抗滑阻燃瀝青路面降噪性能的研究與應(yīng)用＊

丁慶軍 徐 敏 黃紹龍 劉祖國(guó) 黃 躍 胡曙光

（武漢理工大學(xué)材料學(xué)院1） 武漢 430070） （武漢市城市高速出口公路指揮部2） 武漢 430345）

抗滑阻燃瀝青路面（NAFA）不但有好的路面抗滑性能和優(yōu)異的防火阻燃功能，而且具有吸收路面噪聲，消除輪胎泵浦效應(yīng)，降低路面噪聲的功能，是解決道路噪聲污染的重要途徑之一.筆者利用吸聲系數(shù)法研究了 NAFA－13，SMA－13，AC－13C3種路面材料的降噪性能，并于2007年8月在武漢－英山高速公路（諶家磯段）K7＋550～K7＋960右幅鋪設(shè)抗滑阻燃瀝青路面試驗(yàn)路段（左幅為原AC－13C設(shè)計(jì)方案作為對(duì)比研究路面），通過路面噪聲測(cè)試對(duì)抗滑阻燃路面的降噪性能進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)價(jià).

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用湖北國(guó)創(chuàng)高新材料股份有限公司生產(chǎn)的阻燃高粘改性瀝青，其性能指標(biāo)見表1；石料選用湖北黃陂玄武巖；纖維為深圳海川工程科技有限公司生產(chǎn)的聚酯纖維.

1.2 試驗(yàn)方法

目前評(píng)價(jià)道面材料降噪性能的主要方法是吸聲系數(shù)法［1］，即材料吸收的聲能與入射到材料的總聲能的比值［2］，見式（1）

表1 阻燃高粘改性瀝青主要性能指標(biāo)

式中：α為材料的吸聲吸收，%；Eα為材料吸收的聲能；Ei為入射總聲能.

通常在測(cè)量材料的吸聲特性時(shí)，可采用管測(cè)法和混響室法［3］.管測(cè)法又有駐波管法和傳遞函數(shù)法.為了更能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)瀝青路面的降噪性能，本文同時(shí)采用駐波管法和混響室法測(cè)試路面材料的吸聲系數(shù).

1.2.1 駐波管法 駐波管法測(cè)量聲音正入射時(shí)的吸聲系數(shù)，聲音入射角度僅為90度.駐波管法所用儀器為Awab122型智能電聲測(cè)試儀.駐波管測(cè)量的設(shè)備，應(yīng)由駐波管、聲源系統(tǒng)、探測(cè)器及指示部分裝置等部分所組成［4］，如圖1所示.

圖1 駐波管測(cè)量設(shè)備

1.2.2 混響室法 混響室法測(cè)量聲音無規(guī)入射時(shí)的吸聲系數(shù)，即聲音由四面八方射入材料時(shí)能量損失的比例［5］.混響法所用設(shè)備是B＆K4417型建筑聲學(xué)測(cè)量?jī)x、B＆K4190型傳聲器、B＆K型前置放大器，混響室的體積大于200m3.

混響法測(cè)量無規(guī)則入射吸聲系數(shù)的方法是：先測(cè)定混響時(shí)間，應(yīng)測(cè)量空室混響時(shí)間和放入材料的混響時(shí)間，即對(duì)以下中心頻率的1／3倍頻程序列進(jìn)行測(cè)量：100，125，160，200，250，315，400，500，630，800，1000，1250，1600，2000，2500，3150，4000，5000.吸聲系數(shù)由各頻段的混響時(shí)間應(yīng)按下式［6］計(jì)算.

式中：αs為混響室法吸聲系數(shù)，αs可能大于1，因此不以百分?jǐn)?shù)表示；V為混響室體積，m3；S為試件面積，m2；C為空氣中聲速，m／s；T60－1為未放入試件前的混響時(shí)間，s；T60－2為放入試件后的混響時(shí)間，s.

1.3 材料制備

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40－2004），設(shè)計(jì)礦料級(jí)配，見表2.

表2 3種路面材料的礦料級(jí)配

采用SBS改性瀝青作為膠結(jié)料，根據(jù)表2設(shè)計(jì)的級(jí)配確定最佳油石比制備NAFA－13，SMA－13，AC－13C瀝青混合料.并分別測(cè)定其路用性能列于表3.

表3 3種瀝青路面材料路用性能測(cè)試

3種瀝青路面材料的各項(xiàng)路用性能測(cè)試結(jié)果均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40－2004），完全滿足工程施工要求.

2 結(jié)果和討論

2.1 駐波管法測(cè)試結(jié)果

汽車行駛時(shí)輪胎與路面相互作用的噪聲，其峰值頻率對(duì)于小汽車為800～1 200Hz，對(duì)于載重汽車為600～800Hz［7］，筆者測(cè)試了材料在400～1 300Hz范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)，利用吸聲系數(shù)頻率特性曲線描述材料在不同頻率上路面材料的吸聲性能.吸聲系數(shù)曲線見圖2，三種材料的平均吸聲系數(shù)與峰值吸聲系數(shù)列于表4.

