微表處降噪技術(shù)及設(shè)計(jì)改進(jìn)研究

周 慧 周開利

微表處降噪技術(shù)及設(shè)計(jì)改進(jìn)研究

周 慧 周開利

（昆明公路局，云南 昆明 650200）

微表處因其具有處治車轍、裂縫，封閉表面，恢復(fù)路表抗滑性能，開放交通快等特點(diǎn)在路面病害處治以及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，但其應(yīng)用中出現(xiàn)的噪聲問題以及當(dāng)前設(shè)計(jì)方法存在的不足限制了其應(yīng)用效果。基于對微表處研究現(xiàn)狀的把握，通過對微表處路面的特點(diǎn)以及路面噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，針對性地給出了降噪思路和方法；分析當(dāng)前微表處設(shè)計(jì)方法存在的不足，厘清設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出了改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和步驟。為微表處的性能改善和進(jìn)一步推廣應(yīng)用起到一定的參考借鑒作用。

道路工程；微表處；降噪技術(shù)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

0 概述

微表處可用于處治輕度或重度車轍、松散、縱橫向裂縫，提高路表抗滑性能，其厚度最薄至9.5mm，最厚可達(dá)最大骨料尺寸的1.5倍。相對比于稀漿封層，微表處采用具有更高聚合物含量和更高瀝青殘留量的乳化瀝青，瀝青乳液中加入快速固化產(chǎn)品，因而可快速開放交通。

微表處的主要作用是通過處治車轍、裂縫，封閉表面，恢復(fù)抗滑性能來重塑路表性能，使用壽命為5~7年。有研究表明，微表處處治HMA，其使用時(shí)間越長，抗車轍性能越好，但需確保下層HMA已經(jīng)過充分處理，而且避開夏季高溫時(shí)期應(yīng)用。將RAP、RAS添加至微表處混合料有助于進(jìn)一步減少能源消耗以及溫室氣體排放。RAP的再利用量可為0~100%，RAS的推薦用量為17%。微表處允許在1h及以內(nèi)開放交通，降低了用戶成本。由于其實(shí)施過程中不用封閉交通，且具有較好的防水、耐磨、可修復(fù)車轍的特性，在道路的修補(bǔ)過程中具有舉足輕重的作用。雖然微表處技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，微表處路面行車產(chǎn)生的噪音使駕乘人員感覺不適，同時(shí)道路附近居民的生活也會受到一定影響。因而需要分析出微表處噪音大的原因和特點(diǎn)，采取措施進(jìn)行有效的控制，從而在一定程度上降低噪音的污染，使得微表處技術(shù)對環(huán)境的噪音污染最小化。

1 微表處噪音原因分析

車內(nèi)噪音產(chǎn)生主要有兩個(gè)方面：一是車輛行駛過程中車輛的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)作以及路面不平整所帶來的振動(dòng)；二是輪胎與路面接觸時(shí)相互作用所帶來的噪音。在此主要分析受路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響的第二個(gè)方面，此類噪音產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因：

1）路面的空隙使得汽車行駛中車尾形成相應(yīng)的快速吸氣以及車輛行駛過后擠壓縫隙中的空氣所產(chǎn)生的噪音。因而可以認(rèn)為路面的空隙率對噪音程度起關(guān)鍵作用。路面為大空隙率時(shí)，車輛行駛過后，壓縮的氣體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所牽引出的氣體，從而減少噪音。

對于微表處，上述結(jié)論同樣適用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)微表處的構(gòu)造深度越大，車內(nèi)的噪音就會越大，這說明構(gòu)造深度與噪音的產(chǎn)生有密切的關(guān)系，從一般角度來看，增加構(gòu)造深度能夠有效地提高路面的抗滑性能，但是卻增加了噪音。而影響微表處構(gòu)造深度的主要因素在于微表處材料的級配、形狀以及排列狀況，分析如下：

①集料中的粗集料針片狀含量過大時(shí)，在某些位置形成凸起，小顆粒集料攤鋪時(shí)若未形成堆積，就會形成一定凹陷，汽車行駛過程中針片狀顆粒的凸起與凸起間的凹陷起到加大摩擦的作用，從而形成噪音。因此可以考慮減少針片狀集料的含量。

②若微表處的攤鋪是在不封閉交通的情況下進(jìn)行，則在微表處攤鋪后，沒有進(jìn)行一定的碾壓就開放交通，是考慮讓過往的車輛對其進(jìn)行碾壓，因而會在表面產(chǎn)生凸起或者凹陷的地方形成碾壓噪音。

③乳化瀝青的拌合時(shí)間會影響微表處瀝青混合料的和易性。和易性不好的瀝青會影響瀝青攤鋪時(shí)的平整度，在攤鋪的路面形成相應(yīng)的橫縱向紋理，從而影響行駛中的噪音程度。

