环境与车辙影响下OGFC空隙率与吸声系数相关性

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1、环境与车辙影响下OGFC空隙率与吸声系数相关性吴建涛;马鑫源;王浩安;吴俊扬;王志新【摘要】取配合比相同的OGFC车辙板利用自主开发的老化+水损害环境模 拟装置对车辙板分别进行单一热氧老化作用、单一水损害作用、老化-水分共同作 用的环境处理，并进行车辙试验，试验后于车辙板胶轮碾压处取直径为50 mm的圆 柱体芯样.测试并计算各芯样空隙率及连通空隙率,后采用传递声函数法对所有芯样 进行吸声系数测试.在此基础上分析试件空隙率、连通空隙率与吸声系数均值、吸 声系数峰值的关系.结果表明,试件空隙率、连通空隙率与吸声系数峰值之间相关性 更高,其中连通空隙率与吸声系数峰值的相关性优于空隙率.对比之前的研究

2、得到,本 实验对车辙板所做的环境处理及车辙试验对试件空隙率、连通空隙率与吸声系数峰 值的相关性无明显影响，用吸声系数峰值表征环境及车辆荷载作用后的OGFC混合 料的连通空隙率是更加有效的.【期刊名称】 华东交通大学学报【年(卷),期】 2019(036)004【总页数】7页(P17-23)【关键词】OGFC老化-水分共同作用;车辙试验;空隙率;连通空隙率;吸声系数均值; 吸声系数峰值【作 者】 吴建涛;马鑫源;王浩安;吴俊扬;王志新【作者单位】 河海大学道路与铁道工程研究所,江苏 南京210098;河海大学道路与 铁道工程研究所,江苏南京210098;河海大学道路与铁道工程研究所,江苏 南京2

3、10098;河海大学道路与铁道工程研究所,江苏 南京210098;河海大学道路与铁道 工程研究所,江苏 南京210098【正文语种】中文【中图分类】U416.217大空隙开级配沥青磨耗层（OGFC ）是一种具有互相连通孔隙的开级配沥青混合料， 从安全和环境方面来说，OGFC较传统密级配沥青混凝土具有少水雾和眩光、防 水漂、改善路面标志的可见度、提高路面的抗滑性、降低噪音等一系列优点1。另外，因为其优越的排、透水性能非常符合海绵城市构想的要求，所以近年来多孔 性排水沥青面层在国内外得到了广泛的应用2-3。然而，由于空隙较大等结构特点，路面本身强度较低，且容易受到环境因素的作用 使路面耐久性和功能

4、耐久性受到影响4-7。在降噪功能方面，由于受到交通荷载 的压密作用和路表污染物的堵塞作用8，大空隙路面的连通空隙率可能会降低， 导致其吸声性能衰减，许多学者的研究也证实了这一点。苗英豪等9在沥青路面 降噪性能研究综述中表明，OGFC的降噪能力较好，但由于空隙逐渐被填塞使得 降噪能力下降较快；张锐等10在隧道噪声的调查与分析中也提到OGFC路面具 有优良的降噪功能，而且排水性能比较好，对于改善公路隧道服务环境具有特殊意 义，但这种多孔沥青面层的空隙容易被堵塞，从而丧失排水与降噪功能。在已有的沥青混合料空隙率与吸声系数的相关研究11-12中，其不同的空隙率是 根据配合比设计得到的且成型试件不经过环

5、境处理，而实际使用情况下，沥青混合 料会受到环境、车辆荷载、污染物堵塞等因素影响，故此情况下沥青混合料的空隙 率衰减与吸声性能下降之间的关系较之前研究可能有所不同，即之前的研究成果是 否适用于路面沥青混合料的空隙率及吸声系数的预测还值得商榷。本研究采用不同环境处理后的OGFC车辙板，经车辙实验后在胶轮碾压处取芯， 测试并计算出试件在室内模拟环境、车辆荷载共同作用下的空隙率及连通空隙率， 并进行了吸声系数测试，然后针对空隙率、连通空隙率和吸声系数均值、吸声系数 峰值的相关性进行了分析。1 实验材料及实验方案1.1 实验材料1) 沥青。采用TPS高粘改性剂对宝利70#基质沥青进行改性(掺量为15%

