沥青路面减噪技术研究图文精.docx

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沥青路面减噪技术研究图文精

沥青路面减噪技术研究

一、研究背景

近十几年来我国高速公路建设发展很快,从无到有,以每年平均1000公里的速度增长,到2000年底,我国已建高速公路达到12000公里,位居世界第三位。

在公路建设的高潮中,公路与环境的关系已引起越来越多人的重视。

为此交通部科教司在“九五”期间专门立题研究“控制新建公路对环境有害影响的研究”,“沥青路面减噪技术研究”是其中一个专题。

沥青路面减噪技术研究课题是在研究低噪声沥青路面声学特性的基础上,确定路面构造与噪声强度与频率之间的关系,设计和铺筑出声学性能良好同时满足路面其它使用功能的新型路面结构形式,从而最终达到提高我国沥青混凝土路面整体服务水平的目的。

从国内外高速公路发展现状的趋势来看,路面设计已从传统的结构设计逐步向功能设计转变。

低噪声沥青路面应首先采用新的设计方法、新材料和新工艺,以达到从声源上降低公路交通噪声的目的,同时兼顾优化路面其它表面特性（如抗滑、平整等。

所以开展本项目的研究对优化沥青路面结构设计、保护公路沿线声环境质量,控制新建公路对沿线环境的有害影响意义重大。

本项目的研究成果不仅能够以先进的技术指导以后的生产实践,填补国内空白,而且能够使我国在此方面的研究处于国际先进水平。

本项目由交通部公路科学研究所主持,河北省交通厅项目办京沪高速公路建设管理处和西安公路研究所共同承担。

研究期限从1998年3月到2000年12月。

二、主要研究内容

沥青路面减噪技术研究课题涉及范围广、难度大,为了在短期内顺利完成研究任务,本研究主要针对高等级公路沥青路面上汽车轮胎与路面之间的摩擦噪声。

本研究内容包括:

1、沥青路面构造对车辆行驶噪声影响的研究;

2、路面轮胎噪声的检测技术及评价方法;

3、低噪声沥青路面材料选择、结构设计及施工工艺的研究;

4、低噪声沥青路面设计的基本原则及效益评价。

为此,在河北京沪高速公路和陕西铺设沥青路面减噪试验路段是本课题研究的主要研究手段。

三、国内外研究概况

随着公路交通事业的迅速发展,高等级公路在我国公路里程中所占的比例逐年提高。

高等级公路由于车流量大、车速高,产生的交通噪声对沿线居民的生活、休息环境和沿线学校的教学干扰日益严重,污染区域迅速扩大。

研究表明,车辆在中低速行驶时交通噪声主要是由车辆发动机、齿轮箱、进出口排放系统和车身振动等产生的。

当行驶车速超过50km/h进入高速行驶时,由轮胎与道路相互作用所产生的噪声将趋严重。

近年来世界上众多国家为降低公路交通噪声采取了许多措施。

欧洲经济共同体（EuropeanEconomicCommunity规定路面噪音的允许范围从1974年的不大于91dB（A降低到1990年的84dB（A。

因此,低噪声沥青路面引起了十分广泛的兴趣和重视,并且在应用中取得了良好效果。

低噪声路面从沥青混凝土结构上分,可分为两大类:

一是多空隙沥青混凝土,二是小粒径超薄沥青混凝土。

多空隙沥青混凝土是指空隙率比较大的沥青混凝土,根据国外资料,其设计空隙率为20%~25%。

超薄沥青混凝土是指沥青混凝土的铺装厚度为2~2.5cm,由于厚度薄,混合料级配中的最大粒径都比较小,国外一般采用0/10、0/6两种级配,相当于我国的细粒式沥青混凝土或沥青砂。

从声学角度讲,轮胎与路面摩擦产生噪声后,为减少噪声的等级一方面通过路面表面的构造深度和空隙吸收噪声,另一方面通过路表面的纹理（单位面积内表面的构造数量反射噪声,消耗噪声的能量。

