高粘高弹改性沥青路面混合料对降噪性能的影响研究

孙占峰 崔利功 于安琪 张锐

摘 要：为了探究主骨料公称粒径、级配、沥青品质等因素对密级配降噪型混合料的影响，采用驻波法测定吸收系数并计算降噪指标，评价2因素对混合料降噪性能影响的显著性，并提出路面材料的选择建议。结果表明：沥青整体降噪性能排序大小依次为：PG82高粘高弹改性沥青、PG82高模量改性沥青、PG76改性沥青、普通AC-16C。相比普通AC-16C、PG76、PG82高模量、PG82高粘高弹改性沥青降噪能力分别提高60.1%、77.5%、81.5%。混合料峰值吸声能力受沥青种类的高度影响，基本不受粒径影响。小汽车为主交通的路面，建议选择高粘高弹改性沥青+4.75 mm粒径；
载重汽车为主交通的路面，建议采用高模量改性沥青或者高粘高弹改性沥青+9.5 mm粒径。

关键词：密级配；
沥青混合料；
降噪；
改性沥青；
高粘高弹沥青

中图分类号：TU57+1

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0064-05

Study on the influence of high viscosity and high elastic modified asphalt pavement mixture on noise reduction performance

SUN Zhanfeng，CUI Ligong，YU Anqi，ZHANG Rui

（Heilongjiang Longdu Highway Engineering Inspection Co.，Ltd.，Harbin 150080，China

）

Abstract：In order to explore the influence of nominal particle size of main aggregate，gradation，asphalt quality and other factors on dense gradation noise reduction mixture，the standing wave method was used to determine the absorption coefficient and calculate the noise reduction index. The significance of each factor on the mixtures noise reduction performance was evaluated， and recommendations for road surface material selection were provided.The results showed that the overall noise reduction performance of asphalt was ranked as follows：PG82 modified asphalt with high viscosity and high elasticity，PG82 modified asphalt with high modulus，PG76 modified asphalt，common AC-16C.Compared with AC-16C，the noise reduction capacity of PG76，PG82 modified asphalt with high modulus，and PG82 modified asphalt with   high viscosity and high elasticity was improved by 60.1%，77.5% and 81.5%，respectively.The peak sound absorption capacity of the mixture was affected by the height of asphalt type，but not by the particle size.For cars，it is recommended to select the modified asphalt with high viscosity and high elasticity +4.75 mm particle size;For heavy trucks，it is recommended to use high modulus modified asphalt or high viscosity and high elastic modified asphalt +9.5 mm particle size.

Key words：dense gradation;Asphalt mixture;Noise reduction;Modified asphalt;High viscosity high elastic asphalt

随着道路路面行驶功能不断提升，公众对行车舒适性与降噪性能的要求逐渐提高。在道路预防性养护工作中，加铺薄层是恢复沥青路面性能、降低行驶噪声的常用手段。国内常用的薄层加铺技术，如SMA-8、Novachip、超薄磨耗层等，大多出于提升路用性能的目的，对吸声降噪的兼顾性较差［1］。沥青混合料降噪的途径主要有2个：一是利用开级配设计；
二是选择高质量沥青材料。国内降噪型路面的研究与实践，主要集中于OGFC或Novachip，利用开级配或半开级配混合料的空隙，实现降噪功能。但大空隙混合料施工工艺较为复杂，运营过程中易被灰尘堵塞，影响路面使用寿命，二次养护则增大项目全寿命周期成本。目前，欧美国家发展出一种2～3 cm厚密级配热拌沥青薄层加铺技术，能够较好的兼顾吸声降噪与结构补强功能［2］。为此，本论文开展密级配降噪沥青混合料研究，针对国外常用的3种降噪路面材料（PG76改性沥青、PG82高模量改性沥青、高粘高弹改性瀝青），研究沥青类型、主骨料最大公称粒径（级配）对混合料降噪性能的影响。希望能够为同类研究项目提供借鉴，并推动国内吸声降噪型密级配沥青加铺技术的发展。

1 材料设计

1.1 原材料

试验所用改性沥青为盘锦北方沥青公司生产的PG76及以上品质的高性能改性沥青，粗细集料采用石家庄德泽矿产产品公司生产的玄武岩轧制集料，由于试验采用的级配偏细，对粗集料的针片状含量作进一步要求：3∶1针片状颗粒含量不大于12%，2∶1颗粒含量不大于15，以便混合料兼具一定的抗滑性与空隙率［4］。材料的各项性能均能满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》等规范要求。

1.2 级配

采用主骨料空隙填充法（CAVF法）进行矿料级配设计。CAVF 法能够兼顾主骨料嵌挤结构与沥青砂胶体填充作用，避免集料间的相互干涉［3］。集料配合比如表1所示；
通过马歇尔试验确定的最佳沥青用量为6%。