6、 )。根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程13对所用高粘改性沥青进行测试， 基本指标见表1。表 1 TPS 高粘改性沥青基本指标 Tab.1 Basic indexes of TPS high viscosity modified asphalt试验项目70#基质沥青TPS高粘沥青(掺量15% )规范25C 针入度/( 0.1 mm ) 72.8 41.4 15 C延度/( 5 cm/min , cm ) 100 80.2 软化 点/C 53.1 85.6 60 C动力粘度/(Pas) 195 116 082 JTG E20-20112) 集料。本研究采用的粗集料和细集料均为玄武岩，矿粉为石灰

7、岩，按照公路 工程集料试验规程14中相关试验规程对集料进行密度测试，结果见表2。表3 是所用OGFC-13的合成级配，其级配曲线见图1。表2集料密度测试结果Tab.2 Aggregate density test results集料类型表观相 对密度 毛体积相对密度1# 2.915 2.802 2# 2.907 2.729 3# 2.907 2.690 4# 2.689 2.611图 1 OGFC-13 级配曲线 Fig.1 OGFC-13 gradation curve表 3 OGFC-13 合成级配 Tab.3 OGFC-13 synthesis gradation 参数筛孔尺寸 /mm

8、16.000 13.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075 规范级 配 100 90 -100 60-80 12-30 10-22 6-18 4-15 3-12 3 8 26 中值/% 100 95.0 70.0 21.0 16.0 12.0 9.5 7.5 5.5 4.0 合成/% 100 97.34 66.43 18.3414.29 11.25 8.95 6.58 5.55 4.561.2 试件准备1.2.1 车辙板试件制作根据上述级配，将集料和沥青拌合后在混合料松散状态下进行135工，4 h的短期 老化，然后轮碾成型车辙板试

9、件。1.2.2 环境处理将得到的车辙板分为4组，0#不做任何环境处理作为对照，A组分别进行1,2,5 d的单一热氧老化环境处理，B组分别进行1,2,5 d的单一水损害环境处理， C组分别进行1,2,5 d的老化-水分共同作用环境处理。其中老化-水分共同作用 环境处理使用了自主研发的环境处理系统，该系统能精确控制系统温度及滴水量。为了便于对比，本研究参照SHRP沥青混合料长期老化条件（时间：5 d,温度： 85工），所以环境处理的温度均为85工，对统一标准制作的不同试件进行单一热 氧老化、单一水损害、老化-水分共同作用。其中，老化-水分共同作用环境采用 “老化+水损害”环境模拟装置中1/4滴水板

10、条件来实现，该滴水板条件下滴水速 率为 0.0132 g/（hcm2）。1.2.3 车辙试验及取芯 将以上不同环境下处理后的车辙板按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程进 行车辙试验，并在胶轮碾压处取直径为50 mm （由于车辙宽度限制）的圆柱体芯 样作为实验材料，如图2所示。图2车辙板胶轮碾压处所取芯样Fig.2 The core sample from wheel tracking of rutting plate1.3 试验方案1.3.1 空隙率、连通空隙率的测量与计算取上述环境处理后的车辙板进行车辙试验，在胶轮碾压处取芯，由于部分车辙试件 老化严重，内部结构产生破坏，取出完整芯样较为困难

11、。因此选取完整的芯样，进 行尺寸、干重及水中重测量，并根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程计算 各个芯样的空隙率及连通空隙率。1.3.2 吸声系数测量 本研究选择传递声函数法15来测量试件吸声系数。1 ）设备构造。本研究测试装置系统为北京声望SW型号阻抗管测试系统，系统示 意图如图3所示，包括了驻波管（内径100 mm ）、信号处理设备（包括信号发 生器、PA50型功率放大器、MC3242型数据采集器）、传声器（灵敏度为50 mV/Pa ）、声压标定器（94 dB校准器）、计算机。研究中试件为车辙板胶轮碾压处取处的芯样直径50 mm，而驻波管内径为100 mm。由于上述硬件限制，本研究加工了不