这也正是多空隙沥青混凝土和超薄沥青混凝土能够减少噪声的主要机理,特别是超薄沥青混凝土,由于颗粒小,相同面积下,表面的纹理多,降噪效果十分明显。

一般沥青混凝土路面构造是一种随机构造,但研究者将沿车道方向的表面构造断面形状看作一种波谱,进而可简化为正弦或余弦波。

德国研究者认为随着构

造波长的减小和波幅的增加,声学效果会改善。

因为这种构造可减小轮胎的振动并形成有吸收噪声或反射噪声效果的多孔表面。

根据这个原理,低噪声路面结构应该是粒径小、构造深度大、空隙多的沥青混凝土表面。

具体来说,车辆在高速行驶过程中,驱使轮胎与路面极快地接触和分离,在轮胎花纹与路面表面形成了局部不稳定的空气体积流,空气体积流的快速脉冲运动产生了单极子噪声。

路表面波幅的增加,使这种空气体积流运动的空间增加,特别是空隙率较大时,有利于噪声的吸收。

路表面波长的减小,使每个波长内产生的空气体积流减少,噪声降低,同时,由于多个噪声源的噪声在传播过程中相互作用,使得实际产生的噪声较低。

3.1多孔隙沥青混凝土

多空隙沥青混凝土最早起源于欧洲,德国于1960年首次修建这种路面,称为PorousAsphalt（多孔隙沥青混凝土或DrainAsphalt（排水沥青混凝土。

相同形式的沥青混凝土在英国也称为PerviousMacadam,在美国和日本称为开级配磨耗层（OpenGradedAsphaltFrictionCourse,OGFC。

根据这种沥青混凝土使用的不同层位和功能,不妨将使用在表面层时称为OGFC,当使用在中下面层时称为多孔隙沥青混凝土（PAC。

由于这种沥青混凝土具有良好的抗滑性能（特别是雨天抗滑能力好,自产生以来就被欧美许多国家广泛应用,如美国在六十年代中开始铺设这种路面,荷兰于1972年,比利时于1979年,奥地利于1984年在高等级公路上铺设这种结构。

美国一些州于90年代中后期开始在SMA（沥青马蹄脂结构上加铺OGFC,改善路面的抗滑性能。

此外,意大利、英国、法国等国家也修筑了这种沥青混凝土,在英国、德国还将这种沥青混凝土应用于机场道面的铺设。

目前许多国家将这种沥青混凝土以规范的形式,强制性地作为高等级公路抗滑表层,如荷兰、日本等。

表3—1、3—2、3—3为一些国家OGFC的级配范围。

荷兰地处水网地区,研究多空隙沥青混凝土主要目的考虑路面结构内部排水,后来发现这种沥青混凝土具有减少噪声的效果。

荷兰铺筑多空隙沥青混凝土,一般采用针入度为80/100的沥青,设计空隙率20%,铺筑厚度5cm。

经测定在干燥状态下,交通噪声降低3分贝（A,在潮湿状态降低8分贝（A。

根据国外资料,多孔隙沥青混凝土（或称OGFC对于粗集料的磨光值和PSV

要求较高,日本规范中规定5:

1的扁平颗粒含量不大于10%,欧洲采用BS812要求小于25%。

对于填料,欧美各国普遍采用消石灰和水泥代替矿粉。

对于沥青,80年代以前为普通沥青,现在几乎都使用改性沥青,增大沥青粘度,提高沥青用量,改性剂以废旧轮胎为主。

表3-1日本多孔隙沥青混凝土标准级配

孔径26.51913.24.752.360.60.30.150.075级配110092~1009~219~134~173~123~82~7级配210095~10072~7714~3114~178~156~104~72~7级配310090~10011~358~255~174~143~102~7

表3-2德国多孔隙沥青混合料级配

孔径11852.521.20.30.074级配190~10025~5415~3011~2110~209~195~144~6级配290~10025~5012~2410~208~185~144~6级配390~10025~4115~3510~295~216~10

