CN110683791A - 一种超静音路面铺筑材料及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超静音路面铺筑材料及应用，该超静音路面铺筑材料包括集料、橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为5.0‑6.0％，橡胶的质量百分比为4‑12％，余量为集料；其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：3～6的质量比反应合成；本发明的路面铺筑材料采用立方体状的橡胶颗粒与集料接触能够形成连通孔隙，起到良好的吸声降噪作用，而且易形成石‑橡‑石骨架结构，能够与集料更好的接触，保证混合料的稳定性和耐久性。

Description

一种超静音路面铺筑材料及应用
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种超静音路面铺筑材料及应用。
背景技术
21世纪以来，世界卫生组织对城市道路交通噪声污染情况开展多次大规模的调查，结果表明：道路交通噪声污染已经成为全球都在面临的城市问题之一。近年来，随着我国城市人口骤增，生活水平不断提高，小汽车的保有量逐年增加，车流量和车流密度呈现大幅上升，促使城市的道路交通噪声污染越来越严重，并仍有加剧的趋势。而道路交通噪声具有高强度、大范围等显著特点，严重滋扰人们的工作、生活以及身心健康，为了创造良好的城市生活环境，提高人们居住的幸福感，合理解决城市道路交通噪声污染，践行生态文明理念，采取科学的解决措施，控制城市道路交通噪声污染日益迫切。
当前，缓解城市道路交通噪声的主要方法有：噪声源控制、城市绿化带、声屏障和静音路面等。由于成本限制和对城市美观的考虑，选择修建合适的静音路面，有效地降低轮胎/路面噪声，是改善城市道路交通噪声的不错选择。
现有技术中，王涛在《低噪声沥青路面降噪原理及影响因素分析》一文中阐述了低噪声沥青路面降噪影响因素：(1)路表面纹理；(2)沥青混合料的空隙率，有研究表明，当低噪声沥青路面的空隙率在15％～25％(20％左右)，噪声降低最明显；(3)劲度，劲度是表征沥青混合料应力应变关系的物理量。由于沥青类材料的粘弹性，随着加载频率、温度、混合料类型等的变化，沥青混合料劲度变化范围非常大。日本曾经采用橡胶颗粒替代多孔沥青混合料的集料，以增加路面弹性，即减小劲度。结果显示这种混合料相比传统材料制备的多孔沥青混合料，可降低噪声4～5dB(A)。因此高弹性低劲度的材料被认为可以更好地降低噪声水平。但该研究中，橡胶颗粒混合料粒径范围在1～10mm，且空隙率范围达到了35％-40％；而传统的多孔沥青混合料最大集料粒径9～13mm，空隙率约20％。由于空隙率与集料粒径这些因素对于噪声水平也有较大影响，且在实验中并没有得到很好的控制，因此单独劲度对降噪的作用规律依然是认识盲区；(4)温度，路面和空气温度也会影响噪声水平。以往研究表明，路面温度的增加可以减小噪声等级。这种特性主要归功于高温下轮胎与路面劲度降低，导致接触应力减小。对于空隙率大的沥青路面，温度的作用相对更小；(5)集料粒径，颗粒的粒径大，空隙的孔径大，且混合料易生成表面与内部、内部相互之间连通的空隙；粒径小，空隙的孔径小，如果细集料较多，会堵塞空隙，吸声性能降低；(6)路面厚度，理论分析表明，刚性背吸声材料的垂直入射吸声系数随着厚度的增加而增大。当厚度增加到4cm左右时，材料的声学特性已趋稳定，空隙率的作用成为主导。王大华等将同一级配沥青混合料制成3～9cm不同厚度的5块试件，测定其吸声系数。测量数据表明，随着试样厚度的增加，吸声系数峰值所对应的频率逐渐向低频移动，其规律与一般矿棉、玻璃纤维等多孔材料的特性相仿。汽车行驶时轮胎与路面相互作用产生的噪声，其峰值频率，小客车约为800～1200Hz，载货车约为600～800Hz。所以从降低高速公路或城市干道上的交通噪声角度考虑，认为低噪声沥青路面的厚度选取4cm左右较为适宜。
目前国内外静音路面常采用多孔沥青路面，但它在实际应用中存在着降低噪音效果不显著，且对石料要求较高等缺点。公开号为CN105714638A的专利申请提出一种橡胶轮胎颗粒降噪路面，橡胶轮胎颗粒降噪路面由稳定碎石基层、WRAC-N湿拌橡胶沥青混凝土下面层、DRAC-n干拌橡胶沥青混凝土上面层、下面层、上面层之间增加橡胶沥青防水粘结层、上面层增加橡胶沥青应力吸收层五部分组成。RAC-N配比参照SHC F40-01-2002SMA-N配比，调整设置4.75mm筛孔筛选率为27％，其他档相应微调。粗集骨料(≥4.75mm)采用辉绿岩；沥青为改性高聚物沥青；细集料与矿粉成分为石灰岩，细集料(含橡胶颗粒)级配2.36-4.75mm档。粗集主骨架空隙率与细集料、矿粉、沥青混合物、橡胶颗粒实现无缝协同。该发明可用于城际交通路面，橡胶轮胎颗粒降噪路面降噪效果优于SMA路面，同时也实现了废轮胎环保再生利用。但是实验发现，其力学性能较差，特别是在高温或者极寒条件下稳定性较低，在交通量较大的路段容易出现车辙、拥包等病害，影响行车安全。
