橡胶颗粒改性沥青阻尼降噪性能研究

方淑艳

(内蒙古路桥集团有限责任公司，内蒙古自治区 呼和浩特 010051)

0 引 言

科技的发展，对于路面的要求不仅仅是行车，更多的是要求可以达到排水、吸尘、降噪等多功能型道路，在现在城市当中，人们的生活上需要优质的生活环境，很多工作都需要低分贝的工作环境，所以作为产生大量噪声的道路来说，路面的降噪已经成为一项重要环境评价指标。当前路面的降噪大体分为两种，一种是通过在路面上加铺一层磨耗层消耗轮胎与路面碰撞产生的噪音，另一种是设计多空结构设计层，通过大量空隙增加空隙间的振动将噪音消耗，但这两种方法都增加了施工的成本和难度，所以对于低成本的、施工工艺简单的降噪型路面的研究已经成为当今的重要研究内容。

肖飞鹏、王涛等人对橡胶颗粒改性沥青的降噪原理进行了阐述并总结了橡胶颗粒改性沥青降噪技术的最新研究成果[1]。V Chandran;，Lenin Nagarajan等人研究了不同尺寸的废轮胎橡胶颗粒和沉淀硅填充天然橡胶复合材料，以评估废轮胎橡胶填充橡胶复合材料的振动阻尼行为[2]。何立平通过DSR试验，通过用DMA的分析方法分析了橡胶沥青的流变性能[3]。

1 橡胶颗粒改性沥青实验介绍

制备不同橡胶颗粒目数和用量比的改性沥青，探究其降噪性能。对橡胶颗粒改性沥青进行三大指标实验，通过针入度试验确定橡胶颗粒改性沥青的当量软化点，采用当量脆性点和塑性温度区间来评价橡胶颗粒改性沥青的高温高温稳定性和低温抗裂性。通过软化点试验确定橡胶颗粒改性沥青的软化点。橡胶颗粒改性沥青的降噪特性主要表现在属于高粘弹性沥青，使车辆轮胎与路面的相互作用即振动能量最终变成热能被消耗。大幅度减少轮胎与路面的振动来达到降噪的功能，而动态剪切流变仪实验中的弹性模量的能量释放与粘性模量热能耗散即表示橡胶沥青的阻尼降噪性能。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG-E20—2011)，采用针入度仪、软化点仪、延度仪和动态剪切流变仪(aristole)对橡胶颗粒的三项指标和DSR指数进行检测，以确定道路橡胶颗粒改性沥青的阻尼降噪性能。

2 橡胶颗粒改性沥青阻尼降噪机理分析

沥青的降噪特性与阻尼有关。橡胶颗粒改性沥青是一种大型粘弹性阻尼材料，可以有效地降低轮胎和车辆的整体振动。振动是噪音的根源。从结构振动发出的固体噪声的大小与固体振动的速度成正比。研究发现，橡胶颗粒改性沥青路面可以将道路车辆的振动降低到1/10，从而可以降低20 dB的噪音声压[4]。通过将振动产生的噪声能量转化为热能或其他可以消耗的能量，可以有效地减少振动和噪声的产生[5]。当轮胎通过路面时，轮胎的振动能量将转移到橡胶沥青的橡胶分子链上，当轮胎离开路面时，一部分能量将被释放，另一部分的能量会通过橡胶与沥青粒子间的摩擦转换成热能消耗掉。

在橡胶分子链中贮存又释放的能量就是动态剪切流变仪实验所测得的弹性模量，另一部分将振动能量转化为热能消耗掉的则是DSR实验中测得的粘性模量。橡胶颗粒目数为30～60目，掺量为0%、18%、20%和22%。通过动态剪切流变实验测得的动态模量、粘性模量和相位角。测量的相位角越大，粘性模量越大，降噪效果越好。

