（道路与铁道工程专业论文）低噪音多孔水泥混凝土路面研究.pdf

中文摘要 摘要：多孔水泥混凝土作为一种新型路用材料，其均匀的孔隙一骨架结构使路面 轮胎噪声得到很好的宣泄，抑制单极子噪声源的产生，能够很好的缓解水泥混凝 土路面上的交通噪声，降低对周围居民环境的污染；同时，其良好的透水性能与 表面随机凹凸抗滑构造，大大提高了路面在雨天与高速行驶时的表面抗滑能力， 缩减了道路交通安全事故的发生。因此，需要研究提高多孔水泥混凝土材料的各 项路用技术措施以及应用等相关问题。 本论文依托国家自然科学基金( 项目编号1 0 7 0 4 0 2 9 ) 路面一轮胎噪音机 理研究，结合目前国内外多孔混凝土的最新研究现状展开研究。论文首先根据孔 隙率是多孔水泥混凝土的关键指标和影响其各项技术性能的核心因素，提出了以 满足目标孔隙率为指标的配合比设计方法。考虑路面美观和施工和易性等多方面 因素，本文推荐多孔混凝土集料最大公称粒径为4 7 5 m m ，用于填充的最小粒径大 小为1 1 8 m m 之间。综合降噪效果、抗折强度及孔隙耐久方面的因素，推荐设计目 标孔隙率在1 5 2 2 之间。研究认为最佳的水灰比是新拌混凝土集料表面达到最 佳的裹覆状态( 即集料表面略显金属光泽) 时的水灰比。 其次根据试验结果，研究建立了多孔混凝土孔隙率与力学性能之间的回归方 程，并研究有机高分子聚合物( v a e ) 对多孔混凝土路用性能的影响。 第三，利用驻波管对多孔混凝土材料声学特性进行分析评价，对比研究了不 同结构、不同孔隙率、不同厚度、不同状态时的声学性能。得出了相应条件下多 孔混凝土材料的声学性能的变化规律。 第四，根据室内声学试验所得基础数据，采用近场声压法对多孔水泥混凝土 路面的实际降噪效果进行了对比评价，分析探讨了不同速度、不同结构、不同厚 度时多孔路面的实际降噪效果与噪声频率分布。研究发现在相同的孔隙率与表面 抗滑构造的条件下，8 c m 厚的多孔水泥混凝土面层就有最佳的降噪效果。 最后，针对水泥混凝土路面多孔结构，本文初步探讨了“湿湿”这一新型施 工工艺。结合实际工程经验，提出了保证多孔混凝土面层厚度、孔隙率以及平整 度的关键技术。 关键词：路面； 水泥混凝土； 多孔； 低噪音； 分类号： u 4 1 6 2 1 6 a b s t r a c t a b s t r a c t ：p o r o u sc e m e n tc o n c r e t ei san o v e lr o a dc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l ，w h i c h u n i f o t i np o r ea n df r a m e w o r k 曲f l l c 骶c a l li n h i b i tt h em o n o p o l en o i s es o u r c e ，c a l l r e d u c et h en o i s eo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，c a ni m p r o v es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ，i t sg o o dp e r m e a b i l i t yp e r f o r m a n c ea n dt e x t u r eo fs k i dr e s i s t a n c ec a l l g r e a t l yi m p r o v et h ea n t i s l i d ep e r f o r m a n c eo f p a v e m e n ti nr a i n yd a yo rw h e nh i 曲s p e e d d r i v i n gc a nr e d u c et r a f f i ca c c i d e n t s s o ，i ti sn e e dt os t u d ya l lk i n d so ft e c h n i c a l m e a s u r e so fi m p r o v i n gp o r o u sc e m e n tc o n c r e t em a t e r i a la n dr e l a t e dp r o b l e m so fi t s p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 10 7 0 4 0 2 9 卜叔础o n m e c h a n i s mo f t h en o i s eb e t w e e np a v e m e n ta n da u t o m o t i v et i r e ，t h i sp a p e r c a r r yo u tt h e r e s e a r c hi sc a r r i e do u to nt h eb a s i so fl a t e s tr e s e a r c ho f p o r o u sc e m e