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沥青路面降噪原理及其静音化设计
2023年02月24日    阅读量:48737    新闻来源:《石油沥青》  |  投稿

摘 要

路面材料与结构对缓解交通噪音污染问题具有关键作用。介绍了沥青路面噪声的主要成因,并对现有的主要几种低噪音路面的降噪机理、性能和优缺点等进行了评述;重点论述了橡胶沥青路面的降噪机理及降噪特性;最后,从胶粉和沥青混合料等方面总结了影响橡胶沥青路面降噪性能的多种因素,进一步分析了橡胶沥青难以推广的原因以及解决办法,以期对设计开发结构材料一体化的低噪音沥青路面有指导意义。


关键词 低噪音路面 | 橡胶沥青路面 | 降噪 | 吸声


随着交通事业的迅速发展,城市及其周边道路的交通噪音污染问题也日益严重沥青网sinoasphalt.com。噪音严重影响了人们的生活和健康,据统计,欧洲约有18%-20%的人口深受交通噪音的困扰[1],10%的人口因交通噪音产生了严重的睡眠问题。各种交通噪声中,轮胎与路面作用产生的噪声是主要来源,约占78%,此外,还有10%的空气动力噪声和12%的车辆动力噪声。因此,降低轮胎与路面作用噪声是道路设计的重要目标。


轮胎与路面作用噪声有多种成因,包括振动噪声、空气泵效应和粘附机制等[2]。其中振动噪声是轮胎与路面作用噪声的主要来源,指由轮胎花纹块和路面的不平整度等因素造成轮胎、路面振动产生的噪声[3]。大部分情况下,不同来源的噪声是同时存在的,只是对于不同性质的路面,各种噪声的能量大小对于轮胎及路面总噪声的贡献不同。目前,降低轮胎与路面作用噪声的有效途径之一是铺筑降噪路面。


选择合适的路面材料和结构对铺筑降噪路面具有关键作用。因沥青材料本身阻尼减振的粘弹性质和沥青路面的连续性,相对水泥路面有较好的降噪效果。为提升沥青路面的降噪和各类性能,一些高分子材料被应用于路面建设中,包括环氧沥青、聚氨酯和橡胶等。环氧沥青混凝土强度高、刚度大,具有优良的耐疲劳性能和耐久性,可用于大型桥梁的桥面铺装和高等级公路及城市干道路面,但是养护期较长,成本较高[4];聚氨酯具有高弹性、耐磨耗、吸震性强等优异功能[5],采用聚氨酯作为结合料的路面材料有更强的抗永久变形能力、抗低温开裂能力、抗破坏能力和抗水损害能力[6],但是成本高,耐久性差;橡胶具有优良的弹性和柔性,可以与沥青混合料形成大量相互贯穿的多孔隙网络结构,在声波入射时发生空腔共振吸收声能,并且橡胶沥青混合料的阻尼系数和弹性系数较大,可以衰减轮胎的振动,将振动产生的声能转化为热量等耗散。将废旧轮胎橡胶应用于路面材料中不仅能够有效降低轮胎及路面产生的噪声,而且可以减少环境污染,促进循环经济,对促进国民经济发展、资源的合理利用和环境保护都具有重大意义。


本文对现有的几种低噪音路面的降噪机理及特性进行综述,重点论述橡胶沥青降噪路面的降噪机理和降噪特性,分析影响橡胶沥青路面降噪性能的多种因素及静音化设计,并总结其应用现状和展望未来研究。


1现有的低噪音路面


由于交通噪音污染问题亟待解决,国际上早已开始了对于低噪声路面的研究。现有的低噪音路面主要有三种降噪模式,即多孔吸声模式、声波的漫反射及相互干涉模式和弹性模式,相应的代表性路面为通过多孔隙吸声降噪的多孔沥青路面、有丰富表面纹理的小粒径沥青路面和利用弹性减振降噪的橡胶沥青路面。此外,还有一些新型的降噪路面技术,其中较有代表性的是法昂交通科技有限公司研发的PR沥青路面降噪音技术。


1.1多孔吸声模式


多孔吸声模式是通过提高沥青混凝土的空隙率来吸收噪声,降低行车噪音的一种模式。一般采用空隙率为18%-23%的多孔沥青混合料铺筑路面[7],与普通沥青路面相比,多孔沥青路面对于小型汽车可降低噪音5~8dB,对于载重汽车可降噪约3dB[8];同时,多孔材料的连通孔隙可以加速雨水入渗,提高路面雨天的行车安全。但由于孔隙易受环境污染而堵塞,这种路面的降噪效果衰减较快,使用一年后行车噪音会增加约2dB[9],且维持降噪效果需要的养护成本较高,所以适用范围有限,一般适用于自然环境好且雨水多的地区。