2）為增強(qiáng)車輛行駛中抗滑性能而設(shè)計(jì)為凹凸不平的輪胎，與路面接觸產(chǎn)生噪音。

車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)輪齒與路面之間發(fā)生振動(dòng)，這種振動(dòng)與胎面花紋和車速有關(guān)，且振動(dòng)顯著。當(dāng)輪胎與路面接觸時(shí)，會產(chǎn)生摩擦，并且在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生相對位移，從而產(chǎn)生噪音，這種因振動(dòng)和摩擦作用產(chǎn)生的噪音是不可避免的。

對于普通路面，厚度是名義最大骨料尺寸的2~3倍，表面相對平滑；而微表處施工不存在壓實(shí)過程，路面不平是不可避免的。舉例來說，Ⅲ型微表處（MS-Ⅲ）的鋪裝厚度是8~10mm，而名義最大骨料尺寸是9.5mm，施工導(dǎo)致的骨料疊加現(xiàn)象不容忽視；其次，9mm粒徑通過率是100%，而如果細(xì)長顆粒的百分比超出設(shè)計(jì)值，那么顆粒長度將大于9.5mm。由于路表特征是由不規(guī)則的顆粒聚集形成，如果尺寸過大，當(dāng)厚度大于路面設(shè)計(jì)值時(shí)，噪聲會增加。

2 微表處降噪方法研究

2.1 材料組成分析

下面將對微表處所采用的材料進(jìn)行分析：

2.1.1礦料及礦料級配

微表處作為修補(bǔ)路面破損的路面表層，要考慮其抗滑性能、耐磨性以及耐久性。礦料中的粗骨料作為骨架的支撐，特別是公稱最大粒徑會影響瀝青攤鋪的厚度，同時(shí)必須考慮微表處礦料的耐磨性能；車內(nèi)噪聲與構(gòu)造深度呈正相關(guān)，增加4.75~9.5mm間7.13mm篩孔并控制其通過量，能顯著降低路表宏觀構(gòu)造8~10。

2.1.2填料

填料的作用主要是，第一，用于填補(bǔ)縫隙，起到調(diào)節(jié)混合料級配以及減輕集料離析的作用；第二，填料的加入會有效地提高強(qiáng)度，微表處填料可采用礦粉、橡膠粉等。

2.1.3改性乳化瀝青

能夠提高粘結(jié)性、低溫延度。

2.2 降噪措施

在微表處混合料中加入橡膠粉以及礦粉來減少噪音，對不同的橡膠粉/礦粉摻加比例進(jìn)行相關(guān)的研究，通過輪胎的振動(dòng)衰減試驗(yàn)，以及車輛往返試驗(yàn)來研究微表處減噪問題。對以下幾點(diǎn)進(jìn)行研究。

2.2.1道路噪音特征研究

結(jié)合國內(nèi)外對于道路產(chǎn)生噪音原因的研究，得出產(chǎn)生噪音的相關(guān)原因以及對道路路面的特性研究，為以后的試驗(yàn)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.2.2原材料質(zhì)量控制

顆粒形狀、針片狀顆粒含量以及集料級配對微表處路面噪聲有顯著影響。在微表處中，針片狀顆粒含量應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格少于15%。

2.2.3微表處橡膠粉添加

膠粉與瀝青混合后會發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后，膠粉均勻地分散在瀝青粘結(jié)劑中，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，瀝青混合料會因?yàn)榉勰┑膹椥远蛎洠紫对黾印．?dāng)聲波到達(dá)空隙表面，大部分聲音在空隙中傳播，而由于空氣與孔隙的摩擦，孔隙會存在粘性阻尼，由于摩擦和粘滯作用，聲能轉(zhuǎn)換為熱能耗散。此外，當(dāng)聲波傳播到材料表面時(shí)，表面紋理形成的空隙發(fā)生共振，吸收聲波能量，使得路表噪聲降低。Meiling Zhao等11試驗(yàn)研究指出，廢橡膠的添加可以顯著提高路面的彈性和阻尼性能，并明顯降低噪聲，在外加應(yīng)力作用下，廢橡膠的非線性分子鏈發(fā)生拉伸、扭曲、脫位和滑移，當(dāng)外加應(yīng)力消除后，大部分變形分子鏈恢復(fù)到原來的位置和相對運(yùn)動(dòng)，而永久變形意味著外加應(yīng)力能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥U橡膠改性瀝青混合料的變形大于普通路面，在變形過程中，振動(dòng)能量儲存在分子鏈中，產(chǎn)生粘性摩擦和滯后效應(yīng)，然后一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗，相當(dāng)于聲音被吸收。

