（道路与铁道工程专业论文）隧道路面低噪声微表处技术研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 删f i f f i f f f i j i j i f f f l i | | i i f i f 删j l f i i i l f f l 删 19 0 2 2 4 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：瘩彬跫桶 日期：矿1 1 年午月，y 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：吝耀楠 指导教师签名：墙纠 日期：p f l 年午月，z 日 日期：f 年年月fz ，日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k j 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 学位论文作者签名：杏耀桶 日期：矽，1 年午月胗日 指导教师签名：坟纠 日期：护，f 年牛月l - 日 摘要 隧道作为高等级公路的重要组成部分，随着交通量的增加，与一般公路路面 一样，隧道路面在车辆轮胎的碾压和自然因素的作用下( 如温度、湿度的变化以 及风化等) ，路表面的粗糙度或构造深度将会衰减，纵向平整度、横向平整度将 会降低，路表面的抗滑能力等特性都在减小；如不及时对这些路面的表面功能损 害进行预防性的养护，将大大地减少路面的整体使用寿命。由于隧道通行净空的 严格限制使隧道路面铺装的罩面工程不能采用常规沥青混凝土罩面方法，一般常 采用微表处技术对路面表面功能进行恢复。 2 1 世纪微表处技术在我国沥青路面养护中应用越来越广泛，但普遍反映微 表处比普通沥青路面的行车噪声大，社会反映强烈。由于隧道洞体是相对封闭的 环境，特别是长隧道，隧道内噪声持续时间长，声音在其中难以消散，因此，隧 道内的噪声通常较大。本课题主要针对普通微表处路面噪声大的问题，采取在普 通微表处混合料中加入橡胶颗粒的方法来改善这一难题，本文主要进行了以下几 方面的研究工作。 首先，从隧道内噪声产生机理及特点出发，提出隧道内噪声与开阔路段噪声 的不同之处在于组成成分上，开阔路段的噪声一般是由直达声组成的，而隧道内 的噪声则有直达声和混响声两种成分组成，对人影响最大的是混响声，长期处于 高分贝的隧道环境中，能使人的反应能力下降，心理紧张、烦躁，容易诱发交通 事故。 其次，在原有的普通微表处的基础上，通过添加橡胶颗粒的方法来改善微表 处混合料的物理力学特性。本文中混合料级配采用i s s a 的m s 3 型级配，通过 大量室内试验确定了不同橡胶颗粒掺量混合料的最佳沥青用量，为以后研究做准 备。 再次，通过轮胎振动衰减试验和室内往复轮载试验来评价低噪声微表处的减 振降噪效果，得到橡胶颗粒的加入对于改善微表处路面与车辆间的振动情况起着 显著的作用，其主要降噪原理是吸收来自轮胎的冲击力的作用，从而达到降低车 辆振动的目的。 最后，比较研究了低噪声微表处技术的路用性能，主要分析了低噪声微表处 技术的耐磨耗性能、抗轮辙变形性能、水稳定性等。同时，对比研究了橡胶颗粒 的加入对于微表处构造深度及摩擦系数的影响。 关键词：低噪声；微表处；橡胶颗粒；减振；隧道 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp a r to fh i g h w a y ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft r a f f i c ，u n d e rt h ea c t i o no f t i r ea n dt h en a t u r ef a c t o r s ( s u c h 嬲t e m p e r a t u r e 、h u m i d i t ya n dw e a t h e r i n g ) t h e r o u g h n e s s 、t e x t u r ed e p t h 、v e r t i c a lr o u g h n e s sa n dl a t e r a lr o u g h n e s so ft h ep a v e m e n ti n t u n n e lw i l ld e c a ys e r i o u s l y ；i fw ed o n ti m p l e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo nt h i s p a v e m e n t ，t h ed i s e a s eo ft h i sp a v e m e n ti n t u n