微表处级配及外加剂对路面行车噪音的影响

孔令云，王 健，罗雅丹

(1. 重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074； 2. 重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074； 3. 重庆交通大学 交通运输学院 ，重庆 400074)

0 引 言

微表处技术起源于稀浆封层技术，同时又优于稀浆封层技术；目前我国已进入道路的养护时代，大量已有的道路面临巨大的养护压力，微表处技术凭借着经济快捷同时利于铺筑的优点，在路面预防和养护中被广泛应用；它能够延长道路的使用寿命，降低寿命周期使用成本，为我国高速公路的养护提供了极大的便利，得到了道路行业的广泛认可[1-3]。但是由于噪声的存在，极大地限制了微表处技术的推广。根据统计数据，我国城市环境平均噪声为55.33 dB(A),而交通的平均噪声为65.95 dB(A)[4]。针对微表处高噪声产生的原因，科研工作者分别从沥青的种类、含量、集料种类、微表处混合料空隙率的大小、级配的粗细以及外加剂种类(如掺橡胶粉，纤维等)等方面进行了探讨[5-8]。微表处室内研究尚在起始阶段。曹丽萍等[9]提出基于湿轮磨耗仪的微表处混合料室内噪声测试方法；孙晓立等[10]开发了微表处噪声测试系统。笔者提出了由课题组自主研发的噪声测试系统，结合室内加速加载试验平台，分别从外加剂种类和级配的粗细出发，研究微表处噪声产生的原因，从而为微表处减噪提供新思路。

1 原材料及其技术性能

1.1 改性乳化沥青

试验中所选用的SBR改性乳化沥青检测指标见表1。根据表1可得出改性乳化沥青的各项指标满足《微表处和稀浆封层技术指南》的技术指标。

表1 微表处乳化沥青试验结果及技术要求Table 1 Experimental parameters and technical indexes of emulsified asphalt at micro-surface

1.2 矿 料

本试验采用矿料包括0～3 mm石灰岩、0～3 mm玄武岩、3～5 mm玄武岩和5～10 mm玄武岩等4档，矿料筛分结果见表2。

表2 筛孔通过质量百分比Table 2 Mass percentage of screen holes passing through %

1.3 纤 维

纤维具有强度高，耐久性好，耐腐蚀性高等优点；加入进混合料之中可以起到加筋补强的作用；笔者取5 mm长度的玻璃纤维，掺入量为纤维微表处混合料的0.2%。

1.4 橡胶粉

橡胶沥青具有高温稳定性，低温柔韧性，抗老化，抗疲劳等特性；文中的橡胶粉为回收废旧轮胎打碎而成，粒径为80目，掺量为混合料的1.5%。

1.5 微表处混合料级配

依照《微表处和稀浆封层技术指南》推荐MS-3型两种级配， 级配曲线见图1～图2。

图1 级配Ⅰ曲线Fig. 1 Gradation Ⅰ design curve

图2 级配Ⅱ曲线Fig. 2 Gradation Ⅱ design curve

2 微表处室内噪声测试平台

微表处路面噪声室内测试平台糅合了小型加速加载试验机及课题组自主研发的噪声测试系统两部分。噪音计采用型号为AR844的希玛噪音计，加速度传感器采用型号为Lpms-USBAL2的小型轻量9轴姿态传感器，数据采集卡采用型号为USB-1208FS-PULS的数据采集卡，信号采集利用USB-1208FS-PULS的配套软件Instacal，信号处理采用Visual basic语言编写而成DACS数据处理软件将收集到的数据信号在DACS中集中展现出来。

2.1 路面功能加速加载试验系统

采用小型加速加载试验机为试验平台来模拟路面与轮胎间的相互作用，见图3[11]。

图3 小型加速加载试验机Fig. 3 Small accelerated loading machine

2.2 噪声测试系统

微表处路面噪声测试装置及测试数据采集系统，由重庆交通大学道路实验室研发，工作原理见图4。

图4 噪声测试系统原理Fig. 4 Schematic diagram of noise test system

噪声计和加速度传感器是将原始声波或加速度值转化为可存储的信号，然后再由数据显卡将存储的信号转化为数据的形式显现出来；最后再根据显现出来的数据信号进行数据的处理，从中提取出路面需要的数据。

