橡膠改性瀝青混合料的降噪性能研究*

張家龍 孟慶宇 彭偉宸 姬小祥

(1.山東省交通規劃設計院集團有限公司 濟南 250101; 2.河南交通職業技術學院公路學院 鄭州 450000;3.綠色高性能材料應用技術交通運輸行業研發中心 鄭州 450000)

交通噪聲分為車輛噪聲與胎-路噪聲。現有研究對于胎-路噪聲防治的方法主要有2類,①改變輪胎規格及花紋樣式,以降低輪胎噪音;②改良路面材料,提高路面的吸聲、降噪效果。橡膠改性瀝青混合料具有高阻尼性、高黏彈性特點,是常用的降噪路面材料[1-2]。相關研究表明,橡膠瀝青路面的吸聲降噪功能主要來源于橡膠顆粒的彈性變形能力,但是摻入橡膠顆粒后,混合料的結構變化(如空隙率增大、內部連通孔隙增多等)對路面的降噪性能也起到積極作用。因此進一步從橡膠瀝青混合料的組成與結構角度出發,研究混凝土參數與橡膠瀝青路面路用及降噪性能的關系,并提出各參數的配置范圍,推動橡膠改性瀝青降噪路面的應用。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1) 粗集料。橡膠顆粒模量小、抗壓強度低,為確保混合料形成穩定的骨架結構,粗集料采用強度高、耐磨性好、表面清潔無雜質的玄武巖,各項指標均滿足JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》要求。表觀密度2.881 g/cm3。

2) 細集料。橡膠顆粒回彈性強、黏聚力較差,混合料壓實困難、體積膨脹。因此,細集料宜選擇石灰巖。試驗所用細集料為0～3 mm石灰巖石屑,表觀密度為2.724 g/cm3,各項指標均滿足規范要求。

3) 橡膠顆粒。試驗用橡膠顆粒為廢舊輪胎粉碎處理得到的細膠粉,粒徑0.18～0.425 mm,表觀密度為1.12 g/cm3。各項指標均滿足規范要求。

4) 瀝青。瀝青與膠粉相容效果決定混合料的各項性能。本文選擇常用的70號A級瀝青,25 ℃針入度、軟化點、15 ℃延度分別為71(0.1 mm)、49 ℃、110 cm,各類指標均滿足規范要求。

1.2 試驗方法

采用相關研究中的室內輪胎自由下落法[3],測試橡膠瀝青混合料的降噪性能。試驗胎壓0.23 MPa。控制變量為瀝青用量、橡膠摻量、4.75 mm篩孔通過率,采用控制單一變量法,分別成型標準車轍板試件。使輪胎從0.65 m高度垂直下落[4],撞擊至車轍板試件,利用MPA201聲壓傳感器進行數據收集。

2 橡膠改性瀝青混合料降噪性能的影響因素

2.1 瀝青用量對降噪效果的影響

相關研究表明,膠粉摻量15%～25%時,橡膠瀝青路面的降噪性能較為顯著[5]。因此,采用單一控制變量法,以膠粉摻量20%、表1所示的SMA-13級配、瀝青用量(5%,5.5%,6%,6.5%,7%),按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求成型標準車轍板試件,開展室內輪胎自由下落試驗,結果見圖1。

圖1 不同瀝青用量下的聲音頻譜圖

表1 SMA-13級配

由圖1可見,胎-路噪聲隨著瀝青用量增大而減小。當瀝青用量由5%增加到7%,聲壓級下降3.62 dB,計算得衰減系數提高26.66%,效果相當于離聲源距離增加1倍,或道路交通量減少50%。超過最佳值后,繼續增大瀝青用量的效果下降。因為隨著瀝青用量的增大,表面構造深度逐漸減小,瀝青的填充作用導致集料間空隙減小,泵吸噪聲增大。在胎-路接觸振動噪聲的主頻段(500～1 000 Hz)內,隨著瀝青用量的增加,聲壓級下降明顯。

2.2 關鍵篩孔通過率對降噪效果的影響

試驗的篩孔通過率分為5組(26%,28%,30%,32%,34%)。瀝青用量6.5%,膠粉摻量20%,成型試件并開展試驗。噪聲頻譜結果見圖2。

圖2 4.75 mm 篩孔不同通過率下的噪聲頻譜圖

當4.75 mm篩孔通過率從26%提高到34%,聲壓級增大2.11 dB。這表明隨著篩孔通過率的增加,混合料中細集料含量增大,路表構造深度與連通孔隙減小,導致泵吸噪聲無法迅速消散。在泵吸噪聲主頻段(1 000～1 600 Hz),隨著4.75 mm通過率的增大,聲壓級也明顯增大,但各組試件在800 Hz附近的振動噪聲基本相同。

3 橡膠改性瀝青混合料的配合比設計研究

3.1 瀝青用量的推薦范圍

開展各瀝青用量下車轍板的路用性能試驗,評價高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩性,結合噪聲試驗結果,確定混合料瀝青用量推薦范圍[6]。JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》對SMA改性瀝青的要求為:動穩定度≥3 000次,低溫彎曲破壞應變≥2 800×10-6,殘留強度比≥80%。試驗結果見圖3(篇幅所限,僅展示瀝青用量與聲壓級、動穩定度、破壞應變、強度殘留比的關系)。