1.2声波的漫反射及相互干涉模式


声波的漫反射及相互干涉模式,是采用空隙率为6%~8%的小粒径的密实性混合料改善沥青路面纹理、降低路面摩擦系数,从而降低行车噪音的一种模式“们。相比于多孔沥青路面,小粒径沥青路面虽然在使用初期降噪效果略差(一般与前者相差1~3dB),但耐久性好,养护过程也非常容易。但这种材料对于路面的抗滑性能要求较高,其中关于构造深度的指标高于目前我国高速公路的相关标准,阻碍了其在我国公路建设中的应用。


1.3弹性模式


弹性模式是将废旧轮胎制成的橡胶颗粒作为集料掺入混合料中,增加路面的弹性以降低行车噪音的一种模式。关于橡胶沥青路面材料的工程应用主要包括多孔橡胶沥青混合料和骨架密实型橡胶沥青混合料。多孔橡胶沥青路面的空隙率一般在20%以上,可以通过孔隙吸声并利用橡胶的弹性增强路面的阻尼减振降噪性能,相比于普通沥青路面可使行车噪声降低5~10dB[11],但因为其孔隙易堵塞,降噪性能衰减较快,所以目前应用较多的是骨架密实型橡胶沥青混合料[12],这种路面的空隙率一般在3%-5%之间[13],可以吸收、耗散轮胎与路面的振动和冲击能量,实现减小空气泵效应和阻尼减振的双重降噪效果,虽然降噪性能比前者略差(较普通沥青路面降噪2~5dB),但是不存在孔隙堵塞问题,具有良好的耐久性和力学性能,易于维修和养护,适用范围更广。


国外对于橡胶沥青路面的降噪性能研究开始较早,并取得了丰富的成果。1981年,比利时科学家首先证明橡胶沥青混凝土具有减噪性能[14],此后,法国、英国、美国、日本等也进行了相应研究,证明橡胶沥青路面相对于普通沥青路面可达到50%-90%的降噪效果;国内的相关研究仍处于试验阶段,2002年,交通部公路院在北京、广东及河北等地铺筑了橡胶沥青材料的试验路,取得了良好的降噪效果[10],但是至今仍未获得推广应用。


1.4新型降噪模式-PR沥青降噪路面技术


法昂交通科技有限公司研发的PR沥青路面降噪音技术是较有代表性的新型路面降噪技术,在普通沥青混合料中掺加PRPHONE®添加剂,并将其应用于沥青混凝土的路面表层,吸收车辆承载挤压沥青混合料产生的摩擦噪音,降低轮胎与路面摩擦产生的噪音和挤压排气造成的反射音。根据实际路段噪音检测结果,在法国里昂城市大道PR沥青路面相对普通路面可使噪声降低6.2dB,在中国上海逸仙路高架上,对于车速50-80km/h的面包车,噪声可降低2.5~2.9dB,对于车速50-80km/h的轿车,噪声可降低5.2~6.0dB,降噪效果良好。


2橡胶沥青路面的降噪原理


2.1橡胶材料的吸声功能原理


橡胶具有高粘弹性和阻尼特性,声波在其中传播时会引起大分子链的热运动,使入射声能衰减,方式主要包括[15]:(1)分子驰豫吸收,声波在介质中传播时,介质的分子振动和声波的传播周期不同步会导致声能的损耗。(2)热传导吸收,由于介质疏密程度不同,各处存在温度梯度,使相邻质点间发生热交换,声能逐渐转化为热量。(3)粘滞吸收,当声波在介质中传播时,介质中质点的不同运动速度导致相邻质点间的相互作用,使声能转化为热量而达到吸声效果。


一般来说,单纯橡胶材料的吸声效果不是十分理想,但是可以通过添加填料改进组成或改进结构等方式来改善。结构改进的主要方式有:(1)渐变过渡结构,即将橡胶材料制成尖劈或尖锥状,使其声学状态逐步过渡,实现阻抗匹配[16]。(2)共振吸声结构,即在橡胶中开设一些孔腔,声波在其中发生共振吸收,达到增强材料吸声性能的目的,这也是橡胶沥青路面中橡胶材料吸声的重要原理。


2.2橡胶沥青路面的阻尼减振降噪原理


振动噪声是轮胎与路面作用噪声的主要成因,因此减振是降噪的重要途径。汽车行驶过程中,轮胎与路面在竖直方向发生一维振动,并因它们的阻尼共同作用而不断衰减,阻尼越大,振动衰减速度越快。在路面材料中加入大阻尼和高弹性的橡胶颗粒,路面在与轮胎作用过程中形变程度增大,振动产生的能量部分因阻尼材料的内部摩擦转化为热量耗散,部分被储存于橡胶分子链中,轮胎离开路面时路面会发生回弹,并将储存的能量释放[17]。据研究,橡胶沥青路面可使轮胎的振动降低为一般情况下的1/10,并能使轮胎辐射的声压级降低约20dB[18]。并且轮胎与路面间的振动幅值越大,路面的减振降噪效果越好[19]。