表3-3英美多孔隙沥青混凝土标准级配

孔径12.79.54.752.382.000.840.420.074英国10090~10030~4017~23---3~5美国110090~10030~55-0~22-0~120~5美国210090~10030~4017~23---3~5

多孔隙沥青混凝土的配合比设计与一般的混合料设计有较大的不同:

首先是通过马歇尔击实试验根据混合料的孔隙率确定一个油石比。

在欧洲多孔隙沥青混合料设计孔隙率初期为15%,后来为了改善混合料的排水性能,孔隙率提高到20%以上。

比利时设计目标孔隙率为22%,施工控制为19%~25%。

在美国设计孔隙率为大于15%。

在日本孔隙率为15%~25%,同时要求透水系数大于10-2cm/s,稳定度大于350kg,流值20~40（0.1mm。

此外,还进行流淌试验、肯塔普飞散试验和浸水条件下的肯塔普飞散试验。

根据这三种分别确定另外三个油石比,最后根据这四个油石比最终确定混合料的油石比范围。

在日本,对于OGFC还进行透水试验和吸音率试验。

对于多孔隙沥青混凝土,为了改善其抗老化性,混合料的沥青膜都比较厚（有资料表明多孔隙沥青混凝土的沥青膜比一般沥青混合料厚3~4倍。

英国的设计用油量为6%~7%,美国为5%~7%,德国为6%~7%。

多孔隙沥青混凝土在施工过程中,为保证较高的用油量拌和温度一般较低,碾压时先用光轮,在用胶轮反复碾压,使混合料紧密并消除表面光泽。

此外,为保证良好的排水性能,路面的横坡以1.5%为宜。

多空隙沥青混凝土不仅具有减少噪声的效果,而且具有减少雨天行车水漂,增大抗滑能力、减少沥青混凝土水害的作用。

图3-1为一条高速公路上下雨时普通沥青混凝土和多空隙沥青混凝土的情况。

由此可以看出,多空隙沥青混凝土对提高雨天路面抗滑能力十分显著。

图3-1、多空隙沥青混凝土雨天使用情况对比

当然多空隙沥青混凝土也有一些“天生”的缺憾。

一是“风沙堵孔”,多空隙沥青混凝土在使用一段时间后,表面的空隙容易被风沙、尘埃堵死,

这样会大

大降低多空隙沥青混凝土的作用——排水、降噪,因此在国外每年都需要清孔处理,有的一年两次,而清孔的费用是很高的。

为此,近些年来,国外研究发展了双层多空隙沥青混凝土:

即上下两层均为多空隙沥青混凝土,下层的粒径大、空隙大。

二是低温冻胀问题。

由于该级配的沥青混凝土空隙率大,雨雪容易存留在其中,在冬季严寒时,结冰产生冻胀,会大大降低混合料的力学性能,国外研究认为,多空隙沥青混凝土比一般混凝土疲劳寿命降低50%左右。

3.2超薄沥青混凝土

超薄沥青混凝土是由法国人发明的一种用于旧路养护——恢复抗滑性能的一种沥青混凝土。

这种路面具有构造深度大,抗滑性能好,行车噪音底,同时由于厚度较薄,造价低,宜用于路面养护维修。

故自产生以后,欧美许多国家纷纷采用,如:

英国、美国等。

一般来说,国际上通常称沥青混凝土铺装层厚度为2~2.5cm为超薄沥青混凝土,厚度为3cm为薄层沥青混凝土。

法国的超薄沥青混凝土一般分为两种:

0/10和0/6级配。

0/10即最大粒径为10mm的沥青混凝土,0/6为最大粒径为6mm的沥青混凝土。

我国由于不存在6mm的筛孔,故可用4.75mm代替。

根据法国设计规范,对这两种级配沥青混凝土的构造深度分别有不同的要求,0/10构造深度≥0.8,0/6构造深度≥0.6,同时规定,到使用后期,构造深度衰减50%后需要重新罩面。

