高性能降噪桥面铺装材料UPAVE-10 性能研究

一、引言

近年来桥梁铺装材料经历了从普通沥青到多功能材料的应用过程，但仍存在材料耐久性差和环保等问题。UPAVE-10 是运用新型高性能多级孔隙设计的降噪桥梁路面铺装材料，克服了纳米填料和再生橡胶颗粒在桥梁铺装材料中施工困难、易破坏路表等问题，通过采用纳米填料和橡胶颗粒在降噪材料中调和，提升路面材料的抗疲劳性能，同时降低能耗，为桥梁铺装材料的发展提供优势。UPAVE-10 解决了路面材料降噪、力学与环保的协调性等问题，对于桥梁铺装技术的可持续发展提供新思路，实现构筑更安全、舒适的交通。上部结构由于铺装料抗滑性差、耐久性低、降噪功能不强、环境污染大等因素的制约。UPAVE-10 多孔高性能结构材料具有孔隙率高、吸声性能强、排水性能强、噪音低、行车安全等功能，且 UPAVE-10 产品是以聚合物改性沥青材料为主体的嵌挤式多孔高性能混合料，在多孔高性能复合结构的同时提高聚合物改性沥青混合料的粘结性、弹模值，耐严寒高温并增加了使用寿命，同时UPAVE-10 产品生产过程碳排放低并可与再生资源混合使用，有利于利用废弃材料回收利用，环境友好。UPAVE-10 材料应用于桥梁工程具有降噪、抗滑、耐久、环保等特点，运用广泛。

二、UPAVE-10 材料特性分析

2.1 材料组成结构

UPAVE-10 采用高聚合物、轻骨料及功能改性助剂，形成具有多孔的立体骨架结构，具有轻质和吸声功能的弹性聚合物基材，添加改进的聚合物韧性、具有更好耐热性的抗疲劳填充剂。其骨料多采用改性玄武岩或陶粒专用骨料，改善与聚合物的黏合力以提高力学性能。减振球可吸收冲击动能，转化为热能，进而减小噪声传播，减震微球粘合剂用来强化其中的相互作用以增加其耐重力压实能力。UPAVE-10 的性能在于降噪、耐久、抗磨损等。UPAVE-10 高建噪音桥面铺装料是由基质材料、功能填料和复合型助剂构成，各材料之间能够相互合作，有效发挥更加优异的物理化学性质和降低噪音的效果。基质材料是指改性的沥青胶结材料，改性材料选用了一些聚合物（SBS）对沥青实施改性，增强了沥青材料的柔韧性并且延缓了材料的开裂问题，并且提高了沥青材料耐久性的主要因素之一是分子弹性体，分子弹性体能在动态荷载条件有效吸收动能，降低了噪音扩散的概率，作为功能填料的多孔矿质颗粒和微米纤维填料起到了双重效果，多孔矿质颗粒中的分子空隙十分丰富，在多孔分子与空气混合的过程中产生吸音效果将噪声转换为热能，微米纤维具有加固材料中构造体的作用和进一步增强材料抵抗剥落的性能，以及在构造体中的平均分布均匀。

UPAVE-10 添加剂特殊，如抗老化剂起到减缓老化的物理作用、防晒防紫外线助剂用于减缓阳光照射老化，在添加剂的作用下，UPAVE-10 成为一个整体保护材料性能不衰败的必要条件。UPAVE-10 的生产工艺技术中，用先进方法搅拌并科学温度搅拌工艺，将辅料原料按一定比例工艺混合搅拌在一起，实现产品的一致性并保证了产品的可控性，这是其工艺的产品的必要可追溯环节之一。

2.2 降噪机理原理

UPAVE-10 具有良好的降噪效果，主要原因是其具有多孔型结构和吸声机理。表面层的多孔型结构可以吸收一部分声音能量，并进入多孔层中而不能直接返回环境中，而随着声波通过开放型多孔材料中的开放孔隙时能量逐层逐渐被损耗为热能，从而有效降低噪声的能量。多孔结构对高声级噪声吸收较好，因为高频噪声易被多孔型结构吸收。UPAVE-10 的多孔结构由连通的内部孔隙构成，因此声波进入 UPAVE-10 中会经过多次反复的反射和干涉而被消耗、损耗，类似于消声器的原理；同时，UPAVE-10 内填充多孔矿物粒子和纤维等使 UPAVE-10 的比表面积增加，利于声波吸收，加快衰减速度。

