全凯 王超 程浩 侯圣均

摘 要： 為了优化沥青路面材料的减振降噪性能，延长路面的使用寿命，对现有沥青材料进行改性优化。选用硅藻土和玄武岩纤维作为改性剂对沥青材料进行复合改性，依据孔隙率、阻尼比、矿料间隙率、吸声系数、流值变形量、马歇尔稳定度、沥青饱和度7个参数确定复合改性沥青材料的配比，制备出硅藻土与玄武岩纤维复合改性沥青材料。分别对硅藻土单掺杂沥青材料、玄武岩纤维单掺杂沥青材料和硅藻土与玄武岩纤维复合改性沥青材料进行了力学特性试验，分析其物理性能，并对不同沥青混合料的减振降噪性能进行了对比测试。结果表明，硅藻土和玄武岩纤维复合掺杂最佳配比：油石质量比为5.5%，玄武岩纤维掺杂比为0.3%，硅藻土掺杂比为7.5%。复合材料的减振降噪性能优于普通沥青材料，与其相比，最优配比下的新型复合材料吸声系数峰值高出38.89%，吸声系数均值高出30.30%。复合改性沥青材料具有良好的减振降噪性能并且具有显著的高温稳定性和低温抗裂性，研究结果可为同质路面材料的进一步优化提供参考，对于提高道路的服务能力具有实际应用价值。

关键词： 工程力学;沥青;硅藻土;玄武岩;减振降噪

中图分类号： U414   文献标识码：  A

doi：  10.7535/hbgykj.2020yx06010

Selection and proportioning optimization of modifiers for new

road composite asphalt materials

QUAN Kai， WANG Chao， CHENG Hao， HOU Shengjun

（Power China Road Bridge Group Company Limited， Beijing 100048， China）

Abstract：

In order to optimize the vibration and noise reduction performance of asphalt pavement materials and prolong the service life of pavement， the modification and optimization of existing asphalt materials were executed. Diatomite and basalt  fiber  were used as modifiers to compound and modify the asphalt materials. According to the porosity， damping ratio， voids in the mineral aggregate， sound absorption coefficient， deformation of flow value， Marshall stability and asphalt saturation， the proportioning of composite modified asphalt materials were determined， and diatomite/basalt fiber composite modified asphalt materials were prepared. The mechanical properties of diatomite single-doped asphalt materials， basalt fiber single-doped  asphalt  materials， and diatomite/basalt fiber composite modified asphalt materials were tested to analyze their physical properties， and the vibration and noise reduction performance of different asphalt mixtures were compared. The results show that the optimum mixing ratio of diatomite and basalt fiber is as follows： The mass ratio of oil stone is 5.5%， the doping ratio of basalt fiber is 0.3%， and the doping ratio of diatomite is 7.5%. The vibration and noise reduction performance of composite materials is better than that of ordinary asphalt materials， and the peak value of the sound absorption coefficient of the new composite materials under the optimal ratio is 38.89% higher， and the average sound absorption coefficient is 30.30% higher. The composite modified asphalt materials have a good performance in vibration and noise reduction， temperature stability and low temperature crack resistance. The research results can provide reference for the further optimization of homogeneous pavement  materials ， and have practical application value for improving the service capacity of roads .

Keywords：

engineering mechanics; asphalt; diatomite; basalt; vibration noise reduction

城市的发展离不开道路建设，而道路建设不仅要保证车辆行驶的安全与平稳，还需考虑减少噪音与振动对环境的污染  [1] 。传统的水泥混凝土路面具有较强的刚性，

抗压强度高，摩擦系数低，对基底要求较高。当基底出现沉降、积水时，会导致路面稳固性变差时，极易出现断裂、坍塌等情况，成为交通极大的安全隐患  [2] 。现代市政建设中常采用沥青混凝土路面，这种路面使用沥青作为胶凝材料  [3] 。由于沥青独特的力学性质，沥青混凝土路面具有韧性高、刚性低的特点，并且具有较好的减振降噪性能。在实际工程应用中，为进一步提升沥青路面的减振降噪性能，通常对沥青进行改性来改善材料的力学性能  [4-5] 。改性剂分为有机改性剂与无机改性剂：有机改性剂添加成本较高，对加工设备有着较高的要求，且容易造成环境污染  [6-7] ;无机改性剂具有生产成本低、环境污染小的特点，广泛应用于沥青材料的改性应用中。普通低噪声沥青路面多为沥青玛蹄脂碎石混合料和大孔隙开级配抗磨损耗层  [8-9] 。这两种路面虽然减振降噪性能优越，但其力学性能不足以支撑路面的长期使用，因此在实际应用中，这两种路面的使用寿命均较短，且后期维保费用较高  [10-13] 。