综上，研究新型超静音路面降噪技术或探索可代替的降噪路面材料极其重要，对解决我国城市化过程中噪音污染问题，提高人民生活质量，具有极具潜力的社会价值和商业价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，公开了一种超静音路面铺筑材料，可以使得路面具有极优的降噪性能，同时具有较好的高温稳定性、抗滑性能以及水稳定性能。
同时，本发明提供了上述超静音路面铺筑材料在交通量较大、易出现车辙拥包等病害的交叉口进口道或公交站台路段作为路面材料的应用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种超静音路面铺筑材料，其包括集料、橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为5.0-6.0％，橡胶的质量百分比为4-12％，余量为集料；
其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：3～6的质量比反应合成；
进一步优选，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂用量为5.5％，橡胶体积用量为10％，余量为集料。
进一步限定，所述聚氨酯粘结剂预聚体的密度为1.2±0.05g/cm3，粘度为100CPS，固体含量100％，固体剥离强度≥10MPa，固体剪切强度>50N/cm2。
进一步限定，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：4的质量比反应合成。
进一步限定，所述集料为砂石集料，分为粗集料和细集料；其中粗集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤0.5％，磨光值≥42且针片状含量≤10％；细集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤2％。
进一步限定，所述砂石集料为石灰岩集料，粒径≤13.2mm。
进一步限定，所述橡胶选用粒径为1.18±0.3mm的立方体状颗粒。
上述超静音路面铺筑材料在交通量较大、易出现车辙或拥包等病害的交叉口进口道或公交站台路段作为路面材料的应用。当超静音路面铺筑材料用于铺筑路面时，路面厚度为55-70mm。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
(1)本发明通过探究路面噪声的产生机理，进而探索一种新型超静音路面铺筑材料，解决了道路交通噪声，将其运用在人口密度高、车流量大的城市道路中，当轮胎与路面相互作用时，由于路面特有的大空隙、高弹性、大阻尼等特性，不仅能够降低空气泵吸效应，还可以起到减振降噪作用，从而改善城市道路交通噪声，缓解城市道路交通噪声污染对居民日常生活和国民经济的影响，有很大的实用价值。
(2)本发明的路面铺筑材料采用立方体状的橡胶颗粒与集料接触能够形成连通孔隙，起到良好的吸声降噪作用，而且易形成石-橡-石骨架结构，能够与集料更好的接触，保证混合料的稳定性和耐久性，本发明制备的超静音路面降噪值为37.8dB(A)，满足超静音路面的评价指标值，因此该路面具有极优的降噪性能。
(3)本发明的超静音路面铺筑材料不仅降噪效果好，而且具有良好的高温稳定性、抗滑性能、水稳定性能，特别适用于交通量较大、易出现车辙、拥包等病害的交叉口进口道、公交站台等路段，本发明的超静音路面铺筑材料可以抵抗车辆反复压缩变形及侧向流动，减少路面病害，提高行车安全。
说明书附图
图1为不同橡胶颗粒用量的超静音路面吸声特性对比曲线；
图2为不同粒径作用的超静音路面吸声特性对比曲线。
图3为不同路面厚度的超静音路面吸声特性对比曲线。
图4为不同路面类型的吸声特性对比曲线。
具体实施方式
以下是本发明内容的具体实施例，用于阐述本申请文件中所要解决技术问题的技术方案，有助于本领域技术人员理解本发明内容，但本发明技术方案的实现并不限于这些实施例。
本发明的超静音路面铺筑材料由集料、废旧橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂常温条件下拌合而成，其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为5.5％，废旧橡胶的质量百分比为10％，余量为集料。
所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂(A组分)和聚氨酯粘结剂预聚体(B组分)按照1：4的质量比反应合成。
其中，相关指标信息见表1。