表4 路面材料的平均吸聲系數(shù)和峰值吸聲系數(shù)

2.2 混響室法測(cè)試結(jié)果

混響室法測(cè)定NAFA－13吸聲系數(shù)，吸聲系數(shù)曲線見圖3，降噪系數(shù)見表5.

圖2 路面材料的吸聲系數(shù)

表5 NAFA－13的降噪系數(shù)

圖3 NAFA－13的吸聲系數(shù)

2.3 討 論

駐波 管 測(cè) 試 的 結(jié) 果 表 明，AC，SMA 和NAFA都有一定的吸聲降噪功能，不同的瀝青混合料對(duì)于不同頻率聲波的吸收效果不同，AC－13C在高噪頻區(qū)域的吸聲效果較好，對(duì)于900Hz以上的高頻聲波保持著約0.30的吸聲系數(shù)；與AC－13C相比，SMA－13的整體吸聲性能好，平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.24以上，較AC－13C提高了約0.02，但是SMA－13對(duì)于低噪頻區(qū)域的吸聲效率更為優(yōu)越，在800Hz的吸聲系數(shù)峰值達(dá)到0.40以上；NAFA的吸聲系數(shù)是3種路面材料中最好的，其平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.40以上，提高了近一倍，在測(cè)試的噪頻區(qū)域內(nèi)，NAFA－13基本保持了在0.30以上的吸聲系數(shù)，在高噪頻區(qū)域的吸聲系數(shù)保持在0.40以上，峰值吸聲系數(shù)高達(dá)0.67.由于實(shí)驗(yàn)方法的差異，混響室法測(cè)試的結(jié)果與駐波管法測(cè)試的數(shù)據(jù)并非完全吻合，但大體反應(yīng)的趨勢(shì)基本相同.混響室法所測(cè)的NAFA－13平均吸聲系數(shù)為0.45，在測(cè)試的噪頻區(qū)域內(nèi)，NAFA－13同樣保持了0.30以上的吸聲系數(shù)，在高噪頻區(qū)域的吸聲系數(shù)保持在0.50以上，峰值吸聲系數(shù)高達(dá)1.00.可見NAFA的吸聲性能遠(yuǎn)優(yōu)于SMA與AC，是一種性能優(yōu)良的降噪瀝青路面材料.

只有材料的孔隙對(duì)表面開孔，孔隙連通，且孔隙深入材料內(nèi)部，才能有效吸收聲能［8－9］.瀝青混合料的孔隙率包括連通孔隙、半封閉孔隙和全封閉孔隙.前兩個(gè)孔隙對(duì)降噪起作用故稱為有效孔隙，有效孔隙率越大，峰值吸聲系數(shù)也越大，兩者呈線性關(guān)系［10］.3種路面材料中NAFA的有效孔隙率最大，峰值吸聲系數(shù)也最大.由此，3種路面材料中有效空隙率最高的NAFA具有更為優(yōu)良的吸聲性能，而SMA采用斷級(jí)配設(shè)計(jì)，路面的表面構(gòu)造發(fā)達(dá)，存在大量半開口孔隙，所以SMA的吸聲降噪性能優(yōu)于AC混合料［11］.

另外，瀝青混凝土路面構(gòu)造是一種隨機(jī)構(gòu)造，但研究者將沿車道方向的表面構(gòu)造斷面形狀看作一種波譜，進(jìn)而可簡(jiǎn)化為正弦或余弦波.德國(guó)研究者認(rèn)為隨著構(gòu)造波長(zhǎng)的減小和波幅的增加，聲學(xué)效果會(huì)改善.因?yàn)檫@種構(gòu)造可減小輪胎的振動(dòng)并形成有吸收噪聲或反射噪聲效果的多孔表面.根據(jù)這個(gè)原理，低噪聲路面結(jié)構(gòu)構(gòu)造深度大、空隙多的瀝青混凝土表面.總之，NAFA是一種開級(jí)配設(shè)計(jì)的多孔隙結(jié)構(gòu)的瀝青路面材料，有效孔隙率多，表面構(gòu)造發(fā)達(dá)，吸聲降噪效果明顯好于SMA與AC瀝青路面材料.

3 工程應(yīng)用研究

3.1 測(cè)試方法

2007年8月，課題組在武漢－英山高速公路（諶家磯段）K7＋550～K7＋960段鋪設(shè)NAFA試驗(yàn)路段，參照文獻(xiàn)［12］進(jìn)行路面噪聲的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試.測(cè)試分為車外噪聲測(cè)試和車內(nèi)噪聲測(cè)試兩部分，車外測(cè)試主要考察車輛行駛過程中對(duì)沿線環(huán)境造成的噪音污染狀況，如圖4所示，測(cè)試話筒設(shè)置在距測(cè)試車輛行駛中心7.5m，距地面1.2m處，在前后10m的區(qū)域內(nèi)測(cè)試車輛必須以測(cè)試速度勻速行駛，測(cè)試時(shí)要求四周50m內(nèi)無大型的建筑物和噪聲源.采用DT－8852型噪音計(jì)進(jìn)行測(cè)量并采集測(cè)試車輛行駛通過測(cè)試點(diǎn)的噪聲最大值，測(cè)試車輛選取北京現(xiàn)代途勝越野車（小型車）和東風(fēng)勁諾140卡車（重型車），測(cè)試速度分別為50，80和100km／h.