1.3 试件制作

选择3种沥青：
PG76 SBS改性沥青、PG82高模量改性沥青、PG82高粘高弹改性沥青开展研究。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求，制作标准尺寸车辙板试件。由于驻波管内径小于车辙板尺寸，因此采用内径92 mm钻头对车辙板钻芯取样［9］。

1.4 试验方法

试验采用驻波比法测定各组试件的吸声系数。将芯样四周涂抹硅油后放入驻波管内，使试件与管壁稳固贴合。道路交通噪声主要集中在中低频段与中频段，因此试验设置的噪声测量范围是100～1 980 Hz，能够覆盖各类车辆噪声频率［10］。

1.5 测试指标

结合相关研究［11-15］，选择7项指标评价试件的吸声特征，分别为：（1）峰值吸声系数，代表试件最大吸声系数；
（2）平均吸声系数，代表吸声系数的算术平均值；
（3）峰值吸声频率，代表最大吸声系数对应的入射频率；
（4）全频率吸声效率，代表100～1 980 Hz吸声系数曲线与x轴围成的面积；
（5）交通频率吸声效率，代表250～1 000 Hz曲线与x轴围成的面积；
（6）载重汽车吸声效率，代表600～800 Hz曲线与x轴围成的面积；
（7）小汽车吸声效率，代表800～1 000 Hz曲线与x轴围成的面积。

2 沥青类型对降噪性能的影响

2.1 驻波比试验结果与分析

以沥青用量6%，制作PG76 SBS改性沥青、PG82高模量改性沥青、PG82高粘高弹改性沥青混合料车辙板试件。为了对比降噪效果，另制作国内常见的AC-13C混合料试件作为对照。利用驻波比法测定各组试件的吸声系数，结果如图1所示。

从图1（a）、（b）、（c）可以看出，在最大公称粒径一定时，PG76改性沥青、高模量改性沥青、高粘高弹改性沥青，在200～1 000 Hz（交通噪声主频段）内的吸声系数明显优于AC-13C，表明沥青经过改性后降噪性能明显提升。从图1还可以看出，4种沥青混合料的峰值吸声系数对应的频率均在660 Hz附近，说明沥青路面对660 Hz附近频率的吸声效果最好，这是由沥青自身性质所决定。在600～800 Hz（载重车噪声主频段）内，高模量沥青与高粘高弹沥青的峰值吸声系数差异不大，这表明在该频率内，二者具有相近的降噪效果。这是因为载重交通噪声来源主要是轮胎滚动敲击路面产生的冲击噪声，降噪效果受混合料模量影响较大［6］，而短时重荷载下高模量沥青的劲度模量与高粘高弹的沥青弹性模量相当，因此二者降噪效果相近。

2.2 降噪结果计算指标与分析

根据驻波比法测定的数据，按照沥青种类分类，取平均值汇总计算降噪指标，结果如表2所示。

由表可知，从峰值吸声系数来看，相比AC-13C，PG76改性沥青降噪性能提升60.1%，PG82高模量混合料提升77.5%，高粘高弹混合料提升81.5%。从全频率吸声效率与平均吸声系数来看，高粘高弹沥青的降噪效果最明显，相比AC-13C，提高24.1%。从交通频率（200～1 000 Hz）吸声效率来看，高粘高弹沥青与PG82高模量沥青的差别不大，仅提高2.2%，相比PG76改性沥青提高4.3%，相比AC-13C提高6.0%。表明提高沥青粘韧性与模量，对于吸收交通噪音具有的效果相似。从小汽车吸声效率来看，高粘高弹沥青对小汽车噪声（800～1 000 Hz）的降噪效果最好，相比高模量沥青提高15.8%，相比PG76改性沥青提高13.4%，相比PG普通沥青提高27.9%。这是因为小汽车速度较快，胎-路面振动频率较高，相对位移频繁，而高粘高弹沥青具有较高的韧性与粘性，能够减少胎-路相对位移产生的噪声［7］。从载重汽车吸声效率来看，高粘高弹沥青对载重汽车噪声（600～800 Hz）的降噪效果最好，但与高模量沥青差异不大，相比AC-13C提高超过35%。表明普通沥青在经过增弹处理后，抵抗荷载与变形能力提升，能够有效消减较大荷载对结构的动能量与噪声。

