降噪微表处技术在京港澳高速沥青路面中的应用

张绍源，卢兆洋，高玉梅，聂 雷，朱建东，潘良材

(1. 北京建筑大学 北京市城市交通基础设施建设工程技术研究中心，北京 100044；2. 北京建筑大学 未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；3. 北京首发公路养护工程有限公司，北京 102613；4. 北京卓美恒晟机械有限公司，北京 100176；5. 贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008)

0 引 言

微表处作为一种沥青路面预防性养护技术，能够在短时间内改善路面外观、抗滑能力和使用寿命，具有良好的技术经济效益[1-3]。高速公路由于行车速度快，造成轮胎频繁、快速挤压微表处构造间隙中的空气，从而产生噪音，且构造深度越大，噪音越大[4-7]。

目前，微表处的降噪方法主要有2种[8-9]：一种为增加橡胶粉的比例[10-15]，但是橡胶颗粒的大小、质量以及掺量的不同会影响微表处的可操作性与相关路用性能；一种为改善矿料级配[16-19]，但粗集料较多会导致构深度较大，轮胎与微表处接触时会造成较大噪音。很少研究综合考虑微表处配合比设计，即选择不同级配与不同沥青、水泥及水用量对降噪效果及性能的影响，所以本文在保证施工成本及性能的情况下，通过选取降噪级配及调整微表处材料的配合比组成，研究降噪微表处技术方法。

1 降噪微表处原材料的选择

1.1 基质沥青

基质沥青的技术指标见表1。

表1 基质沥青的技术指标

1.2 集料

本文参照国际稀浆封层协会(ISSA)对微表处矿料级配的推荐范围。由于粗骨料在微表处结构中作为骨架，主要承受车辆荷载，应具有压碎值较低、抗压强度高和抗腐蚀性强的特点，因此采用玄武岩作为粗集料，这样能够保证微表处表面的抗滑性不会迅速下降。细集料则采用石灰岩，这样能够保证沥青与集料的裹覆性能，达到良好的可操作性。集料的技术指标见表2。

1.3 改性乳化沥青

在本试验使用的改性乳化沥青中，乳化剂采用十八烷基三甲基氯化铵(即1831)，改性剂采用SBR乳胶改性剂。改性乳化沥青的配制见表3，其技术指标见表4。

表3 改性乳化沥青配制

表4 SBR改性乳化沥青指标

1.4 填料和水

填料作为生产改性乳化沥青的材料之一，可以改善混合料特性，并调节破乳时间。本试验采用中值级配硅酸盐水泥作为填料，其各项指标应符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30—2003)的要求。

2 降噪微表处配合比设计

2.1 降噪级配设计

由于本文的研究针对高速公路，因此矿料级配设计选用《微表处和稀浆封层技术指南》、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的MS-3型微表处混合料的矿料级配范围，最大粒径为9.5 mm。由于粗骨料在微表处结构中发挥骨架作用，主要承受车辆荷载，且关键筛孔的选择会影响降噪效果，如果将4.75 mm作为关键筛孔进行级配调整，则不同级配中处于4.75～9.5 mm粒径范围的粗集料相同，但4.75 mm以下粒径的矿料对于构造深度的影响较小，即难以优选降噪级配。故本文将2.36 mm作为关键筛孔，采用粒径为2.36～9.5 mm的玄武岩作为粗集料，选取粗、中、细3种级配设计，结果见表5。

表5 设计合成级配

可以看出，与级配Ⅰ(中值级配)相比，级配Ⅱ中的4.75 mm筛孔通过率较低，2.36 mm以下筛孔通过率较高，即4.75～9.5 mm粒径、2.36 mm以下粒径矿料较多，容易造成构造深度较大；在级配Ⅲ中，提高2.36～4.75 mm粒径通过率并降低2.36 mm以下粒径通过率时，级配曲线具有良好的S形，粗、细集料比例适中，有利于减小构造深度。

2.2 备选级配的配合比设计

拌合试验能够反映微表处混合料的黏附性、拌合性和固化时间等性能。为确定微表处破乳时间，本文通过拌合试验来确定稀浆状态良好的混合料配合比。以中值级配为例，不同配合比下的拌合试验数据见表6。

表6 不同配合比下的拌合试验数据

通过试验发现，在拌合时间满足规范要求的情况下，添加水泥能够延长拌合时间，但是添加量达到一定值后拌合时间的增长较缓；水的用量应适中，用量过少会导致不易拌合，造成快速破乳，用量过大则容易造成离析，较慢形成强度。根据上述试验相关结论，对3种级配类型进行配合比试验，稀浆状态良好的混合料配合比见表7。

表7 稀浆状态良好的混合料配合比 %

3 降噪微表处室内试验评价

3.1 黏聚力试验

黏聚力试验能够反映混合料的成型速度，便于确定开放交通的时间。同一时间内，黏聚力与混合料的成型速度成正相关关系。对表7稀浆状态良好的混合料进行黏聚力试验，3种级配下的黏聚力试验结果见表8。

