CN113105161A - 安全降噪的路面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了安全降噪的路面材料及其制备方法。该路面材料包括集料、矿粉和沥青组合物，路面材料的孔隙率为20％±1％。根据本发明实施例的路面材料，至少具有如下有益效果：隧道内部环境封闭，随着公路隧道长度的增加，内部车辆等各类声音在内部经壁面多次反射产生较大的噪声值，严重影响司乘人员、检修人员以及其他隧道内部作业人员的身心健康，威胁行车安全。而本申请的路面材料通过控制孔隙率，使得路面材料形成的路面结构可以在表面存在开口、内部存在适当的连通孔隙，可以有效降低隧道噪音，提高施工和运营过程中的安全性与舒适性。

Description

安全降噪的路面材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及沥青路面工程技术领域，尤其是涉及安全降噪的路面材料及其制备方法。

背景技术

目前，我国的公路建设仍处于战略机遇期，而公路隧道建设作为公路建设中的重要一环，仍将保持快速发展的态势。然而，公路隧道内部空间狭小封闭，在施工和运营期间存在多种安全隐患，对隧道建设安全生产和健康运营产生消极影响。具体而言，隧道运营期间噪声污染严重。隧道内部环境封闭，而且随着公路隧道的长度不断增加，内部的封闭程度愈深，车辆轮胎噪声、鸣笛声、通风机运作噪声等声音在隧道内部经壁面多次反射，混响声和直达声多次叠加，将产生较大的噪声值，严重影响司乘人员、检修人员以及其他隧道内部作业人员的身心健康，进而威胁行车安全。因此，如何解决隧道噪声等问题，进一步提高公路隧道运营过程中行车人员的舒适性，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种能够安全降噪的路面材料及其制备方法。

本发明的第一方面，提供路面材料，该路面材料包括集料、矿粉和沥青组合物，路面材料的孔隙率为20％±1％。

根据本发明实施例的路面材料，至少具有如下有益效果：

隧道内部环境封闭，随着公路隧道长度的增加，内部车辆等各类声音在内部经壁面多次反射产生较大的噪声值，严重影响司乘人员、检修人员以及其他隧道内部作业人员的身心健康，威胁行车安全。而本申请的路面材料通过控制孔隙率，使得路面材料形成的路面结构可以在表面存在开口、内部存在适当的连通孔隙，可以有效降低隧道噪音，提高施工和运营过程中的安全性与舒适性。

根据本发明的一些实施例，集料包括粗集料和细集料，粗集料的粒径不小于2.36mm，细集料的粒径小于2.36mm，集料中粗集料的质量比为76～84％。

根据本发明的一些实施例，基于集料的总质量，通过16mm筛孔的集料的质量比为100％，通过13.2mm筛孔的集料的质量比为90～94％，通过9.5mm筛孔的集料的质量比为66～70％，通过4.75mm筛孔的集料的质量比为34～37％，通过2.36mm筛孔的集料的质量比为18～21％，通过1.18mm筛孔的集料的质量比为11～15％，通过0.6mm筛孔的集料的质量比为8～10％，通过0.3mm筛孔的集料的质量比为6～7％，通过0.15mm筛孔的集料的质量比为5～6％，通过0.075mm筛孔的集料的质量比为3.5～4.5％。

本申请的路面材料通过上述级配方案，形成的路面结构可以在表面存在开口、内部存在连通孔隙，从而使整体孔隙率有效控制在20％±1％，高效降低隧道噪音，提高施工和运营过程中的安全性与舒适性。

根据本发明的一些实施例，集料为辉绿岩。集料的岩性对其与沥青的粘附性有重要影响，辉绿岩抗压强度高、耐磨耗、硬度高，作为集料使用可以有效提升最终形成的路面结构的力学性能。

