王羽鶴

云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院

1 引言

眾所周知，由于瀝青混凝土路面在高速公路、城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路不同，對(duì)路面所產(chǎn)生噪聲和影響程度也不一樣。高速公路主要承載重型貨車、客車，而城市道路和鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路則以小型汽車為主，且高速公路的行駛速度遠(yuǎn)大于城鄉(xiāng)道路行駛的速度，最高時(shí)速差最大的甚至高出數(shù)倍之多，白天行駛速度也遠(yuǎn)高于夜晚行駛速度，同時(shí)在城市和鄉(xiāng)村的公路上每小時(shí)行車量在白天與夜晚也存在較大差別，由此可見(jiàn)汽車產(chǎn)生的噪聲對(duì)城市來(lái)說(shuō)已成為聲音污染的重要來(lái)源，解決汽車對(duì)道路帶來(lái)的噪聲問(wèn)題就成為城市亟待解決的問(wèn)題和根本。

雖然隨著技術(shù)的不斷完善，汽車自身所產(chǎn)生的噪聲已得到極大地降低，對(duì)于車輛在城市道路的行駛過(guò)程中，車速的限制使得機(jī)動(dòng)車輛震動(dòng)空氣的能力變小，因此造成的風(fēng)阻噪聲也相應(yīng)地有所減小。城市道路噪聲問(wèn)題雖然有所改觀，但因噪聲形成的原理是車輛輪胎在行駛中與路面形成摩擦。為了降低噪聲，我們可采用低噪聲的路面，同時(shí)這種路面的高耐磨性也是必需的。通過(guò)查閱資料以及實(shí)際效果證明，降低輪胎與路面噪聲可以通過(guò)增加材料混合后的空隙、優(yōu)化路面紋理結(jié)構(gòu)、增加面層材料的黏彈特性三個(gè)途徑得以實(shí)現(xiàn)。

本文將會(huì)從源頭即噪聲的形成機(jī)理、多空隙瀝青混凝土路面的降噪原理、改善瀝青路面紋理的路面降噪技術(shù)等方面對(duì)低噪聲瀝青混凝土性能對(duì)城市道路的影響展開(kāi)研究。

2 噪聲的形成原理

2.1 空氣泵吸效應(yīng)

我們都知道聲音的產(chǎn)生源于空氣的震動(dòng)，車輛在行駛的過(guò)程中，路面與胎接觸后，輪胎表面上紋理空間被壓縮，導(dǎo)致了空隙內(nèi)的氣體受到壓縮后在大氣中快速地進(jìn)行釋放。輪胎一旦遠(yuǎn)離路面，其表面的問(wèn)題就會(huì)造成空隙的增大，在此種情況下，就會(huì)形成真空度，吸入大量的空氣，由于這個(gè)過(guò)程在車輛行駛中會(huì)循環(huán)不斷地產(chǎn)生，所以車輛行駛時(shí)由于輪胎與地面的不停地接觸，接觸面位置的空氣不斷震動(dòng)從而就產(chǎn)生了噪聲。

2.2 輪框震動(dòng)

汽車在凸凹不整的路面行駛的過(guò)程中，輪胎的胎面與胎側(cè)會(huì)產(chǎn)生沒(méi)有規(guī)律地震動(dòng)，從而會(huì)產(chǎn)生噪聲。這種情況的產(chǎn)生的情況主要還是因?yàn)槁访姹砻姘纪共黄剿鶎?dǎo)致的。主要解決方案還是需要具體改善路面狀況。

2.3 空氣動(dòng)力性噪聲

空氣動(dòng)力性噪聲是由不同的流體在流動(dòng)的過(guò)程中相互產(chǎn)生力的作用，或是氣體與固體之間的相互作用力而出現(xiàn)的噪聲，在車輛行駛的過(guò)程中，一般出現(xiàn)于車輛速度較快的時(shí)候，因此我們?cè)诔鞘械缆分泻苌倏紤]。由上述三點(diǎn)我們可以知道，為了解決路面噪聲，最有效地方法就是改變路面，從而達(dá)到降低路面噪聲的需求。

