UTAC加铺技术在隧道降噪中的应用*

李智， 孟繁诚

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510641)

目前，改善较长隧道(>200 m)行车噪音问题突出而迫切。开级配OGFC、超薄排水磨耗层或半开级配NovaChiP是较常见的降噪技术方案，但由于其空隙率较大，容易被杂物堵塞导致降噪性能衰减较快，常导致其使用寿命显著缩短；其二次养护技术也不够理想，在路用性能下降严重时，大多数情况下选择铣刨重铺，造成资源浪费。探索密级配加铺技术方案可能更具技术优势。

密级配加铺技术降噪面临3个关键技术问题：一是确立降噪级配设计方法；二是获得更大的矿料间隙率VMA，实现更大沥青用量设计；三是选择优质沥青胶结料，合理提高路面柔韧性。徐显炼、李世伟将UTAC-10(Ultra-Thin Aphalt Concrete)运用于隧道水泥路面，在材料设计、施工工艺和路用性能等方面开展了相关研究。王旭东、盛飞等通过对UTAC-8、SAC、SMA等不同类型级配的对比分析，得出细粒式密实型沥青混合料的降噪效果较好。李智勇对橡胶粉沥青混合料性能进行研究，指出其可提高路面阻尼，减弱噪音。密级配薄层沥青加铺技术具有一定降噪效果，但在降噪级配设计方法方面的研究较弱，关于沥青品质及沥青用量对密级配降噪性能影响的研究也较缺乏。为此，该文主要针对材料设计阶段，采用间断级配设计理念，采用主骨料空隙填充法(CAVF)进行密级配薄层沥青砼UTAC-10级配设计，并通过室内外试验对其降噪性能进行检验。

1 试验方案设计

轮胎与路面相互作用产生的噪声机理相对复杂，级配组成特性、集料粒径、沥青种类等都影响UTAC路面的降噪性能。为更好地分析这些因素对降噪性能的影响，采用室内和室外试验相结合的方法进行评价。

1.1 因素选择

(1) 级配。选择UTAC-10，同时以广东省养护项目中常见的GAC-16C作为对比。

(2) 最大粒径。结合上述级配因素，选择9.5和19 mm 2种粒径。

(3) 沥青。采用改性沥青，分别为PG76、PG82、高黏高弹沥青，通过提高沥青的模量或黏韧性提高路面的柔韧性，减弱轮胎对路面的冲击噪音。

1.2 降噪试验评价设计

室内试验采用驻波比法，按照GB/T 18696.1-2004《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第1部分：驻波比法》的相应要求进行测量。试验温度为室温，采用成型φ150 mm旋转压实试件后取芯的方法，试件尺寸为φ96 mm×62.3 mm～φ96 mm×64.8 mm。每组试验取6组平行试件进行测试，以平均值作为试验结果。

室外试验选用汽车车内噪音测量方法，按照GB/T 18697-2002《声学 汽车车内噪声测量方法》的相关要求进行测量。测量时段为15:00—17:00，在平均气温30 ℃、无阴雨天气的条件下进行，以相应路段车内噪音的A计权声级作为试验结果。

2 基于CAVF法的级配设计

CAVF法设计理念突出了混合料的主骨架结构，并兼顾了集料骨架的相互干涉因素和沥青砂胶体的填充主骨架空隙作用，通过测量主骨架矿料的空隙率确定粗细集料和沥青用量之间的比例，使主骨料充分形成嵌挤结构的同时，保证沥青砂胶体充分填充主骨架间隙。

粗细集料比例按式(1)、式(2)控制，满足式(3)则认为粗集料之间形成了良好的骨架结构。

qc+qf+qp=100%

(1)

(2)

VCAmix≤VCADRC

(3)

式中：qc、qf、qp、qa分别为粗集料、细集料、矿粉和沥青的质量百分数；γs为粗集料的紧装密度；VCADRC、VVS分别为捣实状态下粗集料骨架空隙率和混合料设计空隙率；γf、γp分别为细集料和矿粉的表观密度；γa为沥青密度；VCAmix为沥青混合料的粗集料骨架空隙率。

基于CAVF法开展UTAC-10级配设计，拟定UTAC-10的目标空隙率VVS=4.5%，粗集料质量百分数qc=73.8%，细集料质量百分数qf=18.7%，矿粉用量qp=7.5%，沥青用量qa=6.0%，并测得VCAmix=35.5%，VCADRC=42.0%，满足式(3)，认为粗集料之间已形成良好的骨架结构。UTAC-10的级配设计结果见表1。GAC-16C选用广东省某项目的生产配合比。

表1 沥青混合料级配设计结果

2.1 降低最大粒径

将UTAC-10最大粒径降低至9.5 mm，以减小轮胎对路面的冲击振动噪音，同时有利于减小加铺厚度。

2.2 间断级配设计

考虑到级配干涉效应，间断2.36 mm颗粒，以改善路表构造的连通性。UTAC-10的2.36 mm分计筛余比例为6.5%，GAC-16C的2.36 mm分计筛余比例为8.2%。UTAC-10的粗集料选择4.75～9.5 mm颗粒。实际生产阶段使用5～9.5和0～3 mm两档规格料，不采用3～5 mm规格料。

2.3 VMA

提高VMA获得较大的沥青用量，使沥青混合料采用更多的胶结料，从而更好地提高路面柔韧性，改善轮胎与集料颗粒之间的冲击作用。实测UTAC-10级配的VMA达到17.5%，沥青用量为6.0%；GAC-16C的VMA为15.5%，沥青用量为4.8%。相比普通AC类混合料，采用CAVF法设计的级配的VMA显著提高。