n e lw i l li n c r e a s eq u i c k l y , a n dt h e n r e d u c et h el i f eo ft h ep a v e m e n ti nt u n n e l b e c a u s eo ft h ec l e a r a n c er e s t r i c t i o n s ，t h e o v e r l a yi nt u n n e lc a l ln o tu s et h eu s u a l l ym e t h o d ，w eu s u a l l ya d o p tm i c r o - s u r f a c i n g t e c h n o l o g yi nt u n n e lp a v e m e n t i n21c e n t u r ym i c r o - s u r f a c i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a i n t e n a n c et e c h n o l o g y o f a s p h a l tp a v e m e n t i nc h i n a h o w e v e r , t h e r ei sh i g h e rt r a f f i cn o i s eo n m i c r o - s u r f a c i n gt h a no no r d i n a r ya s p h a l tp a v e m e n t , w h i c hh a sa r o u s e ds t r o n g r e f l e c t i o ni ns o c i e t y f o rt h er e l a t i v e l yc l o s e de n v i r o n m e n to ft u n n e lc a v e ，e s p e c i a l l y i n t h el o n gt u n n e l ，t r a f f i cn o i s ec o n t i n u o u sl o n g e rt i m e ，a n dd i s a p p e a rd i f f i c u l t y t h e r e f o r e ，t h en o i s eu s u a l l yl a r g e ri nt u n n e l t h i si s s u ei sd i r e c t e da g a i n s tt h ep r o b l e m o fh i g h e rt r a f f i cn o i s eo nm i c r o s u r f a c i n g ，w ea d o p tt h em e t h o do fa d d i n gr u b b e r p a r t i c l e si nm i c r o s u r f a c i n gm i x t u r e t h i sp a p e r h a sm a i n l yc a r r i e do u ts e v e r a la s p e c t s o fr e s e a r c hw o r ka sf o l l o w i n g ： f i r s to fa l l ，f r o mt h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i co ft u n n e ln o i s e ，r e c e i v e dt h e d i f f e r e n c eo fn o i s ei nt u n n e la n do p e nr o a di st h ec o m p o s i t i o n t h en o i s ei no p e n s e c t i o ni sf o r m e db yd i r e c ts o u n d ，h o w e v e r , i nt u n n e li t sf o r m e db yd i r e c ts o u n da n d r e v e r b e r a n t t h er e v e r b e r a n tm a k eag r e a t e s ti m p a c to np e o p l e ，i fp e o p l ee x p o s ei na l l i g h d e c i b e le n v i r o n m e n ti nt u n n e lf o ral o n gt i m e ，t h e yw i l lb e