根据本发明的一些实施例，该沥青组合物包括沥青、粘结剂和阻燃剂，粘结剂由包括热塑性橡胶、粘结性树脂和塑化剂的原料制成。采用由热塑性橡胶、粘结性树脂和塑化剂形成的粘结剂与阻燃剂配合使用加入到沥青中，在该沥青组合物的使用过程中，形成的混合料中粘结剂通过浸润作用使阻燃剂更好地在形成的立体网状结构中均匀分布，从而有效提高阻燃剂的阻燃效果。

其中，热塑性橡胶又称热塑性弹性体，是一类在常温下显示橡胶弹性、受热后具有可塑性的高分子材料，具体可以例举出包括但不限于聚烯烃、聚苯乙烯、聚酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚氯乙烯(PVC)、未增塑的聚氯乙烯(UPVC)、丙烯酸聚合物等原料形成的热塑性橡胶。粘结性树脂是指在树脂单体中加入功能性粘结单体形成的聚合物树脂，具体可以例举出包括但不限于丙烯酸酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺等。

根据本发明的一些实施例，粘结剂由包括70～85质量份的热塑性橡胶、10～20质量份的粘结性树脂和3～6质量份的塑化剂的原料制成。

根据本发明的一些实施例，沥青为改性沥青。通过对沥青进行改性，可以使其能够耐高低温变化，更加有效地适应于各类气候温度变化较大的地区；使其弹性和韧性更高，具有更强的抗车辙能力、抗疲劳和抵抗永久形变的能力；同时也可以提高路面的防滑能力等。

根据本发明的一些实施例，改性沥青为SBS I-D改性沥青。SBS因具有良好的拉伸性、耐低温性、溶解性和抗滑性而被应用于沥青改性。而SBS改性沥青根据可以分为I-A、I-B、I-C、I-D四个等级，而其中I-D等级的SBS改性沥青更适合相对高温的环境，具体等级的选择可以根据工程的实际情况和公路自然规划进行相对应的调整。

根据本发明的一些实施例，阻燃剂包括质量比为(2～4)：1的氢氧化铝和氢氧化镁。氢氧化铝的燃烧速度较慢，阻燃性好；氢氧化镁的热分解温度比氢氧化铝高，抑烟能力强，但单独使用时阻燃效果较差。当两种阻燃剂以上述质量比复配时，可以获得更好的阻燃效果同时具有一定的抑烟效果，减少烟尘污染。

根据本发明的一些实施例，沥青组合物中还包括温拌剂。一般的热拌式沥青混合料在拌和过程中混合料的拌和温度在170～180℃左右，同时，沥青混合料会释放大量浓烟并伴随有害物质，不利于施工人员安全作业。因此，通过温拌剂的添加，拌和温度可以降低30～40℃，使之更加节能，减少烟气释放量，有效解决污染问题；同时可以使沥青的流动性更强，混合料拌和更均匀，有利于混合料的产品质量。另外，拌和温度的降低还可以避免沥青因过高温度造成的老化问题，进而改善因老化造成的路面耐久性下降。

根据本发明的一些实施例，温拌剂的原料为铝硅酸钠晶体。铝硅酸钠晶体中含有一定量的结晶水，在沥青混合料的施工过程中，结晶水的蒸发沸腾可以有效提升较低温度下沥青的包覆能力，提高操作性。

根据本发明的一些实施例，铝硅酸钠晶体中结晶水的含量为20～25wt％。当结晶水的含量在20～25wt％时，沥青包覆更均匀，施工和易性更好。

根据本发明的一些实施例，沥青和温拌剂的质量比为(80～90)：(2～4)。

根据本发明的一些实施例，沥青、粘结剂和阻燃剂的质量比为(80～90)：(5～10)：(2～6)。

根据本发明的一些实施例，沥青、粘结剂、阻燃剂和温拌剂的质量比为(80～90)：(5～10)：(2～6)：(2：4)。

本发明的第二方面，提供路面材料的制备方法，该制备方法包括通过以下步骤制备得到沥青组合物：

取SBS I-D改性沥青加热至165～175℃，加入粘结剂，800～1500rpm的速度搅拌，得到第一混合物；

第一混合物于130～135℃的温度条件下放置1～3h，加热至165～175℃，800～1500rpm的速度搅拌得到第二混合物；

第二混合物中加入阻燃剂，保持温度为165～175℃，1500～2500rpm的速度搅拌，得到沥青组合物。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1是本申请的实施例2中的析漏试验结果。

