掺橡胶粒沥青混合料在冻融循环下降噪性能的力学机理

旧轮胎带来的更安静道路

任何在喧闹高速上行驶过的人都知道路噪有多令人疲惫。本文研究了一种引人注目的解决方案：在沥青中混入小块旧汽车轮胎，以制造不仅更可持续而且更安静的道路——尤其适用于反复冻融的寒冷地区。研究者想弄清这些掺橡胶的路面在材料内部如何表现，以及为何在多年严冬条件后仍能降低噪声。

把废轮胎变成安静路面

团队以一种常见的致密沥青为研究对象——类似许多城市街道使用的混合料——并将标准配比与掺入废胎切割为小颗粒的混合料相比较。这些橡胶颗粒像细小的弹性垫片嵌在路面中。先前研究表明，此类混合料可将轮胎与路面的接触声降低几分贝，人们明显感觉到更安静的行驶。但在像内蒙古东部这样的地区，路面必须经受漫长冬季和反复冻融循环，这会逐步损害路面结构。关键问题是，掺橡胶沥青在这些严苛条件下能否保持其降噪能力。

让路面经历人工冬天

为模拟多年服役，研究者制备了圆柱形试件，并反复在−20 °C冻结然后在60 °C回温，最多进行15个循环。在不同循环次数后，他们用三轴压缩试验对试件施压，测量其刚度和强度。还进行了模拟来车脉冲的动载试验，跟踪材料的弯曲行为以及其消散振动能量的能力。总体上，随着冻融循环次数增加，常规和掺橡胶沥青均变得更弱且刚度降低。然而，掺橡胶混合料最终表现出较低的刚度但更好的延展性（不易开裂），并显示出更大的“相角”，这表明其将更多振动转化为无害热能，而非以噪声形式反射回去。

逐粒观察路面内部

由于在真实路面中无法看到每一粒细石和橡胶颗粒，团队采用离散元方法建立了精细的计算模型。在这些虚拟试件中，沥青混合料被表示为成千上万可相互挤压、滑动和分离的小球体。研究者自动调整微观接触属性——例如颗粒间的粘结强度和滑动阻力——直到模拟的应力—应变曲线与实验室测量相匹配。这样他们就能观察到“力链”——在骨架石粒中承载荷载的隐秘通道——在加载过程中如何形成和变化。

橡胶如何在不承担主荷载时发挥作用

模拟显示，路面的主要荷载由粗、中粒级矿物集料承担，它们从上到下形成连通的骨架。橡胶颗粒很少位于这些主要承载路径中，直接承载车辆荷载的贡献很小。相反，橡胶颗粒在受载时首先发生变形，对邻近的石料和沥青产生滑动和挤压。这种运动增加了局部摩擦和滞回损耗——将机械振动转化为热的微小内部损耗。随着冻融循环产生更多内部空隙并削弱沥青与石料之间的粘结，两种混合料都越来越依赖颗粒间的摩擦。掺橡胶混合料通过比常规混合料更多地通过摩擦和阻尼来耗散能量，尤其是在多次冻融循环之后。

能量耗散与持久的降噪效果

通过在模拟中追踪能量流，团队表明摩擦能和阻尼能随冻融循环次数增加而增大，无论混合料类型如何。经过15个循环后，掺橡胶沥青通过这些机制释放的能量显著多于标准混合料。实践意义上，这意味着在车辆通过时，更多振动在路面内部被吸收，而不是以声波形式辐射出去。尽管冻融损伤降低了整体强度，掺橡胶路面仍保持更稳定的性能并维持其吸振特性。代价是其刚度有所降低，因此更适合寒冷地区的城市街道和轻载交通，而非最重载的货车路段。

这对未来街道的意义

对非专业读者来说，结论很直接：在沥青中加入磨碎的轮胎橡胶，可以制造出更悦耳的道路，同时回收一种棘手的废弃物。即便在经历了多次冬季冻结和夏季回温后，掺橡胶路面仍像内置的减震器，将振动在材料内部转化为热量。工程师在面对重载设计时仍需谨慎，但本研究为掺橡胶沥青如何以及为何能提供耐久的降噪效果给出了清晰的力学解释，帮助寒冷气候城市建造既更安静又更可持续的街道。

引用: Li, D., Gao, M. & Fan, X. Mechanical mechanism of noise reduction performance of rubber granular asphalt mixture under freeze-thaw cycles. Sci Rep 16, 13271 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43279-0

关键词: 橡胶化沥青, 道路噪声, 冻融损伤, 废胎回收, 路面阻尼