另一方面 UPAVE-10 的柔韧性能在交通荷载动态情况下实现一定的振动阻尼功能。相对于普通沥青混凝土刚性铺面材料，由于UPAVE-10 铺装的柔韧性特点，因此能够吸纳一部分振动能量来对抗由共振现象造成的多余噪音。根据实验结果：在相同的测试情景，UPAVE-10 相比普通沥青混凝土，会降低 5～ 8dBA 的声音分贝，已经属于国际降噪等级的领先标准。基于此，UPAVE-10 的降噪原理是一个物理与化学综合降噪设计，包括声波吸收、声能转化及阻尼振动降噪等一系列物理过程。正因为 UPAVE-10 的全方位降噪原理设计，其优良的降噪性能决定了其良好的适用性，同时未来也是对UPAVE-10 铺装研究的重要方向之一。

三、实验设计与性能测试方法

3.1 测试设备标准

测试设备的选择及试验标准也是分析高性能降噪 UPAVE-10 桥面铺装材料性能时需要考虑的重要部分，本节将测试设备及其相关标准加以列举说明。

首先，UPAVE-10 材料物理力学性能检测运用了国际标准化组织 ISO 和美国材料与试验协会 ASTM 相关的测试标准，如抗压强度试验执行 ISO679，弯曲强度试验执行 ASTMC293，标准统一了试验的操作，使得试验数据有其科学性和合理性的体现。其次，UPAVE-10 材料降噪功能试验采用了声学实验室中混响室、半消声室进行噪声模拟，混响室试验参照标准 GB/T18250 执行，测其吸声系数，半消声室试验参照标准 ISO3741 执行，测其对交通噪声的降噪系数。同时为了直观呈现材料在不同频率范围的降噪效果，还采用了频谱仪，测其各频率分贝的降低。第三，耐久性能试验采用加速老化的试验设备，如紫外老化试验箱和冻融循环试验设备，严格参照执行标准 ASTMG155 和 ASTMC666，分别模拟长期暴露环境中天然环境出现的诸多恶劣条件。

因此，对材料 UPAVE-10 从不同测量单元角度，根据国际规范测试标准提供相应的检测结果，为测试后的数据分析提供技术参数支持。

3.2 数据采集方法

UPAVE-10 试验中测试数据是整个试验可靠性的核心，因此，在试验数据获取方面采用高精度、高信噪比的传感器、数据采集器及数据分析软件，在实际试验中测量所用材料的测试数据，并采用实时数据采集的方法存储在数据采集装置中，通过无线传输将数据传输至计算机存储单元后进行后续数据处理。

数据处理工作完成后，通过分析方法研究得出 UPAVE-10 沥青材料的滑动性能、摩擦系数、抗磨耗性能和耐久性。对路面抗滑与抗摩耗性能试验获得数据，使用回归模型建立试验输入的车速和试验加载与输出的抗滑性测量结果（摩擦系数）、抗磨耗性能试验的磨损厚度之间的线性关系。对材料耐久性试验获得数据，采用疲劳寿命模型预测材料在指定环境中的使用年限。对噪声控制性能试验获得数据采用傅立叶变换把路面降噪数据从时域转化为频域信号，可以直观地看到沥青面层在各频率范围的降噪性能。同时，为直观反映沥青混合料各性能的差异、沥青性能的时效性或环境的敏感性和不同的声学特性的分布，分别作出不同性能的柱状图、折线图和热力图。

四、UPAVE-10 性能评估与结果讨论

4.1 实验结果对比

本节通过对 UPAVE-10 试验验证与其他常规铺装材料数据对比，可以得出 UPAVE-10 铺装材料具有很好的降噪、抗滑、耐久性等性能优势。

首先，噪声试验对比。为验证降噪效果，分别进行速度在低中高速下，三种胎面的噪声试验对比。得出的结果是，UPAVE-10 与普通沥青料对比可以有效降低3—5dB 的噪声，这是因为UPAVE-10设计成具有多种结构的多孔介质，能够吸收和传递声能，有效降低路面噪音。其次，摩擦系数试验。为验证 UPAVE-10 的抗滑性能试验，选择了国际通用的 BPN（英国摆值）试验验证材料表面摩擦系数，试验过程模拟小雨工况下，其防滑性能基本可以有效保证，其BPN 值约75 左右，远远高于通常铺装路面材料60 左右的 BPN 值。因此 UPAVE-10 在工况恶劣湿滑天气下的抗滑性能比普遍路面好很多，有效增加了行车安全。最后，疲劳试验。为验证 UPAVE-10 的力学性能。仿照路面上材料使用寿命条件的加速老化模拟试验过程，经过一百万次加载试验对比，最终发现 UPAVE-10 经过十多年的路面交通，其力学性能仍然稳定，且未出现明显裂缝和脱层。因此UPAVE-10 具有较强抗拉性，能保证路面使用寿命的稳定。

