（道路与铁道工程专业论文）低噪声路面的研究.pdf

摘要 驴7 4 1 3 5 4 k 改革丌放以来，随着经济建没的飞速发展，交通量剧增，由此引发 的交通噪音已直接影响到居民的闩常生活，据统计，我国至少3 0 0 0 多万 居民受到交通噪声的困扰。 为了降低嗣益严重的交通噪声污染，本篇论文结合北七家汽车城道 路及劲松路道路改造工程，研究低噪声路面的成套技术，主要包括低噪 声路面的降噪原理、低噪声路面声学试验、复合改性沥青材料、混合料 配合比及路面结构的研究等项内容，并铺筑了试验道路。低噪声路面声 学试验得出了材料孔隙率、试件厚度对降噪效果的影响，属于该项目的 创新点：同时，采用湖沥青进行复合改性的多孔隙混合料在国内也属首 次使用。 通过对试验路的测试，低噪声路面比普通混凝土路面降噪3 - 5 分贝， 比s m a 改性沥青混凝土路面降噪2 3 分贝，达到或接近国际水平，具 有广阔的应用前景。 【关键词】：低噪声路面、复合改性沥青、试验路 a b s t r a c t t h et r a m cv o l u m er i s e s s h a r p l y a st h ee c o n o m i cb l o o m sw i t ht h e i m p l e m e n t a t i o n o fo p e n i n g u p p o l i c y t h e r e s u l t e dt r a f f i c n o i s e i m p o s e s d i r e c ti n f l u e n c eo nr e s i d e n t sd a i l yl i f e s t a t i s t i c ss h o w st h a tm o r et h a l l3 0 m i l l i o nc i t i z e n so b s e s s e db vt h et r a f f i c n o i s ei no u r c o u n t r y t oe l i m i n a t et h ee v e rs e r i o u st r a f f i c - n o i s ep o l l u t i o n c o m b i n i n gw i 血t h e r e b u i l d i n gp r o j e c t i nb e i q i j i aa u t o m o b i l et o w nr o a da n d j i n s o n gr o a d ，t h i s d i s s e r t a t i o na i m sa ts t u d yt h ek i t o u tt e c h n o l o g yu s e di nl o w - n o i s e p a v e m e n t ， m a i n l yi n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eh o wt h ep a v e m e n te h m i n a t e sn o i s e ，a c o u s t i c s t e s to ft h el o w - n o i s ep a v e m e n tc o m p o s i t e - m o d i f i e da s p h a l tc e m e n t ，a s s o r t e d r a t i oo fm i x t u r ea n dt h es t r u c t u r eo fp a v e m e n te t c a c o u s t i c st e s to ft h e l o w - n o i s e p a v e m e n tp r o v e s t h a tt h ee f f e c to fe l i m i n a t e i n gn o i s e sw a s i n f l u e n c e d b yv o i d r a t eo fm a t e r i a la n dt h i c k n e s so fm a t e r i a l t h i si s i n n o v a t i o no ft h et h e s i s m e a n w h i l es o m et e s ts e c t i o n sw e r eb u l i tf o rf u r t h e r e x p e r i m e n t a n di t st h ef i r s tt i m et h a t p o r o u s m i x t u r et h a t c o m p o u n d - m o d i f i e dw i m t l ai su s e di nc h i n a a f t e r t e s t i n gt h ee x p e r i m e n t a lr o a d ，i t sf o u n d t h a tt h el o w n o i s ep a v e m e n t c o u l de l i m i n a t en o