根据JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》在OGFC混合料配合比设计中确定沥青膜厚度的方法，测得UTAC-10的集料比表面积总和为5.78 m2/kg、沥青膜厚度为9.51 μm，GAC-16C集料比表面积总和为5.03 m2/kg、沥青膜厚度为8.84 μm(见表2)。

表2 沥青膜厚度计算

3 室内降噪性能试验

采用驻波比法对UTAC-10进行室内降噪性能评价。

3.1 驻波比试验原理

吸声系数可用于评价材料的吸声能力，用α表示，其定义如下：

(4)

式中：E入为入射波的声能(dB)；E反为反射波的声能(dB)；E吸为吸收的声波声能(dB)。

根据式(1)，入射波能量一定时，α越大，反射波的能量越少，被材料吸收的能量越多，材料的吸声能力越强。

驻波比法通过扬声器发出的入射正弦声波和由试件反射声波叠加形成驻波，再通过测量声级差换算驻波比和吸声系数。吸声系数计算公式为：

(5)

式中：ΔL为声压极大值和极小值之间的差值。

3.2 试件优化设计

由于驻波管的内径尺寸为96 mm，标准马歇尔试件的直径为101.6 mm，需对试件尺寸作调整。为避免因击实功变化导致的系统误差，试件成型采用成型φ150 mm旋转压实试件后取芯的方法。取芯过程保持连贯不卡顿、试件固定不动，以保证试件的形状、尺寸符合要求。同时在被取芯的试件下方固定一块刚度较大的垫板防止形成凸边。

该方案的优点在于：1) 用钻芯法可使材料与驻波管内壁更贴合，内部空间截面较一致、均匀，密封性较好；2) 节约经济成本和时间成本；3) 既满足试验规程中试件成型要求，又满足驻波比法中声学试验要求；4) 可较方便地在试验段中进行取芯和检测，能较好地与工程实践相结合。

3.3 试验结果

UTAC-10的沥青用量为6.0%，沥青选用高温等级为PG82、PG76的SBS改性沥青及高黏高弹改性沥青。GAC-16C的沥青用量为4.8%，沥青选用高温等级为PG82的SBS改性沥青。不同沥青混合料的吸声系数见表3、图1。

由表3、图1可知：1)整体上UTAC-10在峰值频率范围内的吸声系数峰值大于GAC-16C，其中UTAC-10(PG82)的峰值吸声系数比GAC-16C(PG82)高20%左右，说明频率500～800 Hz范围内UTAC-10的吸声能力优于GAC-16C。UTAC-10(PG82)和GAC-16C(PG82)吸声系数的平均值相差不大，更加说明UTAC-10(PG82)对于中低频噪音具有突出的吸声效果。2) 同种UTAC-10级配下，PG82沥青和高黏高弹沥青的吸声系数峰值优于PG76沥青5%左右，说明提高沥青模量或黏韧性可增强混合料的降噪能力；高黏高弹沥青的吸声系数平均值优于PG82沥青，PG76沥青最差，说明高黏高弹改性沥青在频率100～1 980 Hz范围内的吸声效果更具优势。

表3 沥青混合料的吸声系数

图1 不同沥青混合料吸声系数的峰值和平均值比较

4 工程应用

2019年8月，在广东合水、大路岗、龙祖山等隧道先后铺筑UTAC-10试验段。沥青采用广州新粤沥青有限公司生产的PG82 SBS改性沥青，沥青用量为5.8%，粗集料采用河源紫金芙蓉石场生产的5～10 mm碎石，细集料采用该石场生产的0～3 mm机制砂。施工过程及级配效果见图2。经过1年多的通车，该UTAC-10罩面路用性能良好。

图2 UTAC-10试验段施工过程及级配效果

实测隧道内UTAC-10的噪音水平为58.5～62.5 dB，邻近路段GAC-16C路面的噪音水平为62～67 dB，未罩面水泥路段的噪音水平为64～69.5 dB，UTAC-10可降低路面噪音3～6 dB，能力优于GAC-16C罩面。

5 结论

基于隧道降噪需求及广东省高温多雨的气候特点，针对密级配混合料的降噪性能开展UTAC-10降噪技术研究。主要结论如下：

(1) UTAC-10的最大粒径降低至9.5 mm，4.75 mm通过率约28%，间断2.36 mm颗粒。在目标配合比设计阶段，不采用3～5 mm规格料，仅采用5～9.5 mm作为粗集料。施工期间尽可能少用2.36 mm集料对应的热料仓集料，控制2.36 mm的分计筛余比例，实现理想的断级配设计效果，使其抗滑构造更丰富、更均匀，降低泵吸噪音。

(2) 采用CAVF法提高UTAC-10的矿料间隙率和沥青用量，UTAC-10的VMA为17.5%(比GAC-16C高2%左右)，沥青用量为6%(比GAC-16C高1.2%左右)，进而提高UTAC-10的黏韧性，降低轮胎与路面之间的低频冲击噪音。

(3) 驻波比试验结果表明，UTAC-10在500～800 Hz的吸声效果比GAC-16C更好，提高沥青模量或黏韧性可有效吸收噪音。

(4) 实际工程噪音测量结果表明，UTAC-10可有效降低路面噪音，实测UTAC-10的噪音水平为58.5～62.5 dB，相比邻近的水泥路面和GAC-16C罩面路段，噪音降低3～6 dB。