3 微表处路面噪声测试试验

3.1 微表处混合料室内噪声的试验设计

根据《微表处和稀浆封层技术指南》[12]中的规定来确定微表处的级配(详见1.5节)；采用普通硅酸盐水泥作为养护载体以消除车辙产生的影响，每次的试件为8个，5组试验分别为级配Ⅰ(MS-3)、级配Ⅱ(MS-3)、纤维微表处、橡胶微表处、AC-13； 参照JTG40—2004《公路沥青路面施工技术规范》和JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》采用轮载碾压法，制备成型AC-13车辙试件。

试验条件设置为：单独密闭实验室内，真空轮胎(胎压0.25 MPa)，转速0.83 r/s,温度控制为25 ℃，荷载为42.6 kg,试件高度10 mm,长宽为30 cm×30 cm，成型后试件见图5，试件铺设位置见图6。

图5 成型后试件 Fig. 5 Specimen after molding

图6 试件铺设位置Fig. 6 Laying position of specimen

3.2 室内噪声测试方法

1)由于机器本身在运转过程中会产生噪音，为降低机器噪音对本试验造成的影响，在进行试验前需要先测试机器本身产生的噪声，测定空载条件下机械转动的噪声值。

2)分别测定自重和自重加钢板配重2种条件下噪声值与振动加速度值。

3)按照图6将试件摆放完毕后测定加载钢板及自身牵引转头路面噪音，同时加上钢板配重及自重，测定此时的路面噪声值及轮胎振动加速度值。

4 微表处路面噪声测试试验结果分析

4.1 噪声测试结果与分析

加速加载测试验依次测得路面噪声结果见图7，其中微表处噪声分为机械噪音和其他噪音。

由图7可知，试验采用的加速加载仪器在使用过程中产生的机械噪音占微表处噪音的比例达到89.5%-93.5%，而测得的噪音本身变化幅度极小，且不随试验时间的增加而出现较大波动，过高的机械噪音占比大大影响了最终数据的精确性。基于本试验结构而言，采用加速加载试验的室内噪声系统不能用来分析路表构造因素对微表处高噪音的影响。为此，笔者后续采用检测振动加速度的方法进行试验。

图7 路面噪声测试结果Fig. 7 Road noise test results

4.2 振动加速度测试结果与分析

采用振动加速度指标分析路表构造因素对微表处噪声的影响，路面微表处振动加速度见图8。

图8 路面微表处轮胎振动加速度Fig. 8 Acceleration of tire vibration at the micro-surface of the road surface

根据图8中的轮胎振动加速度可得出：

1)AC-13微表处的振动加速度是最小的，无论是规范推荐的MS-3，还是外加的橡胶和纤维微表处都比AC-13要高；因此试验材料的路表纹理构造不同，对振动加速度有着较大影响。

2)比较级配I与级配II可知，级配越细，粗集料的骨架越密集，路面的构造深度会发生改变，进而影响到轮胎振动加速度。

3)试验过程中观察发现，随着试验时间的增加，测得的振动加速度数据较稳定，波动范围较小。

4)当加入不同的外加剂，对于轮胎振动加速度影响值的影响也是不同的：橡胶微表处振动加速度高达300.34 m/s2，比纤维微表处振动加速度的282.69 m/s2高出17.65 m/s2；表明橡胶微表处比纤维微表处的减振动效果要差。李薇等[13]的研究发现橡胶颗粒对混合料具有较好的降噪效果，但是在数据中橡胶微表处振动加速度值反而是最高的,这是由于采用混合料中橡胶粉的掺量过小(1.5%)，用作对照试验的时候无法对混合料的降噪性能产生明显的影响。

5 结 论

笔者通过自主研发的噪声测试系统，研究了微表处级配、外加剂类型对行车噪音的影响，主要结论如下：

1)室内噪声测试试验中的机械噪声所占比例太大，对于试验的准确性造成影响，所以在试验中，采取分析振动加速度值来研究级配及外加剂对微表处路面噪声的影响。

2)以级配Ⅰ为基准，对照级配Ⅱ，试验发现级配越细，微表处路面的振动加速度值显著减小；可见混合料级配对于微表处路面的噪声有着影响，级配越细，噪声越低。

3)比照噪声值和振动加速度变化值，发现数值的变化始终在一定的波动范围内，不随时间的增加而增长。

综上可知，橡胶微表处及纤维微表处均能减少噪音。在传统微表处中橡胶颗粒可以产生多孔结构，从而起到吸收噪声的作用，同时橡胶颗粒本身的阻尼较大，可以将轮胎和路面接触产生的能量迅速消耗。因此，在实际工程中采用较细的级配或添加外加剂均能有效减少路面行车噪音。