i s e3 5 d ba n d2 3 d bm o r et h a nt h ep a v e m e n tt h a tb u i l t f r o mc o m m o na s p h a l tc o n c r e t ea n ds m am o d i f i e d a s p h a l t c o n c r e t e r e s p e c t i v e l y t h e r e s u l th a sr e a c h e dt h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r da n dt h e t e c h n o l o g yc o u l d h a v ec a p a c i o u sm a r ki nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：l o w - n o i s ep a v e m e n t ，c o m p o s i t e m o d i f i e da s p h a l tc e m e n t ，t e s t r o a d 第一章概述 第一章概述 1 1 道路交通中的噪声问题 近年来，由于政府加大交通基础设施建设的力度，我国在道路建设方 面取得了很大进展，特别是高等级公路和城市快速路的建设。但是，随着 道路建设的迅速发展，在增加运输能力、促进地区经济迅速发展的同时， 也给周围环境造成一定负面的影响，其中交通噪音问题尤为严重。 交通噪声作为噪声污染的一种，与大气污染、水污染一样，已逐渐成 为一种危害人类环境的公害，而且对居住人群的干扰在许多国家已经超过 了其他形式污染。伦敦在一次噪声调查的报告中表明，3 6 的伦敦人受到 不同程度交通噪声干扰，受飞机、铁路、工业和建筑施工噪声干扰的分别 为9 、5 和7 ，而在家听到交通噪声的人高达9 1 。德国类似的研究 也指出，德国有7 0 的人受到道路交通噪声的干扰。同样，在北京的一项 调查也显示，有关交通噪声污染的投诉占到噪声投诉总量的5 5 以上。 在我国，随着国民经济的快速发展，出现大量新增客货运量，国内各 种运营车辆和私人汽车的社会保有量成倍增加，以1 9 9 0 年为例是6 3 2 9 8 万辆，到1 9 9 9 年增加到1 9 8 6 8 2 万辆。汽车数量的成倍增长，加上道路里 程增加、等级提高和状况的改善，势必带来道路交通量的迅速增长，如不 采取有效措施，必然造成道路噪声污染的恶化，严重干扰了道路两侧单位、 学校及居民区的正常生活秩序。以城市道路交通噪声为例，据中国环境 状况公报的数据，城市道路交通噪声污染2 0 0 0 年与1 9 9 9 年相比呈上升 趋势，下表是全国2 0 0 多个重点城市的交通噪声水平。 第一章概述 表1 - 1 重点城市的交通噪声水平 污染程度 污染较重中度污染轻度污染良好 鳓 ( )( )( )( ) 1 9 9 95 28 52 735 9 2 0 0 08 92 2 45 331 5 4 总体上看，全国重点城市道路交通噪声基本处于轻度污染状态，污染 较严重的主要集中在一些大中型城市。如北京，交通噪声平均值长期以来 一直处于7 1 至7 2 分贝之间，在全国直辖市和省会城市中排名倒数第三。 而在市区内一些城市快速路周边噪声等级更高。以北京的四环路为例，2 0 0 1 年的噪声检测结果显示，昼夜平均噪声为7 4 3 7 7 6 d b ( a ) 之问，夜间为 7 3 8 - 7 7 d b ( a ) 之间。大大超过了国家标准规定的昼夜7 0 d b ( a ) ，夜间5 5 d b ( a ) 的最高限值。北京约有1 0 0 万人居住在交通干线两侧，约占市区居民 总数的1 6 ，他们是这些交通噪声污染的直接受害者。 1 2 噪声的危害 简单地讲，噪声就是人们不需要的声音。它不仅包括杂乱无章、不协 调的声音，而且也包括影响旁人工作、休息、睡眠、谈话和思考的声音。 噪声对人的影响极为广泛，它影响人们的正常生活、睡眠和休息，干 扰工作和学习，甚至引起各种疾病。一般来说，在影响范围内，4 0 分贝的 连续噪声可使周围1 0 的人受到影响，7 0 分贝即可影响周围5 0 的人，而 突然噪声在4 0 分贝时，可使周围1 0 正在睡眠状态的人惊醒。长期生活在 8 5 分贝以上的环境，会使听觉产生不同程度的影响甚至造成耳聋。噪声会 引起烦恼，使人精力不易集中，影响工作效率和学习效果，造成记忆力衰 退、疲劳、头痛和失眠并进一步产生高血压、心脏病等病症。 第一章概述 交通噪声除了对人们身体健康影响外，还会使受噪声影响的房地产、 工厂、商业等生产效益不同程度的下降。根据最近来自瑞典的一份报告指 出，在瑞典由于交通噪声引起的经济损失每年高达3 3 亿美元，折合成每 辆汽车相当于每辆轻型车每年由于噪声引起的损失达6 0 美元。每辆重型车 6 3 0 美元。而实际上，瑞典在交通噪声方面的经济损失还不到欧洲平均水平 的一半。1 9 9 6 年欧盟委员会的一份报告指出，欧盟国家每年因交通噪声造 成的损失估计占到国民生产总值的0 2 一2 。 