3 最大公称粒径对混合料降噪性能的影响

3.1 驻波比法试验结果与分析

以沥青用量6%，最大公称粒径分别为9.5、8.0、4.75 mm，分别成型3种沥青类型的车辙板试件。驻波管法测定的吸声系数结果如图2所示。

从图2可以看出，同类型沥青试件在不同最大公称粒径下，吸声系数的随噪声频率变化规律差异较小。在噪声频率为200～1 000 Hz时，随着频率增大，吸声系数表现均先增加后减小的规律，峰值吸声系数的对应频率为660 Hz左右。由图2（a）可知，对于高粘高弹改性沥青，9.5 mm与8 mm的峰值吸收系数基本相同，超过4.75 mm峰值系数近6%；
由图2（b）可知，对于高模量改性沥青，9.5 mm与8 mm的峰值吸收系数也较为接近，超过4.95 mm的14.5%。表明对于高性能改性沥青混合料，最大公称粒径的增大有利于混合料降噪性能提高，但粒径达到8 mm后，继续增大粒径对降噪效果的影响较小，此时高性能沥青自身的高韧高弹特性起主要减振降噪作用。由图2（c）可知，對于PG76改性沥青而言，不同最大公称粒径下的吸声峰值、频率-吸声关系大致相同，这表明最大公称粒径的变化对PG76改性沥青降噪性能的影响较小。

2.2 降噪结果计算指标与分析

根据驻波比法测定的吸声系数结果，按照最大公称粒径分类，取平均值汇总并计算6大降噪指标，结果如表3所示。

由表3可知，沥青类型一定时，采用9.5 mm与8 mm的混合料的全频率降噪效果相近，超过4.75 mm近7%。表明8.0 mm与9.5 mm形成的混合料表面构造相对较大，提升了降噪效果。从交通频率吸声效率（200～1 000 Hz）来看，3种粒径下的指标计算值相近，表明粒径对交通频率吸声效率的影响较小，此时降噪效果主要受沥青自身性质影响。从小汽车吸声效率来看，4.75 mm粒径混合料的指标值最优，表明细集料对于小汽车交通噪声（800～1 000 Hz）的降噪效果更好。原因是小汽车交通噪声主要是高速度、小荷载频繁冲击路面以及胎-路相对位移产生的，小粒径下集料与沥青的裹覆性与粘附性能更好，抵抗变形与吸收噪声的能力更优［8］。从载重车吸声效率来看，9.5 mm混合料明显优于8 mm与4 mm。原因在于重载交通下路面的弹性压缩与恢复量较大，形成较多泵吸噪声，而较大粒径混合料的连通空隙多，能够快速疏散轮胎压缩的空气，有效消散噪声。

4 2因素综合分析

4.1 2因素对降噪影响的显著性分析

通过方差分析法，检验沥青种类、最大公称粒径对降噪指标影响的显著性，进而为降噪路面的材料与粒径选择，提供建议。假设2大因素之间交互作用不显著，不随试验次数增加而变化。计算结果如表4所示，其中A因素为沥青种类，B因素为最大公称粒径。

由表4可知，就峰值吸收能力（660 Hz附近）而言，沥青种类对其有高度显著影响，粒径影响不显著；
就全频率（100～1 980 Hz）整体降噪效果而言，沥青种类与最大公称粒径对其都有明顯影响，前者大于后者；
就交通频率（200～1 000 Hz）降噪而言，2个因素的影响均不显著；
（就小汽车频率（800～1 000 Hz）载降噪而言，最大公称粒径有显著影响，沥青种类有一定影响；
就载重车频率（600～800 Hz）降噪而言，沥青种类的影响显著，最大公称粒径有一定影响。

4.2 降噪路面材料的推荐

结合吸声曲线、降噪指标及两因素的显著性分析，建议密级配降噪路面的组合如下，对于交通类型以小汽车为主时，建议选择4.75 mm最大公称粒径，搭配PG82高粘高弹改性沥青。对于交通类型以载重汽车为主时，建议采用9.5 mm最大公称粒径，搭配PG82高模量改性沥青或者PG82高粘高弹改性沥青。

5 结语

（1）混合料的整体降噪性能受到沥青种类和粒径大小的影响，沥青种类影响更显著。整体降噪性能排序大小依次为：PG82高粘高弹改性沥青、PG82高模量改性沥青、PG76改性沥青、普通AC-13C；

（2）沥青改性、增粘、增弹、增韧都可以提高混合料降噪性能，相比普通AC-13C，PG76改性沥青降噪能力提高60.1%， PG82高模量提高77.5%，PG82高粘高弹提高81.5%；

（3）混合料的峰值吸声能力受到沥青种类的高度影响，基本不受粒径影响；

（4）从公称粒径角度分析，4.75 mm粒径的级配对中频段（小汽车）降噪效果好，9.5 mm粒径级配对中低频段（载重车）降噪效果好；

（5）从沥青种类角度分析，高粘高弹改性沥青对中频段（小汽车）的降噪效果最优，高模量改性沥青与高粘高弹改性沥青对中低频段（载重车）的降噪效果好；

（6）对密级配降噪路面的材料选择建议：小汽车为主交通，采用PG82高粘高弹改性沥青+4.75 mm最大公称粒径，载重车为主交通，采用PG82高模量改性沥青或者PG82高粘高弹改性沥青+9.5 mm。

【参考文献】

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