图2是本申请的实施例2中的飞散试验结果。

图3是本申请的实施例2中的稳定度试验结果。

图4是本申请的实施例3中的吸声系数测试结果。

图5是本申请的实施例3中的燃烧试验测试结果。

图6是本申请的实施例3中的重油消耗量测试结果。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

本实施例提供一种沥青组合物及其制备方法，该沥青组合物按照质量份数包括86质量份的SBS I-D改性沥青、7质量份的粘结剂、3质量份的温拌剂和4质量份的阻燃剂。其中，7质量份的粘结剂中包括5.6质量份的丙烯酸酯橡胶(热塑性橡胶)、1.05质量份的脲醛树脂(粘结性树脂)和0.35质量份的马来酸二辛酯(塑化剂)，温拌剂为结晶水含量为20wt％的铝硅酸钠晶体，4质量份的阻燃剂包括3质量份的氢氧化铝和1质量份的氢氧化镁。

本实施例中所用的SBS I-D改性沥青的各项指标见表1。

表1.SBS I-D改性沥青各项基础指标

该制备方法的步骤如下：

(1)取SBS I-D改性沥青并加热至170±5℃，加入粘结剂，高速剪切机以1000rpm的速度搅拌10min，得到第一混合物；

(2)将第一混合物置于130～135℃的烘箱中放置2小时，再次加热至170±5℃，高速剪切机以1000rpm的速度搅拌20min得到第二混合物；

(3)在第二混合物中加入温拌剂和阻燃剂，保持温度在170±5℃，高速剪切机以2000rpm的速度搅拌2h，得到沥青组合物。

实施例2

本实施例提供一种作为路面材料使用的沥青混合料，该沥青混合料包括集料、矿粉和实施例1中的沥青组合物，其中，集料采用辉绿岩，辉绿岩的各项性质见表2和表3。集料包括粗集料和细集料，粗集料的粒径不小于2.36mm，而细集料的粒径小于2.36mm。基于集料和矿粉的总质量，粗集料的质量分数为80.54％，细集料的质量分数为15.46％，矿粉的质量分数为4％。油石比(沥青组合物的质量与集料加矿粉总质量之比)为5％。矿粉的各项性质见表4。

表2.辉绿岩技术指标

表3.辉绿岩的岩性分析结果

表4.矿粉各项技术指标

(1)粗集料的级配方法如下：

采用单因素捣实试验确定各档粗集料(13.2mm、9.5mm、4.75mm和2.36mm)的最佳比例。将两档集料按一定比例混合均匀，分3～4次装入内径152mm、高170mm且底部封闭的金属圆筒内直至填满试筒，每次装入之后用金属棒捣实，之后计算集料空隙率VCA，选择VCA最小值对应的集料比例作为试验结果。试验过程如表5所示：

表5.粗集料级配过程和结果

其中，VCA计算公式为：

VCA＝(1-捣实密度/毛体积密度)×100％

(2)细集料的级配过程如下：

按下式计算细集料的级配组成比例：

式中：P_x代表粒径为d的集料通过率(％)；d代表集料的粒径(mm)；D代表集料的最大粒径(mm)；n代表试验指数，取0.7。细集料各部分的通过百分率如表6所示。

表6.细集料通过百分率

筛孔尺寸(mm)	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
						通过率P(％)	61.6	38.3	23.6	14.5	8.9

