胶粉改性沥青路面材料的降噪性能

    摘要:采用湿法改性工艺,分别用超细全硫化粉末丁苯橡胶和废橡胶粉对沥青进行改性,分析了改性沥青的降噪机理,用动态热机械分析仪研究了改性沥青的动态力学性能,并进行了降噪模拟测试。结果表明,胶粉改性沥青的复合模量明显高于基质沥青,抵抗外力的能力强;胶粉添加量较高改性沥青的降噪效果较好;在交通噪声的频率范围内,加入20份(质量)废橡胶粉或超细全硫化粉末丁苯橡胶的改性沥青对声波的衰减作用明显优于基质沥青,胶粉改性沥青路面材料的降噪能力来源于阻尼减震和对声波衰减的共同作用。
    关键词:超细全硫化粉末丁苯橡胶;废橡胶粉;改性沥青;动态力学性能;降噪
    随着我国交通和汽车工业的迅速发展,交通噪声污染日益严重,已经成为危害群众身心健康的主要公害之一,因此治理噪声污染越来越受到人们的重视。研究表明,铺设环保型、低噪声的路面是一种有效的方法。一般认为,当小汽车车速大于30 km/h、卡车车速大于50 km/h时,轮胎与路面的接触噪声就成为交通噪声的主要噪声源。因此,改善路面表面特性就成为降低轮胎与路面接触噪声的有效措施之一,路面材料在此过程中将发挥重要的作用。引发轮胎与路面噪声的基本机理是空气泵吸、轮胎振动和空气动力学效应,而公认的是空气泵吸和轮胎振动效应,对于高速滚动的轮胎而言,这两种机理是并存的。所以针对路面材料而言,就可以从阻尼减震和对声音的衰减这两个方面进行研究。目前国内对胶粉改性沥青的性能指标和应用技术的关注较多,对降噪机理及效果方面的研究较少。研究的重点主要在于通过铺设试验路段和测试混合料性能来表征路面的降噪性能,这样的途径虽有直观的优点,但缺点也较突出,就是耗时长、费用高,所以有必要探索胶粉改性沥青的降噪机理及更为简单有效的降噪研究方法。本工作采用湿法改性工艺制备了全硫化超细粉末丁苯橡胶(UFPSBR)和废橡胶粉改性沥青,在保证改性沥青基本性能的前提下,研究其动态力学性能和隔声降噪特征,并对降噪机理进行分析。

    
    1.1　主要原材料
    沥青,牌号AH-90,软化点为48·3℃,针入度(25℃, 100 g, 5 s)为8·39 mm,中海油滨州炼油厂产品; UFPSBR,牌号为VP-108(5),粒径80~200 nm,凝胶质量分数80%以上,中国石化北京化工研究院产品;废橡胶粉,规格60目,河南濮阳橡胶粉厂生产;相容剂为实验室自制。
    1.2　试样制备
    将基质沥青加热到160℃,在电子恒速搅拌机以300 r/min搅拌的情形下加入适量UFPSBR和相容剂(或废橡胶粉和相容剂),搅拌15 min后换用高速剪切乳化机在150 ~ 160℃下以9 500 r/min的转速剪切30 min制得改性沥青,然后采用低速搅拌的方式除去气泡即得改性沥青试样。各试样均以100份(质量,下同)基质沥青及适量相容剂为基础,添加20份废橡胶粉者为A试样,分别添加6份、12份和20份UFPSBR者为试样B、试样C和试样D。
    1.3　分析与测试
    基本性能　用德国Petrotest公司生产的PNR-10型自动沥青针入度仪按照GB/T 0604—2000测定试样25℃的针入度;用德国Petrotest公司生产的DDA-3型自动石油沥青延度测试仪按照GB/T 0605—1993测定试样5℃的延度;用德国Petrotest公司生产的PKA-2型自动环球法石油沥青软化点测试仪按照GB/T0606—2000测定试样的软化点;用上海尼润智能科技有限公司生产的RDV-2+PRO型数字式黏度测试仪按照GB/T 0625—2000测定试样的布氏黏度。
    动态力学性能　用法国01 dB-Metravib公司生产的VA 3000型动态热机械分析仪测试改性沥青的动态黏弹性能。采用温度扫描方式,温度范围-30~45℃,测试频率10Hz,升温速率5℃/min。降噪模拟　利用杭州爱华电子研究所研制的AWA 5633 A型数字声级计,通过自制的降噪模拟装置进行降噪模拟测试,测试温度15℃,试样尺寸150 mm×120 mm×2 mm,由普通平板硫化机压制而成。模拟装置由隔音效果良好的测试箱、声级计和声源(可持续产生与交通噪声类似的65~75 dB的白噪声)组成。测试时首先将试样紧密结合于声源室与接收室之间的箱体开孔上,然后播放噪声,声级计分别测量出两室的平均声压级,得到标准声压级差,计算机从AWA 6290A型多通道噪声振动分析仪接收信号,进行频谱分析,即可得到降噪数据。每个试样测定3次,然后取平均值作为测试结果。