表1双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的原料技术指标
Figure BDA0002205941970000051
由于粘结剂为双组分无溶剂型聚氨酯，相比普通沥青混合料的集料要求而言，超静音路面对集料有着更为严苛的要求，需要洁净度高、表面粗糙及针片状含量少的砂石集料，故本发明采用陕西泾阳集料厂生产的石灰岩集料，公称最大粒径为13.2毫米，对石灰岩各项基本性能指标进行测试，试验所得的各项指标均满足我国《公路沥青路面施工技术规范》要求，测试结果如下表2、3所示。
表2粗集料技术指标
表3细集料技术指标
Figure BDA0002205941970000061
本发明选用的橡胶是经机械作用破碎后的废旧橡胶，主要为立方体状，易形成石-橡-石骨架结构，能够与集料更好的接触，保证混合料的稳定性和耐久性，另外，立方体状的橡胶颗粒与集料接触较细长扁平状橡胶能够形成连通孔隙，起到良好的吸声降噪作用，其相关技术指标如下表4。
表4橡胶颗粒技术指标
Figure BDA0002205941970000062
实施例1
一种超静音路面铺筑材料，其由集料、废旧橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂常温条件下拌合而成，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为5.5％，废旧橡胶的质量百分比为10％，余量为集料。
其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：4的质量比反应合成；其中聚氨酯粘结剂预聚体的密度为1.2±0.05g/cm3，粘度为100CPS，固体含量100％，固体剥离强度≥10MPa，固体剪切强度>50N/cm2。
进一步限定，所用集料为石灰岩集料，分为粗集料和细集料；其中粗集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤0.5％，磨光值≥42且针片状含量≤10％；细集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤2％。
进一步限定，所述橡胶选用粒径为1.18±0.3mm的立方体状颗粒。
上述超静音路面铺筑材料在交通量较大、易出现车辙拥包等病害的交叉口进口道或公交站台路段作为路面材料的应用，其铺筑厚度为60mm。
实施例2
一种超静音路面铺筑材料，其由集料、废旧橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂常温条件下拌合而成，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为5％，废旧橡胶的质量百分比为12％，余量为集料。
其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：3的质量比反应合成；其中聚氨酯粘结剂预聚体的密度为1.2±0.05g/cm3，粘度为100CPS，固体含量100％，固体剥离强度≥10MPa，固体剪切强度>50N/cm2。
进一步限定，所用集料为石灰岩集料，分为粗集料和细集料；其中粗集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤0.5％，磨光值≥42且针片状含量≤10％；细集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤2％。
进一步限定，所述橡胶选用粒径为1.18±0.3mm的立方体状颗粒。
上述超静音路面铺筑材料在交通量较大、易出现车辙拥包等病害的交叉口进口道或公交站台路段作为路面材料的应用，其铺筑厚度为70mm。
实施例3
一种超静音路面铺筑材料，其由集料、废旧橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂常温条件下拌合而成，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为6％，废旧橡胶的质量百分比为4％，余量为集料；
其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：6的质量比反应合成；其中聚氨酯粘结剂预聚体的密度为1.2±0.05g/cm3，粘度为100CPS，固体含量100％，固体剥离强度≥10MPa，固体剪切强度>50N/cm2。
进一步限定，所用集料为石灰岩集料，分为粗集料和细集料；其中粗集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤0.5％，磨光值≥40且针片状含量≤5％；细集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤2％。