硅藻土与玄武岩作为储量丰富的无机材料，常用于沥青材料的复合改性。硅藻土具有低密度、多空隙、吸声等特性，能够增强沥青材料在较高路面温度下的疲劳性能。玄武岩纤维具有耐高温、力学性能优异的特征，能够为沥青材料提供更佳的低温抗裂性能。为进一步提升沥青材料的减振降噪性能，笔者对硅藻土和玄武岩纤维复合改性沥青材料的减振降噪性能进行了模拟对比研究。

1  硅藻土或玄武岩纤维改性沥青材料的制备与物理性能

1.1 改性材料的制备

硅藻土或玄武岩纤维改性沥青材料的单质原料分为沥青制备、硅藻土制备和玄武岩制备。研究中沥青混凝土由废胎胶粉与基质沥青在高温下搅拌制得。废胎胶粉粒度为40目（0.42 mm），相对密度为1.18 g/cm 3，水的质量分数为0.32%，橡胶烃的质量分数为68%，碳黑的质量分数为53.9%，丙酮的质量分数为16.7%。基质沥青满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004），沥青基质温度为 25 ℃ ，针入度为86（100 g，5 s，0.1 mm），软化点为 42.5 ℃ （环球法）。按照国家标准《公路工程废胎胶粉橡胶沥青》（JT/T 798-2011）进行橡胶沥青的制备  [14-15] 。向基质沥青中掺入质量分数为20%的废胎胶粉，在均匀混合后将混合物投入高速剪切反应罐，在180～190 ℃条件下反应45 min以上。对制得的沥青进行性能测试，结果如表1所示。

选择2.37～13.1 mm的玄武岩粗集料，0～ 2.37 mm 的玄武岩细集料。硅藻土主要成分为二氧化硅，此外还含有三氧化二铁、三氧化二铝、氧化镁、氧化钙、氧化钾、二氧化钛等成分。本文使用的硅藻土为粒度范围在10～200 μm的硅藻土助滤剂焙烧品，其pH值为9.0，非硅比为16.7%。将玄武岩矿石粉碎并加热至1 500 ℃左右，使用金属拉丝后制成直径约为17.0 μm的玄武岩纤维，最后将玄武岩纤维長度统一至6 mm。硅藻土粒径极小，易改变沥青混凝土级配，所以难以直接掺配入混合料中。因此采用等体积替代的硅藻土掺配法，并使用干拌法进行拌和。考虑到目标公路地理位置的气候因素，选择AC-13细粒式沥青混凝土。过量粗集料使路面松散，而过量细集料使路面不耐高温，使用最大密度理论进行配合比计算，最终选择的矿料级配如表2所示。

橡胶沥青加热温度为185 ℃，在175 ℃的烘箱中对除橡胶沥青外各类原料加热4 h以上。首先将集料与玄武岩纤维干拌1.5 min，再加入可流动的橡胶沥青搅拌1.5 min，最后加入硅藻土与矿粉再次搅拌1.5 min，即获得改性沥青材料。

1.2 改性材料的物理性能

沥青材料路面的黏塑性容易使路面在高温高压下发生塑性变形，在寒冷的冬季，沥青材料的脆性急剧增加，路面易发生低温缩裂。为验证单改性沥青材料路面在不同温度下的性能提升，针对单掺材料的高温稳定性与低温抗裂性进行研究。采用车辙试验进行高温稳定性测试，以动稳定度对高温稳定性进行评估。动稳定度的计算公式如下：

DS=N×（t2-t1）[]d2-d1，     （1）

式中： DS 为动稳定度，次/min; t1和t2为 时间，min， t1 =45 min， t2 =60 min; d1和d2为 形变量，mm， d1 =45 mm， d2 =60 mm; N 为试验胶轮往返速度，次/min， N =42 次/min。单掺沥青材料车辙测试动稳定度如图1所示。

从图1可以看出，各种掺量的橡胶沥青混合料动稳定度均大于3 000次/min，符合标准要求。

掺杂硅藻土或玄武岩纤维均能提升材料的动稳定度，其中掺杂硅藻土对动稳定度的影响更为显著。随着硅藻土或玄武岩纤维掺量的不断增加，混合料动稳定度的变化趋势均为先上升再下降。由试验结果可推测，为提升沥青材料的高温稳定性，硅藻土最佳掺量可能为7.5%，而玄武岩纤维最佳掺量可能为0.2%。硅藻土影响材料高温稳定性能的原因可能是因为硅藻土的多孔结构增加了混合材料的黏性，但过量硅藻土会降低骨料黏结。玄武岩纤维影响材料高温稳定性可能是因为玄武岩纤维网在低玄武岩纤维掺量的情况下增加了混合材料黏性，然而过量掺杂使玄武岩纤维发生结团，降低其高温稳定性。