3 橡胶颗粒改性沥青阻尼降噪实验数据分析

3.1 实验材料

内蒙古东部位于温带季风气候，降水量少且不均匀，季节变化剧烈。一月份的气温最低，从南到北为-10～32 ℃。7月气温最高，最高气温为36 ℃。根据内蒙当地气温特点，沥青采用SK90#沥青(A级)。橡胶颗粒是在室温下压碎小型汽车轮胎的侧壁加工制成，成分是30%的天然橡胶和70%的丁苯橡胶。目数范围在30～60目。橡胶颗粒改性沥青采用温拌法制备，用外掺的方法加入胶粉。

3.2 基质沥青的主要技术指标

表1 基质沥青的主要指标

3.3 橡胶颗粒改性沥青的主要技术指标

橡胶颗粒改性沥青的主要技术指标如表2所示。

表2 橡胶颗粒改性沥青指标

3.4 橡胶沥青动态剪切流变仪试验

(1)应变扫描

通过应变扫描确定了橡胶颗粒改性沥青的线性粘弹范围。在46 ℃和64 ℃条件下，分别对0%、18%、20%和22%四种橡胶含量进行了1%～13%的应变扫描试验，胶粉的粒径范围在30～60目。对于压力老化(PAV)沥青和中等试验温度(4～40)，平行板之间的间距要求为2 mm。因此，为了减小橡胶颗粒离散性的影响，本实验采用了一个间距为2 mm的25 mm平行板。

由图1、图2知，橡胶掺量为0%、18%、20%、22%在应变1%～16%内都是处于线性粘弹范围内。

图1 46 ℃应变扫描

图2 64 ℃应变扫描

(2)温度扫描

在温度扫描中，损耗模量和储能模量分别代表橡胶沥青的弹性模量的粘性模量。损失模量是指橡胶沥青将振动能量转化为热能等其他形式的内能消耗，而声音是由振动产生的，因此损失模量的增加会提高沥青的降噪性能。根据上节应变扫描结果，本次试验选用控制应变模式，加载应变为3%，加载频率取10 rad/s，在46～82 ℃间，以6 ℃为梯度共七个梯度范围，选2 mm间距25 mm平行板夹具，试验结果如图3，图4所示。

图3 损耗、储能模量

图4 相位角

由图可以看出随着温度的升高，损耗模量和储能模量均呈下降趋势，且趋势逐渐减缓。

与基质沥青相比，橡胶颗粒改性沥青损耗模量更大，也就是他们将振动能转化为内能消耗的能力越强所以他们的降噪性能越好，并且随着胶粉含量的增加，损耗模量增大，降噪效果更好。

(3)频率扫描

采用频率扫描法测量沥青在恒温恒压条件下的动态模量和损耗随频率的变化，评价动态力学性能对速度的依赖性。本实验是对四个不同掺量的橡胶沥青进行频率扫描，来评价胶粉的掺入与否和掺入的量对沥青的粘弹模量的影响。

在橡胶粉掺量为0%、18%、20%、22%，温度46 ℃和64 ℃，频率范围为1%～16%，与温度扫描相同，采用控制应变模式，统一应变为3%。用25 mm平行板，间距为2 mm。试验结果如图5，图6所示。

图5 46 ℃损耗、储能模量

图6 64 ℃损耗、储能模量

由图可见在不同频率下胶粉掺量越高沥青的损耗模量和储能模量越高，且都随着频率的增加而增加。一般来说，频率的增加更能反映沥青的粘弹性，并且随着胶粉含量的增加，粘弹性更加明显。因此对于胶粉含量的增加，损耗模量增大，降噪效果更好。

4 结 论

从温度扫描和频率扫描的模量-温度和模量-频率分析中得出，橡胶颗粒改性沥青的粘弹性模量明显高于基质沥青，并且随着橡胶粉含量的增加，粘弹性模量随之升高，降噪性能也随之更好。

在动态剪切流变仪试验中，对损耗模量、温度和频率的分析表明，橡胶颗粒改性沥青的损耗模量大于基质沥青。在胶粉掺量为18%、20%和22%沥青中，22%沥青的损耗模量最大，说明橡胶颗粒改性沥青的降噪性能优于基质沥青，且随着胶粉含量的增加，降噪性能更加优异。