圖3 瀝青用量與路用及降噪性能的關系

從降噪性能角度來看,如圖3a),計算五組瀝青用量下橡膠混合料的聲壓級平均值為94.79 dB,以此作為橡膠混合料具備出眾降噪能力的標準值。計算聲壓級94.79 dB對應的瀝青用量為6.2%,瀝青用量應在6.2%～7.0%的范圍內。

從高溫穩定性角度來看,如圖3b),隨著瀝青用量的增加,動穩定度表現為先增大后減小的規律,瀝青用量較小時,集料表面瀝青膜厚度較小,黏聚力較差,導致高溫承載力不足;但是瀝青用量過大,集料間嵌擠作用下降,動穩定度降低[7]。動穩定度滿足要求的瀝青用量為5.6%～6.9%。

從低溫抗裂性角度來看,如圖3c),低溫彎曲應變破壞隨著瀝青用量的增加,表現為先增大后減小的規律,低溫破壞應變滿足要求的瀝青用量為5%～7%。

從水穩定性角度來看,如圖3d),隨著瀝青用量增加,凍融劈裂抗拉強度增大,且增長幅度逐漸減小,隨著瀝青膜厚度的增大,內部空隙逐漸減小,混合料抵抗水損壞的能力提高[8],強度殘留比滿足要求的瀝青用量為5.8%～7.0%。

綜上所述,最佳瀝青用量推薦范圍為6.2%～6.9%。

3.2 膠粉摻量的推薦范圍

開展各膠粉摻量下車轍板的路用性能試驗,結果見圖4。JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》對SMA改性瀝青的要求為:動穩定度≥3 000次,低溫彎曲破壞應變≥2 800×10-6,殘留強度比≥80%。

圖4 膠粉摻量與路用及降噪性能的關系

從降噪性能考慮,見圖4a),計算5組膠粉摻量下的聲壓級平均值為93.46 dB(A),對應的膠粉摻量為19.0%,因此膠粉摻量推薦值為19.0%～24.0%。

從高溫穩定性來看,見圖4b),動穩定度隨著膠粉摻量的增加,表現出先增大后減小的規律,最大值出現在20%附近,滿足動穩定度要求的膠粉摻量為17.2%～23.4%。

從低溫穩定性來看,試件彎曲破壞應變隨著膠粉摻量增加,表現為先增大后減小的規律,最大值出現在22.2%附近。過量膠粉影響集料與瀝青黏附,導致內部出現較多微裂縫,降低試件低溫抗裂能力滿足低溫彎曲破壞應變的摻量為16.2%～24.0%。

從水穩定性來看,殘留強度比隨著膠粉摻量的增加,表現為先增大后減小的規律,過量膠粉導致結構微裂縫較多、空隙增加,在凍融循環下強度下降明顯,滿足殘留強度比的摻量為16.0%～24.0%。

綜上,膠粉摻量的推薦范圍為19.0%～23.4%。

3.3 4.75mm篩孔通過率的推薦范圍

開展4.75 mm篩孔通過率下車轍板的路用性能試驗。試驗結果見圖5(篇幅所限僅展示瀝青用量與聲壓級、動穩定度的關系)。

圖5 4.75mm通過率與路用及降噪性能的關系

從降噪性能來看,見圖5a),計算5組篩孔通過率下的聲壓級平均值為93.54 dB(A),對應的篩孔通過率為30.5%,因此推薦的4.75 mm篩孔通過率為26%～30.5%。

從高溫穩定性來看,見圖5b),動穩定度隨著篩孔通過率的增大,表現為先小幅增加然后迅速減小的規律,最大值在29.5%附近,滿足動穩定度的篩孔通過率范圍為26%～31.9%。

從低溫抗裂性來看,試件低溫破壞應變隨著通過率增加而增大,隨著細集料含量提高,膠結料成分增大,混合料低溫抗裂性能提高,滿足彎曲破壞應變的通過率范圍為28.1%～34%。

從水穩定性來看,殘留強度比隨著通過率的增加而增大,細集料含量增大導致結構內部更加密實,滿足強度殘留比的通過率范圍為26%～34%。

綜上,4.75 mm篩孔通過率的推薦范圍為28.1%～30.5%。

4 結論

通過室內輪胎自由下落法,研究瀝青用量、膠粉摻量、4.75 mm篩孔通過率對SMA橡膠改性瀝青降噪性能的影響,并提出配合比設計建議值,結果如下。

1) 隨著瀝青用量、膠粉摻量的增大,混合料降噪性能提升,振動衰減系數增加,胎-路振動噪聲減小。

2) 隨著4.75 mm關鍵篩孔通過率的減小,混合料降噪性能提升,表面構造深度增大,胎-路泵吸噪聲減小。

3) 結合橡膠改性瀝青混合料的基本路用性能及降噪性能,推薦瀝青用量為6.2%～6.9%、膠粉摻量為19%～23.4%、4.75 mm篩孔通過率為28.1%～30.5%。