采用间接拉伸试验对掺杂材料的低温劈裂性进行测试。在-10 ℃，1 mm/min，泊松比 ν =0.25的试验条件下，采用马歇尔标准试件对混合材料的低温拉伸蠕变劲度模量与破坏应变进行分析，并以此衡量材料的低温抗裂性能。破坏应变与材料低温松弛性呈正比，低温拉伸蠕变劲度模量与材料低温柔性和低温抗裂性呈反比。测试结果表明硅藻土或玄武岩纤维的掺入对材料低温劈裂性能影响均不明显。2种单掺混合料的低温松弛性能均表现优异，其中硅藻土掺杂量的上升使低温松弛性先升后降，玄武岩纤维掺杂量的提升使低温松弛性不断上升。为进一步评估掺杂量对材料低温抗裂性能的影响，笔者引入基于应变能密度函数的低温断裂能对抗裂性能进行评估。结果表明，相较于零掺沥青材料基线，硅藻土单掺材料对低温断裂能的提升为55.7%，峰值掺量为7.5%。玄武岩纤维单掺材料的提升为65.1%，且未测出提升峰值。以上数据表明，相较于硅藻土掺杂，玄武岩纤维掺杂能够更好地提升材料低温抗裂性能。综合上述试验结果，可以认为硅藻土掺杂或玄武岩纤维掺杂均能提升沥青材料的高温稳定性与低温抗裂性，其中硅藻土掺杂对高温稳定性的影响更显著，而玄武岩纤维掺杂更有利于提升材料的低温抗裂性。

2  硅藻土与玄武岩纤维复合改性沥青材料减振降噪性能试验

2.1 硅藻土与玄武岩纤维复合改性沥青材料配比

考虑到道路建设材料的实用性质，新型复合改性沥青材料应优先满足力学相关设计标准，而后再考虑其减振降噪性能的优化。选择孔隙率、阻尼比、矿料间隙率、吸声系数、流值变形量、马歇尔稳定度、沥青饱和度7个参数为沥青材料配比决定因素。为符合配比设计原则，首先应将材料的孔隙率控制在3%～5%，其次保证较高的马歇尔稳定度（至少大于8 kN），然后使矿料间隙率大于14%，沥青饱和度维持在70%～85%，流值变形量为2～4 mm。在以上5个指标均得到满足与优化的基础上，最后考虑阻尼比和吸声系数的提升。

用 X，Y，Z分别 表示油石质量比、玄武岩纤维掺杂比和硅藻土掺杂比，则 X，Y，Z对7个参数的影响如表3所示。 对应最优孔隙率的方案：油石质量比为5.5%，玄武岩纤维掺杂为0.3%，硅藻土掺杂为7.5%，与对应最优马歇尔稳定度的配比一致。具有最佳声学性能的材料配比：油石质量比为6%，玄武岩纤维掺杂比为0.4%，硅藻土掺杂比为10%。然而，当油石质量比取6%时，材料的沥青饱和度无法达到指标标准范围。結合以上信息，最终确定复合材料配比：油石质量比为5.5%，玄武岩纤维掺杂比为0.3%，硅藻土掺杂比为7.5%。

2.2 试验方法与过程

吸声系数是材料能够吸收的声能与总声能的比值，材料的吸声系数能够描述材料吸收声音的能力。为评估硅藻土与玄武岩纤维复合改性沥青材料的吸声降噪性能， 采用驻波管系统进行基于传递函数法的吸声系数测试。 阻抗管系统基本结构如图2所示，主要包括驻波管、 功率放大设备、噪声发生器、数据采集模块等部分。

驻波管内径为10 cm，两侧为噪声发生器和样品筒，噪声发生器内置有吸声材料，样品筒附近设有传声小孔，将矿料、橡胶沥青、玄武岩纤维和硅藻土分别放入烘箱保温5 h，预热搅拌， 再置于马歇尔模具中，得到半径5 cm、高6.35 cm 的圆柱形试样。在测试开始前，确保噪声发生器可稳定持续工作至少15 min，记录测试温度与气压。由于测试样品量较少，因此使用交换通道法进行校准。

