Комплексная оценка звукопоглощающих свойств двухслойного пористого бетонного покрытия

Тише на улицах за счёт более умного покрытия

Те, кто живёт рядом с оживлённой дорогой, знают, как неумолим дорожный шум, особенно шипение и гул шин по бетону. В этом исследовании рассматривается перспективный способ сделать улицы тише — за счёт переработки самой поверхности дороги. Вместо того чтобы полагаться на барьеры или шумозащитные окна, авторы сосредоточились на особом типе «пористого» бетонного покрытия и показали, как устройство его в две тщательно подобранные прослойки может поглощать больше звука прямо в месте его возникновения.

Как сама дорога может «поглощать» звук

Дорожный шум возникает от двигателей, турбулентности воздуха и, что особенно важно при городских скоростях, от контакта шин с покрытием. Большая часть этого звука лежит в диапазоне 700–1300 герц, примерно на высоте человеческого голоса. Пористые бетонные покрытия полны связанных между собой воздушных пустот. Когда звуковые волны проникают в эти узкие каналы, трение и тепло постепенно рассеивают их энергию. По сравнению с плотным традиционным бетоном такие покрытия могут снижать уровень шума на несколько децибел — изменение, которое люди явно замечают. До сих пор большинство исследований рассматривали покрытие как однородный слой, хотя многие реальные дороги строятся из двух бетонных слоёв по соображениям стоимости и технологии строительства.

Создание и испытание двухслойного бетона

Команда спроектировала десятки образцов покрытия, каждый из которых состоял из верхнего и нижнего слоёв пористого бетона, уложенных друг на друга. Они варьировали три ключевых параметра: размер зерен щебня в каждом слое (мелкий, средний или крупный), соотношение цементной пасты к заполнителю (что влияет на количество пустот) и толщину каждого слоя. Некоторые образцы имели общую толщину 10 сантиметров с равной толщиной слоёв, а другие — 15 сантиметров с тонким верхним слоем и более толстым основанием. Чтобы измерить, насколько хорошо каждый дизайн поглощает звук, исследователи использовали стандартизованную трубу со стационарной волной: длинную металлическую трубу с громкоговорителем на одном конце и образцом бетона на другом. Проигрывая звуки от 200 до 2000 герц и записывая, сколько звука отражается, они рассчитывали средний показатель звукопоглощения для каждого образца.

Что важнее всего для тихого покрытия

Во всех экспериментах размер зерна щебня и соотношение цемента к заполнителю сильнее всего влияли на звукопоглощение бетона. Мелкие зерна создавали больше и тоньше канальцев для звуковых волн, что в целом улучшало поглощение по сравнению со смесями, содержащими только крупные зерна. Использование меньшего количества цементной пасты (ниже соотношение цемента к заполнителю) увеличивало долю воздушных пустот в бетоне, что также обычно усиливало звукопоглощение, особенно в верхнем слое, непосредственно контактирующем с шинами. Толщина тоже имела значение, но более тонко: увеличение толщины сдвигало частоты с наилучшим поглощением в сторону более низких тонов и иногда вводило дополнительные пиковые частоты поглощения. Однако простое увеличение толщины не гарантировало лучшего шумоподавления: некоторые хорошо спроектированные двухслойные образцы толщиной 10 сантиметров превзошли более толстые образцы с менее удачными сочетаниями размера зерна и содержания цемента.

Поиск лучших сочетаний для разных конструкций дорог

Когда оба слоя использовали одинаковый размер зерна, исследователи обнаружили, что детали укладки всё равно имели значение. Изменение соотношения цемента между верхним и нижним слоями меняло число заметных пиков поглощения и частоты, на которых они возникали. Когда два слоя имели разный размер зерна, картина становилась ещё интереснее. Для покрытий толщиной 10 сантиметров лучшие результаты давало размещение в поверхностном слое более мелких зерен с низким содержанием цемента, а под ними — более крупные зерна также с низким содержанием цемента. Такая компоновка создаёт высокопоглощающее «покровное» пространство, поддерживаемое более грубым, но всё ещё открытым основанием, которое продолжает рассеивать энергию звука. Для более толстых 15-сантиметровых покрытий та же стратегия «тонкий слой из мелких зерен над грубым» утрачивает большую часть преимущества. В этом случае наилучшее общее поглощение давали оба слоя, выполненные из мелких зерен и с низким содержанием цемента.

Почему простая пористость недостаточна

Одним из неожиданных результатов стало то, что общая пористость — доля объёма бетона, занимаемая воздухом — не давала надёжного предиктора того, насколько хорошо двухслойные покрытия поглощают звук. Образцы с похожей пористостью, но разным распределением размеров зерен или разной укладкой слоёв могли показывать весьма разную акустическую эффективность. Это контрастирует с традиционным однородным пористым бетоном, где более высокая пористость обычно коррелирует с лучшим звукопоглощением. В двухслойных системах важнее то, как поры связаны на границе между слоями, и точный состав каждой прослойки, а не только общая пористость.

Что это значит для более тихих городов

Для дорожных проектировщиков исследование даёт понятные и практичные рекомендации. Если город хочет построить относительно тонкое, 10-сантиметровое пористое бетонное покрытие, следует использовать в поверхности мелкий щебень и низкое содержание цемента, а в нижнем слое — более крупный щебень, но также с невысоким содержанием цемента. Для более толстых 15-сантиметровых покрытий оба слоя должны опираться на мелкие зерна и низкое содержание цемента, чтобы показать наилучшее поведение. Прежде всего инженерам не следует полагаться только на одно число, например пористость, при оценке акустических свойств. Необходим комплексный подход, учитывающий структуру слоёв, размер зерна и содержание цемента, чтобы проектировать покрытия, которые эффективно «впитывают» звук проезжающего транспорта и улучшают повседневную звуковую среду для людей, живущих и работающих вдоль оживлённых дорог.

Цитирование: Zhang, Y., Han, Y., Khair, A. et al. Comprehensive evaluation of sound absorption property in dual-layer porous concrete pavement. Sci Rep 16, 7073 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38509-4

Ключевые слова: шум от транспорта, пористый бетон, дорожное покрытие, звукопоглощение, городская акустика