橡膠粉改性瀝青降噪機(jī)理及試驗(yàn)研究_圖文

1、第25卷第12期2008年12月公路交通科技Journal of Highway and T ransportation Research and DevelopmentV ol 125N o 112Dec 12008文章編號(hào):10020268(200812020106收稿日期:20080326基金項(xiàng)目:吉林省交通廳科技項(xiàng)目(3L1066562417作者簡(jiǎn)介:王云鵬(1966-,男,吉林舒蘭人,教授,研究方向?yàn)榻煌ōh(huán)境與安全技術(shù)1(wangyunpeng jlu 1edu 1cn 橡膠粉改性瀝青降噪機(jī)理及試驗(yàn)研究王云鵬,韋大川,李世武,楊志發(fā),隗海林(吉林大學(xué)交通學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130022摘要

2、:從橡膠粉改性瀝青對(duì)路面噪聲的影響出發(fā),利用電子顯微照片對(duì)橡膠粉的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,從空隙吸聲和阻尼減振方面對(duì)橡膠粉改性瀝青的降噪機(jī)理進(jìn)行了分析。利用正交試驗(yàn)法優(yōu)選了橡膠粉改性瀝青配方,進(jìn)行了試驗(yàn)路段鋪設(shè);采用定點(diǎn)法和車載法進(jìn)行了道路噪聲效果對(duì)比測(cè)試,分別進(jìn)行了兩種方法不同頻率下的噪聲級(jí)對(duì)比分析,繪制了噪聲峰值比較圖和噪聲總量比較圖。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,橡膠粉改性瀝青與S BS 改性瀝青路面相比有明顯的降噪效果,為降低道路交通噪聲提供了一條新思路。關(guān)鍵詞:環(huán)境工程;改性瀝青;噪聲分析;廢舊橡膠粉中圖分類號(hào):U4161218文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy on Noise Reduction Mech

3、anism and Experiment of Rubber Powder Modified AsphaltW ANG Y un peng ,WEI Da chuan ,LI Shi wu ,Y ANG Zhi fa ,K UI Hai lin(School of T ransportation ,Jilin University ,Changchun Jilin 130022,China Abstract :C onsidering the im pact of rubber powder m odified asphalt on the pavement noise ,the micros

4、tructure of the waste rubber powder was studied using electron microscopy 1The noise reduction mechanism of rubber powder m odified asphalt was analyzed from the aspects of s ound abs orption of v oids and vibration dam ping 1Based on the orthog onal experiment ,the best com pounding of the m odifie

5、d asphalt was determined and test sections were paved with it 1N oise contrastive tests applying on board noise testing method and fixed device testing method under different frequencies were carried out 1The contrastive curves of noise peak value and noise gross based on tw o kinds of method were i

6、llustrated 1The statistical results show that the road paved with the waste rubber powder m odified asphalts has obvious effect on noise reduction com pared to S BS m odified asphalts 1It provides a new method to reduce the highway traffic noise 1K ey words :environmental engineering ;m odified asph

7、alt ;noise analysis ;waste rubber powder 0引言隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,汽車保有量的激增,報(bào)廢輪胎堆積所造成的“黑色污染”已經(jīng)成為一個(gè)重要的環(huán)境問題,而將廢舊輪胎生產(chǎn)成精細(xì)膠粉用于瀝青改性不僅在提高瀝青高溫性能、低溫性能以及抗老化性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異,而且具有降低路面噪聲、提高行車安全性等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)16。英國(guó)、日本、美國(guó)、瑞典、南非、法國(guó)等都對(duì)橡膠粉改性瀝青進(jìn)行過大量的研究,取得了許多研究成果15,而國(guó)內(nèi)在橡膠粉改性瀝青方面的研究起步較晚,近幾年才逐漸加大了研究的力度6,如交通部公路科學(xué)研究所、吉林省交通科學(xué)研究所、同濟(jì)大學(xué)等都開展了橡膠粉改性瀝青混合

8、料的室內(nèi)試驗(yàn)研究,先后鋪筑了多條橡膠粉改性瀝青試驗(yàn)路段7,8。但目前國(guó)內(nèi)在橡膠粉改性瀝青技術(shù)方面的研究較多,主要注重其各種性能指標(biāo)及應(yīng)用技術(shù),而在橡膠粉改性瀝青降噪機(jī)理及效果方面的研究較少9,10。本文從橡膠粉改性瀝青降低路面噪聲角度出發(fā),借助電子顯微照片對(duì)橡膠粉的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,分析其降噪機(jī)理,選擇吉林省長(zhǎng)平高速公路(長(zhǎng)春四平上一段橡膠粉改性瀝青試驗(yàn)路段作為研究對(duì)象,對(duì)其路用降噪性能的改善效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。1橡膠粉改性瀝青降噪機(jī)理分析車輛行駛過程中的路面噪聲主要包括氣壓噪聲、振動(dòng)噪聲兩部分11,12。氣壓噪聲是當(dāng)輪胎在路面上滾動(dòng)時(shí),與路面接觸的輪胎部位被壓縮變形,輪胎花紋內(nèi)空氣也隨之被擠壓