c o m eu n r e s p o n s i v e 、 p s y c h o l o g i c a ls t r e s s 、i r r i t a b i l i 够a n dl i k e l yt oc a u s e t r a f f i ca c c i d e n t s e c o n d l y , o nt h eb a s i so fo r d i n a r ym i c r o - s u r f a c i n g ，t h r o u g ht h em e t h o d so f a d d i n gr u b b e rp a r t i c l e si nm i c r o - s u r f a c i n gt oc h a n g ei t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w e s e l e c tm s 3m i x t u r eo fi s s a 嬲t h eg r a d i n gc u r v eo fm i x t u r e 、杭lr u b b e rp a r t i c l e s ， a n dg e tt h eo p t i m u ma s p h a l tc o n t e n to fm i x t u r ew i t hd i f f e r e n tc o n t e n to fr u b b e r p a r t i c l e st h r o u g hal a r g en u m b e ro fl a b o r a t o r yt e s t s ，p r e p a r ef o rl a t e rr e s e a r c h n e x t ，o nt h eb a s i so fg e t t i n gt h em i xp r o p o r t i o no fl o wn o i s em i c r o - s u r f a c i n g ， t h r o u g ht i r ev i b r a t i o na t t e n u a t i o nt e s ta n di n d o o rr e c i p r o c a t i n gw h e e ll o a dt e s tt oe v a l u a t e t h ev i b r a t i o na t t e n u a t i o na n dn o i s er e d u c t i o no fl o wn o i s em i c r o s u r f a c i n g t h e a d d i t i o no f r u b b e rp a r t i c l e sp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h ev i b r a t i o nb e t w e e n m i c r o s u r f a c i n ga n dv e h i c l e ，t h em a i np r i n c i p l eo fn o i s er e d u c t i o n i sa b s o r bt h e i m p a c tf r o mt i r e s ，s oa st or e d u c ev e h i c l ev i b r a t i o n f i n a l l y , t h i sa r t i c l ec o m p a r a t i v e l ys t u d i e dt h er o a dp e r f o r m a n c eo fl o wn o i s e m i c r o s u r f a c i n g ，m a i n l ya n a l y z e d t h ea b r a s i o nr e s i s t a n c e 、r u td e f o r m a t i o n p e r f o r m a n c e 、w a t e rs t a b i l i t ya n ds oo n a tt h e $ a i n et i m e ，a n a l y z e dt h ee f f e c to nt h e t e x t u r ed e p t ha n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h em i c r o - s u r f a c i n gb ya d d i n gr u b b e rp a r t i c l e s i nt h em i c r o s u r f a c i n gm i x t u r e s k e yw o r d s ：l o wn o i s e ；m i c r o s u r f a c i n g ；r u b b e rp a r t i c l e s ；v i b r a t i o na t t e n u a t i o n ； t u n n e l 目录 第一章绪论。