1 3 研究意义 随着我国公路建设的飞速发展，生活在公路两侧的人越来越多，据初 步测算，我国有3 3 9 0 万人受到公路噪声影响，基中2 7 0 0 万人在高于7 0 d b 的噪声严重污染的环境中，沿线的土地要开发利用，居民的生活质量要提 高，经济要发展，因此高速公路两侧的交通噪声必须进行有效的防治，这 不仅仅是一个社会问题。同时也是一个很重要的经济问题。 多孔隙沥青混凝土低噪音路面是一种新型的路面结构形式，能降低噪 音3 5 分贝，这种路用大孔隙的沥青混合料铺筑，能有效降低汽车轮胎与 路面接触产生的气泵效应，具有噪音低、防溅水、防反光、增强路面附着 力等特点，能改善雨天及路面的行驶条件，提高驾车的舒适性与安全性， 能有效地降低阳光下路面的反光程度，并有效地提高路面的附着力。结构 耐久性方面，低噪声路面的抗车辙能力很强，优于普通的密级配沥青路面e 项目的研究意义主要有以下几点： o 向国际化接轨，剩于环境保护 随着我国申奥的成功以及加入w t o 以后，国际间的合作与交流i = 1 益频 繁，但我国的环境保护工作与国际上发达国家的水平差距较大，低噪声路 第革概述 面的研究将改善声环境，提高环境保护的水平。 提高道路建设质量与水平 目前，我国道路面层主要采用密集配沥青混凝土路面形式，易造成路 面变形损坏，且车辆行驶时噪声较大。随着低噪声路面的研制，在不降低 道路强度的情况下，改善路面行驶条件、增强道路安全性能、减小车辙造 成损坏的同时，降低了噪音，使道路建设质量与水平迈向了更高的层次。 o 提高居民生活质量 由于高速公路、城市快速路往往修建在人口密度大、经济发达地区， 因此我国的交通噪声污染问题正对越来越多的人造成影响。交通噪声对人 们身体健康有损害已经成为不争的事实，较高的噪声会影响人体各个系统 的正常运作，同时会引起人们情绪紧张、情绪改变，干扰人们正常的作息。 低噪声路面的研究与应用，降低了道路噪音，减小了噪音对居民的影 响，恢复了居民的正常生活，提高了居民生活质量与身体素质，具有极大 的社会效益。 o 提高土地综合效益 交通噪声对环境的影响除了对人们身体健康影响外，受噪声影响的房 地产、工厂、商业等生产效益都有会不同程度的下降。同时噪声还直接影 响到公路周围的土地价值，有资料表明交通噪声每升高l d b ，那么土地的价 格就会下降0 0 8 1 2 6 之间，平均降低0 9 左右，反过来说，如果能将 交通噪声由比较高的水平降低l d b ，那么相当于沿线土地升值0 9 ，对于 沿线土地开发来说这就是一个很可观的数值。有效降低交通产生的噪声， 大力铺设低噪声路面，对于发展整个地区的经济是一个至关重要的方面。 4 第一章概述 1 4 项目背景 我国成功的申办奥运会以后，政府更加注重环境保护工作。北京市政 府和北京市环保局对于城市道路交通噪声对居民的影响非常重视，在2 0 0 0 年组织有关单位进行了北京市交通噪声对策研究。该项目研究成果之一， 建议北京在城市快速路以及高速公路上的噪声敏感区域，进行低噪声路面 示范工程的研究。 低噪声沥青路面研究项目于2 0 0 2 年3 月开始，是由市政工程总公司， 市劳动保护研究所、北京市市政工程设计研究总院共同承担的北京市环境 保护局的科研项目。市政设计研究总院主要负责低噪声路面的结构设计部 分。 2 0 0 2 年1 0 月，在北京北七家汽车城铺设了第一条低噪声路面：2 0 0 3 年6 月，又在劲松路光明桥至劲松桥之间铺筑了一条对比试验路段。 第_ 二章国内外低噪声路面发展现状 第二章国内外低噪声路面发展现状 2 1 国外发展现状 噪声对人类的危害众所周知，为保护环境，尽可能给人们以安静的生 活环境，世界上许多国家都在努力控制噪声。作为降低道路交通噪声措施 之一的低噪声路面技术，已在世界许多发达国家广泛使用。 低噪声路面首先是在6 0 年代发展起来的，它最初的设计目的并不是降低 噪声，而是为了利于路表排水，增强道路的安全性能。通过这种路面的大孔 隙结构迅速排除地表水，减少路表水膜厚度，使行车时车轮与路面之间具有 足够的接触面积，防止车辆高速行驶时产生水漂或水滑现象，同时避免车轮 与雨水相撞击飞溅形成水雾，影响行车时的能见度。在实际使用过程中，这 种多孔隙路面确实达到了非常好的效果，提高了行车的安全性。直到后来， 7 0 年代末到8 0 年代初，根据进一步的研究，人们才逐渐认识到多孔隙路面还 具有非常好的降噪功能，早期的实验( n e l s o na n d a b b o t t ，1 9 8 7 ；n e l s o na n d a b b o t t ， 1 9 9 0 ) 结果证明这种路面可以有效降低3 5 分贝的路面噪声。之后，越来越 多的国家投入到多孔隙路面降噪效果的研究中去，并且逐渐应用到实际工程 中去。 目前，欧洲、日本等先进国家的高等级路面，已基本普及了大孔隙路 面结构。如法国，1 9 8 4 - - 1 9 8 8 年问平均每年有8 0 万平方米的工程量，到 1 9 9 3 年累计施工2 5 0 0 万平方米，而1 9 9 5 年一年的工程量约达5 0 0 万平方 米。近几年在日本，每年旖工的低噪声路面的面积也达到2 0 0 万3 0 0 万平 方米。 