n tc o n c r e t ea th o m e a n da b r o a d f i r s t l y , b a s e do nt h a tt h ep o r o s i t yi sak e yi n d e xo fp o r o u sc e m e n tc o n c r e t e a n di sac o r ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fi t st e c h n i c a lp r o p e r t i e s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da m e t h o dt o d e s i g nt h em i xp r o p o r t i o ns a t i s f y i n gt h a tg o a lp o r o s i t yi st h ei n d e x c o n s i d e r i n g t h ef a c t o r so ft h ea e s t h e t i c p r o p e r t yo fp a v e m e n t a n dw o r k a b l e p e r f o r m a n c e , t h i sp a p e rr e c o m m e n d st h a tn o m i n a lm a x i m u ma g g r e g a t es i z eo fp o r o u s c e m e n tc o n c r e t ea g g r e g a t ei s4 7 5 m m ，t h a tm i n i m u ms i z eu s e df o rf i l l i n gi s1 18 m m c o n s i d e r i n gt h en o i s er e d u c t i o ne f f e c t s ，f l e x u r a ls t r e n g t h ，p o r ed u r a b l ea n ds oo n ，t h i s p a p e rr e c o m m e n dt h a tt h ed e s i g nv a l u eo ft h ep o r o s i t yi sb e t w e e n15 a n d2 2 t h e i n v e s t i g a t i o n si n d i c a t et h a tw a t e rc e m e n tr a t i oi so p t i m a lw h e nt h es u r f a c eo f 疳e s h c o n c r e t ea g g r e g a t ei si nt h eb e s ts t a t e ( t h es u r f a c eo ft h ea g g r e g a t eh a sm e t a l l i cl u s t e r ) s e c o n d l y , o nt h e b a s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，b u i l d i n gr e g r e s s i o na n a l y s i s e q u a t i o n sb e t w e e np o r o s i t ya n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fp o r o u sc e m e n t ，m e a n w h i l e , s t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fo r g a n i cm a c r o m o l e c u l ep o l y m e ro np o r o u sc e m e n tp a v e m e n t p e r f o r m a n c e t h i r d l y , a c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n ts t r u c t u r e s 、d i f f e r e n tp o r o s i t i e s 、d i f f e r e n t t h i c k n e s s e s 、d i f f e r e n ts t a t e sw e r ec o m p a r a t i v e l ys t u d i e db yu s i n gs t a n d i n gw a v et u b e m a t e r i a l s ，f u r t h e r m o r e ，a n a l y s i s a n de v a l u a t i o no f p o r o u s m a t e r i a l sa