超薄沥青混凝土在用于老路罩面维修时,对原有路面是有一定要求,首先原有路面不能有较大的车辙,由于超薄沥青混凝土的铺装厚度很薄,较大的车辙会直接影响铺装后路面的平整度和行驶质量,法国规范要求,原有路面的车辙深度不大于1cm。

其次,原有路面不能有结构性破坏（如:

纵向裂缝、网裂、沉陷,因为超薄沥青混凝土仅是对原有路面使用功能的恢复,对结构问题并不能起多大作用。

超薄沥青混凝土的材料设计与一般沥青混凝土的设计并没有多大差别。

都是通过马歇尔击实试验确定沥青混合料的油石比。

考虑到超薄沥青混凝土的使用特点,为防止使用过程中松散、剥落,对混合料的水稳定性提出明确的要求,法国规范要求朱丽叶试验（浸水抗压强度大于80%。

相反,由于面层很薄,对混合料的高温抗车辙能力的要求没有明确指标。

超薄沥青混凝土由于粒经小、构造深度大,因此超薄沥青混凝土具有减少路面行驶噪音的功能。

欧洲一些国家将超薄沥青混凝土路面作为减噪路面。

目前欧洲一些国家（如:

法国在修建公路时往往提出一定的路面行驶噪音水平的要求,一般大粒径沥青混凝土难以满足要求,而超薄沥青混凝土往往作为低噪音路面而使用。

3.3噪声检测方法

开展沥青路面减噪技术的研究首先应解决噪声检测的问题,目前国际上通常采用的测试方法有两大类:

一是定点法,二是移动法。

定点法是指噪声测定仪器固定不动的测试方法;移动法,顾名思义,指测量仪器随车辆的移动而移动。

定点法主要有三种方式:

1、在距车辆中心7.5m、离地高1.2m的路边固定测点测量关闭发动机的单个车辆滑行驶过的噪声级;

2、在距车辆中心7.5m、离地高1.2m的路边固定测点测量在正常交通流中行驶的某种类型车辆的噪声级;

3、在道路附近某些测点,测量混合车流的等效计权A的噪声级。

上述第1种方法由于排除了其它噪声源的干扰（如发动机、排气噪声等,所以从理论上讲最合适测量路面—轮胎噪声。

但另一方面,这种方法是在非正常交通条件下进行的,受环境声学特性的影响较大,再者费用较高、耗时长,因此在实际测量中难度较大。

从定点法的测量方式看,定点法受环境、测试车辆类型、气候条件影响较大,相同测点上,不同测试车、不同气候条件时,测量的噪声水平是不一样的。

因此可以认为,用定点法评价路面的噪声水平实际上是一个相对的标准。

鉴于定点法测试的一些问题,德国柏林技术大学研制了一种单轮拖挂式噪声测试仪。

此仪器是将噪声测试仪器安装在一个由汽车拖挂的测试轮上,周围安装了一个隔音罩,防止行驶过程中,周围环境噪音的影响。

这种方法大大改善了定点法测量的不足,提高了测试效率和测试精度。

国际标准化委员会（ISO组织下的声标委已将这种方法作为测试路面—轮胎噪音的一个标准方法。

当然这种方法也有一些不足。

首先这种方法需要专门的测试仪器,且造价较高,目前国际上也仅有为数不多的几台,我国目前还没有这种设备。

对于这个课题有限的研究经

费来说,难以承担研制、开发这种仪器的费用。

其次,这种方法测试时的车速一般为50~80km/h,与高速公路的标准车速相比相差较大,而行车噪声的大小与车速关系密切,因此,这种方法测定的噪声水平在某种程度上也具有明显的相对含义。