    2.1　基本路用性能
    为保证研究降噪性能所使用改性沥青的性能满足相关要求,本工作首先对其基本路用性能进行了测试,结果见表1。从表1可知,除延度外,改性沥青的性能基本符合JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中的要求。
              
    2.2　动态力学性能
    沥青混合料的力学强度由矿质集料颗粒之间的嵌挤力(内摩擦力)、沥青与集料之间的黏结力以及沥青的内聚力构成.。沥青混合料之所以能表现出高分子的黏弹性,就是因为沥青及改性沥青路面材料是高分子材料的缘故。所以可以通过对沥青路面材料力学性质的研究来反映真实路面在通车行驶时的力学行为。又因为改性沥青在实际使用时会受到车辆周期性重复动态载荷的作用,所以改性沥青的动态力学性能可以很好地模拟其在实际使用时的黏弹力学行为。因此本工作研究了复合模量及损耗因子(tanδ)随温度的变化情况,用来表征沥青和改性沥青的黏弹性能,以研究其在使用温度范围内的阻尼减震降噪性能,结果见图1。从图1可看出,胶粉对提高沥青复合模量的效果明显,这表明改性剂对基质沥青黏性和弹性的改善较明显,改性沥青对抗外力的能力得到明显提高。UFPSBR改性沥青的复合模量随其加入量的增加而增大,但加入量较低时(如6份)改性效果不明显。
            
    从图1还可以看出,在低温(小于3℃)时加入20份UFPSBR改性沥青的tanδ比基质沥青高,而加入12份和6份UFPSBR的改性沥青,其tanδ在这一温度范围内小于或与基质沥青大体相同。因为在这一温度范围内沥青分子链段处于冻结状态,而橡胶的玻璃化转变温度较低,在此温度下链段仍可自由运动,胶粉就能对沥青起到“增韧”的作用,使其柔性增加,低温性能得到改善,最终使改性沥青表现出橡胶的高弹性、高阻尼的力学特征;但如达不到相应的加入量,这种现象就不明显。废橡胶粉可能由于其粒径大于UFPSBR,使其改性沥青在此温域内的tanδ更大。与基质沥青相比,在中温区(3~25℃)改性沥青的tanδ明显降低,但随改性剂加入量的增加又有所增大。这是因为改性剂在所测试温度区间内,其弹性要优于沥青,向沥青中加入具有弹性的改性剂粒子,所得复合材料也就具有了改性剂大分子的特征,且随加入量的增加而体现得更为明显。在高温区(大于25℃)加入6份UFPSBR改性沥青的tanδ与基质沥青基本相同,其他胶粉改性的沥青要高于基质沥青,且此时其复合模量也高于基质沥青,这就保证了改性沥青具有良好的阻尼减震效果,即可大幅降噪。
    由北京市劳保所对2007年在北京市恩济西街铺设的500 m试验路段做的交通噪声检测结果表明,废橡胶粉改性沥青较普通沥青铺设路段的平均交通噪声降低了3 dB,降噪效果明显。实际路面要在通车一段时间后进行降噪测试,因为在通车初期,经过行车载荷的反复作用,路面的永久变形较为明显.。所以在进行降噪测试时,普通沥青路面可能较改性沥青路面发生了更大的可造成永久变形的塑性流动,使其黏弹性和孔隙率降低,复合模量增大, tanδ减小,进而使基质沥青路面的噪声增大。
    2.3　降噪模拟测试
    本工作分别对试样在125, 200, 500, 1 000,1 250, 2 500, 4 000Hz等不同频率下的标准声压级差进行了比较,结果如表2所示。降噪测试结果表明,各频率的大体降噪水平仍然由基质沥青决定;在小于1 000 Hz的范围内,同一频率下不同沥青间的变化明显,且试样A与试样D基本处于同一降噪水平,基质沥青的降噪水平次之,试样C较差,试样B最差。这可能是由于加入相对少量纳米胶粉的改性沥青对高频声音较敏感,对低频声波吸收效果较差所致。试样A中的废橡胶粉粒径较大,声波通过其交联网络时需要消耗更多的能量;试样D中的纳米胶粉颗粒较多,高频声波可能使它们之间的摩擦消耗了较多的能量,这就可能是在500 Hz以下试样A的降噪效果要优于试样D、而其他频率下试样D要优于试样A的原因。而交通噪声主要集中在中低频范围内.,因此试样A和试样D能有效地降低交通噪声。
             
 

  
    a)胶粉改性沥青的复合模量显著高于基质沥青,抵抗外力的能力强;当胶粉加入量达到一定值时改性沥青阻尼减震性能要优于基质沥青,降噪效果明显;基质沥青相对较大的塑性流动不利于阻尼减震降噪。
    b)在交通噪声的频率范围内,加入20份废橡胶粉或UFPSBR两种改性沥青对声波的衰减作用明显优于基质沥青,所以在基质沥青中加入一定量的胶粉可以有效降低交通噪声。胶粉改性沥青路面材料的降噪能力来源于阻尼减震和对声波衰减的共同作用。