橡胶改性沥青混合料的降噪性能研究*

张家龙 孟庆宇 彭伟宸 姬小祥

(1.山东省交通规划设计院集团有限公司 济南 250101; 2.河南交通职业技术学院公路学院 郑州 450000;3.绿色高性能材料应用技术交通运输行业研发中心 郑州 450000)

交通噪声分为车辆噪声与胎-路噪声。现有研究对于胎-路噪声防治的方法主要有2类,①改变轮胎规格及花纹样式,以降低轮胎噪音;②改良路面材料,提高路面的吸声、降噪效果。橡胶改性沥青混合料具有高阻尼性、高黏弹性特点,是常用的降噪路面材料[1-2]。相关研究表明,橡胶沥青路面的吸声降噪功能主要来源于橡胶颗粒的弹性变形能力,但是掺入橡胶颗粒后,混合料的结构变化(如空隙率增大、内部连通孔隙增多等)对路面的降噪性能也起到积极作用。因此进一步从橡胶沥青混合料的组成与结构角度出发,研究混凝土参数与橡胶沥青路面路用及降噪性能的关系,并提出各参数的配置范围,推动橡胶改性沥青降噪路面的应用。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1) 粗集料。橡胶颗粒模量小、抗压强度低,为确保混合料形成稳定的骨架结构,粗集料采用强度高、耐磨性好、表面清洁无杂质的玄武岩,各项指标均满足JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》要求。表观密度2.881 g/cm3。

2) 细集料。橡胶颗粒回弹性强、黏聚力较差,混合料压实困难、体积膨胀。因此,细集料宜选择石灰岩。试验所用细集料为0～3 mm石灰岩石屑,表观密度为2.724 g/cm3,各项指标均满足规范要求。

3) 橡胶颗粒。试验用橡胶颗粒为废旧轮胎粉碎处理得到的细胶粉,粒径0.18～0.425 mm,表观密度为1.12 g/cm3。各项指标均满足规范要求。

4) 沥青。沥青与胶粉相容效果决定混合料的各项性能。本文选择常用的70号A级沥青,25 ℃针入度、软化点、15 ℃延度分别为71(0.1 mm)、49 ℃、110 cm,各类指标均满足规范要求。

1.2 试验方法

采用相关研究中的室内轮胎自由下落法[3],测试橡胶沥青混合料的降噪性能。试验胎压0.23 MPa。控制变量为沥青用量、橡胶掺量、4.75 mm筛孔通过率,采用控制单一变量法,分别成型标准车辙板试件。使轮胎从0.65 m高度垂直下落[4],撞击至车辙板试件,利用MPA201声压传感器进行数据收集。

2 橡胶改性沥青混合料降噪性能的影响因素

2.1 沥青用量对降噪效果的影响

相关研究表明,胶粉掺量15%～25%时,橡胶沥青路面的降噪性能较为显著[5]。因此,采用单一控制变量法,以胶粉掺量20%、表1所示的SMA-13级配、沥青用量(5%,5.5%,6%,6.5%,7%),按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求成型标准车辙板试件,开展室内轮胎自由下落试验,结果见图1。

图1 不同沥青用量下的声音频谱图

表1 SMA-13级配

由图1可见,胎-路噪声随着沥青用量增大而减小。当沥青用量由5%增加到7%,声压级下降3.62 dB,计算得衰减系数提高26.66%,效果相当于离声源距离增加1倍,或道路交通量减少50%。超过最佳值后,继续增大沥青用量的效果下降。因为随着沥青用量的增大,表面构造深度逐渐减小,沥青的填充作用导致集料间空隙减小,泵吸噪声增大。在胎-路接触振动噪声的主频段(500～1 000 Hz)内,随着沥青用量的增加,声压级下降明显。

2.2 关键筛孔通过率对降噪效果的影响

试验的筛孔通过率分为5组(26%,28%,30%,32%,34%)。沥青用量6.5%,胶粉掺量20%,成型试件并开展试验。噪声频谱结果见图2。

图2 4.75 mm 筛孔不同通过率下的噪声频谱图

当4.75 mm筛孔通过率从26%提高到34%,声压级增大2.11 dB。这表明随着筛孔通过率的增加,混合料中细集料含量增大,路表构造深度与连通孔隙减小,导致泵吸噪声无法迅速消散。在泵吸噪声主频段(1 000～1 600 Hz),随着4.75 mm通过率的增大,声压级也明显增大,但各组试件在800 Hz附近的振动噪声基本相同。

3 橡胶改性沥青混合料的配合比设计研究

3.1 沥青用量的推荐范围

开展各沥青用量下车辙板的路用性能试验,评价高温稳定性、低温抗裂性、水稳性,结合噪声试验结果,确定混合料沥青用量推荐范围[6]。JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》对SMA改性沥青的要求为:动稳定度≥3 000次,低温弯曲破坏应变≥2 800×10-6,残留强度比≥80%。试验结果见图3(篇幅所限,仅展示沥青用量与声压级、动稳定度、破坏应变、强度残留比的关系)。

