新型降噪和減震路面材料性能分析

袁博高奧東張澤許斌

（1.石家莊市交建高速公路建設管理有限公司，河北 石家莊 050000；2.中路高科（北京）公路技術有限公司，北京 100000）

為實現路面的某種特殊性能，建設人員通常會在路面材料中添加特定的添加劑或人工骨料，這不僅可以減少天然集料的消耗，而且可以實現降噪、抗滑、減震等特殊功能。為實現路面降噪、減震效果，建設人員可以通過在混合料中添加廢舊橡膠顆粒的方法增加路面的彈性，以達到減少輪胎與道路噪音的目的[1-2]；另一種方法是把混合料設計成含有大量孔隙的開級配路面，例如OGFC等，但也可以在混合料中添加多孔輕質材料代替部分集料，實現增加孔隙率降噪的效果[3-4]。

本文計劃把軟木顆粒和膨脹黏土顆粒摻入混合料中設計減震和降噪混合料，探究其力學性能和降噪性能。

一、原材料

（一）軟木顆粒

軟木顆粒的主要特點是重量輕、有彈性、電絕緣和熱絕緣性，能夠吸收聲音和振動。由于是彈性材料，當施加任何載荷時，其具有很強的恢復變形能力。在土木工程領域，軟木主要用作吸聲和降噪隔音材料，也有研究人員將軟木顆粒用作輕質骨料以生產輕重量的結構物。本文使用的軟木顆粒粒徑在1mm～4mm。

（二）膨脹黏土顆粒

膨脹黏土顆粒是一種典型的由膨脹黏土制成的材料，具有較高比例的半封閉孔隙顆粒體。其主要特點是質量輕，具有相對較高的結構強度和較低的經濟成本。得益于顆粒內部的大量孔隙，顆粒混合物的總孔隙率增加，混合料具有較好的降噪性能。在國外，膨脹黏土顆粒已經用于低孔隙率的瀝青混合料中，并具有較高力學特性、抗摩擦特性和降噪性能[10]。對于降噪混凝土混合料，為保證其降噪性能，顆粒粒徑不應大于3.5mm[11]。本文設計采用的膨脹黏土顆粒直徑為2mm～4 mm。

（三）混合料配合比

瀝青混合料中集料為花崗巖，填料采用石灰石，瀝青采用SBS改性瀝青。本文設計了兩種新型混合料和兩種常規混合料。用作表面降噪層的混合料采用占體積比10%的膨脹黏土顆粒；用作抗震聯結層或中面層的混合料采用占體積比5%的軟木顆粒。依據4種瀝青混合料的配合比曲線可知，4種瀝青混合料的油石比依次為5.0%、5.2%、5.9%和6.1%。

二、試驗設計

（一）力學性能驗證試驗設計

為了研究所設計的兩種混合料的力學性能，擬通過車轍試驗、凍融劈裂試驗和混合料的飛散試驗，分別確定混合料抗永久變形能力、水穩定性能及抗飛散損失性能。試驗方法均參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）。

（二）降噪性能驗證試驗設計

為了研究4種瀝青混合料的消聲性能，推斷摻加軟木顆粒和膨脹黏土顆粒對路面降噪性能的影響，先后實施兩種試驗，測量每種混合物的降噪性能和阻尼系數。為了測量噪聲吸收效果，采用自制的直徑為80mm的阻抗管試驗研究，該阻抗管內含兩個傳聲器。把阻抗管的開口端放置在擬測量的表面上測量，吸收系數在250Hz到2.5kHz的頻率范圍內。而路面阻尼是確定結構能耗的重要指標，可通過對路面施加沖擊荷載并記錄結構振動的頻率響應來測量。與振動模式的共振頻率相關的阻尼比（ξ）可以通過帶寬法計算得出[12]。

三、試驗結果與分析

（一）力學性能

4種混合料的飛散損失和水穩定性能試驗結果顯示，在質量損失方面，摻加軟木顆粒的瀝青混合料的性能明顯優于對照組混合料，摻加軟木顆粒后其質量損失降低45.81%。摻加膨脹土顆粒的瀝青混合料與對照組相比，其飛散損失降低27.84%。與軟木顆粒較為相似。即摻拌軟木顆粒和膨脹土顆粒的混合料的抗水損性能分別提高了3.5%和6.4%。摻加軟木顆粒后，瀝青混合料孔隙率降低39.3%，而摻加膨脹土顆粒后，混合料的孔隙率提高11.13%。

通過對摻加軟木顆粒的混合料與其對照組混合料在60℃下施加1萬次標準荷載循環研究其車轍深度的變化規律。結果表明，由于軟木顆粒具有較高的彈性性質，使混合料具有較好的彈性恢復性能，摻加軟木顆粒的混合料表現出比對照混合料更好的抗車轍性能。

（二）聲學性能

4種混合料的降噪試驗結果顯示，摻加軟木顆粒的混合料的吸聲系數較對比照組有所降低。這是由于軟木顆粒的加入使混合料的孔隙率降低39.3%，混合料的孔隙率是降噪的關鍵因素。與對照組相比，摻加軟木顆粒的混合料的吸聲系數會有所降低。在混合料中摻加軟木顆粒后，因其空隙率的降低而導致混合料對高頻噪聲的吸收值最大。而膨脹黏土顆粒的摻入對混合料的吸聲性能影響較為顯著，吸聲系數由0.4%提高到0.75%，吸聲頻率集中在1000Hz～2000Hz的中頻噪音。

4種混合料的阻尼特性顯示，摻加膨脹黏土顆粒的混合料的阻尼比更高，且主要集中在高頻區間。膨脹黏土顆粒的摻入會顯著地降低第一振型，共振頻率發生在213Hz；而在對照組混合料中，共振頻率發生在884Hz。相反，軟木顆粒對混合料僅在低頻率下對阻尼略有影響。