2.3橡胶沥青多孔路面的吸声降噪原理


根据声学知识,吸声的基本结构主要有瑞利模型和共振吸声模型[20]。这两种结构都依靠材料中的空隙内气体分子间粘滞阻力消耗声波的振动吸声,其中瑞利吸声结构的吸声带较宽;而共振吸声结构的吸声带较窄,且集中于腔体共振频率附近。


橡胶沥青路面的吸声降噪功能,一方面因为橡胶与沥青混合料发生复杂的物化反应,形成大量相互贯穿的网络结构,由于橡胶的弹性,加之橡胶沥青混合料呈现较为松散的多孔隙结构,传到材料表面的声波大部分会通过表面的微小空隙传递到内部,受到空气分子间的粘滞力、空气与空隙壁的摩擦作用进而转化为热能耗散,声波反复传播、耗散达到平衡,实现材料对声能的吸收[21];另一方面,橡胶沥青路面表面具有发达的纹理结构,气流在其内部可向四周扩散,耗散声能的同时减少轮胎与路面之间的空气泵效应,使气泵噪声由高频降为低频,从而达到吸声降噪的效果[22]。


综上,未来橡胶沥青路面的低噪音化的设计原理如图1所示,通过进一步降低路面模量来减少振动;增加橡胶沥青的阻尼层设计来吸收振动;多孔路面的结构设计来减少泵吸作用和提高吸声效果。


沥青路面降噪原理及其静音化设计 沥青网,sinoasphalt.com

3影响橡胶沥青路面降噪性能的因素


橡胶沥青路面的耐久和降噪性能是多种因素共同影响的结果,就材料和结构而言,主要包括与橡胶粉有关的因素和与沥青混合料有关的因素,不同因素对于路面的降噪效果影响程度不同,且各因素间存在一定的相互作用[22]。


3.1与橡胶粉有关的因素


3.1.1橡胶粉的类型


王淞[23]采用六种不同类型的橡胶探究橡胶粉类型对橡胶沥青路面降噪性能的影响,通过测试路面的声压级和声强级发现,在掺量等其他因素相同的情况下,不同类型的橡胶粉制成的混合料的声压级均在80dB左右,即橡胶粉类型对于路面的降噪效果无显著影响。


3.1.2橡胶粉的掺量


相关试验表明,橡胶粉的掺入对于不同级配类型的沥青路面均有一定降噪效果[22]。掺入橡胶粉后的沥青路面具有较好的弹性和阻尼特性,动态模量低于传统的AC路面和SMA路面,并且具有良好的构造深度和表面性能。而橡胶粉掺量是影响路面性能的重要因素。


根据陈磊[24]的研究,胶粉掺量为1%-3%时,随着胶粉掺量的增加,路面的动态模量减小,噪声衰减系数增大,胶粉掺量为3%时路面的减振降噪效果最佳。高明星等[25]实验发现橡胶颗粒掺量在5%范围内时最大平均吸声系数与之呈现良好的线性正相关关系,符合关系式y=2.3864x+5.1305,并且随着掺量增加,吸声系数的峰值也会向高频移动,这说明适当增加橡胶粉掺量可以有效降低行车噪声。但是,当橡胶粉掺量较高时增加掺量会呈现降速放缓的现象,根据王淞[23]的研究,降速放缓的临界橡胶粉掺量约为20.5%。


虽然高掺量的橡胶沥青混合料可增强路面的减振性能,但是杨斌[26]研究发现在沥青用量等其他因素相同的情况下,胶粉掺量增多时路表构造深度几乎不变,相应1000-1250Hz范围内声压级基本一致,说明橡胶粉掺量的增减对气泵噪声不会产生显著影响。


由于不同研究采用的混合料类型不同,关于橡胶粉掺量对路面降噪性能影响的研究成果之间难以对比,且相关研究结果表明,沥青用量对轮胎与路面作用噪声的影响大于橡胶粉的掺量[26],因此在实际设计橡胶沥青混合料配合比的过程中,应综合考虑各种因素。


3.1.3橡胶粉/颗粒粒径


李海军[27]研究发现,橡胶颗粒粒径增大时,骨架密实型橡胶沥青路面的表面构造深度会随之增大,路面的减振降噪性能提高。高明星等[25]对各种路面的降噪能力进行研究,发现大粒径橡胶颗粒的掺入不仅可以有效降低轮胎滚动的振动强度,也能使车辆转向时的振动强度大幅减弱,使振动产生的能量由低频流向中高频。橡胶粉的粒径可通过目数来划分,目数越大则代表橡胶粉粒度越细。高明星等[25]研究发现控制其他因素相同,掺加4目的大粒径橡胶颗粒振动衰减系数和阻尼均为最大。掺加30目、50目和100目的橡胶颗粒所得路面材料衰减系数相近,与掺4目的橡胶颗粒差距较大。