(3)粗集料和细集料的配比计算

按照体积设计法的理论计算法确定粗细集料的合成比例。其计算公式如下：

M_c+M_f+M_p＝100

M_c(VCA_DRC-V_VS)/(100×ρ_k)＝(M_f/ρ_tf+M_ρ/ρ_tρ+M_a/ρ_a)

式中：

M_c、M_f、M_p、M_a—粗、细集料、矿粉质量百分数及油石比，％；

ρ_a—沥青密度，g/cm³；

ρ_tp—矿粉的表观密度，g/cm³；

ρ_tf—细集料的表观密度，g/cm³；

ρ_k—粗集料的松装密度，g/cm³；

V_vs—沥青混合料设计孔隙率，％；

VCA_DRC—为粗集料的间隙率，％。

本实施例设计沥青混合料的孔隙率为20％，矿粉的质量百分数为4％，沥青组合物的用量为5％，沥青组合物的密度为1.026g/cm³，矿粉的表观密度为2.732g/cm³，计算得：M_c＝80.54，M_f＝15.46，即粗集料所占的比例为80.54％，细集料所占的比例为15.46％，矿粉所占的比例为4％。

根据上述结果，本实施例的合成级配如下所示。

表7.集料的级配方案

筛孔尺寸	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
											通过百分率	100	92	68	35.5	19.5	13	9	6.5	5.5	4

(4)初估沥青用量

初估沥青用量下式计算：

A＝(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g)/48.74

P_b＝h×A

式中：A为集料总的表面积；a、b、c、d、e、f、g分别为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm筛孔的通过百分率，％；P_b为预估沥青用量；h为沥青膜厚度，取14μm。

经计算，本实施例的预估沥青用量为5％。

(5)沥青用量的优化

分别以4％、4.5％、5％、5.5％、6％五组油石比对沥青混合料进行析漏试验、飞散试验、稳定度试验，将试验结果绘制成图，确定出沥青用量的最大值和最小值，在此范围内再参照马歇尔试验的结果，选择合适的沥青用量作为最佳沥青用量。

析漏试验、飞散试验和稳定度试验的结果分别见图1～3。从图中分析得到，析漏试验确定的油石比最大值为5.2％，飞散试验确定的油石比最小值为4.8％，稳定度最大对应的沥青用量为4.6％。综合考虑上述试验结果，本实施例选择的最佳油石比为4.9％。

实施例3

性能测试

以常规的AC-13、SMA-13路面材料作为对比例，将实施例2获得的路面材料记为TSEM-13。

利用TSEM-13制作厚度为4cm、直径为96mm的沥青混合料试件，采用驻波管法测试混合料的吸声系数，测试入声频率为800Hz，吸声系数公式如下：

α₀＝4S/(1+S)²

式中：S—声压极小值和极大值的比值；

α₀—声波垂直入射的吸声系数，％。

采用燃烧试验测试混合料阻燃性能，按设计级配制作不少于4个标准马歇尔试件，在30℃烘箱中放置5h后，称其质量，然后在93#汽油中浸泡5s，引燃使其充分燃烧，之后称量试件燃烧后的质量，计算其质量损失。

结果见图4和图5以及表8和表9。其中，从图4和表8中可以看到，800Hz入声频率下，本实施例的路面峰值吸声系数达到50％以上，与常规的AC-13、SMA-13路面相比，吸声系数大大提高，利用本实施例所提供的路面材料制得的路面结构可以有效减少了噪声污染，大幅改善行车舒适度。从图5和表9中可以看到，本实施例的路面材料由于燃烧造成的质量损失平均值为5.4g，相比于对比例1和2降低了60％以上，阻燃效果明显，利用本实施例所提供的路面材料制得的路面结构能够更有效地保证行车安全。

燃烧后的有害物质检测结果见表10。

表8.TSEM-13吸声系数测试结果

入声频率(Hz)	315	400	500	630	800	1000	1250	1600	2000
										吸声系数(％)	8.1	14.9	25.2	43.7	55.3	51.2	30.3	9.9	17.3