2.2.4降噪微表處級配選擇

微表處的宏觀紋理比普通路面大，這使得其具有防滑的優(yōu)點(diǎn)。然而，防滑與降噪存在著矛盾，降低宏觀紋理的程度可以減輕噪聲；相反，隨著構(gòu)造深度的增加，抗滑性能越好。因而，優(yōu)化宏觀紋理與構(gòu)造深度的平衡設(shè)計(jì)意義顯著。Zhen Li等12提出了改進(jìn)的MS-Ⅲ，增加6.7mm篩，同時(shí)2.36mm以上粒徑比例由10%~30%降低到5%~20%，該骨料的級配介于MS-Ⅱ和MS-Ⅲ之間。

通過輪胎的振動(dòng)衰減試驗(yàn)，以及車輛往返試驗(yàn)來研究微表處減噪問題，用以上兩種方法來評價(jià)微表處的降噪效果。滿足了降噪效果后，通過一定的試驗(yàn)進(jìn)行路面的路用性能檢驗(yàn)，包括微表處的耐磨耗性能、抗車轍能力以及高低溫性能、水穩(wěn)定性。

3 改進(jìn)微表處設(shè)計(jì)程序

3.1 當(dāng)前設(shè)計(jì)方法的不足

ISSA微表處配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，瀝青乳液殘?jiān)亢突旌狭现屑尤氲乃繉υ囼?yàn)響應(yīng)的大小有很大影響。ISSA提出的微表處混合料設(shè)計(jì)方法確定最佳瀝青用量是基于輪載試驗(yàn)和濕輪磨耗試驗(yàn)，通過對濕輪磨耗試驗(yàn)和輪載試驗(yàn)的磨耗損失進(jìn)行評估，選擇最佳瀝青用量，瀝青乳液的少量增加或減少會導(dǎo)致粘聚損失，但兩試驗(yàn)的一致性較差。混合料含水量對輪載試驗(yàn)試樣的粘砂和濕輪磨耗試驗(yàn)試樣的骨料損失有較大影響。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在進(jìn)行微表處具體設(shè)計(jì)之前，應(yīng)當(dāng)把握如下幾個(gè)方面：

1）項(xiàng)目概況。主要包括路面技術(shù)狀況以及氣候情況。

2）表面處治的目標(biāo)。此改進(jìn)混合料設(shè)計(jì)流程可用于重交通地區(qū)的重車轍病害。

3）評價(jià)和選擇材料。在微表處混合料中，良好的集料以及與瀝青乳液的相容性非常重要。

3.3 設(shè)計(jì)步驟

1）表面積法預(yù)估瀝青用量；

2）3種瀝青用量水平的選擇。按表面積法確定瀝青用量的±0.75%；

3）確定最小含水量。選擇填料/添加劑并添加到集料中，進(jìn)行混合時(shí)間運(yùn)行測試確定室溫混合至少120s所需最小水量。

4）相容性試驗(yàn)。對三種瀝青乳液/填料/水組合進(jìn)行骨料、填料與瀝青相容性測定。

5）最佳含水率選擇。每種瀝青乳液/填料組合的最佳含水率由30min和60min時(shí)最大內(nèi)聚力確定。

6）最佳瀝青乳液的選擇。對具有較大30min和60min粘結(jié)力的瀝青乳液/填料/水組合進(jìn)行穩(wěn)定性、抗壓性以及垂直和側(cè)向位移的測量。抗車轍性能較好的最佳乳液含量可以確定為在56.7kg負(fù)載下1000次循環(huán)最小垂直和側(cè)向位移對應(yīng)的瀝青用量。

4 結(jié)論

基于對微表處研究現(xiàn)狀的把握，通過對微表處路面的特點(diǎn)以及路面噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，針對性地給出了降噪思路和方法；分析當(dāng)前微表處設(shè)計(jì)方法存在的不足，厘清設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出了改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和步驟。主要結(jié)論如下：

1）車輛行駛產(chǎn)生的噪聲主要來源于三個(gè)方面：汽車動(dòng)力系統(tǒng)的噪音、汽車行駛前方的空氣噪聲以及輪胎與路面之間的摩擦和擠壓噪聲，而構(gòu)造深度與路表平整度是影響微表處路面噪聲的關(guān)鍵因素。

2）為減小微表處路面的噪聲，應(yīng)充分認(rèn)識噪聲的特征，控制顆粒形狀、針片狀顆粒含量和集料級配；另外（廢）膠粉的適量添加可明顯降低噪聲。

3）因混合料含水量對微表處配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，給出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，并指出應(yīng)當(dāng)充分把握實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵要點(diǎn)。

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1007-6344（2021）04-0238-02