再有,从研究的目的来说,研究降噪路面不仅仅是评价汽车轮胎与路面的摩擦噪音的高低,更主要是为了探讨汽车在正常行驶过程中产生的摩擦噪声对周围环境,特别是对人的影响。

而这个行车噪音即使在理想状态下（忽略发动机噪声、机械噪声对人的影响,不仅来自轮胎与路面,而且与周围的环境密不可分。

因此,完全屏蔽环境影响,测定的噪声也仅是一个很有意义的参考值。

从这个角度看,如果选择好比较理想的车型（机械噪声很小,采用定点法测定的噪声数据更为有意义。

3.4国外减噪路面研究

根据国外研究资料表明:

在日本,多空隙沥青混凝土比普通沥青混凝土,对于小汽车可降低5~8分贝（A,对于载重汽车降低3分贝（A,而且即使载重车在停车空运转时也有2分贝（A的降噪效果。

在法国,对于小汽车可降低4分贝（A,对于重型汽车则可降低7分贝（A。

在英国,在粗糙度相同的情况下噪声可降低4~5.5分贝（A。

在比利时,多空隙沥青混凝土与刻槽水泥路面比,可降低噪声6~8分贝（A。

总之,根据国外研究情况可以看到,多空隙沥青混凝土具有显著的降噪效果。

表3-4为日本实测的几种主要路表材料的噪音水平。

表3-4各种路表材料的噪音水平（日本

路表材料种类噪音水平（dB

养护沥青混凝土73~78.3

石屑沥青混凝土74~80.4

冷拌沥青混凝土74.5~78.5

透水性沥青面层71~77

单层表面处治74.5~80.5

双层表面处治75.5~79.2

嵌入式表处76~81.3

水泥混凝土76~83

1998年澳大利亚学者ArunKumar博士发表论文《低噪音路面》（LowNoiseRoadSurface对各种路面结构的噪音水平进行了比较全面的论述。

图3-2为12种不同表面层材料的行车噪音范围比较图。

研究认为裸露集料（Exposed

Aggregate水泥混凝土路面和开级配磨耗层（OpenGradedFrictionCourse或多空隙沥青混凝土（PorousAsphalt路面行车噪音水平最低。

图3-2不同路面类型的摩擦噪声

（源自:

Monazewska和Kumar,1995

表3-5几种路面类型平均最大噪声水平（dB

单车通过方法（SingleVehiclePass-byMethod

（源自:

Yeo和Foley,1997

路面类型EACSDGAOGFCSMASLURRYSAMSEALTYNED

CONCRETE

1994年1996年变化率70.7

71.5

+1.1

68.5

69.5

+1.5

65.5

69.2

+5.6

67.8

69.7

+2.8

68.8

69.3

+0.7

71.4

72.4

+1.4

69.569.2-0.4

小汽

车1994年1996年变化率74.1

75.3

+1.6

71.7

72.8

+1.5

68.5

72.7

+6.1

70.6

73.2

+3.7

71.9

72.8

+1.3

74.7

76.3

+2.1

73.173.7+0.8

1994年1996年变化率81.3

82.0

+0.9

80.6

81.9

+1.6

79.1

80.3

+1.5

80.0

80.9

+1.1

79.7

81.0

+1.6

81.0

81.9

+1.1

81.180.5-0.7

卡

车1994年1996年变化率81.7

84.2

+3.1

81.8

82.6

+1.0

80.5

82.1

+2.0

81.4

82.4

+1.2

80.3

82.7

+3.0

81.7

84.9

+3.9

82.483.5+1.3

1997年澳大利亚的Yeo和Foley在第10届国际柔性路面会议上介绍了七种低噪音路面结构在不同车型、不同车速下测定的噪音水平。

见表3-5。

表中符号

说明:

EACS—ExposedAggregateConcretes（裸露集料水泥混凝土,DGA—DenseGradedAsphalt（密级配沥青混凝土,OGFC—OpenGradedFrictionCourse（开级配磨耗层,SLURRY—BituminousSlurry（沥青砂浆封层,又称稀浆封层,SAMSEAL—StrainAlleviatingMembraneSprayedSeal（应力吸收膜封层。