c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i c sw a sc a r r i e do u t ，a n dv a r i a t i o no fp o r o u sc e m e n tm a t e r i a l sa c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i c si so b t a i n e da tc o r r e s p o n d i n gc o n d i t i o n s f o u r t h l y , o nt h eb a s i so fl a b o r a t o r yt e s tf u n d a m e n t a ld a t a ，c o m p a r a t i v ee v a l u a t i o no f p o r o u sc o n c r e t ep a v e m e n t sp r a c t i c a ln o i s er e d u c t i o nh a sb e e nc a r r i e db yu s i n gm e t h o d o fn e a r - f i e l da c o u s t i cp r e s s u r e ，a l s oa n a l y z ea n dd i s c u s sp r a c t i c a ln o i s er e d u c t i o na n d f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n a td i f f e r e n ts p e e d s 、 w i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dd i f f e r e n t t h i c k n e s s e s r e s e a r c hs h o w st h a t ：u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n so fp o r o s i t y a n dt e x t u r eo f s k i dr e s i s t a n c e ，w h e nt h ed e p t ho fp o r o u sc o n c r e t es u r f a c ec o u r s er e a c h e st o8 c m ，i th a s a no p t i m u mn o i s er e d u c t i o n f i n a l l y , a c c o r d i n gt op o r o u ss t r u c t u r eo fc o n c r e t ep a v e m e n t ，t h i sp a p e rp r e l i m i n a r y s t u d yo nt h en e w t y p ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f w e t - w e t t h e n ，t h ek e yt e c h n o l o g y f o re f f e c t i v et h i c k n e s so fp o r o u sl a y e r 、i t st a r g e tp o r o s i t ya n ds m o o t h n e s sh a sb e e np u t f o r w a r do nt h eb a s i so fp r a c t i c a le n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e k e y w o r d s ：p a v e m e n t ；c e m e n tc o n c r e t e ；p o r o u s ；l o wn o i s e ； c l a s s n 0 ：u 4 16 2 16 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：茹迅承犸良签字日期：7 卯尹年月7 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：绷禄彼 签字日期：劲讲年f 月日 导师签名： 纛许 j 签字醐：岬私月舢 致谢 时光荏苒，研究生生活马上就要结束了，回首渡过的点点滴滴，我的心情无 法平静。在这段紧张而又美好的时光中，从论文的选题、资料的收集到论文的撰 写编排整个过程中，我得到了许多热情的帮助。 首先感谢我的导师魏静副教授，两年来，魏老师不仅在学业上给我以精心指 导，还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，论文的选题与完成倾注导师大量 的心血。导师渊博的学识、严谨的治学态度以及平易近人的工作作风，让我受益 匪浅，在此致以最衷心的感谢! 