9、,被迫排出形成局部不穩(wěn)定氣流。同時(shí)當(dāng)輪胎通過路面上的不連通小孔時(shí),孔隙內(nèi)會(huì)形成壓強(qiáng)較大的氣團(tuán)。然后,當(dāng)輪胎離開接觸面時(shí),受壓縮的輪胎花紋舒展并使空腔容積突然增大而形成一定的真空度,大氣中的空氣被吸入,這種“空氣泵吸”作用,導(dǎo)致汽車行駛過程中產(chǎn)生出一種噴射噪聲,即由于氣流從管口高速噴射,造成周圍氣體劇烈振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲,可將其稱之為輪胎與路面間的氣壓噪聲。振動(dòng)噪聲是汽車輪胎在凹凸路面上滾動(dòng)時(shí),由于道路和輪胎之間的撞擊引起輪胎振動(dòng)所激發(fā)的噪聲。一方面,由于輪胎和路面相互接觸時(shí)摩擦力的作用,導(dǎo)致輪胎表面花紋產(chǎn)生的壓縮形變,在離開路面時(shí)輪胎花紋產(chǎn)生的恢復(fù)壓縮形變,這個(gè)猶如音叉振動(dòng)的過程導(dǎo)致了摩擦噪聲。另

10、一方面,由于輪胎不是理想的圓形,路面也不完全光滑,因而在輪胎滾動(dòng)過程中有一個(gè)小的力波動(dòng)疊加在載荷和摩擦力上,并使胎體振動(dòng)變形也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲11。當(dāng)聲波沿地面?zhèn)鞑ポ^長(zhǎng)距離時(shí),地面的聲阻抗對(duì)傳播將產(chǎn)生很大影響,如玻璃棉、毛氈、泡沫塑料、橡膠等都是多孔材料,多孔材料具有吸聲特性。當(dāng)聲波通過這些多孔性吸聲材料時(shí),由于材料本身的內(nèi)摩擦和材料小孔中的空氣與孔壁間的摩擦,使聲波能量受到很大的吸收和衰減12,這正是在橡膠粉改性瀝青能起到降噪作用的基本原理。111橡膠粉改性瀝青孔隙吸聲降噪橡膠顆粒與瀝青混合料混合后將發(fā)生復(fù)雜的物化反應(yīng),形成大量相互貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),小顆粒聚集,但由于橡膠的彈性,聚集體結(jié)構(gòu)松散

11、。圖1為本文拍攝的橡膠粉顆粒的電子顯微照片,從照片中可以觀察到,橡膠粉顆粒呈現(xiàn)明顯的多孔結(jié)構(gòu)。因此,橡膠瀝青粉改性路面是具有孔隙吸聲性能的低噪聲路面 。圖1橡膠粉顆粒的電子顯微照片F(xiàn)ig 11E lectron microscope picture of waste rubber powder多孔材料表面具有許多相互貫通的小孔,當(dāng)聲波到達(dá)材料表面的孔穴時(shí),會(huì)產(chǎn)生粘滯損耗,引起孔穴中的空氣和孔壁的細(xì)小纖維波動(dòng)與固體筋絡(luò)發(fā)生摩擦。由于摩擦和粘滯阻尼作用,將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌?。聲能就這樣反復(fù)傳播耗散直到平衡,于是材料吸收了部分聲能,其原理示意圖見圖2。由于橡膠改性瀝青結(jié)構(gòu)的多孔性,當(dāng)聲波入射到路

12、面上時(shí)會(huì)產(chǎn)生空腔共振作用吸收聲能,起到降低路面噪聲的作用。112橡膠粉改性瀝青阻尼減振降噪隨著橡膠粉的加入,改性瀝青的彈性明顯增加,圖3是本文對(duì)加入不同比例的橡膠粉的改性瀝青彈性恢復(fù)的測(cè)試結(jié)果。橡膠粉瀝青混合料的彈性大于一般瀝青混合料(包括S BS 混合料。根據(jù)測(cè)試,普通瀝青混合料的壓縮模量為12001600MPa ,而橡膠粉改性瀝青路面的壓縮模量為10001200MPa ,從而增強(qiáng)了路面的阻尼減振功能,達(dá)到降低交通噪聲的目的。橡膠瀝青材料是高彈性材料的膠聯(lián)體,當(dāng)受到聲波作用時(shí),分子鏈段產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),造成粘性內(nèi)摩擦和滯后效應(yīng),部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗,實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的吸收。202公路交通科技第25卷