12、吸声金属试件外壳，尺寸为内径50.8 mm、外径99.5 mm、高48 mm，保证与驻波管测试壁间隙小于1 mm，除此之 外，为最大化防止外壳吸声对实验结果的影响，还对试件外壳进行了特殊涂层处理 2）测试步骤。传声通道适配矫正。将吸声标定样品（圆柱状海绵）放入阻抗管， 测试计算两个传声器交换位置和测试位置的传递函数。试件测试。完成标定样品 的吸声系数曲线后，将两个传声器交换回原来位置。将试件装入加工的试件套中， 并将整个试件套装入驻波管样品桶。启动测试系统，测试结果由计算机记录。 图3测试装置系统示意图及实物图Fig.3 Schematic diagram and physical drawi

13、ng of the test device system2 实验结果与分析2.1 实验结果 根据处理环境对实验所取整体芯样进行编号，并将其空隙率、连通空隙率以及吸声 系数平均值与峰值进行汇总，结果见表4。根据吸声测试结果，绘制不同频率下吸声系数图，但由于所有芯样在不同频率下的 吸声系数数据量过大，故选取A3,B2,C3共3个试件频率在300 1 600 Hz之 间的片段作频率-吸声系数图，如图 4。2.2 实验结果分析2.2.1 空隙率与连通空隙率根据表4 ，绘制所有芯样空隙率与连通空隙率关系图见图5 ，并得出本实验芯样空隙率n0与连通空隙率ne的整体关系式：式中：ne为连通空隙率；n0为空隙

14、率。表 4 整体芯样实验数据 Tab.4 Experimental data of complete core samples 车 辙板处理环境编号处理时间/d空隙率/%连通空隙率/%吸声系数均值吸声系数 峰值未处理 0# 19.83 16.79 0.201 8 0.338 9单一热氧老化单一水损老化-水分共 同作用 A1 1 19.10 15.43 0.163 8 0.325 8 A2 2 23.31 18.48 0.154 4 0.345 9A3 5 21.58 19.30 0.191 9 0.398 0 B1 1 13.11 10.86 0.139 4 0.229 8 B2 216.82

15、 15.23 0.165 2 0.290 5 B3 5 14.45 12.13 0.174 7 0.249 4 C1 1 16.8814.75 0.208 4 0.302 7 C2 2 11.63 9.26 0.162 1 0.223 4 C3 5 11.19 8.84 0.128 5 0.188 8图4试样A3，B2, C3在不同频率下吸声系数测试结果Fig.4 Test results of sound absorption coefficients of samples A3,B2 and C3 at different frequencies由图5可以看出，本实验试件的空隙率与连通空隙

16、率相关性较高，相关系数达到 0.959 1,对比赵文娇等16在排水性沥青混凝土路面空隙率研究中得到的OGFC- 13 混合料 Vv 与 Ve 关系：Ve 二 1.162Vv-9.095 2 ( R2=0.966 9 )，表明在本研 究所做的环境处理条件下，环境及车轮碾压作用对试件空隙率与连通空隙率的相关 性几乎没有影响。2.2.2 空隙率、连通空隙率与吸声系数 根据表4，绘制全部试件空隙率与吸声系数均值、峰值关系图（见图 6）和连通空 隙率与吸声系数均值、峰值关系图（见图 7）。图5整体芯样空隙率与连通空隙率关系图Fig.5 Relationship between nOof complete

17、 core sample and ne图 6 空隙率与吸声系数关系图 Fig.6 Relationship between nOand ,nOand ap图7连通空隙率与吸声系数关系图Fig.7 Relationship between neand , neand ap由图6和图7可以看到，吸声系数峰值整体上都随着空隙率和连通空隙率的增大而增大，而吸声系数均值则呈现不稳定波动。造成这一现象的可能原因是本研究中 芯样较小，测得吸声系数普遍较低，在大量数据取平均值时离散性较高。因此，在 本研究中用吸声系数峰值表征空隙率、连通空隙率效果更佳。另外，由图4所示 曲线可以看出整体吸声系数在频率约为550