很荣幸能够参加国家自然科学基金委2 0 0 7 年度青年基金项目的研究工作，在 此向国家自然科学基金委致以崇高的敬意。在论文的进展过程中，交通部公路科 学研究所混凝土组为我提供了良好的科研平台与研究机会。在试验过程中，田波 博士与牛开民研究员多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路， 精心点拨、热忱鼓励。在此向牛开民研究员与田波博士致以最诚挚的谢意。 冯瑞玲副教授在学业上和生活上给予了我很大的关心和帮助，在此向冯瑞玲 副教授表示衷心的谢意! 论文的完成，还得益于交通部公路科学研究所混凝土课题组成员刘英助理研 究员、王稷良博士、侯荣国博士、彭鹏硕士、谢晋德、孙宏峰、何哲以及莫秀雄 等学长、兄长在学术上的指点、切磋，及试验阶段的鼎立相助。感谢大家一起共 同营造了一种让人怀念的团结协作的工作氛围。此外，在论文开展过程中，白志 文师兄也做了大量的先期探索性研究工作，在此，深鞠一躬以表谢意! 感谢我的师弟邢明全硕士在我撰写论文期间为我提供的帮助! 感谢我的爸爸妈妈、姐姐弟弟，是他们的理解与默默支持才有我今天的成绩! 衷心的祝愿他们健康平安、生活快乐! 感谢给我带来快乐的硕士0 7 0 7 班所有的兄弟姐妹，感谢所有关心我的朋友们! 感谢这段美好岁月，让我学会了自信、勇敢与宽仁，让我不会因少知、怯懦 而停止不前。 荆禄波 20 0 9 年6 月写于红果园 1 1 问题的提出 1 绪论 随着城市化进程的逐步加快，城市交通工具数量越来越多，功率越来越大， 速度越来越快，交通噪声己成为现代城市环境中的最主要噪声来源。研究表明， 4 0 d b ( a ) 的连续噪音可使1 0 的人睡眠受到影响，7 0 d b ( a ) 时可影响5 0 的人。高 强度的噪声不仅使工作人员增加生理负担和能量消耗，而且使工作人员神经紧张、 心情烦躁、注意力不易集中、容易疲劳，影响其工作效率，也容易引起工伤，严 重阻碍了国民经济建设，并给人们的身心健康造成巨大的伤害。近年来，随着水 泥混凝土路面的历程的激增，对道路两侧及城市居民的生活环境影响也越为严重。 水泥混凝土的降噪问题以及选择合适的路面结构材料成为亟待解决的问题。 交通噪声的分析研究表明，交通噪声源予车辆发动机为主的动力系统以及轮 胎与路表间的滚动接触。车辆高速行驶时，噪声主要来自于轮胎与路表间的摩擦， 即路面轮胎噪声。相应的降低交通噪声途径有两条，一条是通过科技创新有效降 低噪声的产生，从降低声源噪声的角度来减少噪声污染，另一条是设立隔音墙隔 断噪声的传播途径来降低噪声污染。在降低噪声源方面，近年来由于汽车工业的 改革与创新，汽车( 尤其是轿车) 的发动机噪声在交通噪声中已占很少比例，交 通噪音主要为轮胎、路面之间相互耦合作用而产生的，即“路面轮胎 噪声。传 统降低“路面轮胎噪声的途径主要采用设计静音轮胎来实现，然而静音轮胎作 用毕竟有限且费用也非常昂贵。国内外通过实践证明改变传统路表构造能够很有 效的降低路面噪声。近二十年来，对于水泥混凝土路面而言，研究工作者发现以 下方法可以不同程度降低“路面轮胎”噪音：采用变间距横向纹理构造，改变横 向纹理的深度和宽度，变横向纹理为纵向纹理，采用缓凝裸露集料水泥混凝土路 面，采用撒铺嵌压碎石及多孔路面结构等。这些不同方式的降噪措施，不但能降 低噪声，而且还能在降低交通噪声的同时减少雨天水膜的形成，减少水雾的产生， 提高路面的抗滑性能。 多孔水泥混凝土面层，由于其具有较大的有效空隙，除了具备上述优点外， 多孔材料的骨架空隙结构还能够较好的吸附汽车尾气，降低大气污染；当多孔路 面应用在隧道时，不但能减少噪声的产生和起到吸音的效果，而且当隧道内部发 生装有易燃液体货物的车辆倾覆时，多孔材料可以提供通道让液体迅速排走，从 而降低引发火灾的可能性或降低火焰燃烧程度，部分起到减灾、防灾作用。同时， 多孔水泥混凝土较强的渗透功能，对缓解城市地下水供给，降低城市“热岛效应 以及维持城市微生态平衡具有非常重要的作用。 鉴于多孔混凝土材料具有上述优点，美国、比利时、日本等发达国家对多孔 混凝土路面的研究较为深入并逐渐加大实体工程的推广与应用，取得良好的生态 效益与社会效益。国内对多孔混凝土的研究和应用多限于强度较低而透水性要求 高的大孔贫混凝土排水基层、植生型混凝土、水工建筑和排水系统反滤层等，其 材料结构存在孔隙粗大、孔径尺寸以及分布不均匀等特征，很难满足多孔混凝土 路面的路用性能。对路用多孔混凝土材料以及多孔路面的实际应用的研究起步较 晚，相关资料较少、近年来，虽已展开相关的研究与试验工作，但工程界对多孔 混凝土材料作为一种新型的路面形式应用于面层看法仍不统一，在目标孔隙率的 控制与实现、采取何种措施来大幅提高材料强度以及多孔路面实际降噪效果评价 等方面研究较少且存在较大的争议。这些问题的解决对多孔水泥混凝土在道路中 的应用和推广具有十分重要的现实意义，同时，也符合国家构建和谐社会、实现 可持续发展的总体目标。