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密实型低噪声橡胶沥青路面降噪机理的研究
密实型低噪声橡胶沥青路面降噪机理的研究
摘要:
本文介绍了各类低噪声沥青路面的降噪机理,回顾了低噪声橡胶沥青路面国内外研究和应用情况。
通过从密实型橡胶沥青混合料的纹理水平、阻尼特性、吸声性能等方面的分析,初步探究了该橡胶沥青路面减振降噪的机理。
以AC和橡胶SMA板块激振实验为依托,根据试验结果,分析了橡胶沥青路面的降噪主要机理,即由于橡胶粉或橡胶颗粒的阻尼及高弹性,使得该路面具有较高的吸收振动和冲击的性能,达到较好的减振降噪的效果。
关键词:
低噪声路面橡胶沥青纹理阻尼吸声降噪机理
ResearchOnTheReducedNoiseMechanismof
DenseLow-noiseRubberAsphaltPavement
Abstract:
Thepaperfirstlyintroducesthereducednoisemechanismofallkindsoflow-noiseasphaltpavement.Thesituationofresearchandapplicationsoflow-noiseasphaltpavementaroundtheworldisreviewed.Throughtheanalysisofthepavementtexture,dampingandsoundabsorption,thereducednoisemechanismofdenselow-noiserubberasphaltpavementisinitiallyinvestigated.OnthebasisofthelaboratoryvibrationtestsofACandrubberSMA,themainmechanismofrubberasphaltpavementisexplored.Duetotherubberwithdampingandhighflexibility,theasphaltpavementwithrubbercouldabsorbvibrationandreduceroughnesssoastohavetheeffectonlow-noise.
KeyWords:
low-noisepavement,rubberasphalt,texture,damping,soundabsorption,reducednoisemechanism
随着道路交通和汽车工业的迅速发展,交通量急剧增加,道路交通噪声污染日趋严重,污染区域迅速扩大。
研究表明,交通噪声在车辆中低速行驶时主要由发动机噪声、排气噪声、进气噪声、风扇噪声和车体振动噪声等声源组成;当车速大于50km/h时,由轮胎与道路相互作用所产生的接触噪声成为主要噪声源。
研究和实践经验表明,改善路面表面特性是降低轮胎—路面接触噪声的最有效措施之一。
1研究背景
低噪声沥青路面一般是指相对于普通密实沥青混凝土路面具有降噪效果的路面。
低噪声路面从沥青混凝土结构上分,可分为两大类:
一是空隙型沥青混凝土路面,即多孔路面(opengradedfrictioncoarse,简称OGFC或porousasphalt,简称PA),二是密实型沥青混凝土路面。
多孔性沥青路面(PorousAsphalt,简称PA)的空隙率高达15%~20%,甚至超过20%,而普通沥青路面的空隙率仅3%-6%[1]。
多孔性沥青路面具有良好的宏观构造,它不仅在路表面而且在路面内部形成发达而贯通的孔隙,当轮胎滚动时被压缩的气体能够通畅地钻入路面孔隙内,而不是向周围排射,因而减小了轮胎花纹的泵气噪声。
同时,在声学上可以将这种路面看成是具有刚性骨架的多孔吸声材料,具有相当好的吸声性能,即在噪声的辐射过程中吸收衰减了大量声能,因此多孔性沥青路面表现为一种安静的路面[2]。
研究和实践经验表明,多孔性沥青路面的降噪效果最为明显,但也有缺点,其耐久性差、空隙易堵塞、降噪功能衰减快、养护难等弊端难以克服,须做进一步的研究。
该类路面主要适用于行驶轻型交通的快速干道。
相比之下,密实型沥青混凝土路面是一种力学性能优良,同时具有良好降噪性能的路面材料,已经成为新型低噪声路面研究的发展方向。
由现有的级配设计理论可以看出,沥青混合料的结构类型,正逐步由传统的悬浮密实型混合料向骨架密实型混合料方向发展。
目前工程中常用的SMA、Superpave等类型的混合料都是较为典型的骨架结构。
密实型降噪路面主要为SMA路面及橡胶沥青路面。
与多孔型路面相比,密实型混合料的降噪机理有很大不同。