1 1 1 问题的提出1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究概况3 1 2 2 国内研究概况4 1 3 主要研究内容及技术路线6 1 3 1 本文主要研究内容6 1 3 2 本文技术路线6 第二章隧道内噪声特性研究8 2 1 交通噪声的产生8 2 2 交通噪声的危害9 2 3 隧道内交通噪声特点。1 1 2 3 本章小结1 2 第三章橡胶颗粒微表处配合比设计1 4 3 1 橡胶颗粒微表处原材料研究。1 4 3 1 1 乳化沥青1 4 3 1 2 集料l6 3 1 3 水18 3 1 4 填料1 8 3 1 5 橡胶颗粒l8 3 2 橡胶颗粒微表处配合比设计l8 3 2 1 级配选择1 9 3 2 2 拌和试验2 0 3 2 3 可拌和时间试验2 l 3 2 4 破乳时间试验2 3 3 2 5 粘聚力试验2 4 3 2 6 湿轮磨耗试验与负荷轮粘附砂试验2 5 3 2 7 轮辙变形试验2 8 3 3 本章小结2 8 第四章橡胶颗粒微表处的降噪性能研究2 9 4 1 橡胶颗粒微表处的降噪机理。2 9 4 1 1 振动与噪声的关系2 9 4 1 2 阻尼减振技术3 0 4 2 橡胶颗粒微表处的降噪效果评价3 2 4 2 1 轮胎振动试验3 3 4 2 2 室内往复轮载试验3 8 4 3 本章小结4 6 第五章橡胶颗粒微表处路用性能研究4 7 5 1 耐磨耗性能4 7 5 2 抗轮辙变形性能4 9 5 3 水稳定性5 0 5 4 本章小结5 2 第六章橡胶颗粒微表处表面功能与经济社会效益分析5 4 6 1 橡胶颗粒微表处表面功能研究5 4 6 1 1 构造深度5 4 6 1 2 摆值5 5 6 2 橡胶颗粒微表处经济社会效益分析5 6 6 2 1 经济效益5 6 6 2 2 社会效益5 7 第七章结论与展望5 8 7 1 结论5 8 7 2 展望5 9 致谢。6 0 参考文献6 l 在学期间发表的论著及取得的科研成果6 4 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，高速公路建设迅猛发 展，尤其是随着西部大开发战略的实施， 为改善线形、降低纵坡、提高行车速度， 在西部高原山区修建大量的高速公路， 公路隧道修建的数量也日益增多。截止 2 0 0 8 年底，全国已建成公路隧道5 4 2 6 处、3 1 8 6 4 万延米。隧道总里程占高速公路 总里程的比例也相当大，如云南元磨高速公路有隧道2 2 座，隧道约占总里程的 2 0 ，贵州崇遵高速公路共有隧道1 7 座，隧道约占总里程的1 8 。2 0 0 6 年重庆在 建的高速公路隧道总数为1 4 7 座，其中3 0 0 0 米以上的特长隧道3 2 座，5 0 0 0 米以 上的特大长隧道1 3 座。 图1 1 隧道内环境状况 f i g 1 1e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n si nt u n n e l 隧道作为高等级公路的重要组成部分，其交通噪声问题也越来越受到人们的 关注。由于隧道洞体是相对封闭的环境，同时隧道内的反射面积较大，特别是长 隧道，隧道内噪声持续时间更长，声音在其中难以消散，因此，隧道内的噪声通 常较大。在噪声等级相当高的隧道内，震耳欲聋，令司乘人员难以接受。长期处 于高分贝的隧道环境中，能使人的反应能力下降，心理紧张、烦躁，容易诱发交 通事故。因此，有必要从噪声产生的源头对公路隧道噪声污染进行防治。 随着交通量的增加，与一般公路路面一样，隧道路面在车辆轮胎的碾压和自 然因素的作用下( 如温度、湿度的变化以及风化等) ，路表面的粗糙度或构造深度 将会衰减，纵向平整度、横向平整度将会降低，路表面的抗滑能力等特性都在减 小；隧道水泥混凝土路面出现光滑、露骨、表层裂缝、路面面层剥落等表面功能 2 第一章绪论 损害；而隧道沥青混凝土路面将出现推挤、拥抱、坑洞、面层脱落等病害。这些 都大大影响了道路使用的安全性、舒适性、经济性和通行能力；这不但提高了高 速公路的使用费用，增加了能耗而且对人们的生命安全构成了威胁。如不及时对 这些路面的表面功能损害进行预防性养护，将使得隧道路面铺装病害速度加剧， 从而大大地减少路面的整体使用寿命。近些年来随着交通量与载重量的增加，这 些问题更加突出。 