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在低噪音水泥混凝土路面研究方面，美国p c a 协会、a a s h t o 以及比利时道 路研究中心研究认为从降噪角度出发，采用纵向刻槽有利于降低噪音，但纵向刻 槽不利于雨水的排走同时会影响摩托车等车辆的操纵性，所以为兼顾抗滑要求推 荐采用变间距横向刻槽，间距随机变化在1 5 , - 一3 0 m m 之间。另外间距随机变化的 斜向刻槽可降低噪声【l 】。根据美国d a v i d a k u e m m e l 2 】等人2 0 0 0 年发表的水泥 混凝土路面噪声与表面构造研究报告称，相对于传统的横向刻槽路面而言，随 机变间距横向刻槽的噪音降低1 - - 一3 d b ( a ) ；随机斜向刻槽降低4 d b ( a ) ，纵向刻槽 降低4 7 d b ( a ) 。丹麦公路局【3 】【4 】试验研究表明，当车速为8 0k m h 时，露石混凝土 路面平均噪声比一般混凝土路面低7 d b ( a ) ，比有纵向构造的混凝土路面低2 5 d b ( a ) 。英国道路运输研究所在m 1 8 公路露石混凝土路面试验段的对比测定结果表 明：露石混凝土路面比一般混凝土路面噪声降低约3 d b ( a ) ，甚至比沥青路面还“安 静 。根据调查，露石混凝土路面降低噪声，大致相当于不改变道路表面特征的情 况下，车流量减少一半时的效果。 在多孔水泥混凝土路面研究方面，由于多孔混凝土材料具有诸多生态方面 的优点， 欧美、日本等一些发达国家的研究者对多孔水泥混凝土路面研究的最初 目的是为了增加城市的透水、透气空间，调节城市微气候、保持城市生态平衡。 2 并将其成功应用于广场、步行街、道路两侧和中央隔离带、公园内道路以及停车 场。随着对多孔混凝土材料降噪性能了解的逐渐深入，开始对高强度多孔混凝土 材料进行深入研究，并走在世界的前列。 日本于7 0 年代后期为解决“因抽取地下水而引起地基下沉”等问题，提出了 “雨水的地下还原政策，着手开发透水性混凝士铺装，并研究了透水性混凝土铺 装材料的透水系数与孔隙率和强度的关系。比如日本五福公园和上野不忍池公园 中铺设多孔水泥混凝土道路，路面厚度7 0 , - 一2 0 0 m m ，水灰比约为0 3 5 ，使用的是 5 一- 1 3 m m 或2 5 - - 一7 m m 级配的碎石。为了保证面层混凝土的强度和耐久性，1 9 8 7 年日本研究者申请了多孔路面材料专利，他们在胶结材中掺用了高分子树脂和细 骨料来制备多孔水泥混凝土。1 9 9 3 年6 月，在日本和歌山b p 地区进行多孔水 泥混凝土路面铺装，施工通车后的3 个月对路面的透水性，混和料的老化性，路 面温度及噪音量进行了追踪调查和评价，结果证明这种路面有利于雨水还原地下， 降低路面温度，降低交通噪声【5 j 。 在美国，多孔水泥混凝土一般不含细集料，称为无细集料混凝土，美国的佛 罗里达，新墨西哥和犹它州己将无细集料混凝土作路面面层材料用于停车区路段， 1 9 7 9 年在佛罗里达的萨拉索塔基督教堂修建了一个停车场，路面的无细集料混凝 土由i 型波特兰水泥，骨料粒径范围6 - - 一1 2 5 m m ，加入了引气剂拌合而成，同时为 了增大集料间的粘结强度，在混合料中加入一种获专利的粘结添加剂一水基环氧 聚乙烯基丙烯酸乳液，集料与水泥的比例保持为3 ：1 ，施工时混台料采用螺旋拌合 机拌台，铺路机摊铺后，用钢轮压路机碾压。试验报告指出：混凝土2 8 天抗压强度 达到2 6 2 m p a ；透水性为每平方米每分钟9 4 l ，相当于透水系数1 5 7 m m s ，加了 粘结添加剂的试验结果表明，2 8 天抗压和抗弯强度分别达到2 7 6 m p a 和4 4 9 m p a ， 与普通混凝土相差无几，给人以很大鼓舞，于是决定用它修建1 8 2 万m 2 的停车场 和萨拉索塔大学长1 6 k m 四车道的校园道路路面。8 0 年代，新泽西卅l 和宾西法尼 亚公路部门己经计划推广应用无细集料混凝土路面【6 】。 在新墨西哥，盖洛普砂砾公司1 9 9 0 年夏季在盖洛普的一个炼油厂附近修建了 一个面积8 3 6 m 2 的路面，这个路面承受频繁的轻交通作用，经过二个冬季的冻融 循环没有任何可见的破坏，其透水性一直保持良好，另一个工程是一幢办公楼的 停车场，面积约5 0 2 m 2 ，该停车场雨后没有积水，冬天积雪融化后水流排入土基， 至今没有发现任何因雪的冻融作用使路面材料品质变化而使路面破损现象【5 6 】。 近年来，多孔水泥混凝土薄层路面在少数几个欧洲国家，如比利时、挪威、 德国以及奥地利等得到应用。多孔混凝土的最大粒径在8 l o m m 之间，孔隙率高 达2 0 - 2 5 左右。多孔水泥混凝土面层相对于多孔沥青面层而言，孔隙的耐久性 较好，其孔隙不会因车辆荷载的往复作用而压密变小。通常多孔混凝土作为普通 水泥混凝土面层的磨耗层，分两层铺筑。施工的方法通常有两种：一种是采用双 层滑模摊铺机，一种是采用两台滑模摊铺机进行交替作业。双层滑模摊铺机的下 层是普通的滑模摊铺机，上层偏后位置组合出另一个摊铺机用于摊铺多孔材料。 下层路面通过振捣和积压成型，上层路面通过一组光圆钢辊夯实。目前所有的摊 铺机中仅有维特根公司生产的1 6 0 0 型是双层摊铺机，且在实体工程中应用较少。 