6 第二章国内外低噪声路面发展现状 由于研究的侧重点不同，对于这种低噪声路面称呼有所差异：在欧洲 国家，侧重于大孔隙路面的结构噪声性能研究，被称为p o r o u sa s p h a l t ， 多孔隙沥青路面；在同本等国家，侧重于大孑l 隙路面排水性能的研究，被 称为o p e ng r a d e da s p h a l tf r i c t i o nc o u r s e ，简称o g f c ，即开级配沥青排 水路面。在国内这种路面也被称作透水性路面或排水性路面。 各国对噪声的考虑方法各有其不同之处，因而低噪声路面的设计思路 也有所区别。例如，法国和比利时把降低沿途噪声作为主要问题来考虑。 因而，研究利用大孔隙率路面材料的吸声效果来达到降低车辆行驶时所发 出的噪声。这样，铺筑厚度一般在4 c m 以上、孔隙率2 0 的路面成为主流。 通常在欧洲各国使用排水性路面的碎石比使用于一般路面的碎石要求 其粒径的均一性。以确保必要的空隙率作为基准。另一方面，对碎石的材 质也制定更为严格的标准。例如，在比利时，排水性路面所采用主骨料为 粒径1 0 一1 4 唧的碎石，洛杉矶石料磨耗水平在1 5 以下，扁平率定为0 3 ( 一般道路路面所用骨料粒径所用骨料粒径为7 1 4 m m ) 。 在日本，排水性路面用的主要骨料粒径范围为5 - 1 3 m m ，其最小粒径与 最大粒径相差较大；扁平率比欧洲采用更高的标准。另外，日本排水性路 面所使用的沥青与日本其他的沥青相同，主要使用加入热塑性高分子化合 物的改性沥青。但是在奥地利等一些欧洲国家，因为在加热橡胶粉时有硫 化物和检测出的一些致癌物质因而禁止使用废旧橡胶粉。 根据英国的研究成果，当集料最大粒径选择为2 c m 时，面层铺筑厚度 不宜超过5 c m 。 在结构耐久性方面，这种多孔隙路面的性能基本与密集配沥青路面性 能相当。在奥地利，通常的密集配沥青路面由于出现车辙，到7 年左右必 须进行修补，而排水性路面的正常使用年限可以达到1 0 年。 总之，低噪声路面在许多国家都已经得到了广泛的应用，并且取得了 7 蔓三里鬯堕丛堡堕妻整耍垄垦堡坚 很好的效益。随着各国对交通噪声控制力度的加大，低噪声路面将会应用 到更多的地方。 2 2 国内发展现状 对低噪声路面的研究，我国起步比较晚，上世纪9 0 年代中后期才开始。 目前路面面层结构主要采用没有吸附噪声功能的密集配沥青混凝土。 但是随着我国申奥成功及向国际化大都市的迈进，交通噪声问题越来 越受到重视，各地已经陆续开始对于低噪声路面进行研究和应用，如上海 市浦东、嘉定区内路段，京沪高速公路河北段和杭州一金华省道的部分路 段等都铺设了低噪声路面，并取得了良好的效果。在香港，截止到1 9 9 7 年 底，用于道路改造铺设的低噪声路面长度己有1 0 3 公里，使近1 4 0 0 0 户居 民受惠，并且计划从2 0 0 2 年起到2 0 0 4 年对现有道路中的7 2 段进行翻修， 铺设低噪声路面面层，改善整个城市的交通噪声环境。 通过低噪声路面的理论研究和工程实践，取得了一定成果。随着环保意 识的加强、国家对交通噪声法规政策的进一步完善，低噪声路面的研究将 会更加深入，使居民的生活水平得到提高。 第三章研究内容与技术路线 第三章研究内容与技术路线 3 1 研究内容 本项目收集并分析国内外有关低噪声路面沥青混合料的研究资料，确定 此项目的主要研究内容为大孔隙沥青混凝土路面，即低噪声路面。为满足 大孔隙沥青混凝土路面的空隙率及路用性能，对沥青进行复合改性研究及 沥青混合料的配合比研究，并对混合料进行室内强度和降嗓测试，选定合 适的配合比，进行生产工艺、施工工艺以及路面结构的研究，铺筑试验路， 对试验路的降噪效果和路用性能进行实际观测和研究，进而对配合比进行 评价和改进，找到既复合路用性能又有降噪效果的配合比。 本项目通过多孔隙沥青混凝土试件的声学特性研究明确了其降噪机理， 继而对其配合比、道路结构、排水设施、生产与旌工工艺、降噪效果进行 研究，研制出了既复合路用性能又有降噪效果的适合北京气候条件的沥青 混合料，可明显改善居民的生活环境，对解决北京市的交通噪声具有重要 意义。 3 2 关键技术及创新点 通过对多空隙沥青混合料的降噪机理进行研究分析，得出其通过连通空 隙率来降低轮胎与路面产生的泵吸效应以及吸声效果的结论，连通空隙率 越大，降噪效果越好，针对沥青混合料的高空隙、抗松散、强度三者之间 的制约关系，采用高粘度、高弹性的天然湖沥青复合改性沥青和掺加橡胶 粉的复合改性沥青生产多孔隙沥青混合料，其中掺加橡胶粉的复合改性沥 9 第三苹研究内霹与技术路线 青为国内首创。 低噪声路面声学试验得出了材料孔隙率、试件厚度对降噪效果的影响， 属于该项目的创新点。 示范工程实施效果较为成功，多孔隙低噪声沥青混凝土路面的路用性能 完全达到交通部的规范要求。与普通沥青混凝土路面相比，降低噪声3 5 分贝，与s m a 改性沥青混凝土相比，降低噪声2 3 分贝，降噪效果明晟， 达到国际低噪声路面的平均水平。 i o 第三章研究内容与技术路线 3 3 技术路线 图3 - 1 技术路线 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 本章主要研究内容为低噪声路面的降噪原理、安全性能及与 其它降噪措施的比较等。 