表8 不同级配下的黏聚力试验

试验结果表明，编号1-2-1-5的30 min黏聚力值为1.1 N·m，小于1.2 N·m；编号2-3-1-6的60 min黏聚值为1.8 N·m，小于2.0 N·m。其余配合比在规定时间下的黏聚力值均满足要求。

3.2 湿轮磨耗试验

湿轮磨耗试验能够确定混合料的最小沥青用量。混合料中的沥青用量与其湿轮磨耗值成负相关关系。当湿轮磨耗值达到要求的最大值时，对应的沥青用量为混合料的容许最小沥青用量。3种级配的混合料湿轮磨耗值见表9。

表9 不同级配及配合比下的1 h湿轮磨耗值

试验结果表明，混合料中的沥青用量越少，磨耗值越大。国际稀浆封层协会的《微表处技术指南》规定1 h湿轮磨耗值不大于540 g·m-2。缓曲线级配的各组配合比磨耗值均超出规范要求。编号1-3-2-1的1 h湿轮磨耗值为768.35 g·m-2，大于指南要求值，其余各组配合比满足要求。

3.3 负荷车轮碾压试验

负荷车轮碾压试验能够确定混合料的最大沥青用量关系。混合料中的沥青用量与其碾压变形值成正相关关系。当超过了规定的最大碾压变形值时，对应的沥青用量就是混合料的容许最大沥青用量。3种级配的混合料轮辙变形值见表10。

试验结果表明，混合料中的沥青用量越多，轮辙变形值越大。编号1-2-1-5的厚度变化为2.03 mm，编号3-2-1-3的厚度变化为5.11 mm，大于国际稀浆封层协会《微表处技术指南》提出的厚度变化(不大于2 mm)；编号3-2-1-3的宽度变化率为9.0%，大于指南提出的宽度变化率(不大于5%)。其余各组配合比满足要求。由上述试验筛选4组满足施工与路用性能要求的配合比，并对其降噪性能进行研究。4组混合料的配合比见表11。

表10 不同级配下的轮辙变形值

表11 确定优选配合比

3.4 不同配合比的吸声系数对比

路面在采用微表处养护时，时常由于车辆行驶中轮胎与路面之间的碰撞与振动作用而产生远大于中值级配沥青路面的噪音。这是由于微表处混合料中的粗、细集料分布不均，导致其表观构造不平整，或者压实度不够。声波与材料表面碰撞过后发生能量损失的现象，被称为吸声行为，其指标吸声系数越大，则表明试件的降噪效果越好，反之则越差。本文采用驻波管法测定微表处试件的吸声系数，得到不同配合比下混合料的吸声系数见表12。

表12 不同配合比下的吸声系数

由于车辆行驶过程中产生的噪音频率集中在500～1 000 Hz，由表12可以看出， MS-Ⅲ型微表处的吸声性能为：配合比3>配合比4>配合比2>配合比1。由此可见，配合比3的降噪效果最出色。研究表明，微表处的降噪效果因混合料的配合比组成而异，可以通过调整微表处混合料的级配与沥青、水泥及水的用量来优选降噪效果最佳的方案。

4 降噪微表处施工应用

京港澳高速K0+300～K9+900路段交通量较大，随着车辆重载率和交通量的逐年增加，路面出现微小裂缝、车辙等病害现象，路面空隙率增大，摩擦因数大幅度降低，抗滑能力下降，无法满足行车要求。基于此，拟采用上述降噪微表处试验结果配合比3处理该路段。依次对铺筑微表处的试验路段进行噪音收集、负荷轮试验、湿轮磨耗试验，并与中值级配微表处(配合比1)进行构造深度、摩擦因数和渗水指标的试验对比验证，结果见表13～16。

表13 车内噪音对比

对比分析上述试验数据，降噪微表处能够有效降低行车噪音，且其构造深度、摩擦因数和渗水系数等各项路面指标均满足路面规范要求。

表14 构造深度对比

表15 摩擦因数对比(路面温度28 ℃±1 ℃)

表16 渗水系数对比

5 结 语

(1)降噪微表处混合料的配合比设计应满足工程施工、路用性能和降噪性能要求。微表处的降噪效果因混合料的配合比组成而异，本文将2.36 mm作为关键筛孔来选择级配，粒径大于2.36 mm的集料作为粗集料，小于2.36 mm的集料作为细集料；且通过调整乳化沥青、水泥及水的用量来研究可拌合时间、降噪效果及性能影响。

(2)通过拌合试验、湿轮磨耗试验和负荷车轮碾压试验，依次确定满足工程施工、路用性能要求的降噪微表处混合料配合比，并通过驻波管法测定不同配合比下微表处混合料的吸声系数，以此确定降噪效果最佳的配合比方案。

(3)通过对京港澳高速降噪微表处试验路段施工前后的多次跟踪检测，并采集路况技术指标，结果表明，试验路段的行车噪音低于60 dB，满足路面规范要求。在此基础上，可以选用向混合料中添加橡胶粉或钢渣等材料对粗骨料进行替换，不仅为后续降噪微表处施工技术的应用打下坚实基础，也为高速公路路面养护技术增加了有效手段。