另外一种是以比利时为代表，先用一台滑模摊铺机在前面摊铺下层普通水泥混凝 土；在3 4 个小时后用另外一台滑模摊铺机摊铺上层的多孔水泥混凝土路面，摊 铺时需要横向布料机布料，同时摊铺时所有振捣棒都应抬起以免破坏下层普通水 泥混凝土层。厚度较薄的多孔层可以有效降低高频噪音，较厚多孔层可以有效降 低低频噪声，d e s o m e t 实测数据表明这种路面可以降低6 d b ( a ) 的噪声【7 儿引。 1 2 2 国内研究现状 国内在低噪声路面研究方面起步较晚，多数集中在沥青路面方面。如同济大 学声学研究所从汽车噪声源、路面对轮胎和汽车振动噪声影响等方面，研究了s m a 路面的降噪特性。国内还在一些道路铺筑了低噪声路面试验路段。例如：1 9 9 7 年， 浙江省在杭州金华公路3 1 - 3 2 k 处铺筑了长度1 0 0 0 m ，宽1 2 m 的多孔性沥青混 凝土路面，为避免雨水下渗，在多孔性路面下设置了1 5 e r a 厚的细粒式密级配沥 青混凝土：并在3 2 0 国道建德段、0 3 省道萧山段铺筑了试验段；在陕西在宝鸡至牛背 一级路铺筑了单幅8 4 0 m ；河北省在京沪高速沧州段铺筑2 0 0 0 m 的试验段。经检测， 以上试验路所确定的路面结构类型比通常采用的路面类型噪声最多可降低8 ll d b ( a ) ，超过了国外通常降低5 8 d b ( a ) 的水平。2 0 0 3 年北京在二环路光明桥 至三环路劲松桥之间的劲松路改造工程中，市政集团采用多孔性沥青混凝土路面 铺筑了1 2 3 0 米长的主路面，这也是低噪声沥青路面在国内城市市区内道路的首次 使用。同年1 2 月底，劲松路通过专家技术鉴定，它比普通沥青混凝土路面平均降 低噪声3 5d b ( a ) 【9 1 。 在低噪音水泥路面研究方面，2 0 0 0 年初，长安大学与陕西省铜川公路管理局 合作，在对露石水泥混凝土路面的形成工艺、工艺性能指标、路用性能、路用性 能评价方法，混合料配合比、材料要求等进行大量研究的基础上，研制了露石水 泥混凝土路面形成工艺中所需的露石剂，提出了在旌工工艺过程中的控制指标及 指标的变化规律与控制范围，使露石水泥混凝土路面施工工艺控制达到数值化， 并分别在2 0 0 0 - - - - 2 0 0 1 年铺筑了三处，累计近2 k m 长的试验路段，取得成功：2 0 0 4 年上半年在陕西省的隧道中，又成功铺筑了4 0 0 m 抗滑低噪声隧道露石水泥混凝土 路面，现场噪音测试表明，与普通水泥混凝土路面相比降噪幅度可达3 - - 4d b ( a ) ； 4 2 0 0 4 2 0 0 5 年又相继在拉萨“两桥一隧 工程的协荣隧道，厦门市一条3 k m 长的 战备旅游路上将露石水泥混凝土成功应用于工程实践，并取得了理想的效果【l 叭。 2 0 0 7 年，牛开民、田波【l l 】在西部交通建设科技项目“低噪音水泥混凝土路面研究” 中，提出了一整套“路面一轮胎噪声的测试方法，并通过此测试方法研究了在不 同车速条件下，不同路表构造类型的“路面轮胎”噪声频谱特性；并得出可以通 过改变水泥混凝土路面纹理降低路面轮胎噪声；结合实际情况认为现实较为可行 的选择是采用斜向( 1 ：6 ) 刻槽方式来降低我国水泥混凝土路面的噪音。同时，为 低噪音水泥路面研究的进一步研究提供大量的基础实验数据。 在低噪音多孔水泥混凝土研究方面，国内大多集中在透水混凝土制品的研究， 对高强高性能多孔水泥混凝土的研究就更为欠缺，应用技术水平也较低。清华大 学的杨静、蒋国梁【1 2 】采用小粒径骨料，矿物细掺料和有机增强剂等方法，提高透 水混凝土道路材料的强度，研制出了力学性能符合国家建材行业标准要求，同时 具有良好透水性的混凝土道路材料。对于水泥混凝土路面而言，采用多孔水泥混 凝土材料作为面层材料的研究报道甚少。1 9 9 9 年王波【1 3 】利用驻波管测试了多孔混 凝土的吸声系数，2 0 0 3 年长安大学郑木莲【1 4 】通过试验得出多孔混凝土振动成型和 插捣成型配合比设计的经验公式法。并对多孔混凝土强度、应力一应变等力学特性， 以及收缩和抗冻等物理性质进行一系列的研究。用应力控制模式和三分点加载方 式，进行多孔混凝土的疲劳试验。对试验结果分析处理，利用双参数威布尔分布 模型建立了不同失效概率下多孔混凝土两种形式的双对数疲劳方程。并用得出的 疲劳方程，将多孔混凝土疲劳性能与常用半刚性基层材料和水泥混凝土进行比较， 得出其疲劳性能优于常用的半刚性基层材料。2 0 0 6 年东南大学陶卓辉【6 】通过静压 成型和捣实成型的对比研究，确定捣实成型作为多孔水泥混凝土室内成型方式； 并得出有效孔隙率范围为1 5 - - 2 5 时，多孔水泥混凝土的平均吸声系数范围为 0 6 4 - 0 8 1 ，相对于光面板，其降低噪声值范围为1 5 , - - - 4 5 d b ( a ) ，随着有效孔隙率 的增大，其吸声系数先增大后减小，然而宣泄气体能力增加，但总体声学性能进 一步提高。2 0 0 6 年，交通部公路科学研究所【l l 】【l5 】在广西铺筑了一条多孔水泥混凝 土试验路，测量结果表明，多孔水泥混凝土路面相对于横向刻槽水泥混凝土路面 其噪声水平能降低约5 d b ( a ) 。 