进一步限定，所述橡胶选用粒径为1.18±0.3mm的立方体状颗粒。
上述超静音路面铺筑材料在交通量较大、易出现车辙拥包等病害的交叉口进口道或公交站台路段作为路面材料的应用，其铺筑厚度为55mm。
实施例4
一种超静音路面铺筑材料，其由集料、废旧橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂常温条件下拌合而成，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为6％，废旧橡胶的质量百分比为10％，余量为集料；其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：5的质量比反应合成。
实施例5
一种超静音路面铺筑材料，其由集料、废旧橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂常温条件下拌合而成，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为6％，废旧橡胶的质量百分比为10％，余量为集料；其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：5的质量比反应合成。
实施例6
一种超静音路面铺筑材料，其由集料、废旧橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂常温条件下拌合而成，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为5.5％，废旧橡胶的质量百分比为5％，余量为集料；
其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：4的质量比反应合成。
通过试验验证，本发明的双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂、废旧橡胶和集料组合设计出的超静音路面能够发挥出材料各自的优势，有效减弱轮胎振动和路面振动产生的噪声，并使废旧轮胎橡胶资源得以利用，减少环境污染。
1、为了探究超静音路面在不同橡胶颗粒用量下的吸声特性，本发明采用标准静压试模制备五种不同橡胶用量(0％、2.5％、5％、7.5％、10％)、聚氨酯胶黏剂用量均为5.5％、粒径作用为1.18mm及厚度为50mm的圆柱体试件，每种试件成型四组平行试件，同组试件进行一同配制、拌和、成型、静压，并对聚氨酯混合料的吸声性能测试。采用传递函数法测试不同频率下不同橡胶用量的超静音路面的吸声系数，结果如附图1所示。
由图1可知，当橡胶颗粒取代砂石骨料的量为10％时，较低替代橡胶颗粒的混合料a的峰值更趋近于高频区域，即频率为800-1200Hz下的吸声性能最优。由于轮胎/路面噪声的主要分布的频率区间为250-1250Hz，而人耳感受敏感的频率区间主要为800-1200Hz。基于人们的感受可知，橡胶颗粒的替代量为10％，在该频率下的超静音路面的吸声效果最佳，噪声对人们的影响有效降低。
2、为了探究橡胶粒径作用对超静音路面吸声特性的影响，制备三种橡胶粒径，分别为1.18mm、2.36mm及4.75mm的聚氨酯混合料。其中，聚氨酯胶黏剂的用量为5.5％、橡胶颗粒的用量为10％、试件厚度为50mm，每组成型四个圆柱体试件。分析其不同橡胶颗粒粒径作用对吸声性能的影响，试验结果见附图2，随着橡胶颗粒替代砂石集料的粒径逐步减小，a值随之变大，结合超静音路面的路用性能，最终选择的橡胶颗粒粒径为1.18mm。
3、为探究路面厚度对超静音路面降噪性能的影响，选取试件厚度为40mm、50mm及60mm的聚氨酯混合料，根据吸声系数测试结果，最终制备聚氨酯胶黏剂的用量为5.5％、橡胶用量为10％、粒径作用为1.18mm的不同厚度的试件。铺设厚度对超静音路面的吸声性能的影响，测试结果如附图3所示，由于轮胎/路面噪声的主频率在250Hz-1000Hz之间，因此对该频率厚度下的超静音路面平均吸声系数进行计算，并找到峰值对应的频带进行吸声特性研究，具体如表6。通过计算主要频率下的平均吸声系数可知，60mm厚度下的超静音路面的平均吸声系数为0.52，较厚度为40mm、50mm的聚氨酯混合料的a值分别提高了37％和27％。因此，建议超静音路面的摊铺厚度选择60mm。
