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原文传递多孔沥青混合料的空隙分布特征及声学行为特性研究

论文题名：	多孔沥青混合料的空隙分布特征及声学行为特性研究
关键词：	路面铺筑材料;多孔沥青混合料;空隙分布;振动阻尼特性;吸声性能
摘要：	交通噪声已成为城市噪声污染的主要来源，多孔沥青路面的最初设计是为了大雨期间加快路面排水、减少路表水膜、提高路面抗滑，确保行车更加安全，同时兼具良好的降噪性能，很大程度上取决于内部空隙结构的连通性。多孔沥青混合料（PAC）作为有效降低交通噪声的路面铺筑材料，本文针对PAC混合料的细观结构特点，构建了PAC混合料矿料间隙率的物理模型，并利用CT扫描和图像处理技术获取了不同级配沥青混合料的内部空隙结构信息，深入研究了PAC混合料的空隙分布特征、振动阻尼特性和吸声性能。主要研究内容和结论如下：　　（1）构建了多孔沥青混合料矿料间隙率的物理模型　　针对PAC混合料的细观结构特点，将集料划分为4种类型：较大粒径集料（LSA）、主集料（DASR）、干涉集料(PDA)和间隙集料（ICA）等。其中，DASR构成PAC混合料主骨架空隙结构，分析了LSA的占据取代作用、PDA的干涉作用以及ICA的填充作用对主骨架空隙的影响，提出了主骨架空隙率的计算方法和上述4种类型集料粒径界限尺寸的确定方法，最后基于体积法构建了PAC混合料矿料间隙率的物理模型，并通过60组马歇尔击实试件验证了该模型的合理性。该模型可避免开展大量试验测试，方便快速确定满足PAC混合料目标空隙率的最佳集料级配组成。　　（2）多孔沥青混合料内部空隙分布特征　　利用CT扫描和图像处理技术，获取了不同成型方法不同级配沥青混合料的内部空隙结构信息，深入分析了成型方法和级配组成对混合料内部空隙率、连通空隙率、空隙当量直径以及空隙数量分布规律的影响，提出了PAC混合料的空隙分布概率模型，建立了空隙分布模型参数（形状参数和尺寸参数）与集料级配分形维数的数学关系。沿试件高度方向，不同方法成型的混合料试件的内部空隙分布具有相同的变化规律；沿试件径向方向，马歇试件和车辙板试件的内部空隙分布较均匀，而旋转压实试件的内部空隙率明显小于外部。　　（3）多孔沥青混合料的振动阻尼特性　　针对不同级配的沥青混合料开展动态模量试验和振动试验，基于时-温等效原理，构建了移位因子与温度的关系表达式，利用Sigmoidal模型及其微分形式分别推求了不同沥青混合料的动态模量和相位角的主曲线，建立了适用于不同级配类型沥青混合料统一的动态模量预估模型；公称最大粒径相同时，空隙率越大，PAC混合料的最大振动加速度越小，振动衰减越快；空隙率相近时，公称最大粒径越大对振动特性具有相同的影响规律。基于振动声学原理，深入分析了动态模量、相位角与振动阻尼特性的关系，临界阻尼比?crit为相位角?正切值的一半，沥青混合料的相位角?一般介于6.0°~40°，对应的?crit介于0.053~0.42。　　（4）多孔沥青混合料的吸声性能评价　　利用驻波管按1/3倍频程测试获得了不同级配沥青混合料的吸声频谱，较之AC-13和SMA-13混合料，PAC混合料具有良好的吸声降噪效果，深入研究分析了级配类型、空隙率、连通空隙率以及试件厚度等因素对PAC混合料吸声性能的影响规律，建立PAC混合料降噪水平与空隙率、连通空隙率及空隙级配的数学关系，其空隙率宜控制为20%~23%，合理铺筑厚度范围为4.0cm~7.0cm。通过现场测试发现，相比水泥混凝土路面和SMA-13沥青路面，PAC-13沥青路面在干燥状态下可分别降低噪声5.9~8.1dB和2.7~4.5dB，相比SAC-13沥青路面，PAC-13沥青路面在暴雨天气下可降低噪声3.1~5.2dB，揭示了不同天气状况下不同车型在不同路面上行驶时噪声水平随车速的变化规律。　　（5）多孔沥青混合料的吸声模型　　根据CT扫描获取的PAC混合料内部空隙结构特征，将混合料的空隙结构进行单元化处理，空隙结构单元体经一系列串并联后简化了PAC混合料的内部空隙结构，根并依据空隙级配的概率分布确定了空隙结构单元体的几何尺寸。基于声-电类比理论，考虑空隙分布和振动阻尼特性的影响，提出了PAC混合料声阻抗的表达式，最终建立了适于描述PAC混合料吸声性能的数学模型，并通过试验结果验证了所建吸声模型的合理性。
作者：	李金凤
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	何兆益
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022