从这张表上可以得出以下结论:

1、综合这几种结构,卡车的噪声范围79dB（A~85dB（A,小汽车为65.5dB（A~76.3dB（A。

2、使用两年后,各种路面的噪声水平都有些增加,一般为0.5~6dB（A,而Tyned水泥混凝土路面的噪声变化最小,只有0.4~0.6dB（A。

3、小汽车在80km/h速度是产生的噪声比60km/h高3~4dB（A,而卡车仅为0.5~1dB（A。

英国TRRL学者PaulNelson和PhilAbbott研究分析了路面表面构造与行车噪声之间的关系。

他们采用专门的激光设备测量路表面的构造纹理,然后采用路边定点统计法（StatisticalPassbyMethod测量路面噪声。

最后统计不同中心波长（2.5、5、10、20、40、80、160mm倍频程时路面波形的振幅均方差与噪声水平的相关性,见表3-6。

表中轻型汽车是指小汽车和空载货车,重型车是指除轻型车外的其它车辆。

随机纹理（Randomtexture是指沥青沥青混凝土路面和ExposedAggregateConcrete路面;横向纹理（Transversetexture是指刷毛的（brushed、带有纹路的（grooved和带齿的（tined的水泥混凝土路面。

表3-6路面噪声与路面表面纹理之间的线性相关系数的比较

每个路面表面纹理参数的相关系数

纹理参数

A2.5（mm

A5

（mm

A10

（mm

A20

（mm

A40

（mm

A80

（mm

A160（mmAmega轻型汽车

随机纹理

（n=35

0.6140.4360.7500.7430.720

横向纹理

（n=24

-0.229-0.1460.3640.5490.790重载汽车

随机纹理

（n=35

0.5190.3400.6730.6500.650横向纹理-0.281-0.1280.3530.5270.739

（n=24

注:

表中Amega是复合振幅,2160

280AAAmega+=由表中数据看出:

1、路面噪声与路表面纹理之间有一定的相关关系,特别是路面纹理的复合

振幅与噪声相关性十分明显。

2、路表的随机纹理与横向纹理与路面噪声的关系略有不同。

对于随机纹理

都是正相关,而对横向纹理,当中心波长为2.5、5、10mm时为负相关,其它则为正相关。

图3-3为TRL路面噪声数据库中几种路面结构轻重交通下噪声水平。

可

以看出多空隙沥青混凝土和薄面层沥青混凝土噪音水平比较低。

对于刚性路面,裸露集料水泥路面的噪声最低。

图3-3、轻重交通下各种路面结构的平均噪声水平

（测距7.5m,时速90km/h

表3-7也是英国TRRL一份研究报告中几种路面材料噪音水平的对比。

也可得出相似的结论:

多空隙沥青混凝土的降噪效果最好。

表中同时列出细粒式的SMA的降噪效果也十分明显。

这里值得指出是:

并不是SMA本身降噪效果好,而是细粒式同时粗糙度好导致的。

表3-7磨耗层减噪效果对比

表面层材料噪音降低（dB

水泥混凝土（CONCRETE+2

浇铸式沥青混凝土（Gussaphalt0

沥青混凝土（Asphaltconcrete-2

SMA（0/5mm级配-3~-4

多空隙沥青混凝土（Porousasphalt-4~-5

在我国道路的交通噪声是十分严重的。

表3-8是我国几大城市噪声污染的程度。

为了保护环境,我国政府和行业主管部门制定了有关法规。

1979年国家颁布了《中华人民共和国环境保护法》,1990年国家环保局又颁布了《建设项目环境保护管理程序》,1993年交通部颁布了《交通行业环境保护管理规定》,将公路建设项目环境影响评价以法律形式做了肯定。

表3-8几大城市噪声污染程度百分比

城市交通噪声工业噪声社会噪声其它

上海35172622

天津44114336

长沙36111835

在公路噪声控制方面,除采取噪声监测,限制车速和禁止鸣喇叭,