由于隧道通行净空的严格限制使隧道路面铺装的罩面工程不能采用常规沥青 混凝土罩面方法，一般常采用微表处技术对路面表面功能进行恢复。 微表处技术被广泛应用于沥青路面的预防性养护，以及水泥路面的罩面，目 前我们国家正在推广将微表处用于新建路面的表面磨耗层。微表处的技术特点主 要有以下几点： 造价低廉，单层微表处的造价为1 5f r _ , m 2 左右，价格便宜，适应了我国高 等级公路养护经费不足的实际情况； 可以提高原路面的构造深度和摩擦系数，从而提供良好的防滑能力； 施工速度快，微表处的摊铺速度与人们步行的速度接近，采用两台间歇式 摊铺车交替作业，每天摊铺面积可以达到l 万i n 2 ，如果采用连续式的摊铺车，每 天摊铺面积可以达到3 - - 4 万m 2 ，而且微表处摊铺后1 个小时内即可开放交通，解 决了养护施工与交通的矛盾； 增加路面的色彩对比度； 处理路面突出病害的效果比较理想，微表处有良好的封水效果，可以有效 防止路面水损害的发生和发展，可以扭转路面坑槽补不胜补的被动局面，满足了 高速公路管养部门的基本需求； 使用寿命长，在路基路面稳定的前提下，优质微表处的使用寿命可达5 年 以上； 可修复车辙，在面层不发生塑性变形的条件下可修复深达3 8 m m 的车辙而 无需碾压，并且十分稳定、与原路面粘附的非常牢固，是不用铣刨解决车辙问题 的独特维修方法； 由于采用改性乳化沥青，施工过程中不需要加热，节约能源，无污染物排 放，符合环保要求； 然而经验表明：在使用微表处时发现车内外噪声与热拌热铺沥青路面相比 明显增大l 。 因此，如何在保证微表处技术充分发挥上述各项优点的前提下，降低普通微 表处路面的噪声问题就是本文的研究重点。本文通过在传统的微表处混合料中添 加橡胶颗粒取代部分集料的方法对传统的普通微表处混合料进行一些改进，以期 第一章绪论 3 改变微表处混合料的物理力学性能，从而达到降低车辆噪声的作用。 1 2 国内外研究现状 微表处( m i c r o s u r f a c i n g ) 是一种由聚合物改性乳化沥青、集料、填料、水和 外加剂按合理配比拌和并摊铺到原路面上，达到迅速开放交通要求的薄层罩面； 它是一种应用于高速公路、城市干线、机场道路等高级路面预防性养护的专用技 术。微表处技术对路面的表面功能具有明显的修复作用；对提高路面摩擦系数具 有重要的应用价值；其施工周期短，对交通影响较小；工艺成熟，造价低廉。微 表处技术在恢复一般路段的路面表面功能方面具有一定的优势【2 1 。 目前微表处技术的优点在西方发达国家反复实践中得到了证明，并大规模的 应用。时至今日，微表处已被认为是修复道路车辙及其他多种路面的病害最有效、 最经济的手段之一。世界上许多国家或组织都制定了相应的指南或标准，对微表 处原材料、设计、试验、质量控制、施工等做了全面的规定，大大促进了微表处 技术在全世界范围内的发展。 1 2 1 国外研究概况 2 0 世纪6 0 年代末到7 0 年代初，德国首先展开对聚合物改性乳化沥青稀浆封 层的研究，科学家们从常规的乳化沥青稀浆混合料配方着手，加入特殊的高分子 聚合物和添加剂，制成聚合物改性乳化沥青稀浆封层混合料，摊铺厚度较大的封 层用以修复路面上的车辙，而不破坏昂贵的道路标线。这种封层的固化时间加快， 与原路面粘附的十分牢固，聚合物改性乳化沥青稀浆封层技术也就从此问世。美 国、澳大利亚于2 0 世纪8 0 年代开始采用这项技术【3 4 1 。 美国学者研究了柔性微表处技术，在微表处混合料中添加了5 聚乙烯纤维和 5 橡胶，以保证混合料的柔性，从而可以起到防止反射裂缝的目的，并铺筑了相 关试验路，实践证明效果较好【5 】。 彩色微表处技术也在欧美国家广泛使用，其在摊铺技术和所用设备方面与普 通微表处没有区别。 西班牙的f e m a n d e rd e lc a m p o 和法国的v i v i e r 研究认为采用间断级配的微表 处混合料可以获得很好的排水功能和抗滑能力；加入有机纤维( 集料的0 1 0 2 ) 来提高混合料的性斛6 j ；a n d r e wb i c k f o r d 研究了水泥类型对混合料的影响， 认为水泥类型会影响到混合料的拌和时间及性能，不能选择添加引气剂的水泥和 早强水泥。 g l y n nh o l l e r a n 等认为，原有的微表处技术规范存在如下缺点：试验方法与技 4 第一章绪论 巧无创新，不能反映微表处自身的特点：沥青和集料的试验检测项目有限，不 能完全模拟路面情况：设计中未考虑交通荷载的影响。而新方法的开发应注重 以下几个方面：材料的选择；创建混合料比例的推荐范围；短期的摊铺性 质；最佳集料质；长期性能；现场试验【7 一。 欧洲还发明了纤维改性微表处，所使用的集料一般为间断级配，添加的纤维 有助于阻止离析，一般采用丙烯酸纤维和矿物纤维，纤维改性微表处的施工工艺 与传统的微表处相同。 