噪音被定义为使人们感到不安并影响人们正常工作和健康的声音。噪声污染已被列为世界第三大环境公害。在各种噪声污染中,交通噪声是主要噪声,约占环境总噪声的70%,而在交通噪声中,道路噪声约占80%。考虑到环境影响,降低道路噪声是公路设计的一个重要目标。通过采用多种策略可以减少道路噪声的产生,这些策略倾向于减少噪声的强度、持续时间、响度、锐度,且其有效性与人类对令人不快的声音的感知有关。此外,声音特性的相互作用有助于将噪声感知为污染物,如声音的持续时间会影响人类对声音的容忍度。因此,降噪政策和策略可能侧重于各种要素,如路面结构、表面纹理、交通规划、隔音或交通管制。
与道路交通相关的噪音有多种来源,应根据噪声源设置不同的降噪措施。本文重点介绍轮胎-路面相互作用产生的噪音,其他潜在的噪音源有发动机、排气、车辆与空气相关作用等。对于轻型汽车而言,交通噪声的主要来源是轮胎-路面之间的相互作用。然而,对于卡车而言,车辆发动机和排气则对噪声产生贡献更大,其噪音源位于路表上面。此外,轮胎和道路之间的相互作用可能导致2种类型的噪音:空气传播和结构传播。结构噪声是橡胶和路面之间的机械作用和相互作用的结果,涉及这些表面之间的正常压力和摩擦。空气传播的噪音由通过轮胎胎面的气流产生和影响。因此,轮胎与路面之间的相互作用可以反映在美国联邦公路局(FHWA)和美国国家公路与运输协会(AASHTO)提出的轮胎-道路噪声标准中,以及考虑各种参数来测量和预测噪声减少的模型,包括AASHTOTP99,AASH-TOTP76,FHWA108Model,FHWATNM和ISO13325。路面材料表面纹理是噪声控制的关键参数,是材料类型和混合设计相结合的结果,在设计、施工和养护时需要慎重考虑;表面平整度是噪声控制的关键指标,其也会影响道路的防滑性,因此在路面的使用寿命期间实现并保持路面材料表面纹理与表面平整度的最佳平衡是必要的。此外,混合料设计还与其他路面特征有关,诸如路面厚度、孔隙率、胶结料等因素,这些因素具有改变噪声水平的直接或间接潜力。环境和交通条件也与路面特征相互作用并影响噪声的产生。因此,在优先考虑道路安全性和耐久性的前提下,需要对这些路面参数进行充分考虑,以实现平衡设计和优选路面材料。
路面材料对轮胎/路面噪声有很大的影响,因此选择合适的路面材料对降低道路噪声具有重要作用。废旧轮胎橡胶颗粒已经用于道路建设近半个世纪。将废旧轮胎橡胶颗粒添加到路面会消耗大量旧轮胎,并减少对环境的破坏。在热拌橡胶沥青混凝土中存在的橡胶可以改善热拌沥青的性能。
路面管理的关键因素包括结构性能,耐久性和环境影响。许多研究发现,橡胶改性沥青具有更好的抗裂性且更经济。特别是在道路生命周期中,高昂的维护成本要求道路设计师考虑使用耐用的路面材料和结构。橡胶改性沥青路面的使用寿命比传统路面更长,维护工作量更少。
除了能够减少环境污染物,降低噪音是橡胶改性沥青路面的另一个优点。各种研究表明,与传统路面材料(热拌沥青)相比,橡胶粉改性沥青的应用将是开放式的。间隙级配混合料的噪声响度降低了40%~88%。同时,虽然其降噪性能不如多孔路面那样好,但由于其良好的耐久性,不存在空隙堵塞的问题;而且易于维修,具有广泛的应用,特别是对于重型车辆。然而,橡胶改性沥青对降噪的长期影响尚不完全清楚。
基于此,本文对橡胶沥青降噪机理及其特性进行综述,重点论述橡胶沥青降噪机理、影响因素、降噪特性以及应用现状,指出橡胶沥青降噪路面的未来发展趋势。
路面噪声的产生及增强机理
当轮胎与路面接触时,由于轮胎胎面花纹块与路面之间的复杂相互作用而产生噪音。考虑到噪声产生和辐射的机理,主要分为2类:噪声源产生机制和噪声增强机制。
1.1轮胎/路面噪声源产生机理
1.1.1花纹块撞击
当轮胎滚动时,轮胎-路面界面处的声音是由轮胎上的胎面与路面上的纹理之间的冲击引起的。然后通过在轮胎之间形成的楔形段产生的“声喇叭”放大,如图1所示,这种模式击中可比作为一个小橡皮锤撞击道路,这是轮胎噪音的主要来源。当花纹块与路面均具有良好弹性时,可以显著减少因冲击产生的噪声。Nilsson等认为胎面撞击地面产生的瞬时波和胎面内空气泵吸造成高频噪声的产生。Larsson等发现振动噪音与轮胎接地花纹的形状有着直接的联系,并且对切向方向产生的噪声进行了解释。
1.1.2泵气噪声
当轮胎在路面上滚动时,与路面接触的轮胎胎面花纹被压缩变形,使得轮胎图案中的空气被挤压和排出,从而形成局部不稳定的气流。当轮胎通过路面关闭小孔时,在孔中形成大的压力气团。当轮胎离开孔隙接触表面时,空气重新填充拉伸的胎面花纹空腔和孔隙,形成“空气泵送”现象。这种在汽车高速行驶时产生的噪声被称为气压噪声,如图2所示。在汽车行驶时,气压噪声是噪音的主要来源,特别是在高速行驶时。Haider等提出了空气泵噪声理论,该理论考虑了由轮胎接触区的前缘和后缘处的一系列点源形成的泵送噪声。Wolde等认为轮胎槽体积变化的峰值在低频时可能非常大,并且认为接地前缘和后缘之间的中间部分不是主要噪声源。Li测量了横向模式的轮胎接地面积噪声,发现噪声在接地瞬间最高。当轮胎离开时噪音最小,并且从轮胎前缘到轮胎后缘的噪音逐渐减小。
1.1.3滑黏产生噪声
轮胎与路面接触时在荷载作用下会在路面与切向之间产生切向力,该力主要受到路面/轮胎与轮胎之间的摩擦力和轮胎劲度来抵抗。当切向力超过摩擦力时,花纹块会轻微滑动,然后重新黏附到路面上。由于胎面单元的滑动引起的黏附性损失和由胎面变形引起的滞后摩擦的增加而发生滑黏现象。这一过程会引发轮胎振动和噪声,在轮胎具有较高切向力(刹车、加速)时发生。Nelson发现了横向和纵向滑黏现象,特别是后沿的滑黏现象,说明了振动噪声的主要来源。张涛发现胎面花纹在接地点的摩擦和黏性作用下产生切向变形,当花纹块离开地面时,会产生切向振动,从而产生高频噪声。
1.2轮胎/路面噪声增强机理
由于道路/轮胎接触条件的复杂性,轮胎/道路接触面产生的能量不能有效地辐射,特别是轮胎/道路系统的若干现象可以显著增强噪声的辐射效应。
1.2.1号筒效应
轮胎表面和路面接触部位形成的几何形状形成了天然的号筒,使得位于此处的任何噪声都会被放大,这种放大效应是由路面和轮胎之间的声波经多次反射引起的。Graf等指出在2000Hz频域内轮胎/路面接触区的噪声放大区域为最大,并且在1~10kHz的频域内也有相当大的放大作用。多孔路面可以减少声波的反射,对降低喇叭效果有很好的效果。
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