从国内外的研究现状来看，近年来出现的诸多新型路面结构与路面材料，大 大推动低噪音路面的研究，但从总体上来讲，低噪音路面的研究重点主要集中在 沥青路面。在水泥路面降噪性能研究方面，采取主要的方式依旧是通过改变路表 纹理结构来实现。而对多孔混凝土多数集中在材料的透水性能研究，用来解决路 面的排水问题。多孔混凝土应用于路面面层仍存在材料整体强度低，采用何种措 施来提高材料强度，原材料的选择与技术要求，孔隙率粗大且分布不均匀，路用 5 目标孔隙率的控制与实现以及实际的路面施工方法；多孔水泥混凝土路面的降噪 效果评价、路面噪声频谱特性分析，降噪功能的保持与恢复，孑l 隙的修复等等一 些列的问题，目前的研究资料较少，而这些问题的解决对多孔混凝土路面的推广 应用都具有极为重要的作用。同时也在很大程度上充实和提高了国内多孑l 混凝土 路面的研究内容和技术水平，对今后我国公路交通建设的发展十分必要。 1 3 本文研究的主要内容 本论文结合国内外最新研究现状，针对目前低噪音多孔混凝土路面存在的主要 问题，在试验研究与理论分析的基础上，以路用多孔混凝土材料的制备技术与降 噪性能为重点，围绕以下主要内容展开系统、深入的研究： ( 1 ) 多孔混凝土材料配合比设计研究。通过对多孔水泥混凝土材料力学性能的 系统试验研究，分析了水灰比、孔隙率以及外掺料对其力学性能的影响。在此基 础上，提出多孔水泥混凝土材料配合比设计方法。 ( 2 ) 多孔混凝土材料声学性能研究，采用驻波管法对多孔混凝土材料声学特性 进行分析评价，对比研究不同结构、不同孔隙率、不同厚度、不同状态时的声学 性能。 ( 3 ) 多孔水泥混凝土路面降噪性能研究。测试了不同面层结构、不同厚度、不 同车速下的多孔水泥路面的噪声大小与频率分布，对多孔路面的降噪性能进行分 析评价。 多孔水泥混凝土路面施工工艺研究，根据多孔混凝土材料的自身特点与独特 优势，设计一种复合式路面结构并对路面具体施工工艺进行研究，简要介绍了低 噪音多孔混凝土路面的施工工艺，并初步探讨了多孔路面降噪功能保持与恢复等 相关问题。 6 2 多孔混凝土设计方法与力学性能研究 多孔水泥混凝土是以水泥为胶凝材料、特殊级配骨料、水和外加剂按一定比 例和特定工艺配制而成的孔隙均匀分布的骨架孔隙结构。所用材料与普通混凝土 材料没有根本的区别，唯一不同之处在于，普通混凝土在进行材料设计时总是想 方设法来减少结构的孔隙率，增加混凝土的抗渗性，以保证混凝土的耐久性能， 而多孔混凝土设计的原则是在满足材料路用性能的前提条件下，仍能实现材料的 多孔且联通。因此，孔隙率是多孔水泥混凝土的重要技术指标之一，直接影响混凝 土的强度、吸声效果、透水性能以及表面抗滑构造等主要路用性能，保证混凝土试 件成型后或路面铺筑后的实测孔隙率与目标孔隙率一致，是多孔混凝土材料设计 以及路面施工的关键技术所在。 2 1 孑l 隙率概念与确定方法 表征多孔材料孔隙结构的概念较多，不同的概念有不同的含义和不同的计算 方法。所以有必要对于孔隙率的概念以及测定方法进行分析研究 2 1 1 孔隙率的概念 ( 1 ) 目标孔隙率 目标孔隙率，又叫设计孔隙率，是进行多孔混凝土材料设计和制备时要求硬化 混凝土孔隙率应达到的目标。根据孔隙率与路面力学性能、吸声系数、耐久性等 使用性能之间关系的试验分析和经验判断，综合优选确定。 ( 2 ) 全孔隙率 全孔隙率是指混凝土总体积扣除骨架结构所占体积后剩余体积，主要由封闭 孔隙、半封闭孔隙以及联通孔隙三部分组成。全孔隙率通常采用体积法计算，根 据以下公式数据处理。 v o = ( 1 土) 1 0 0 ( 2 1 ) 、) p 坩p t 式中：v o 为试件的全孔隙率，；m o 为试件在空气中的质量，g ；v 为测量所 得试件的体积平均值，c i i l 3 ；胁为水的密度，# c m 3 ；p ，为混合料的理论密度，# c m 3 ， 7 按以下公式计算： 旷互m a + 夏m c + 五m ” ( 2 - 2 ) p np c p w 式中，m a ，1 1 1 c ，i t l w 分别为集料、水泥和水占混合料总质量，其中m 。= 0 2 5 m 。； p a ，p 。，p w 分别为集料、水泥和水的密度。 ( 3 ) 有效孔隙率 有效孑l 隙率是指多孔混凝土中对声波能起吸声作用的孔隙，主要由联通孔隙与 能产生吸声共振的开口半封闭孔隙。在满足目标孔隙率的前提下，多孔混凝土的 有效孔隙率越大，说明其吸声降噪性能越好。混凝土中内部封闭的孔隙率对吸声 产生作用甚小。有效孔隙率一般采用如下计算公式： v e = ( 1 一m i - m 2 ) x1 0 0 ( 2 3 ) v o w 式中，v c 为试件的有效孔隙率，；i n i 为试件在空气中的质量，g ；m 2 为试件 抽真空后在水中的质量，g ；v 为试件的体积，e r a 3 ；胁为水的密度，e c e r n 3 2 1 2 孔隙率的确定方法 多孔水泥混凝土孔隙率确定的方法主要有两种方式，一种是采用实测方法确 定；利用试验的方法来测定混凝土的孔隙率。另一种是采用图像识别的方法。假 定多孔材料的各断面上孔隙结构完全一致，切取其中一个断面作为研究对象，利 用数字图象处理技术研究多孔材料的孔隙率，根据断面上孔隙和实体的灰度不同， 将断面分为孔隙和实体，进而分析得到孔隙的特础1 5 】。 