13、圖2空腔摩擦噪聲損耗示意圖Fig 12Schematic diagram of cavity friction noise wastage圖3橡膠粉摻量對(duì)瀝青彈性恢復(fù)的影響Fig 13Relation between waste rubber powder content and asphalts flexibility recovery2試驗(yàn)分析211配方選取為了測(cè)試橡膠粉改性瀝青試驗(yàn)路與S BS 改性瀝青路面相比的降噪效果,并對(duì)路面噪聲進(jìn)行頻譜分析,本文首先進(jìn)行了大量的室內(nèi)配方優(yōu)選試驗(yàn)?；|(zhì)瀝青:AH 90,盤錦北方瀝青股份有限公司。芳烴油是盤錦遼河油田石化總廠生產(chǎn)的160號(hào)芳烴油;橡膠粉

14、采用北京泛陽(yáng)偉業(yè)科技公司生產(chǎn)的廢舊輪胎膠粉,經(jīng)嚴(yán)格篩分后,取6080目粉料;線形S BS 選用湖南岳陽(yáng)化工廠合成橡膠廠生產(chǎn)的Y H 791線形S BS ,嵌段比S B 為3070。改性瀝青中改性劑計(jì)量為外摻法,在通過查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)及咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?確定試驗(yàn)的正交試驗(yàn)配方見表1。在以上配方的基礎(chǔ)上制作了26個(gè)試樣,分別進(jìn)行了瀝青試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比試驗(yàn)及室內(nèi)噪聲系數(shù)測(cè)試試驗(yàn),并考慮到S BS 的成本問題,最終確定了配方N04作為橡膠粉改性瀝青的最佳配方,然后在長(zhǎng)春四平高速公路179km 處進(jìn)行了500m 試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)。212試驗(yàn)設(shè)備、路段及車型選取試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試橡膠粉改性瀝青

15、試驗(yàn)路與S BS 改表1橡膠粉改性瀝青配方優(yōu)選正交試驗(yàn)表T ab 11The orthog onal experiment table of waste rubber powder m odified asphalt com pounding optimization配方編號(hào)A膠粉gB S BS g C芳烴油g瀝青gN013811(7%1613(3%2712(5%51613N023811(7%3216(6%3810(7%50515N033811(7%4819(9%4819(9%49416N042712(5%1613(3%3810(7%50515N052712(5%3216(6%4819(9%4

16、9416N062712(5%4819(9%2712(5%51613N071613(3%1613(3%4819(9%49416N081613(3%3216(6%2712(5%51613N091613(3%4819(9%3810(7%50515N105140(1%1613(3%2712(5%51613N115140(1%3216(6%3810(7%50515N125140(1%4819(9%4819(9%49416N13注:加基質(zhì)瀝青的試件注:括號(hào)內(nèi)為百分比。性瀝青路面相比的降噪效果,并對(duì)路面噪聲進(jìn)行頻譜分析。所選用的試驗(yàn)設(shè)備包括:丹麥B&K 3560C 多功能振動(dòng)噪聲分析系統(tǒng)(±

17、;011dB 、B&K 4230聲級(jí)校準(zhǔn)器、B&K 4133傳聲器、G PS 定位系統(tǒng)。選擇了長(zhǎng)春四平高速公路179km 處所鋪設(shè)的試驗(yàn)路段及相接的500mS BS 改性瀝青路面。試驗(yàn)車型為捷達(dá)G ix116L 和金杯海獅EFI214L ,表2是試驗(yàn)車輛的性能參數(shù)。表2試驗(yàn)車輛性能參數(shù)T ab 12Per formance parameters of experiment vehicles 車型出廠日期行駛里程km總質(zhì)量kg 最大扭矩(N m 排量L額定功率kW200123000170019821488213試驗(yàn)方法分析噪聲測(cè)量的方法主要有車載法和定點(diǎn)法兩種,在具體的測(cè)試過程中

18、各有利弊1012。車載法理論上講受周圍環(huán)境噪聲影響較小,但缺點(diǎn)是在行駛過程中風(fēng)的噪聲以及由于路面平整度的影響,汽車顛簸而產(chǎn)生的機(jī)械噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。針對(duì)此問題,本文在測(cè)試過程中采用了相應(yīng)的解決措施控制風(fēng)噪聲對(duì)測(cè)試的影響,用棉花等將麥克包裹好,同時(shí)為了避免振動(dòng)的干擾,固定麥克的支架必須保證牢固。采噪點(diǎn)盡量選取平整度好的路段,以避免振動(dòng)噪聲的影響12。定點(diǎn)法從測(cè)量方式看,受環(huán)境、測(cè)試車輛類型、氣候條件影響較大,但優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定,因此可以認(rèn)為,用定點(diǎn)法評(píng)價(jià)路面的噪聲水平實(shí)際上是一302第12期王云鵬,等:橡膠粉改性瀝青降噪機(jī)理及試驗(yàn)研究個(gè)相對(duì)的標(biāo)準(zhǔn),且測(cè)試車宜選機(jī)械噪聲小的汽車12。由于