車內(nèi)噪聲測(cè)試主要考察車輛行駛過程中對(duì)于車內(nèi)環(huán)境的影響，車內(nèi)噪聲污染會(huì)嚴(yán)重影響司機(jī)及乘車人員的心情，造成交通安全隱患，車內(nèi)噪聲測(cè)試話筒設(shè)計(jì)如圖5所示，噪聲計(jì)測(cè)試檔位為快檔（時(shí)間響應(yīng)125ms），測(cè)試車輛為北京現(xiàn)代途勝越野車（小型車），分別測(cè)試車輛在50，80和100 km／h勻速行駛狀態(tài)下的噪聲均值，勻速行駛噪聲采集時(shí)間必須在100s以上，并且無外部噪聲影響.

圖4 車外噪聲測(cè)試示意圖

圖5 車內(nèi)噪聲測(cè)試示意圖

3.2 車內(nèi)噪聲測(cè)試

分別測(cè)試北京現(xiàn)代越野車和東風(fēng)重型卡車在不同時(shí)速下的外部噪聲水平，計(jì)算NAFA瀝青路面的降噪水平，測(cè)試及計(jì)算結(jié)果列于表6，路面的噪聲水平見圖6.

表6 試驗(yàn)段車外噪聲測(cè)試結(jié)果

圖6 車外噪聲測(cè)試降噪水平曲線

研究發(fā)現(xiàn)，抗滑阻燃瀝青路面NAFA的降噪水平明顯優(yōu)于AC－13C路面，在100km／h的時(shí)速下分別較低4.7dBA和3.6dBA，同時(shí)NAFA路面的降噪性能與車型、車速密切相關(guān)，車輛行駛速度越高，降噪效果越好，小型車的降噪效果明顯好于重型卡車，分析認(rèn)為，車輛行駛的噪聲可以分為車體自身噪聲、輪胎與路面的泵浦效應(yīng)兩部分，車體自身噪聲主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱、排氣管及車身等振動(dòng)產(chǎn)生，抗滑阻燃路面NAFA－13的吸聲性能明顯優(yōu)于AC－13C，特別是在小汽車噪頻率800～1200Hz區(qū)域，NAFA的吸聲效果更為優(yōu)良，所以NAFA對(duì)于小型車的降噪效果好于重型車.另外，車輛高速行駛時(shí)，輪胎與路面間的泵浦效應(yīng)劇烈，而抗滑阻燃路面粗糙的表面及大量的連通空隙可以有效消除泵浦效應(yīng)，降低路面噪聲，小型車的車況較好、時(shí)速一般很高，所以泵浦效應(yīng)強(qiáng)烈，抗滑阻燃瀝青路面NAFA的多孔結(jié)構(gòu)有利于泵浦效應(yīng)的消除，而重型車的車況較差，車輛振動(dòng)噪聲及發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲都遠(yuǎn)高于小型車，是主要噪聲源，而抗滑阻燃瀝青路面在重型車噪聲頻率區(qū)域（600～800Hz）的吸聲降噪能力相對(duì)有限，所以在同時(shí)速狀態(tài)下，抗滑阻燃瀝青路面對(duì)重型車的降噪效果差于小型車.

3.3 車內(nèi)噪聲測(cè)試

對(duì)測(cè)試車輛在不同時(shí)速行駛過程中車內(nèi)的噪聲進(jìn)行采集檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果列于表7.

表7 車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，車輛在勻速行駛過程中的車內(nèi)噪聲明顯低于車外噪聲，NAFA瀝青路面同樣具有很好的降低車內(nèi)噪聲的效果，并且隨著車速的提高，降噪效果越好，在時(shí)速100km／h時(shí)可有效降低噪聲2.3dBA，所以，NAFA瀝青路面不但能夠降低車外的噪聲污染，對(duì)于消除車內(nèi)噪聲，提高行車舒適性及安全性也是非常有效的.

4 結(jié) 束 語

通過測(cè)試抗滑阻燃瀝青路面、SMA與AC瀝青路面三種路面材料的吸聲系數(shù)，評(píng)價(jià)各種路面材料的降噪性能，結(jié)果表明三種路面材料都有一定的吸聲降噪性能，且NAFA的總體吸聲性能優(yōu)于SMA和AC，其最佳降噪頻率區(qū)域?yàn)?00～1 200Hz，說明有效孔隙率多，表面構(gòu)造發(fā)達(dá)的瀝青路面材料吸聲性能好.通過對(duì)漢英高速公路（諶家磯段）NAFA瀝青路面試驗(yàn)路段的噪聲測(cè)試評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)NAFA瀝青路面能夠有效吸收路面噪聲，對(duì)重型車的降噪水平達(dá)到3.6dBA，對(duì)小汽車的降噪效果更加明顯，可降低近5dBA，且車輛的行駛速度越大降噪效果越好.

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