4 1 低噪声路面降噪原理 4 1 1 路面噪声产生原因 车辆在道路行驶过程中产生的交通噪音，主要可以分为两类：一种主 要是由车辆的动力装置及其相关部件引起的比如汽车的发动机、变速箱 和排气管等等都会产生不同程度的噪声，我们统称为引擎噪声；另一种则 是由于汽车在行驶时( 一般认为在速度大于5 0 k m h 的情况下) 由于轮胎和 路面之间的相互作用所产生的，其中还包括在特殊的行驶条件下，如急刹 车、急转弯、起步或路面有积水等情况产生的振鸣声和溅水声等，叫做轮 胎路面噪声。 轮胎路面噪声中，由于噪声产生的原因不同，主要可以分为以下两类： 1 ) 气压噪声 当轮胎在路面上滚动时，与路面接触的轮胎部位被压缩变形，轮胎花 纹内空气也随之被挤压，被迫排出形成局部不稳定空气流。同时当轮胎通 过路面上的不连通小孔时，孔隙内会形成压强较大的气团。然后，当轮胎 离开接触面时，受压缩的轮胎花纹舒展并使空腔容积突然增大而形成一定 的真空度，大气中的空气被吸入。这种“空气泵吸”的作用，导致了汽车 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 行驶过程中产生出一种喷射噪声，即由于气流从管口以高速( 介于声速与 亚声速之间) 喷射，造成周围气体的剧烈振动产生的噪声，我们称之为轮 胎与路面间的气压噪声。越来越多的实验都证实了气压噪声是汽车行驶， 特别是高速行驶时噪声的主要来源。并且由于轮胎表面结构以及轮胎转速 的不同，噪声的频率成分以及声压级大小也随之不同。 行驶方向 f l 车轮+ j 培”f 接i l l i g ：, ! f 路面 。“ 图4 一l 气压噪声产生机理示意图 2 ) 振动噪声 振动噪声是汽车轮胎在凹凸路面上滚动时，由于道路和轮胎之间的撞击 引起轮胎振动所激发的噪声。一方面，由于轮胎和路面的相互接触时摩擦 力的作用，导致轮胎表面花纹产生的压缩形变，在离开路面时轮胎花纹产 生的恢复压缩形变，这个犹如音叉振动的过程导致了摩擦噪声。另一方面， 由于轮胎不是理想的圆形，路面也不完全光滑，因而在轮胎滚动过程中雨 一个小的力波动叠加在载荷和摩擦力上，并使胎体振动变形也会产生一定 的噪声。 总之，振动噪声的强弱主要取决于轮胎的材料、结构和路面特性。近 几年来随着道路表面性能的改善，汽车制造的进步，这类噪音已经逐渐降 低。 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 低噪声路面主要针对轮胎路面噪声进行降噪研究。 4 1 2 低噪声路面降噪机理 ( 1 ) 低噪声路面的吸声性能 声学上常用吸声系数来描述多孔性材料的声学特性。所谓吸声系数是 指材料吸收声音能量与入射到材料表面的声音能量之比。吸声系数越大， 材料的吸声性能越好。当入射的声音被材料全部吸收时，吸声系数为1 。材 料的吸声系数还和声波的频率及入射角有关。一般将声波垂直入射到材料 表面的吸声系数称为垂直入射吸声系数。 在实验室内采用驻波管法测量试件的垂直入射系数。孔隙率5 的普通 密级配沥青路面试件与孔隙率2 0 的开级配低噪声沥青路面试件，两种试件 的厚度同为6 0 r a m 。在各种频率下，低噪声路面试件的垂直入射吸声系数均 大于普通路面试件的垂直入射吸声系数，他们的峰值相差更大。这表明多 孔隙沥青路面拥有较好的降噪声效果。 ( 2 ) 低噪声路面对噪声源的影响 低噪声沥青路面除了具有明显的吸声特性外还能在一定程度上消除轮 胎与路面相互作用而由“泵吸”作用产生的气压噪声。由于低噪声路面与 普通路面相比存在较多的连通孔隙，流阻甚小，相当于提供了一个空气排 出通道。在轮胎与路面接触时，受到挤压的高速气流不会被释放到大气中， 而是被压入了路面联通的空隙中，迅速扩散。从能量的角度看，这些被压 缩的高速气流会失掉一部分动能，在这些损失的动能中其中一部分用于在 气流穿过空隙时，和空隙壁发生摩擦而转化成热；另一部分用于当空气被 绝热压缩( 由于受到挤压的气流速度高，被压缩的时间短而来不及进行热 传递，因此认为是绝热压缩过程) ，穿过路面材料中的毛细孔并在孔末端被 1 4 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 释放时对其做功。 这就有利于轮胎花纹或路面小孔中的空气喷排，从而破坏和减弱由于 空气压缩和瞬时释放所引起的噪声。 参照封闭空间中稳定声场的计算方法来估算低噪声沥青路面对上述过 程的影响，通常在压缩阶段可降低8 d b 左右的噪声级，但在扩张阶段，先 f j 被压缩的那部分轮胎已经滚离路谣，这种降噪效果明显减弱，因此，总 的降噪效果在3 5 d b 左右。 ( 3 ) 低噪声路面对噪声传播产生的影响 声源向远处传播时，声波能量随扩散距离的增加而衰减，衰减速率与 波前形状有关。但是，如果靠近声源存在一个物体表面，则会发生声波的 表面反射，进而出现附加声波扩散。这种附加波扩散效应在轮胎路面噪声 扩散传播过程中非常突出。当靠近声源的反射面是多孔结构时，附加声波 扩散效应会在该表面上发生。此时，远处接收到声压水平则是直接扩散声 波和反射声波的叠加效果。当声波构成的主要组成部分相位差为1 8 0 度时， 就会发生声波的破坏干涉，合成声压降低。 【a ) 舭源竺坠，。一一7 。7 f 一一 7 、，7 7 反射波 、 二= = = = = = 二! = ：二二2 竺! 竺! 二! 二= = = 至睡堡l l e ：二! = 二：2 反射而 ( b ) 1 4 = 一一竺璧孑多歹7 7 7f 一一一 一i ， 、 ，7 ，7 厦舯波 ，7低噪声龉 一二；6 一一一一，- ，? i ，i ? ，易一。