由于材料的有效孔隙率对吸声性能起主要作用，本论文采用抽真空试验测试 方法来确定材料的有效孔隙率。具体的实验过程为：首先把试件放在密闭容器中， 对密闭容器进行抽真空。当真空度达到0 9 m p a 后保持l m i n ，然后逐渐打开进水 阀门缓慢放水，边进水边抽真空；待水浸没试件后，继续抽真空并关闭进水阀门， 使得试件孔隙中的残留气泡进一步被排除，同时在负压下水中溶解的空气也将释 放出来。试验装置示意图如图2 1 8 接真 带阀门的 支架 罔篮 水葙 进水 r 电子称 j ， f 8 l7 l 诂4 e ：焉1 z 匕型 孔一 园囫 图2 1 孔隙率测定装置示意图 f i g2 - ls c h e m a t i cd i a g r a mo f m e a s u r i n gp o r o s i t yd e v i c e 2 2 多子l 混凝土设计方法 2 2 1 原料 ( 1 ) 水泥 多孔混凝土可以看作是骨料颗粒与水泥石胶结成的多孔堆聚结构。鉴于骨料 的强度远高于混凝土的强度，因而水泥的活性、品种、数量是决定混凝土强度的 关键因素。多孔水泥混凝土材料用水泥的化学成分和物理指标应分别满足硅酸 盐水泥和普通硅酸盐水泥( g 81 7 5 1 9 9 9 ) 、道路硅酸盐水泥( g b1 3 6 9 3 1 9 9 2 ) 和公路水泥混凝土施工技术规范( j t gf3 0 2 0 0 3 ) 的相关规定。为提高抗折强度 和减少路面因磨蚀产生的粉尘和碎屑，宜采用抗折强度高且耐磨性好的水泥，要 求c 4 f 含量较大，一般超过1 6 o 。本研究采用北京兴发水泥厂生产的拉法基4 2 5 普通硅酸盐水泥，水泥胶砂试验强度、水泥的化学成分和物理性能指标均满足规 定的交通等级路面水泥强度指标要求。 ( 2 ) 集料 多孔混凝土材料属于骨架_ 孑l 隙结构，集料在结构中充当坚强的骨架，集料粒 径级配、颗粒表面形态、单位体积混凝土用量等直接控制着孔隙率大小、孔隙尺 寸、孔隙状态和混凝土表面构造状况，是影响多孔混凝土材料路用性能的关键因 素。因此，集料的性能对混凝土整体性能起着至关重要的作用。集料的技术要求 除应满足j t gf 3 0 2 0 0 3 公路水泥混凝土路面施工技术规范的指标要求，还应 对其压碎值和针片状含量有严格的要求。集料的针片状含量应 3 ，压碎值应 8 。此外，为使面层多孔混凝土呈均匀、小孔结构，既达到路面使用性能要求又 充分发挥其功能性。根据大量的试验研究，采用较小粒径和较窄粒径组成范围( 间 断级配) ，多孔混凝土材料采用的集料最大公称粒径为4 7 5 。 9 ( 3 ) 水 水的要求和拌制普通混凝土要求相同，即不含腐蚀质的饮用水。在试验过程中 使用自来水即可。 ( 4 ) 减水剂 减水剂采用早强型高效减水剂，其质量及材料组成应符合混凝土外加剂均 质性试验方法( g b t 8 0 7 7 2 0 0 0 ) 和混凝土外加剂( g b 8 0 7 6 1 9 9 7 ) 的要求。试 验采用减水剂为北京建筑工程研究院生产的a n l 0 0 0 萘系高效减水剂，减水率1 5 - - 2 0 。 ( 5 ) 增强剂 硅灰 硅灰，又称硅粉，硅灰的主要化学成分为非晶态的无定型氧化硅，是硅铁或 金属生产过程中由电弧炉中的高纯石英、焦炭和木屑还原产生的副产品，硅占9 0 以上，硅灰的粒径微细，颗粒比表面积为1 5 2 5 m 2 儋，硅灰表观密度为2 4 k g m 3 ， 在水泥凝胶体中具有填充作用，使骨料与水泥浆体的界面强度得到改善，从而在 宏观上增加混凝土的整体强度。试验采用西安霖源硅粉有限公司生产的e b s s 微 硅粉，比表面积1 5 2 7 m 2 儋，松散容重1 5 0 - - 2 0 0 k g m 3 ，活性指标8 5 ，需水量 比1 2 5 。活性s i 0 2 含量高达9 8 以上。 有机高分子聚合物 由于多孔混凝土材料没有细集料的填充，在行车荷载的直接作用下，表层的骨 料很容易被脱落，为了提高多孔混凝土的耐磨性以及胶凝材料对骨料的握裹力， 采用有机增强剂，利用其微填充、阻裂和提高粘结力的作用，来改善骨料与水泥 胶凝体之间的见面强度，从而整体上提高多孔材料的力学性能。试验采用北京石 油化工有限公司生产的v a e 一7 0 7 ( 乙酸乙烯脂一乙烯共聚乳液) ，是一种白色乳液， 其性能指标如表2 1 所示： 表2 - 1v a 7 0 7 乳液主要技术指标 t a b l e2 - 1m a j o rt e c h n i q u et a r g e to f v a 一7 0 7e m u l s i o n 固含量c ，粘船sp h 值嚣怒乙麓量眢乙瑟烯霍专嚣笋 5 4 55 0 0 1 0 0 04 0 6 001 6 + 21 05 2 2 2 多子l 混凝土配合比设计方法 路用多孔水泥混凝土配合比设计的目的就是在满足新拌混凝土工作性能基础 上，保证混凝土有良好的力学性能、吸声性能以及耐久性能等路用性能，并兼顾 1 0 其经济性。 目前多孔水泥混凝土的配合比设计在国内还没有成熟的设计方法，由于多孔 水泥混凝土与普通水泥混凝土在结构上有很大的区别，因此采用传统的水泥混凝 土配合比设计方法不