图3 沥青用量与路用及降噪性能的关系

从降噪性能角度来看,如图3a),计算五组沥青用量下橡胶混合料的声压级平均值为94.79 dB,以此作为橡胶混合料具备出众降噪能力的标准值。计算声压级94.79 dB对应的沥青用量为6.2%,沥青用量应在6.2%～7.0%的范围内。

从高温稳定性角度来看,如图3b),随着沥青用量的增加,动稳定度表现为先增大后减小的规律,沥青用量较小时,集料表面沥青膜厚度较小,黏聚力较差,导致高温承载力不足;但是沥青用量过大,集料间嵌挤作用下降,动稳定度降低[7]。动稳定度满足要求的沥青用量为5.6%～6.9%。

从低温抗裂性角度来看,如图3c),低温弯曲应变破坏随着沥青用量的增加,表现为先增大后减小的规律,低温破坏应变满足要求的沥青用量为5%～7%。

从水稳定性角度来看,如图3d),随着沥青用量增加,冻融劈裂抗拉强度增大,且增长幅度逐渐减小,随着沥青膜厚度的增大,内部空隙逐渐减小,混合料抵抗水损坏的能力提高[8],强度残留比满足要求的沥青用量为5.8%～7.0%。

综上所述,最佳沥青用量推荐范围为6.2%～6.9%。

3.2 胶粉掺量的推荐范围

开展各胶粉掺量下车辙板的路用性能试验,结果见图4。JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》对SMA改性沥青的要求为:动稳定度≥3 000次,低温弯曲破坏应变≥2 800×10-6,残留强度比≥80%。

图4 胶粉掺量与路用及降噪性能的关系

从降噪性能考虑,见图4a),计算5组胶粉掺量下的声压级平均值为93.46 dB(A),对应的胶粉掺量为19.0%,因此胶粉掺量推荐值为19.0%～24.0%。

从高温稳定性来看,见图4b),动稳定度随着胶粉掺量的增加,表现出先增大后减小的规律,最大值出现在20%附近,满足动稳定度要求的胶粉掺量为17.2%～23.4%。

从低温稳定性来看,试件弯曲破坏应变随着胶粉掺量增加,表现为先增大后减小的规律,最大值出现在22.2%附近。过量胶粉影响集料与沥青黏附,导致内部出现较多微裂缝,降低试件低温抗裂能力满足低温弯曲破坏应变的掺量为16.2%～24.0%。

从水稳定性来看,残留强度比随着胶粉掺量的增加,表现为先增大后减小的规律,过量胶粉导致结构微裂缝较多、空隙增加,在冻融循环下强度下降明显,满足残留强度比的掺量为16.0%～24.0%。

综上,胶粉掺量的推荐范围为19.0%～23.4%。

3.3 4.75mm筛孔通过率的推荐范围

开展4.75 mm筛孔通过率下车辙板的路用性能试验。试验结果见图5(篇幅所限仅展示沥青用量与声压级、动稳定度的关系)。

图5 4.75mm通过率与路用及降噪性能的关系

从降噪性能来看,见图5a),计算5组筛孔通过率下的声压级平均值为93.54 dB(A),对应的筛孔通过率为30.5%,因此推荐的4.75 mm筛孔通过率为26%～30.5%。

从高温稳定性来看,见图5b),动稳定度随着筛孔通过率的增大,表现为先小幅增加然后迅速减小的规律,最大值在29.5%附近,满足动稳定度的筛孔通过率范围为26%～31.9%。

从低温抗裂性来看,试件低温破坏应变随着通过率增加而增大,随着细集料含量提高,胶结料成分增大,混合料低温抗裂性能提高,满足弯曲破坏应变的通过率范围为28.1%～34%。

从水稳定性来看,残留强度比随着通过率的增加而增大,细集料含量增大导致结构内部更加密实,满足强度残留比的通过率范围为26%～34%。

综上,4.75 mm筛孔通过率的推荐范围为28.1%～30.5%。

4 结论

通过室内轮胎自由下落法,研究沥青用量、胶粉掺量、4.75 mm筛孔通过率对SMA橡胶改性沥青降噪性能的影响,并提出配合比设计建议值,结果如下。

1) 随着沥青用量、胶粉掺量的增大,混合料降噪性能提升,振动衰减系数增加,胎-路振动噪声减小。

2) 随着4.75 mm关键筛孔通过率的减小,混合料降噪性能提升,表面构造深度增大,胎-路泵吸噪声减小。

3) 结合橡胶改性沥青混合料的基本路用性能及降噪性能,推荐沥青用量为6.2%～6.9%、胶粉掺量为19%～23.4%、4.75 mm筛孔通过率为28.1%～30.5%。