j 反射丽i一一n l ( a ) 普通密集配路面( b ) 低噪声路面 图4 2 低噪声路面对噪声传播产生的影响 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 轮胎噪声在反射面上扩散传播时，破坏干涉发生在高频声波部分。这 是因为轮胎路面噪声声源靠近路面( 一般不超过路面上5 e r a ) ，声源声波和 反射声波的相位差较小，破坏干涉只可能发生在小波长声波( 即超过8 0 0 0 h z 的高频噪声) 。但是，轮胎路面噪声在多空隙表面扩散传播时，由于其流 阻和普通路面相比很小，增加了入射声的透射能力，会在透射声到达路面 底层刚性路基时发生二次反射，从而引起附加相位差的变化如上图所示， 声波反射发生在表层路面的下一层，从而增加了相位差) ，使破坏干涉更多 的发生在低频( 一般为8 0 0 - 1 0 0 0 h z ) 声波部分发生。 而低频f 是轮胎路面噪声产生的主要部分。根据国外的有关试验显示 如下图所示，为5 0 辆装配不同种类轮胎的汽车在9 0 k m h 时测得的在不同 频率范围内的声压级，有大约7 0 噪声的a 级加权声压能量是由低于1 0 0 0 h z 的噪声产生的。而且8 0 0 - 1 0 0 0 h z 这部分声波正是轮胎路面噪声能量的主 要部分。如果完全把这段峰值去掉的话，噪声的声匿将会减少大约6 d b 之 多。 1 6 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 级 加 权 吉 压 级 宙 频率( h z ) 图4 3 交通噪声在各个频率下的声压级 4 1 3 低噪声路面适用的范围 引擎噪声和轮胎路面噪声共同构成了汽车在行驶过程产生的噪声，并 且两者都与汽车的行驶速度有着密切的联系，都随汽车速度的增加而增加。 但是两者速度一噪声的变化关系并不相同：轮胎路面噪声与速度的关系大 概呈一个对数关系： l = a + b * l o g ( v ) l 一声压级d b a ，卜速度系数( 常数) v 一速度k 在速度为对数坐标系下，轮胎路面噪声的增加同速度呈线性关系；】 1 了 第四蕈低噪声路面降噪原理与安全性能 另一方面，引擎噪声则极为复杂，它是由汽车运行时的诸多因素组成的， 包括变速器、引擎和排气管等各部件共同合力形成的，因此其速度一噪声 变化关系要复杂得多。这也就导致了在不同速度f ，引起噪声的主要原因 也是有所不同的。具体地说，引擎噪声在汽车低速行驶时，是噪声的主要 来源；而轮胎路面则是汽车高速行驶时产生噪声的主要因素。并且这两种 噪声随速度变化的关系中存在一个临界速度，在这个速度时，汽车的引擎 噪声和轮胎路面噪声将各占总体噪声一半。换一种说法，就是说大于这个 临界速度，道路交通噪声的主要来源就可以归结为轮胎路面噪声，而小于 这个值时则认为是引擎噪声。 根据国外8 0 年代和9 0 年代的研究成果，认为这个l 临界速度对于小汽 车是4 0 5 0 k m h ，对于卡车是6 0 - 7 0 k m h ( 都是在匀速行驶状态下) 。而最 新的一些试验表明，在实际应用中，这个临界速度还会更低，一般可以认 为是5 0 k m h 以下。 下图为对v o l v of 1 2 型汽车进行的速度一噪声测试试验得出的结果。如 图所示，随着速度的增加，引擎噪声与轮胎路面噪声都在增加，而在速度 大于5 0 k m h 以后，轮胎路面产生的噪声明显占据了噪声主要的部分。而 且随着汽车速度的增加轮胎路面噪声占据的比例越来越大，最终在速度达 到9 0 k m h 时，匀速行驶时轮胎路面噪声几乎可以等同于汽车发出的噪声。 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 图4 - 4v o l v of 1 2 型车在不同速度下产生的噪声 综上有关低噪声路面降噪机理的分析，低噪声路面由于其多孔隙结构， 可以有效的消除轮胎路面噪声中的气压噪声。而这部分噪声恰恰是在汽车 在高速行驶时才4 会引起较大的影响。因此我们可以得出以下结论：低噪声 路面主要适用于行车速度较高的高速公路、城市快速路以及城市主干路， 在这些路面上铺筑低噪声路面可以起到良好的降噪效果；而对于普通的、 行车速度较低的路面，由于其主要噪声源是引擎噪声，若铺设低噪声路面， 性价比不是最优。 4 2 低噪声路面的性能 与普通路面相比，低噪声路面具有以下优势 4 2 i 降噪性能 声学上常用声压级来标量声音的强弱，它是一种对数标度，单位分贝 定义为： 1 9 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 l p ：l o l o g ( p 2 p ，) 式中： l p 一称声压级 p 一被测声音的声压1 口。= 2 x1 0 “参考声压 采用对数标度的原因是因为人耳对声音强弱的感觉并不正比于声压的 大小，而是更接近于正比声压的对数值。而且入耳对不同频率声音感觉的 灵敏程度也有所不同。于是，参照人耳的频响特性，对声音信号进行加权 处理，提出了a 加权声压级，单位d b ( a ) 。有两个强度的独立声源叠加产生 的效果是原声能量的两倍，但声压级仅仅增加3 d b 。 