面，一般厚度不超过，因此在此频率内仅会出现个峰值。这也是双层多孔路面在噪声吸收性能上优于单层多孔路面的原因之一。根据多次试验峰值出现的频率范围，把图中位于 的峰值设定为第峰值，范围内的峰值设为第峰值。提取与吸声系数峰值和对应的频率，绘制吸声系数峰值、峰值频率与乳化沥青用量的对应关系如图（）所示。可见，随着乳化沥青用量增加，个峰值数值均有所降低，峰值频率向高频区域移动，特别是当 时，第峰值的频率变化明显，且第峰值数据降低较多，峰值位置向高频方向移动。对产生此现象的原因进行分析，认为当乳化沥青用量增大时，底面层的表面空隙连通性受到影响，底面层的吸声性能降低，导致吸声曲线变化，逐渐趋近于单层多孔路面吸声系数曲线（一般在 范围内出现单峰值）。黏结强度试验分析对使用不同用量乳化沥青作为层间结合材料的双层多孔试件开展剪切和拉拔试验，获得抗剪切与抗拉拔强度平均值如图所示。由图可见，在观测范围内，随着 改性乳化沥青用量的增加，试件的层间黏结强度逐渐增加。由于多孔沥青层之间的黏结强度主要由结合材料的黏结力以及骨料之间的啮合、嵌锁提供的摩阻力形成，为保持足够的抗剪和抗拉强度，层间结合材料用量不宜过低。对比吸声系数试验和黏结强度试验结果，可以得到：在一定范围内，层间乳化沥青黏层材料用量增加能够提升层间黏结强度，但是会减弱双层多孔路面的吸声性能。参考国外已有应用的双层同步摊铺的工艺（），通过上、下面层的热接触，省略黏层的使用，是保证黏结强度和吸声性能的措施之一。图不同乳化沥青黏层用量双层多孔