表9.TSEM-13燃烧试验测试结果

表10.有害物质排放量表

从表10中结果可以看出，与对比例相比，实施例2所提供的的TSEM-13路面材料(沥青混合料)可以大幅度减少沥青烟、苯可溶物和苯并芘等有害物质大幅度减少。该结果表明实施例2所提供的沥青组合物及路面材料(沥青混合料)可明显改善隧道内路面施工环境。

另一方面，通过拌和楼控制模块的对应仪表测试重油消耗量，结果见图6。从图6中可以看出，与对比例相比，实施例2所提供的TSEM-13路面材料(沥青混合料)的燃油消耗量大大降低，可节省重油30％以上。

根据实验设计时配合比方案的预设，当吸声系数(800Hz水平下)大于50％、燃烧试验质量损失小于6g时，认为沥青混合料的降噪性能和阻燃性能达到设计要求，上述结果符合预设要求。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.路面材料，其特征在于，包括集料、矿粉和沥青组合物，所述路面材料的孔隙率为20％±1％。

2.根据权利要求1所述的路面材料，其特征在于，所述集料包括粗集料和细集料，所述粗集料的粒径不小于2.36mm，所述细集料的粒径小于2.36mm，所述集料中所述粗集料的质量比为76～84％；

优选的，基于所述集料的总质量，通过16mm筛孔的所述集料的质量比为100％，通过13.2mm筛孔的所述集料的质量比为90～94％，通过9.5mm筛孔的所述集料的质量比为66～70％，通过4.75mm筛孔的所述集料的质量比为34～37％，通过2.36mm筛孔的所述集料的质量比为18～21％，通过1.18mm筛孔的所述集料的质量比为11～15％，通过0.6mm筛孔的所述集料的质量比为8～10％，通过0.3mm筛孔的所述集料的质量比为6～7％，通过0.15mm筛孔的所述集料的质量比为5～6％，通过0.075mm筛孔的所述集料的质量比为3.5～4.5％。

3.根据权利要求1所述的路面材料，其特征在于，所述集料为辉绿岩。

4.根据权利要求1所述的路面材料，其特征在于，所述沥青组合物包括沥青、粘结剂和阻燃剂，所述粘结剂由包括热塑性橡胶、粘结性树脂、塑化剂的原料制成；

优选的，所述粘结剂由包括70～85质量份的热塑性橡胶、10～20质量份的粘结性树脂和3～6质量份的塑化剂的原料制成；

优选的，所述沥青为改性沥青；

优选的，所述改性沥青为SBSI-D改性沥青。

5.根据权利要求4所述的路面材料，其特征在于，所述阻燃剂包括质量比为(2～4)：1的氢氧化铝和氢氧化镁。

6.根据权利要求4所述的路面材料，其特征在于，所述沥青组合物还包括温拌剂。

7.根据权利要求6所述的路面材料，其特征在于，所述温拌剂的原料为铝硅酸钠晶体；优选的，所述铝硅酸钠晶体中结晶水的含量为20～25wt％。

8.根据权利要求4至7任一项所述的路面材料，其特征在于，所述沥青、所述粘结剂和所述阻燃剂的质量比为(80～90)：(5～10)：(2～6)。

9.权利要求4至8任一项所述的路面材料的制备方法，其特征在于，包括通过以下步骤制备得到所述沥青组合物：

取SBS I-D改性沥青加热至165～175℃，加入粘结剂，800～1500rpm的速度搅拌，得到第一混合物；

所述第一混合物于130～135℃的温度条件下放置1～3h，加热至165～175℃，800～1500rpm的速度搅拌得到第二混合物；

所述第二混合物中加入阻燃剂，保持温度为165～175℃，1500～2500rpm的速度搅拌，得到沥青组合物。

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