19、重型汽車車外機(jī)械噪聲較大,因此本文試驗(yàn)選用小型轎車和中型面包車兩種車型,在無風(fēng)天氣下進(jìn)行,并保證兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試時(shí)間跨度較小。3車載法試驗(yàn)及其結(jié)果分析采用車載法進(jìn)行噪聲對(duì)比測(cè)試時(shí),主要試驗(yàn)步驟:(1將聲級(jí)計(jì)探頭固定在車底部,對(duì)準(zhǔn)車輪與地面之間,采用聲級(jí)計(jì)快檔A 計(jì)權(quán)聲級(jí);(2用G PS 定位系統(tǒng)確定汽車行駛速度;(3汽車以60、80、100、120km h 不同車速分別駛過橡膠路面和 S BS 路面,在兩種路面分別選取兩個(gè)測(cè)試點(diǎn),用G PS 和聲級(jí)計(jì)分別記錄下行駛速度和行車噪聲;(4不同車速多次測(cè)量,取平均值;(5對(duì)兩種路面的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖4是車載法不同頻率下的噪聲級(jí)比較組圖,本文分

20、別對(duì)80、250、400、1000、2500、4000H z 等不同頻率下的噪聲級(jí)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)橡膠粉改性瀝青路面在1000H z 以下的降噪效果比較明顯,即對(duì)中低頻降噪效果好,高頻降噪效果不明顯,而交通噪聲峰值主要集中在中低頻范圍內(nèi),因此橡膠瀝青路面能有效地降低交通噪聲。圖 4車載法不同頻率下的噪聲級(jí)比較Fig 14N oise level com paris on under different frequencies based on on board testing圖 5、圖6是對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上得出的車載法噪聲峰值比較圖和噪聲總量比較圖。從峰值比較圖5可看出,隨著車速的

21、增加橡膠瀝青路面的降噪效果也越來越明顯,平均降低噪聲118dB ,最大降噪量為215dB 。從總量比較圖6可看出,隨著車速的增加降噪效果不如峰值圖表明顯,但降噪效果仍較明顯,平均降噪115dB ,最大降噪量為2dB 左右。圖5車載法噪聲峰值比較圖Fig 15C ontrastive curve of n oise peak valuesbased on on b oard testing圖6車載法噪聲總量比較圖Fig 16C ontrastive curve of n oise grosses based on on b oard testing4定點(diǎn)法試驗(yàn)測(cè)試及其結(jié)果分析采用定點(diǎn)法進(jìn)行噪聲對(duì)

22、比測(cè)試時(shí),主要試驗(yàn)步驟:(1采用聲級(jí)計(jì)快檔A 計(jì)權(quán)聲級(jí),在開闊地帶進(jìn)行;(2以車輛為中心在半徑50m 內(nèi)不得有較大的反射面;(3長(zhǎng)20m 內(nèi)坡度不超過015%的平直完好的干燥瀝青路面作為測(cè)試點(diǎn);(4測(cè)量時(shí)的背景噪聲應(yīng)比所測(cè)車輛低10dB 以上,否則修正測(cè)量結(jié)果;(5由于高速公路并非封閉,只能用一個(gè)傳聲器探頭接收,其位置應(yīng)離車輛行駛中心線715m 。402公路交通科技第25卷圖7是定點(diǎn)法不同頻率下的噪聲級(jí)比較組圖,本文分別對(duì)80、250、400、1000、2500、4000H z 等不同頻率下的噪聲級(jí)進(jìn)行了比較,其規(guī)律與車載法測(cè)試的結(jié)果規(guī)律基本相同 。圖7定點(diǎn)法不同頻率下的噪聲級(jí)比較Fig 17N oise level com paris on under different frequencies based on fixed device testing圖8、圖9是對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上得出的定點(diǎn)法噪聲峰值比較圖和噪聲總量比較圖,從定點(diǎn)法噪聲峰值比較圖8可看出,隨著車速的增加,降噪效果越來越明顯,平均降低115dB 左右,最大降低214dB 左右;從定點(diǎn)法噪聲總量值比較圖9可看出,隨著車速的增加降噪效果略有改善,但不如峰值圖表數(shù)據(jù)明顯,