本文以SMA级配结构为基础,并在混合料中添加了3%的废旧橡胶粉,对骨架密实型的一类材料的降噪机理和降噪性能展开讨论。
2密实型低噪声橡胶沥青路面降噪机理的研究
废橡胶粉(CRM)应用于沥青路面的技术,主要分为湿法(WetProcess)和干法(DryProcess)两大类。
湿法是指CRM先行与沥青拌和,制成一种称为橡胶沥青(AsphaltRubber)的改性沥青胶结料,然后再与石料拌和;干法是指将CRM作为一部分细集料先与石料干拌,然后喷入沥青拌制成废橡胶粉(或颗粒)改性沥青混合料(RubberModifiedHotMixAsphaltConcrete)。
用上述混合料铺筑的路面简称橡胶沥青路面。
2.1国外橡胶沥青路面的研究状况
橡胶沥青路面作为减少道路交通噪声的措施,首次于1981年在比利时的布鲁塞尔出现,它被称作“Drainasphalt"。
研究表明,橡胶沥青混合料有较好的降噪效果。
因此,世界上许多国家开始研究和评估橡胶沥青作为降噪措施的功效。
美国的橡胶路面协会(RPA)报道了橡胶改性沥青混合料作为降噪措施的效果。
例如,美国加利福尼亚洲Sacramento县交通局于1993年10月在AltaArden快速路上铺筑了橡胶沥青路面。
6年的研究表明,与传统的沥青路面相比,使用橡胶沥青后道路噪声平均降低了4dB,且持续了6年之多。
这种降噪效果是非常显著的,它表明可降低60%交通噪声能量。
1984年,法国采用Drainasphalt铺筑了沿塞纳河的城市道路,发现在没有载重车时可降低噪声3~5dB,有5%的重车时,噪声可降低2~3dB。
因此,研究者推荐在巴黎的行车道上使用开级配的沥青橡胶混合料罩面。
鉴于这些研究发现,加拿大对使用橡胶沥青所带来的益处也做了进一步的研究。
1994~1995年开始大规模地使用橡胶沥青,共铺筑了6条街道[3]。
其他一些国家,如英国、西德、比利时等欧洲国家也开展了相应的研究。
2.2国内橡胶沥青路面的研究状况
早在20世纪70年代末80年代初,出于改善国产沥青性能的目的,同济大学研究了橡胶粉与沥青共熔反应的变化规律和对橡胶沥青路用性能的影响。
通过系统的试验研究,分析验证了磨细橡胶粉改性沥青的主要特性和路用价值,并通过生产工艺的改善,促进了这种改性沥青在公路路面工程中的应用。
2001年,交通部公路科研所首次在钢桥桥面铺装中用干法工艺加入了30%(相对于沥青用量)的橡胶粉,该桥面经受了两个夏季的重交通考验,基本保持完好。
目前国内研究尚处于试验阶段,对于作为降噪措施的橡胶沥青路面尚未有报道。
同济大学目前正在研究废橡胶颗粒干法改性沥青混合料的力学和声学性能,目的是应用于密实结构路面降噪[4]。
2.3橡胶沥青路面的降噪机理的研究
吸声性能、阻尼性能以及路表纹理状况是影响路面材料降噪性能的三个关键因素。
2.3.1路表纹理对路面噪声的影响
在绝对光滑水平的路面上滚动的车轮,不受任何扰动,不产生振动(除气体泵浦引发的振动外),但是实际路面纹理的凹凸和路面纵向的起伏会引起车体振动,诱发水平滚动的车轮产生垂直方向的振动。
这种振动由轮胎传递给轮辋和车身,同时也向外辐射噪声。
因此,路面不平整性是车辆振动的主要激振源。
同样地,这种振动也会对路面产生较大的冲击。
测量路面宏观纹理构造深度(TD)反映了路面抗滑的性能,但也一定程度地反映了行车过程中路面对轮胎激振情况,是描述路面纹理的纵向起伏的最简便的方法。
一般认为,纹理深度越大,路面越粗糙,对车轮的激振越强烈。
表1给出了三种路面的纹理水平,其中OGFC的纹理深度最大,其激发的振动一般来说也最强。
不同沥青混合料的纹理深度(TD)表1
测试
OGFC-13
SMA-13
AC-13
纹理深度(mm)
>1.5
1.2
0.3
空隙率(VV/%)
21.7
3.0
3.5
国内外研究认为,路面纹理空间频率以1kHz或波长为1mm为界,当纹理空间频率小于1kHz或波长大于1mm时,噪声水平增强。
当纹理空间频率大于1kHz时,噪声水平降低[5]。
波长小(<1mm)的纹理时有利于降噪的。
为此,混合料集料的功臣尺寸宜选用小的尺寸,级配宜选用断级配,细料含量不应太多。
按排水途径,路面纹理由正宏观纹理和负宏观纹理之分。
负宏观纹理的排水特性,路表水通过路面的内部空隙排出,类似OGFC路面;正宏观纹理,水从表面的连通凹槽中排出[1]。
密实型沥青混合料纹理形式属于正宏观纹理。
这种纹理不仅利于排泄水流,也利于排泄气流。
而凸宏观纹理是正宏观纹理中一种有效的降噪纹理。
经研究,国外学者认为纹理在0.4mm左右能够获得较好的降噪效果[6]。
2.3.2阻尼减振降噪机理分析
车辆行驶在路面上,产生竖向振动是不可避免的。