3 多空隙瀝青混凝土路面的降噪原理

在第一部分已經(jīng)總結(jié)出路面噪聲產(chǎn)生的三種原因，輪胎發(fā)出的噪聲主要來(lái)源于空氣泵吸效應(yīng)而產(chǎn)生的。低噪聲瀝青混凝土路面對(duì)這種效應(yīng)有著良好的破壞作用，在輪胎快速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，空氣泵吸效應(yīng)按照一定的時(shí)間循環(huán)發(fā)生，從而在空氣中形成了疏密波，故而產(chǎn)生了噪聲，并向外傳播。低噪聲路面存在著較大的空隙，且這些空隙有一定全通率的孔，因此，在泵吸效應(yīng)的第一個(gè)過(guò)程中，受到壓縮的高速氣流不會(huì)被直接釋放到大氣中，而是被擠入路面的空隙中，以一個(gè)較大的速度擴(kuò)散。從能量的角度看，被高速擠壓的氣流會(huì)消耗部分動(dòng)能，這些被消耗的動(dòng)能又有部分通過(guò)氣流流到空隙，和空隙壁發(fā)生摩擦而使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能；另一部分在當(dāng)空氣被絕熱壓縮時(shí)，穿過(guò)路面材料中的毛細(xì)孔并在孔末端被釋放，因此，噪聲聲源的強(qiáng)度得以降低。

另一方面，噪聲在空隙瀝青路面的流通過(guò)程中，與路面內(nèi)部細(xì)小空隙之間產(chǎn)生連接的過(guò)程中，對(duì)聲波的入射能起到了減弱的作用，同時(shí)也使噪聲發(fā)生了散射和衍射這些物理現(xiàn)象，從而減少了路面的多普勒效應(yīng)，這種路面非常適用于消減這種噪聲的產(chǎn)生過(guò)程。對(duì)于這種多空隙的材料來(lái)說(shuō)，材料的空隙率直接決定著材料吸取噪聲的能力。國(guó)內(nèi)外的很多研究證實(shí)，當(dāng)多空隙瀝青混凝土路面的空隙率20%左右的時(shí)候，減少噪聲的效果是最好的。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)對(duì)于頻率在250Hz～1000Hz 之間的中頻聲(中頻聲是交通噪聲的主要頻率)具有最大的吸聲系數(shù)，因此我們認(rèn)為降低交通噪聲的重要原因很大程度上是由多空隙瀝青混凝土路面的吸聲能力的大小開(kāi)來(lái)決定。

另外，多空隙瀝青混凝土路面在使用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)和存在著諸多的問(wèn)題，首先如果混凝土路面的空隙率比較大的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)空隙堵塞的現(xiàn)象，就要對(duì)空隙中產(chǎn)生堵塞的雜物定期進(jìn)行清理，另外在冬季路面由于受到天氣的影響，尤其是北方地區(qū)路邊常常被冰雪覆蓋，這時(shí)就需要大量噴灑融雪和除冰劑來(lái)解決，但是這樣道路的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本也相對(duì)較高。但是對(duì)著人們環(huán)保意識(shí)的逐步提高，這種對(duì)降低城市道路中噪聲的研究將有著越來(lái)越好的前景。

4 改善瀝青路面紋理的路面降噪技術(shù)

在研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于路面的摩擦系數(shù)的保障通過(guò)良好的路面花紋是可以很好來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這一技術(shù)除了可以有效地保障路面的摩擦系數(shù)，也可以有效降低輪胎與路面摩擦而產(chǎn)生的噪聲。因此我們除了可以通過(guò)破壞輪胎噪聲的聲源來(lái)降低噪聲，還能夠通過(guò)改善瀝青路面紋理的路面降噪的技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)降低噪聲的目的。這個(gè)降噪的原理就是使用粒徑比較小而公稱又相對(duì)比較最大的瀝青混合材料來(lái)增加輪胎下接觸的碎石數(shù)量，使噪聲生成的聲波互相影響，達(dá)到降低噪聲強(qiáng)度的目的。

據(jù)了解，目前在國(guó)際上較成功地路面結(jié)構(gòu)主要為BBTM（6、10）、SMA（6、10）等，上述的路面結(jié)構(gòu)對(duì)降低噪聲的效果雖然沒(méi)有多孔瀝青路面那么好，但它容易維護(hù)，耐久性相比多空隙瀝青路面也要好一些。研究表明，不同的路面材料、不同的紋理類型都會(huì)對(duì)輪胎產(chǎn)生的噪聲帶來(lái)不同的影響。比如PhilMorgan 的研究認(rèn)為如果花紋在0.5mm～10mm之間的范圍內(nèi)就可以降低輪胎與路面產(chǎn)生的噪聲，而且在低頻階段和高頻階段均有著有不一樣的功用。隨機(jī)花紋的噪聲就會(huì)明顯的低于橫向花紋所產(chǎn)生噪聲影響，正、負(fù)紋理對(duì)降低噪的影響也不盡相同，正紋理的路面因?yàn)檐囕v駛過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)所以對(duì)降低噪聲不利，而負(fù)紋理則因?yàn)檎駝?dòng)較弱而對(duì)降低噪聲較為有利。目前，雖然路面的表面紋路與噪聲之間的關(guān)系方面的相關(guān)研究還處在定性的階段，優(yōu)化但路面紋理定將是降低噪聲的一個(gè)很有效地方法。