4、为了探究超静音路面在吸声降噪功能上的优势，通过传递函数法测试厚度均为60mm的不同路面类型的吸声系数。制备橡胶用量为10％、粒径为1.18mm的超静音路面与普通的AC-13、OGFC-13路面进行吸声性能测试。探究超静音路面较普通沥青路面在降噪功能上的优势，本发明使用传递函数法测试厚度均为60mm的不同路面类型的试件吸声系数a值，不同路面类型下各频率的吸声特性测试结果如附图4所示。可以观察到，超静音路面的吸声特性曲线明显高于AC-13和OGFC-13路面；另外，不同的材料在不同的频率上a值是存在差异，如图可知，沥青混合料的a最大值所分布的频率范围为400Hz-800Hz，而聚氨酯混合料的频率范围是800-1000Hz。由于人耳感受敏感的频率范围是800-1200Hz，所以超静音路面较其他路面可以有效的吸收该频率范围的噪声，降低噪声对人们的影响。
5、通过上面AC-13路面、OGFC-13路面及本发明的超静音路面的吸声系数a值，同时结合西安市的道路交通噪声监测平均值72dB(A)，对不同的路面进行吸声系数a值的换算，得到理论降噪值，换算结果见表5所示。
表5不同路面类型的吸声系数及理论降噪值
Figure BDA0002205941970000101
由表5可知，超静音路面的吸声系数a值无论其最大值、最小值及平均值均优于普通的沥青混合料；另外，超静音路面通过公式换算得到的理论降噪值为37.8dB(A)，降噪效果较AC路面、OGFC路面提高了61％和20％。较普通沥青混合料(AC-13和OGFC-13)呈现出更有效的吸声降噪性能。
6、本发明的超静音路面铺筑材料按照实施例1的配比在常温条件下拌合，按照常规铺筑方法铺筑形成厚度为60mm的超静音路面，再按照常规的路面力学性能检测方法对该超静音路面的力学性能进行检测，具体结果如下：
表6超静音路面级配组成
表7超静音路面的性能参数
Figure BDA0002205941970000112
通过上述表7结果可知，本发明的超静音路面铺筑材料铺筑的超静音路面的高温稳定性、抗滑性能、水稳定性都满足《公路沥青路面设计规范》要求，特别是高温性能十分突出。
表8超静音路面铺筑材料老化前后冻融劈裂抗拉强度比及马歇尔稳定度试验结果
Figure BDA0002205941970000113
通过表8可知，采用冻融劈裂试验试件进行老化特性研究，老化后的聚氨酯混合料的冻融劈裂抗拉强度比较未老化的有所降低，冻融劈裂抗拉强度比降低1.9％，下降幅度较小。
表9超静音路面及沥青路面的轮胎振动衰减系数
实验表明，ξ值较高，减振降噪性能较优，通过表9的数据对比可知，超静音路面的振动衰减系数ξ值明显高于普通沥青路面，除了添加橡胶颗粒后，路面具有一定的阻尼特性之外，还因为聚氨酯粘结剂较沥青具有良好的弹性，所制备的试件刚度小，故其降低振动噪声较优。
通过上述各项力学性能指标验证可知，本发明的超静音路面铺筑材料在路面使用时不仅吸声降噪效果好，而且力学性能也较好，能够满足规范要求，特别是其高温稳定性优异，可以在交通量较大的交叉口进口道、公交站台等易出现车辙、拥包等病害，抵抗车辆反复压缩变形及侧向流动，减少路面病害，提高行车安全。

Claims (9)

1.一种超静音路面铺筑材料，其特征在于，包括集料、橡胶以及双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂的质量百分比为5.0-6.0％，橡胶的质量百分比为4-12％，余量为集料；
其中双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：3～6的质量比反应合成。
2.根据权利要求1所述超静音路面铺筑材料，其特征在于，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂用量为5.5％，橡胶体积用量为10％，余量为集料。
3.根据权利要求2所述超静音路面铺筑材料，其特征在于，所述聚氨酯粘结剂预聚体的密度为1.2±0.05g/cm3，粘度为100CPS，固体含量100％，固体剥离强度≥10MPa，固体剪切强度>50N/cm2。
4.根据权利要求3所述超静音路面铺筑材料，其特征在于，所述双组分无溶剂型聚氨酯粘结剂是由环氧树脂和聚氨酯粘结剂预聚体按照1：4的质量比反应合成。
5.根据权利要求1～4任一项所述超静音路面铺筑材料，其特征在于，所述集料为砂石集料，分为粗集料和细集料；其中粗集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤0.5％，磨光值≥42且针片状含量≤10％；细集料水洗法＜0.075mm的颗粒含量≤2％。
6.根据权利要求5所述超静音路面铺筑材料，其特征在于，所述砂石集料为石灰岩集料，粒径≤13.2mm。
7.根据权利要求5所述超静音路面铺筑材料，其特征在于，所述橡胶选用粒径为1.18±0.3mm的立方体状颗粒。
8.权利要求1所述超静音路面铺筑材料在交通量较大、易出现车辙或拥包等病害的交叉口进口道或公交站台路段作为路面材料的应用。
9.根据权利要求8所述超静音路面铺筑材料，其特征在于，所述超静音路面铺筑材料的铺筑路面厚度为55-70mm。
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