一般新建造的低噪声路面可以有效把噪声降低2 5 d b 之间。使用几年 以后，部分路面孔隙被堵塞，降噪效果有所下降，但还可以达到2 3 d b ， 相当于道路噪声减小了近一半。这对于饱受噪音之苦的居民来说无疑是一 个很大的福音。 4 2 2 排水性能 在雨天，普通的密级配沥青路面会产生一层水膜，汽车在快速通过时， 雨水飞溅形成水雾，影响道路的能见度：同时水膜导致路面摩擦力不足， 甚至会使车辆产生水漂，从而诱发交通事故。而低噪声路面采用路面内部 排水方式。见下图，雨水降落到路面后，渗入排水功能层，并且被拦截在 不透水层以上，通过两侧排出路面。只有在雨量很大时，低噪声路面才会 在局部产生水膜。 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 普通路面低噪声路两 图4 5 低噪声路面采用路面内部排水方式 v， 图4 - 6 路面内部排水示意图 图4 7 雨天普通路面和低噪声路面比较( 右侧为低噪声路面) 2 1 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 4 2 3 安全性能 晴天观察低噪声路面可以发现它明显比普通路面黑，这是因为普通沥 青路面在光线照射下会形成镜面反射。特别是在雨天夜问，在车头灯的照 射下，普通路面更容易产生镜面反射，发生玄光；而多孔性路面具有发达 的宏观构造，由于集料不规则的棱角，使光线产生漫反射，因而晴天观察 路面特别黑，即使在雨天，也因为这种路面能迅速排水，路表面无水膜， 不仅不会出现溅水和夜问眩光，而且道路标线清晰可见，增强了道路的安 全性能。 同时由于优良的排水性能，增大了雨天的抗滑能力，增强了车辆在雨 天行驶的安全性能。据日本有关资料统计，某条道路位于多雨区域，经常 发生交通事故。进行道路改造时，面层铺筑了低噪声路面，事故率下降了 6 0 以上。 图4 8 夜间路面对比( 左侧为低噪声路面) 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 4 2 4 其它性能 低噪声路面的构造深度一般比传统表层大，车辆高速行驶时安全性能 会更好。 除此之外，发生漏油事故时，由于低噪声路面良好的透水性能，不容易 引起火灾。 4 3 低噪声路面与其他降噪设施的比较 降低高速公路的交通噪声有许多方法，近年来很多国家采取了许多措 施，如修筑隔音壁、植树绿化等，其中采用多孔性沥青混合料路面降低交 通噪声拥有更为明显的优势。 首先，低噪声路面除降噪效果外，还能有效地排除路表积水，使雨天 行车时路面与车轮稳定接触，避免水滑和水漂现象，减少雨天的交通事故， 提高行车安全性。 其次低噪声路面与隔音壁相比，不会造成当地的景观破坏，使行驶过 程更加舒适。同时低噪声路面也不需要如设置绿化带一样需要占用大量空 问作为分隔带。 最后，从经济的角度考虑，铺设低噪声路所需的费用也远远低于修筑 隔音壁的费用。这里有瑞典的的一份低噪声路面和隔音壁的造价比较：试 验路为长1 公里，宽9 米的穿过居民区的城市道路。原来路面铺设的是 s m a 一1 6 ，现有两种方案个供选择： a 铺设低噪声路面 b 建造隔音壁 试验结果，铺设低噪声路谣造成的经济效益为7 2 0 ，0 0 0 美元，花费 第四章低噪声路面降噪原理与安全性能 2 7 0 ，0 0 0 美元；而建造隔音壁虽然收益很大，达9 0 0 ，0 0 0 美元，但其花费更 为惊人l ，0 0 0 ，0 0 0 美元。 因此，从可靠性、环保性和经济性这三方面综合考虑，低噪声路面都 是一个非常好的选择。 2 4 第五章低噪声路面材料的研究 第五章低噪声路面材料的研究 本章主要研究内容为低噪声路面的材料、复合改性沥青材料、混合料 配合比等。并对低噪声路面试件进行声学试验，包括驻波管垂直入射吸声 系数试验和流阻试验，研究不同孔隙率、不同厚度试件的降噪程度。从而 得到大孔隙沥青路面材料的最佳级配范围。 5 1 低噪声路面材料的研究 低噪声路面即多孔隙路面，修筑多孔隙沥青路面的关键是进行沥青混 合料配合比设计。由于多孔隙沥青路面在宏观结构上与普通沥青路面不同， 因此对集料的级配组成、沥青结合料的性能、混合料的油石比确定方法、 物理性能指标等都有特殊要求。为了保证沥青路面降噪效果和使用性能， 我们围绕如下问题开展了研究：亡作。 ( 1 ) 沥青混合料高空隙性。理论和试验证明，空隙率越大吸音效果越好。 根据国外多孔隙沥青路面资料，空隙必须大于1 5 ，为减小孔隙被尘埃堵 塞的影响，沥青混合料初始空隙率宜达到2 0 。 ( 2 ) 保证沥青混合料抗松散性。多孔隙沥青路面与普通沥青路面不同， 普通沥青路面要防止水的渗入以保持耐久性能，而多孔隙路面是从路面孔 隙中排水，部分水长期滞留在路面内部，水的侵蚀，尤其是冻融和车辆轮 胎的抽吸挤压作用十分严重。区此，沥青混合料必须要具有足够的抗冻融 和磨耗强度。 ( 3 ) 保证沥青混合料具有一定的力学强度。多孔隙沥青混合料主要由 粗集料组成，颗粒之唰接触面积小，很难形成紧密粘结，易影响沥青混合 第五章低噪声路蕊材料的研究 料强度。故应保证材料的粘接性，使多孔隙沥青混合料达到一定的强度， 适应车辆载荷作用。 