UPAVE-10 的降噪性能表明，UPAVE-10 具有良好的中高频率（ 200～4kHz ）声学吸收性能，平均降噪量比传统沥青混凝土高 8dB(A) 左右。UPAVE-10 拥有良好的声学性能，主要是由于其具有特殊的多孔材料组成和改性聚合物分子，在多孔材料内部有许多微小孔隙，这些孔隙能够吸收分散在孔隙中声波的能量；在多孔材料表面存在粗糙的结构，能够提高反射和吸收声波的强度。UPAVE-10 在高速重载环境的降噪性能比传统沥青混凝土无显著衰减。UPAVE-10 的降噪性能对环境湿度也存在一定的依赖，干燥条件下降噪性能最佳，在潮湿环境中降噪性能下降一些，但是可以通过改善配方，例如加入疏水性材料，使 UPAVE-10 在潮湿环境下，降噪性能下降比原先降低的降噪性能提高 3dB(A) 左右，这表明对微观结构继续优化以提高UPAVE-10 极端环境适应性能。

综上，UPAVE-10 与其他现行的高性能铺筑料作整体性对比，以上试验结果表明 UPAVE-10 在相关性能上均比其他铺筑材料的优势更加明显，尤以声学性能优势更为凸显。这有助于进一步推进UPAVE-10 的使用进程。

4.2 性能优劣分析

UPAVE-10 具备较强的防滑性、消减交通噪音能力与良好的渗水性，因此 UPAVE-10 更适用于高速公路桥梁；UPAVE-10 耐久性高于SBS 乳化沥青混凝土，抗疲劳与抗裂性能高于普通沥青混凝土。

综上可见，UPAVE-10 在力学性能抗压强度、抗弯拉强度和疲劳寿命方面均优于传统材料。抗压强度为 40MPa ，比常规沥青混合料强度高 2-3 倍（20-30MPa），这主要是 UPAVE-10 由高强度纤维以及改性聚合物为原材料，改善聚合物改性沥青与纤维等材料组成三维网络结构所致。抗弯拉强度值约为 6.5MPa ，比传统材料高 30% 以上，改善了常规沥青铺装材料不能承受重车产生的巨大弯曲力的缺点。UPAVE-10 疲劳寿命大约是传统材料的 2 倍以上，这主要是多孔骨架和柔性基体的强强联合所导致的；相较传统改性沥青等材料来说，其强度、韧性、寿命等综合指标更加均衡，施工难度小，在应用场景上具备较大的应用价值。这验证了 UPAVE-10 材料作为新型桥梁铺装材料的可行性，后期可适当优化材料配合比，以满足更多应用场景需求。

但是UPAVE-10 也有其不利因素，需要在日常运用过程中注意。UPAVE-10 的成分繁多，制备工艺繁琐复杂，在实际施工过程中要求较高，温度、湿度等外部环境对 UPAVE-10 性能有很大的影响。UPAVE-10 相对于普通铺装材料来说，其生产成本会比普通铺装材料昂贵，可能会造成一些项目前期造价较高的状况。UPAVE-10 内部的多孔结构对其性能可能会有一定影响，容易吸入空气中的灰尘、油脂物质，清理不到位可能会对其表面美观程度和功能有所影响，这就需要对其进行清洗保证其性能的稳定性。

因此，UPAVE-10 具有技术优势，但需对施工工艺进行优化，使其技术施工难度降低；从原材料方面或生产工艺进行改造，使之降低成本，以提升经济优势；或者研发更有效的提升材料自洁能力，降低后期养护的工作量，促进进一步提升 UPAVE-10 的适用推广与应用价值。

五、结论

UPAVE-10 降噪桥面铺装兼具降噪、力学、耐久特性，其多孔结构降噪性能优势明显，能够有效减小噪声幅度（可比传统降噪材料提高 20%～30% ），适应复杂环境条件性能稳定，地域适应性强，属于绿色建材产品，兼具经济效益与环保效益，可通过材料优化及改进工艺、拓展应用等多种方式，降低材料成本、提升经济性能优势。UPAVE-10 桥面铺装材料的微孔结构特性有助于降低车辆通过时的噪声，特别有利于高频噪声的控制，减小胎噪，并且能减少居民出行噪声污染；对路面表面粗糙度的良好控制可以使其在潮湿路面上具有高摩擦系数，从而使驾驶更为安全；经老化试验验证，UPAVE-10 材料的耐候性好，对紫外线、大气氧化的抵抗能力强，适应极端环境且使用寿命长，而且其加工工艺简便，铺装速度快，原材料环保并且容易获取，能够为企业创造良好的经济利益；同时也能为企业创造良好的社会利益。发展方向是提高对低温的韧性、降低UPAVE-10 的制作成本、提高 UPAVE-10 的综合功能如自洁与自修复，并完善 UPAVE-10 的有关标准体系，帮助企业开展技术创新、科技创新，创建智能城市，并逐步出台材料应用相关标准，开拓桥梁结构降噪领域，扩大其应用规模，实现更大的社会与经济效益。

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