美国b a s f 化学公司开发和运用的生态效应分析清楚的表明：与热拌沥青混 合料摊铺技术相比，微表处对环境的影响比较小，在运输摊铺过程中有害物质排 放较少，生态效应更好。 d u a n ec a m p b e l l 等人通过细致的研究，得出如下结论：微表处使用阳离子聚 合物改性沥青做结合料，其对环境的污染主要来源于含胺的化合物以及酸性物质 的挥发。而这些有害物质对人体的伤害远远低于我们能承受的最低水平，与传统 的施工方法相比，微表处对环境和人体造成的伤害要小的多【9 】。 1 2 2 国内研究概况 微表处养护技术于2 0 0 0 年进入我国，在山西太旧高速公路、四川内宜高速公 路等得到初步应用。随后，该技术逐步在全国2 0 多个省份的高速公路养护工程中 得到推广，取得了很好的使用效果。例如，江苏省的宁沪高速公路、京沪高速公 路等都在养护工程中大量使用微表处罩面，对延缓路面病害的发生发展，延长路 面使用寿命起到了积极作用。 安徽省大量使用微表处进行高速公路沥青路面车辙修复，有效地恢复了路面 平整度，显著改善了行车安全。 福建省高速公路大量使用微表处罩面，对预防和延缓沥青路面水损害的发生、 发展起到了积极作用。 浙江省在高速公路隧道道面中使用微表处技术，有效减少了交通事故的发生， 微表处路面的使用情况良好”1 6 1 。 福建南平公路局选择以废旧轮胎磨细橡胶粉作为改性剂，用于稀浆封层，通 过调整配合比，使稀浆的和易性和粘结性得到改善，同时在抗滑和耐磨方面优于 普通稀浆封层。 吕镇锋、李涛等的研究表明，掺加纤维和橡胶粉的微表处的耐磨性能得到了 提高，同时，可以降低噪声4 , - - , s d b ( a ) 1 7 j 。 废旧橡胶粉干法改性微表处的研究结果表明：废旧橡胶粉的加入提高了微表 处混合料的黏附性、抗水损害、耐磨性、抗变形及抗低温开裂等各项性能；同时， 第一章绪论 5 我国有人也研究了用于隧道路面的新型微表处路面结构【墙之o l 。 我国还研究开发了复式微表处技术，它是细级配底层和粗粒径间断级配表层 的叠合，具有良好的密实防水性和抗滑性，还具有应力吸收作用，可作为高速公 路路面和桥面处治的一个重要措施。 河南省高等级公路养护工程研究中心通过合理调整集料的级配曲线，在传统 微表处集料级配曲线的范围内结合原路面状况，通过合理调整关键筛孔通过率使 集料的颗粒组成更加连续、均匀，从而研发出了低噪声微表处技术。 2 0 0 4 年交通部颁布的公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 一2 0 0 4 ) 中对 微表的定义、原材料的技术要求、设计方法、技术指标和要求、施工过程等作了 规定，对表处在我国的推广应用及其发展提供了规范与指南1 2 1 1 。 2 0 0 6 年为了促进微表处和稀浆混合料在公路建设和养护中应用，交通部颁了 布微表处和稀浆封层技术指南对微表处在我国的推广应用及其发展提供了规 范与指南1 2 2 j 。 长安大学对改性乳化沥青和微表处路用性能作了详尽的分析研究。研究表明 乳化剂种类和剂量、改性剂种类和剂量、皂液的p h 值、稳定剂的剂量对改性乳化 沥青性能有很大的影响；集料级配、油石比、集料性质、改性剂、水泥用量等对 微表处混合料的路用性能有很大的影响。 表1 1 列出了国外一些国家微表处年使用情况。 表1 1 各国微表处年使用情况 t a b 1 1s t a t e so nu s eo fm i c r o - s u r f a c i n gf o ra y e a r 国家年用量( t ym 2 ) 美国4 5 0 0 加拿大2 0 0 南非 4 3 4 英国 2 7 5 德国 2 0 0 0 法国7 0 0 西班牙1 0 0 0 意大利1 0 0 澳大利亚 1 5 0 微表处除了可以用于路面的预防性养护外，还可以用于新建道路的表面磨耗 层、桥面防水层、隧道内混凝土路面的罩面以及半刚性基层与沥青层的联接层等。 6 第一章绪论 但是，微表处对于路面出现的结构性破坏( 如沉陷、坑槽等) 是无能为力的， 由于其厚度只有5 - 一l o m m ，在整个路面结构体系中，只能作为表面保护层和磨耗 层使用，而不起承重性的结构作用，不具备结构抗应变能力和结构补强能力，因 此要求原路面稳定，无结构性破坏，这也是微表处的局限性所在。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本文以降低隧道内行车噪声为主要出发点，对隧道内噪声产生原因及特点进 行了研究，最终提出在普通微表处混合料中添加橡胶颗粒的方法来改善微表处混 合料的物理力学性能，通过轮胎振动衰减试验及路面室内往复轮载试验来评价橡 胶颗粒微表处的降噪效果，并对橡胶颗粒微表处的路用性能进行了研究，本文的 主要研究内容如下： 隧道内噪声特性研究 结合国内外对交通噪声产生机理及交通噪声的危害，对隧道内交通噪声产生 的原因及其自身特点进行初步研究，为后续试验工作提供基础资料。 