使用信号调理器，调节中心频率点、功率增益、噪声声压，对声音信号进行均衡。将制作好的圆柱形试样置于样品筒，运行阻抗管系统，进行测试。多次测试后导出吸声系数数据，提取1/3倍频带，对250～1 600 Hz间的吸声系数进行记录，并计算吸声系数平均值，结果如表4所示。

由表4可知，与机质沥青混合料相比，玄武岩纤维与硅藻土混合料的降噪性能较高，并且吸声性能会随着玄武岩比重的增加而增强。在车辆实际行驶中，车轮每降低10%的垂直振动即可减少 20 dB（A） 的噪声。因此，具有良好减振性能的路面也能有效降低车辆行驶中产生的噪声。路面的黏弹性能够通过将车轮振动机械能转化为热能等方式进行减振与降噪。轮胎垂直振动的衰减情况能够体现出复合改性沥青材料的阻尼减振能力的强弱。为衡量路面材料的减振性能，采用轮胎垂直振动衰减试验对复合材料进行测试。将复合材料制作为车辙板试样，连接加速度传感器与轮胎轮毂几何中心，以2 kHz的频率进行信号采集。将轮胎最低位置与车辙板试样的垂直距离调整为3 cm，释放轮胎，使测试轮胎发生自由落体与连续振动，直至轮胎保持静止。最后对轮胎垂直自由振动过程中的能量衰减进行测量。轮胎自由振动衰减试验流程图如图3所示。

3 测试结果与分析

以油石质量比为5.5%，玄武岩纤维掺杂比为0.3%，硅藻土掺杂比为7.5%的材料配比加工制得复合改性沥青材料。制样后，使用阻抗管系统进行吸声降噪试验。记录250～1 600 Hz频域的1/3倍频带吸声系数，并据此计算复合材料的平均吸声系数，如表5所示。由表中数据可以看出，新型复合改性沥青材料的吸声系数在250～1 600 Hz均高于普通沥青材料。平均吸声系数高出0.035，即超出普通沥青材料吸声系数38.89%。由测试原始数据可以看出，复合材料的吸声系数最高值为0.387，而普通沥青材料吸声系数峰值为0.297，即复合材料吸声系数峰值高出沥青材料30.30%。因此可以认为，复合材料中适当掺杂玄武岩纤维和硅藻土的可以有效提高沥青材料路面的吸声能力，以达到降噪效果。

在轮胎垂直振动衰减试验中，测试轮胎的胎压为250 kPa，宽度为195 mm，断面扁平比为60%，轮辋直径为14 inch（355.6 mm）的米其林牌轮胎。测试系统为DH5922动态信号测试系统。从轮胎垂直振动衰减试验加速度传感器采集的数据中，选取从轮胎发生垂直振动衰减至保持静止的轮胎垂直振动数据，绘制振动曲线，提取出振幅的包络线，并对振幅包络线进行拟合。沥青材料和新型复合改性沥青材料的振幅拟合包络线如图4所示。

从图4中可以看出，相较于无掺杂沥青材料，掺杂了玄武岩纤维与硅藻土的新型复合改性沥青材料振幅下降速度更快。这可能是因为含有较多孔隙的硅藻土的添加使得复合材料能够容纳更多的沥青，增加了复合材料的黏弹性。不同掺量改性沥青混合料的阻尼比结果，如图5所示。

从图5可以看出，玄武岩纤维的阻尼性能提高了材料的摩擦阻尼，使车轮和路面摩擦产生的能量能够快速降低，而玄武岩纤维空间网状结构能够提高复合材料的韧性，多因素协同作用使复合材料最终实现了减振降噪的效果。

4 结 语

路面材料的选择是道路工程设计的关键环节，选用材料需要综合考虑材料的力学性质与声学特性，路面材料的选择不当可能会导致路面发生开裂、塌陷、噪声污染等问题，

为在保证路面材料力学性能的同时提高材料减振降噪能力，本文对2种材料进行了试验对比研究。测试结果表明，在油石质量比5.5%，玄武岩纤维掺杂比0.3%，硅藻土掺杂比7.5%的最佳配比下，新型复合改性沥青材料的吸声系数在测试范围内始终高于普通沥青材料，其均值高出原始材料30.30%，其峰值高出38.89%。硅藻土与玄武岩纤维复合改性沥青材料的减振能力也高出普通沥青材料，为降低沥青路面材料的减振降噪性能提供了數据模拟参考，为同质路面材料的优化提供了依据。

本研究对道路表面纹理与路面结构未进行深入探讨，今后将就此作进一步研究，以优化硅藻土与玄武岩纤维复合改性沥青材料路面的减振降噪性能。

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