18、 Hz处达到峰值，并且随着连通空隙率 的下降，峰值降低也较明显。因此选择吸声系数峰值表征该试件吸声能力受到频率 影响也较小，进一步保证了其有效性。空隙率与吸声系数均值、峰值关系式和连通 空隙率与吸声系数均值、峰值关系式如下：空隙率与吸声系数关系式：连通空隙率与吸声系数关系式：式中：为吸声系数均值；ap为吸声系数峰值；n0为空隙率；ne为连通空隙率。 其中空隙率与吸声系数峰值相关系数为0.905 0，连通空隙率与吸声系数峰值相关 系数为0.956 0；因此连通空隙率与吸声系数峰值相关性更高。徐皓等在对排水性 沥青混合料降噪性能研究时发现：随着空隙率或有效空隙率（即本文中连通空隙率） 的增大,吸声

19、系数也增加,并成线性关系，但有效孔隙率与吸声系数的相关性更好。 故本实验得到的结果与之前的研究较为相符。为更直观地表示各变量之间的相关性， 绘制各变量之间相关系数直方图，如图8。图 8 试验芯样各参数间相关系数 Fig.8 Correlation coefficient between various parameters of the test core sample由此得出，本实验目前所涉及的单一热氧老化、单一水损、老化-水分共同作用环 境处理及车辙试验对试件空隙率、连通空隙率与吸声系数峰值的相关性无太大影响。3 结论1）本研究设计了一种小尺寸试样条件下用传递声函数法测吸声系数的测试方法并

20、加工了不吸声金属试件套。结果表明，采用较小尺寸试件及试件套测得吸声系数普遍较低，在大量数据取平均值时离散性较高，对空隙率与吸声系数均值的相关性影 响较大。2）测试结果表明，试件空隙率、连通空隙率与吸声系数峰值之间相关性更高，其 中连通空隙率与吸声系数峰值的相关性优于空隙率，故用吸声系数峰值表征连通空 隙率更加合理有效。3）结论2）与之前的相关研究相符，表明本实验对车辙板所做的环境处理及车辙 试验对试件空隙率、连通空隙率与吸声系数峰值的相关性无明显影响。但本实验仅 对实验材料进行了单一热氧老化环境、单一水损害环境、老化-水分共同作用环境 3种环境处理，后续将会增加更多的处理环境，以验证上述结论是

21、否具有普遍性。 参考文献：相关文献】1 李闯民开级配沥青磨耗层(OGFC )的研究J.公路，2002 ( 3 ): 73-78.2 HUBER G.Performance survey on open-graded friction course mixes NCHRP Synthesis 284M.Washington,D C ： Transportation Research Board，2000.3 ALVAREZ A E ， MARTIN A E ， ESTAKHRI C K，et al.Synthesis of current practice on the design，const

22、ruction and maintenance of porous friction coursesR.Texas FHWA：2006.4 沙庆林提高沥青路面使用性能和耐久性的最关键因素J.中外公路，2005，25(1): 1-5.5 黄学文大空隙沥青混合料的耐久性研究J.中外公路，2013(4)： 296-299.6 QURESHI N A ， KHURSHID M B，DONALD WATSON.Evaluation of premature failures of ope n-graded fricti on course paveme nts in AlabamaJ.Revue Can

23、 adie nne De Gnie Civil, 2015，42(12):1104-1113.7 QURESHI N A，FAROOQ S H，BILAL KHURSHID.Laboratory evaluation of durability of open-graded friction course MixturesJ.International Journal of Engineering and Technology (IJET)，2015，7(3):956-964.8 李波，孟繁宇，李淑明，等开级配抗滑磨耗层材料堵塞行为和疏通方法J.华东交通大学学报， 2013，30(4):69-

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