5 改變?yōu)r青路面黏彈性的路面降噪技術(shù)

瀝青路面作為黏彈性材料具有一定的阻尼特性，其降噪機(jī)理就是減弱振動(dòng)的強(qiáng)度。當(dāng)車輛行駛證中輪胎所產(chǎn)生的振動(dòng)傳送到瀝青路面上時(shí)，混合料的阻尼特性通過(guò)內(nèi)部摩擦和互相錯(cuò)動(dòng)使得振動(dòng)能量被消耗，達(dá)到降低噪聲的作用。我們知道，瀝青混合料的黏彈塑性主要是瀝青材料的厚度、起膠結(jié)作用的瀝青的屬性和礦料之間的相互作用力而產(chǎn)生的。因此要改善瀝青混合料的黏彈特性就要注重從兩方面去改善，第一是改善礦料配合比，第二就是改善黏結(jié)料的性。現(xiàn)在較為常用的方法主要是通過(guò)改變礦料配合比以及優(yōu)化公稱最大粒徑和空隙率來(lái)實(shí)現(xiàn)。研究中發(fā)現(xiàn)，使用高性能的SBS 改性瀝青和橡膠瀝青這兩次種材料對(duì)增加路面材料的黏彈特性也有很好地幫助。

6 玄武巖纖維低噪聲瀝青

為了增強(qiáng)降噪效果，采用的是骨架空隙結(jié)構(gòu)的瀝青混合料這種低噪聲的瀝青路面，這種瀝青混合料中細(xì)集料含量一般比較少，而粗集料含量相對(duì)較多，機(jī)構(gòu)上主要靠粗集料來(lái)形成骨架型的嵌擠結(jié)構(gòu)，這樣混合料中空隙率就會(huì)較大，從而減低了噪聲，降噪同時(shí)還能夠排除路結(jié)構(gòu)面中的積水，這種結(jié)構(gòu)由于其內(nèi)摩阻力大，黏聚力較小，如若要獲得較大的強(qiáng)度提高其抗破壞的能力，就需加如高性能的膠結(jié)料和外加劑。其中，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性可以通過(guò)使用高粘改性瀝青來(lái)解決，混合料的低溫抗裂性能及疲勞性能可以通過(guò)纖維來(lái)得以改善。在對(duì)纖維改性瀝青及瀝青混合料的研究中得到：玄武巖纖維與其他的有機(jī)類纖維相比能較好地彌補(bǔ)有機(jī)類纖維吸水性高、高低溫性能較差等方面的不足，同時(shí)還能避免石棉等纖維對(duì)施工人員的傷害。加入玄武巖纖維可以解決大孔隙配嵌擠結(jié)構(gòu)的瀝青路面的耐久性差、低溫開(kāi)裂所造成的耐久性差的明顯的缺陷問(wèn)題，大大提高了低溫易疲勞以及耐久性的問(wèn)題。從1994 年起，美國(guó)對(duì)高速公路及州際公路OGFC 面層均提出來(lái)使用玄武巖纖維作為改性劑的要求。目前，我國(guó)因及生產(chǎn)條件和價(jià)格等原因，對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的研究不夠，其性能還有待今后的研究去得以驗(yàn)證。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)低噪聲瀝青混凝土路面的研究中通過(guò)對(duì)相同厚度，不同空隙率的試件吸聲系數(shù)的測(cè)試得出：孔隙率如果越大的話，其吸音的效果就越明顯，所以降噪效果也最好。在對(duì)不同厚度排水瀝青混合料進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的分析后得出：隨著頻率的不斷加大，吸聲系數(shù)峰值所對(duì)應(yīng)的頻率就會(huì)向低頻逐漸移動(dòng)，從而提高了低頻的吸聲系數(shù)。根據(jù)汽車行駛時(shí)路面與輪胎相互作用產(chǎn)生的噪聲峰值頻率，綜合路面交通情況，排水型瀝青路面應(yīng)盡量選擇厚度在40mm 左右的。通過(guò)測(cè)量不同粒徑瀝青混合料試樣的吸聲系數(shù)最后得出：路面粒徑越小，其減噪就越明顯；路面粒徑越大大、空隙越大，其減噪效果就較差。此種路面對(duì)于解決噪聲問(wèn)題有很大的效果，但是此種路面需要進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)產(chǎn)生的成本較高，因此此種材料還有很大的發(fā)展前景。