由于高空隙、抗松散和强度要求这三者之间相互制约，技术上难度较 大，项目组根据铺筑普通沥青路面积累的实践经验并针对多安隙沥青混合 料的特性进行实验研究，确定多隙沥青混合料的晟佳配合比。 5 1 1 原材料的选用 ( 1 ) 集料的选用 低噪音沥青路面是采用多孔隙的排水性沥青混合料，空隙率控制在 1 5 2 0 ，采用间断矿料级配，粗集料用量高达8 0 以上。 低噪声沥青混合料与一般混合料相比，粗集料比例极大，因此粗集料 对混合料的性能有更大的影响。考虑到路面的i | i i | 磨和强度，这次粗集料选 用张家口市采石场生产的5 1 0 毫米和1 0 一1 5 毫米玄武岩石料。 低噪音沥青混合料中细集料使用量较少，要求细集料质地坚硬，有棱 角，泥污杂质含量低。这次选择三河生产的3 - 5 毫米细石屑和0 - 5 毫米机 制砂，均属石灰岩，与沥青有较好粘结性。 表5 - 1 粗集料技术指标检验结果 检验结果 试验项目技术要求 l o r r n - i 5 m m5 m m - l o m m 冲击试验( ) 2 81 1 5 21 1 2 抗压强度m p a 1 2 0 m p a 1 2 8 m p a1 2 8 m p a 压碎值( ) 2 8l o 0 9“3 5 洛杉矶磨耗值( ) 3 08 4 视密度( g c m 3 ) 2 52 9 3 52 9 2 4 吸水率( ) 2 01 11 1 6 粘附性4 级4 级4 级 坚固性( ) 1 22 o 针片状含量( ) 1 57 38 6 第五章低噪声路面材料的研究 l含泥量( )1 oo 1o 2 软石含量( )5 01 31 9 2 l磨光值4 24 7 表5 2 细集料技术指标检验结果 检验结果 检验项目技术要求 3 5 石屑机制砂 视密度( g c m 。) 2 5 02 7 9 42 7 6 8 污泥含量( ) 3 o1 62 8 表5 - 3 集料级配检验结果 通过下列筛孔重量( ) 材料 1 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 30 1 50 0 7 5 张家口 1 0 09 73 5 92 007 玄武岩1 0 1 5 张家口 9 7 82 41 80 4 玄武岩5 1 0 三河石屑0 - 3 9 8 93 3 29 56 44 84 03 3 三和机制 9 6 65 73 0 22 0 71 3 59 46 3 砂0 3 ( 2 ) 填充料的选用 本次路面的填充料选用石灰石矿粉，其技术指标如下： 表5 4 矿粉技术指标检验结果 检验项目技术要求检验结果 视密度( g c m 3 ) + 2 52 7 8 含水量( ) 1 0o 2 o 6 1 0 01 0 0 颗粒范围 o 1 5 9 0 - 1 0 0 1 0 0 0 0 7 5 7 5 1 0 08 6 外观无团粒结块无团粒结块 亲水系数 l0 8 6 ( 3 ) 沥青结合料的选用 由于低噪声路面的大孔隙结构和以粗集料为主，因此本身不能提供很 大的力学强度，需要提高沥青的粘度，使大空隙率沥青混合料符合道路使 用要求。 2 7 第五章低噪声路面材料的研究 结合料选用复合改性沥青，使用北京路新公司生产的滨州a h 一9 0 号重 交通沥青与北京燕山石化总厂橡胶厂。生产的热塑性橡胶树脂s b s ( 型号为 4 3 0 3 ) 改性剂进行改性，再掺加由北京泛洋伟业科技有限公司生产的1 2 0 目废轮粉橡胶粉复合改性剂。在1 7 5 一1 8 0 的温度下，经过离心强制搅 拌，制成复合改性沥青。 表5 5 复合改性沥青试验结果 针入 针入 软化延伸弹性 薄膜烘箱试验质 项目度指密度 质量 针入 延度 度点度恢复 标损失度比5 改性 沥青 6 0 4o 68 0 63 5 19 51 0 2 lo 7 1 78 9 42 9 3 指标 4 00 26 02 07 01 06 51 5 要求 ( 4 ) 稳定剂 低噪音沥青混合料细集料少空隙率很大，在储存，运输、摊铺过程中 易产生沥青滴落和离析。因此，选择掺加稳定剂来吸收沥青，使沥青稳定 和增粘，分散矿粉。这次选用肯特莱松散木质素纤维，掺加量占混合料重 量0 3 。 表5 - 6 稳定剂 项目性能 纤维长度 灰分含量 1 8 p h 值 6 5 7 5 吸油率纤维重量的5 倍 含水量 1 0 0 第五章低噪声路面材料的研究 2 5 弹性恢复2 5 c9 29 49 49 4 79 59 59 55 密度2 5 g c m i 0 0 6l _ 0 1 11 0 1 6l0 1 91 0 2 ll0 2 51 0 9 闪点2 8 3 动力粘度 1 3 51 4 9 34 1 0 06 1 0 09 3 0 01 3 0 3 71 5 9 02 2 4 3 c p 8 0 l 0 3 3 32 1 8 4 23 2 6 3 l4 2 7 4 04 9 1 6 71 3 1 6 0 质量损失 0 0 4 6o 1 3o 1 5o1 7 10 0 3 4o 5 l 薄膜烘箱 针入度比 8 59 479 3 88 9 48 8 19 l 试验1 6 3 延伸度5 5 4 5 h2 33 1 23 0 72 9 31 9 2 2 5 软化点 5 9 38 4 38 2 17 3 25 9 8 对复合改性沥青评价 ( 1 ) 添加6 的s b s 对滨州9 0 #