橡胶颗粒微表处配合比设计 针对隧道内交通噪声较大问题，同时隧道路面在行车及自然因素作用下其表 面功能下降的现状，提出隧道路面采用微表处预防性养护的方法，但微表处的应 用经验表明其行车噪声比较大，因此提出在普通微表处混合料中添加橡胶颗粒的 方法来改善微表处的物理力学性能，通过大量室内试验最终得出橡胶颗粒微表处 的配合比。 橡胶颗粒微表处降噪效果评价 通过轮胎振动衰减试验及室内往复轮载试验来模拟轮胎在路面上行驶时的振 动情况，以这两种方法来间接评价橡胶颗粒微表处的减振降噪效果。 橡胶颗粒微表处的路用性能研究 通过大量室内试验对橡胶颗粒微表处的路用性能进行了研究。主要研究了橡 胶颗粒微表处的耐磨耗性能、抗轮辙变形性能以及水稳定性，同时，对橡胶颗粒 微表处构造深度及摩擦系数进行了初步研究。 1 3 2 本文技术路线 本论文技术路线如图1 2 所示。 第一章绪论 7 图1 2 本文研究思路结构图 f i g 1 2m e n t a l i t ys t r u c t u r ed r a w i n go f t h ep a p e r 8 第二章隧道内噪声特性研究 第二章隧道内噪声特性研究 2 1 交通噪声的产生 通常将汽车噪声分成发动机噪声、排气噪声、进气噪声、风扇噪声、车 动噪声和轮胎噪声等。当车速大于5 0 k m h 时，轮胎噪声就成为轿车和轻型车 要噪声源。轮胎噪声是由两个部分组成的：一部分是轮胎直接辐射出来的直 声或称为车外噪声；另一部分是轮胎与车体耦合产生的间接噪声。轮胎直接 接成为激振源，振动通过悬架和车架传至车身，形成车厢内的噪声。对于大 型载货车的轮胎，直接噪声占据汽车噪声的比例很大。对轮胎噪声来说，一 的是直接噪声。 胎面花纹噪声 为了保证汽车的防滑性、牵引性和操纵稳定性，要求汽车轮胎表面必须 种不同形状的花纹沟槽。由于轮胎的转动，在接地时胎面花纹沟部的容积缩 沟内包含的空气被挤出；而当胎面离地时沟部的容积恢复，空气又被吸入沟 在接地过程中，由于花纹块受到地面摩擦力和垂直动态荷载的影响，使沟槽 积发生变化，表现为沟槽内的气体被挤出和吸入，从而形成气流噪声，这种 槽内空气流入与流出所产生的噪声就成为泵浦噪声，也被称为空气泵噪声。由于 轮胎花纹的种类较多，所以轮胎花纹噪声的大小和频率特性的差异较大。试验研 究表明，胎面花纹噪声的频率大约在8 0 0 5 0 0 0 h z 这个比较宽的范围内变化。 法国专家研究认为，轮胎花纹与路表的相互作用便产生了噪声，其主要机理 有两个，即振动辐射和挤压排气。轮胎的振动主要取决于一个外部参数( 即路面 的粗糙度) 和一个轮胎的自身参数( 即花纹的非连续性) 。事实上，当轮胎作用于 地面时，轮胎花纹的非连续性使得其硬度质量和变形刚度重新分配，从而产生了 局部振动；挤压排气的机理在于轮胎与路面接触时，花纹的体积由于挤压变形而 发生变化，为了描述这个影响，仅考虑挤压排气部分。 一般来说，声音传播常常是排气量对时间的变化量的函数，就轮胎的一个花 纹的排气而言，这个变化量正好等于花纹排气体积的二阶时间导数。其基本假定 是：1 ) 噪声源被认为是单级的，并处于轮胎触地区域的附近；2 ) 路面时反射声音的， 在路表的声音反射通过方向效应产生声效应放大，进而在轮胎表面通过声反射将 产生另一个附加的声效应放大( 通常被称为“二面角效应”) ，这个二面角正是路面 与轮胎触地点的前后切面所形成的空间。 法国专家的研究表明，由车辆轮胎所产生的噪声频谱组成取决于：1 ) 轮胎花纹； 第二章隧道内噪声特性研究 9 2 ) “二面角”的放大效应；3 ) 花纹的分布情况；4 ) 车辆的行驶速度。同时他们还定性 的研究了一个花纹的排气量及其具有衰减性正弦变化规律的声压随时间变动的大 致趋势。 上海轮胎橡胶股份有限公司对同型号光面轮胎与有花纹轮胎噪声进行了测 试。试验条件为：p 2 1 5 7 0 r 1 5 轮胎，胎压2 5 0 k p a ，速度8 0 1 k m h ，负荷7 0 0 k g 。测 试结果为：光面轮胎噪声为6 5 8 d b ( a ) ，响度为3 7 1 宋。由此可见，轮胎花纹使轮 胎噪声增加了9 9 d b ( a ) ，响度增加1 4 2 宋。对于光面轮胎，随机“沙”声是它们 的“花纹”噪声；对于有花纹的轮胎，沟槽内空气被挤压和膨胀而产生的泵浦噪声、 沟槽内的气柱共鸣噪声、花纹块撞击地面的撞击噪声会相互叠加，所以轮胎花纹 使轮胎噪声明显增加。 道路凹凸噪声 轮胎在道路上滚动时，由于路面小的凹凸内的空气被压缩，因而产生排气噪 声。一般来说，在沥青混凝土和水泥混凝土铺装的路上，由于道路表面的凹凸小， 由此产生的噪声很小。通过改变路面结构( 如采用低噪声沥青混凝土路面) 可以 减小轮胎噪声。 