增加系统的阻尼是减弱竖向振动的主要方法之一。
根据振动知识,轮胎与路面均有一定阻尼,可表示为图1所示的物理模型。
为便于研究,通常简化为一个阻尼系统在纯刚性路面上的振动,如图2所示。
该模型的振动方程可表达为:
其中,m为轮胎质量,k为轮胎/路面试件系统的刚度,c为该系统的阻尼系数[7]。
图1轮胎—路面系统振动模型图2轮胎—路面系统简化模型
当轮胎沿垂直方向振动时,由于该试件系统的刚度和阻尼共同作用,将在垂直方向产生衰减振动,阻尼的大小将决定振动衰减的快慢。
为评价路面材料对轮胎和车身振动的影响,选用AC板块、橡胶SMA板块试件进行试验。
添加废旧橡胶粉的方式有两种:
一种采用80目的橡胶粉添加到热沥青中,掺量占沥青重的15%。
直接改善玛蹄脂的阻尼性能,间接改善混合料的阻尼性能,称此种混合料为胶粉SMA;另一种是将集料质量3%的0~3mm橡胶粉直接添加到集料中,改善混合料的阻尼性能,称此种混合料为胶粒SMA。
在相同的试验气温下,以同一试验轿车和激振台为对象,分别对三种板块试件进行不同频率下正弦波振动的激振实验[8]。
通过对AC板块和掺橡胶SMA板块的试验结果的比较分析,可以得到橡胶SMA板块的减振效果是明显的。
因此可以认为行驶在橡胶SMA路面上的汽车,由轮胎和车身振动辐射引起的噪声小,轮胎上的动态载荷减小,可降低部分由轮胎载荷变化引起的轮胎花纹泵浦噪声。
同时,胶粒SMA与胶粉SMA相比,胶粒SMA的减振效果更优。
因此,为提高路面降噪性能,在满足路面的力学强度等条件下,尽量选择橡胶颗粒,掺量宜多一些。
另外,由试验结果可以看出:
随着激振振幅的增加,轮胎胎侧振动加速度也随之增加;在每个频率下,胶粒SMA板块下胎侧的振动加速度都比AC板块下小。
这说明路面材料中的橡胶对轮胎与汽车的振动有衰减作用,且振动幅值越大,其减振效果越明显。
2.3.3路面吸声性能机理分析
构成沥青混合料的碎石、橡胶和沥青均不是吸声材料,为何沥青混合料具有一定的吸声性能?
根据声学知识可知,吸声有两种基本结构,瑞利模型和共振吸声模型[9]。
两种结构均存在开口于表面的空隙,均依靠空隙内气体分子间的粘滞阻力来消耗声波的振动,以达到吸声的效果。
不同的是瑞利吸声结构吸声频带较宽,而共振吸声结构吸声频带较窄,主要集中在腔体共振频率附近。
一般路面材料的吸声机理在于混合料中存在许多微小的瑞利吸声结构。
容易得到,OGFC具有较好的吸声性能,而SMA、AC属于密实型混合料,本身的空隙率较小,未充分具备这种吸声结构,因而吸声效果相对较差。
对于新铺筑的路面,这种表面的空隙及腔体纹理相对发达,但是随着路面的使用,由于路面压密以及脏物堵塞,这种材料吸声性能将大大减弱。
这一特点在多孔性路面足以体现,虽然OGFC有着较好的吸声性能,但耐久性差是其最大的缺陷之一。
3结语
(1)橡胶沥青路面的降噪机理主要是由于橡胶粉或橡胶颗粒的高弹性,使得路面具有吸收轮胎振动和冲击的效果。
同时橡胶沥青混合料是一种内阻尼较大的高分子复合材料,它对轮胎的振动具有较大的衰减功能,因而大大降低了轮胎—路面相互作用时的振动噪声。
(2)对由不同废橡胶添加方式而生成的两种橡胶SMA相比,胶粒SMA的减振效果比胶粉SMA更明显。
(3)密实性降噪橡胶沥青路面的降噪效果相对于普通AC路面较为显著,而与多孔性路面相比,则降噪性能稍差。
然而其耐久性好,不存在空隙堵塞问题,且修复简单,适用面广泛,尤其适应重载车辆行驶。
参考文献
[1]吕伟民.沥青混合料设计原理与方法.上海:
同济大学出版社,2001
[2]李闯民.开级配沥青磨耗层(OGFC)的研究.公路,2002,3
[3]SacramentoCountyDepartmentofEnvironmentalReviewandAssessment.ReportontheStatusofRubberizedAsphaltTrafficNoiseReductioninSacramento.1999,9
[4]曹卫东,陈旭,吕伟民等.简述国内外低噪声沥青路面研究状况.石油沥青,2005,2
[5]李左芬.掺橡胶颗粒的低噪声路面技术.市政工程国外动态,1998,1
[6]任文堂等编著.交通噪声及其控制.北京:
人民交通出版社,1984
[7]余志生.汽车理论.北京:
机械工业出版社,1981
[8]周海生,曹卫东等.骨架密实型低噪声沥青路面的研究.交通运输工程领域博士研究生国际创新论坛会议论文集,上海:
人民交通出版社,2005,1
[9]马大猷主编.噪声控制学.北京:
科学出版社,1997
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