但是,由于增大橡胶粉粒径会增加成本,导致路面的压实难度和施工难度提高,所以在实际工程中确定橡胶粉粒径时还要考虑路面的综合性能及施工情况等,目前橡胶沥青路面的应用主要集中在小于20目的橡胶粉上。


3.2与沥青混合料相关的因素


3.2.1级配类型


沥青混合料根据其所用矿料的级配类型可分为三大类,即开级配、间断级配和连续密级配混合料。沥青混合料的空隙率或构造深度越大,材料的吸声性能越好,因此就降噪效果而言,开级配的多孔橡胶沥青路面最好,间断级配的骨架密实型橡胶沥青路面次之,连续密级配的普通沥青路面最差[22]。不过从路面的整体路用性能来看,骨架密实型橡胶沥青路面最佳[28]。


3.2.2公称最大粒径


随着集料的公称最大粒径减小,轮胎与路面作用噪声也逐渐减小。根据亥姆霍兹空腔共振理论网,较小孔径的孔隙可以吸收耗散更多声能。Meiarashi等[30]的研究表明,公称最大粒径由13.00mm减小至10.0mm,小型汽车的行车噪声会降低1~3dB,轻货车的行车噪音会降低0~1dB,重载货车的行车噪音会降低1~2dB。并且,公称最大粒径还会通过控制路面集料的尺寸、路表纹理和摊铺厚度影响行车噪声水平。


3.2.3关键筛孔通过率


随着沥青混合料筛孔通过率的增加,集料的粗细比会减小,细集料含量整体增加使得路表面的连通空隙减少,轮胎与路面的气泵噪声增大。王淞[23]发现增加关键筛孔为4.75mm的通过率,轮胎与路面作用噪声的声压级和声强级均会随之增加。杨斌[26]在26%-34%范围内改变4.75mm筛孔的通过率,发现沥青混合料的振动衰减系数仅发生不超过0.1的小幅波动,说明改变关键筛孔通过率不会引起路面阻尼性能的显著变化。


3.2.4空隙率和空隙尺寸


研究表明,沥青混合料的空隙率越大,路面的降噪性能就越好。王淞[23]提出,声压级和声强级会随着空隙率的增大而显著降低,满足关系式:y=-0.439x+84.90。并且在空隙率相同时,空隙尺寸越小,其有效表面积越大,声音通过空隙传播时的能量吸收和损失也越大,越有利于提升路面的吸声降噪性能[31]。


4总结与展望


综述了沥青路面的降噪性能研究进展,在分析现有低噪音路面降噪原理和特性的基础上,从结构和功能的角度探讨了沥青路面的降噪机理和影响因素。橡胶沥青路面橡胶沥青材料和表面结构降噪,通过减振、阻尼和吸声降噪来降低行车噪声,影响其降噪性能的因素有很多,首先是路面的结构和混合料因素,其次是材料因素。从路面结构和混合料角度讲,沥青混合料的级配类型、公称最大粒径、关键筛孔通过率、空隙率和空隙尺寸等也会影响路面的降噪性能,一般采用多孔路面设计能明显降低噪音。从橡胶沥青材料角度讲,在一定范围内增加橡胶粉掺量可以提升材料的吸声降噪性能,但掺量高于20.5%会出现降速放缓现象;其次是橡胶粉粒径,粒径越大路面的降噪性能越好,目前工程上应用的多为粒径小于20目的橡胶粉。


将废旧轮胎橡胶应用于路面材料,一方面可以提升路面的降噪性能;另一方面,可以实现橡胶资源的循环利用,减少环境污染,符合我国当下对推动循环经济和绿色发展的要求。但是,橡胶沥青路面的实际工程应用仍存在一些问题,特别是路面松散问题,以及难加工、成本高和有气味等问题。开级配的多孔橡胶沥青路面虽然降噪效果显著,但是孔隙易堵塞造成其耐久性较差,如何延缓其降噪性能的衰减还有待更深入的研究。建议将胶粉深度降解,提高其在沥青中的用量以进一步降低橡胶沥青路面的模量,减小冲击振动,辅以多孔路面结构将有更好的降噪效果,同时也解决路面松散问题。另外,可优化阻尼或减震性能不同的橡胶进行静音化设计。此外,现有的几种低噪音路面主要采用单一结构实现降噪性能,限制了它们的应用范围,两种或多种材料复合的降噪路面结构应是下一步的研究方向。


标签:综合论文技术中心沥青混凝土
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