。 弹性振动噪声 轮胎的弹性振动噪声包括胎面和胎侧的振动噪声，以及胎面撞击路面发生的振动 “ 噪声和胎面相对于路面滑动锁发生的强制振动噪声等。此外，由于道路表面的凹 凸不规则和轮胎的均匀性不良等也会引起胎面和胎侧弹性振动噪声。 自激振动噪声 当汽车急速启动、紧急制动和急转弯时轮胎胎面元素相对于道路表面发生局部的 自激振动，由此产生刺耳的响声称为尖叫噪声。 空气乱流噪声 由于轮胎滚动，在轮胎周围产生空气乱流，引起音压变化，由此诱发噪声。如果 观察整个轮胎在行进过程中断开空气流的情况，就可发现，在轮胎前进方向空气 被分开，而在后方空气被吸入。日本学者曾在噪声实验室对有代表性的横沟花纹 及纵沟花纹轮胎，在不接地情况下高速转动时测定其噪声水平。测试结果表明： 有花纹的轮胎，空气乱流噪声与没有花纹的光面轮胎相比，噪声只在1 0 d b 上下的 水平上。因此可以说乱流噪声对整个轮胎的噪声几乎没有什么影响。 2 2 交通噪声的危害 随着公路交通事业的快速发展，交通噪声污染问题日渐严重，已严重干扰到 周边民众的正常生活和工作，并已成为对环境造成危害的四大污染源头之一。尤 1 0 第二章隧道内噪声特性研究 其是在大力提倡环保建设的今天，公路交通噪声污染逐渐成为沿线居民最为 的环境污染问题。 据初步统计，我国约有3 4 0 0 万人遭受交通噪声污染的影响。1 9 7 9 年至 年的十年间，我国城市环境噪声增加了约1 0 d b 。9 0 年代以后城市噪声增长的幅度 更大，而城市噪声的最大来源是交通噪声，约占4 5 5 0 。 2 0 0 3 年国家环保总局对我国主要城市道路的交通噪声进行了检测，检测结果 显示，所有检测道路的交通噪声均值均在国家标准昼夜7 0 d b ( a ) 上下，其中大部分 城市道路交通噪声超标路段达3 0 以上，这表明，城市交通噪声已十分严重，到 了非治理不可的地步。 交通噪声污染具有干扰持续、危害性大的特点，伴随公路通车里程、车流量、 车辆通行速度的增加，公路交通噪声对沿线居民正常生活、工作、学习、休息环 境的干扰程度和范围也在加剧和扩大，在特定条件下甚至成为社会不稳定的因素 之一。有证据表明噪声对语言交流、学校教学、休息睡眠，甚至人们的脾气性格 都有不利的影响，同时对心脑血管疾病有负面影响，更有甚者可造成听力损伤。 图2 1 交通噪声令人无法忍受 f i g 2 1t r a f f i cn o i s em a k ep e o p l ei n t o l e r a b l e 噪声对人们正常生活产生以下危害： 交流障碍 一般而言，环境噪声在a 声级4 5 d b 以下，语言交流1 0 0 可以听清楚，但超 过a 声级5 5 d b ( 女性平均水平) ，声调就不得不提高。在该环境背景下人们的注 意力不容易集中，语言清晰度会下降。所以，在老人、听力受损者或儿童( 尤其 是对噪声损伤敏感者) 使用的教室和会议室中，环境背景噪声应该比讲话者的语 音低a 声级1 0 d b 。 干扰睡眠 噪声可导致睡眠障碍，减少深度睡眠时间，延长觉醒时间，造成诸如劳累和 第二章隧道内噪声特性研究 疲乏等不利影响，如果保持室内连续性噪声低于a 声级3 0 d b 或最大噪声低于a 声级4 5 d b ，即可避免上述不利影响。 行为困难 儿童长期暴露于车辆产生的噪声中，易表现为获得性阅读损伤、注意力减弱、 解决问题的能力下降。噪声可干扰注意力、记忆力和处理复杂问题能力等脑力活 动，并会使血压和激素应激水平提高。 烦躁不安 人的烦躁反应会随着声级的升高而明显增强，大多数人在5 0 d b 时即出现轻微 的烦躁情绪，当声级达到5 5 d b 时，烦躁情绪更加严重。仅有l 3 的情绪变化由声 级水平引起，另有其他因素影响人类对噪声的反应。 助长攻击性行为 高声的噪声可助长个人的攻击性行为，而且声级超过8 0 d b 时会减少互助行为 ( 人类自发有效地去帮助别人) 。 心脏疾病与高血压 越来越多的证据表明，6 5 - - 7 5 d b 范围的噪声对心脏疾病和高血压病有影响。 这种影响虽然轻微，但是因很多人暴露于此，所以有着重要的公共卫生学意义。 听力损伤 对一般人群，尽管暴露在低于7 0 d b 的噪声中超过2 4 h 其危险性可以忽略，但 高强度噪声确能引起听力损伤。 另外，交通噪声还会影响公路沿线的经济发展。例如，交通噪声影响严重的 房地产、工厂、商厦等的经济效益和生产效益都有不同程度的下降，噪声还直接 影响到公路周围的土地价值。有资料表明：交通噪声每升高l d b ，土地的价格就会 下降0 0 8 - - - 1 2 6 ，平均0 9 左右。反过来说，将交通噪声水平降低l d b ，则相 当于沿线土地增值0 9 ，对土地批租来说，这是一个可观的数值【2 3 】。 2 3 隧道内交通噪声特点 隧道作为高等级公路的重要组成部分，其交通