Variation of sound absorption characteristics of porous asphalt due to clogging processes

Straßenverkehrlärm ist ein allgegenwärtiges Problem in modernen Gesellschaften. Zur Minderung von Lärmimmissionen sind neben verkehrlichen Maßnahmen bei Kenntnis der typischen Enststehungsmechanismen von Straßenverkehrslärm auch technische Maßnahmen an Fahrzeugen und Fahrbahn möglich. Es existieren unterschiedliche Ansätze und (theoretische sowie praktische) Realisierungsmöglichkeiten lärmmindernder Fahrbahnkonstruktionen bzw. Deckschichten. Offenporige Asphaltdeckschichten (OPA) sind aufgrund ihrer bautechnischen Eigenschaften (vor allem aufgrund des hohen Hohlraumgehalts) geeignet, Lärm bereits an der Quelle zu reduzieren. Unter den lärmmindernden Fahrbahndeckenkonstruktionen haben sie das größte Lärmminderungspotenzial. Sie werden bereits seit mehreren Jahrzehnten weltweit in unterschiedlichem Umfang eingesetzt. Wegen des hohen Hohlraumgehalts, der aus akustischen Erwägungen in der Entwicklung stetig gesteigert wurde, sind bautechnische sowie betriebliche Schwierigkeiten aufgetreten, denen es zu begegnen gilt. Ein ungelöstes Problem stellt dabei die mit zunehmender Liegedauer abnehmende lärmmindernde Wirkung dar. Das Nachlassen der lärmmindernden Wirkung von offenporigen Asphalten mit zunehmender Liegedauer wird zu wesentlichen Teilen der Verschmutzung und nachfolgenden Verstopfungen der porösen Struktur zugeschrieben. Externe Faktoren bestimmen die Verschmutzung in maßgeblichem Umfang, so dass sehr unterschiedliche Schmutzeintragsraten auftreten. Darüber hinaus laufen unterschiedliche Verschmutzungsprozesse parallel ab und beeinflussen bzw. verstärken sich gegenseitig; andere Mechanismen (z.B. Verkehr) wirken der Verschmutzung entgegen. Reinigungsversuche von offenporigen Asphalten zeigen bisher relativ wenig Erfolg, weshalb in Laborversuchen untersucht wird, inwieweit eine Modifikation des Materials bzw. der Porenoberflächen der offenporigen Struktur schmutzabweisende Eigenschaften zu verleihen, wirksam sein kann. In den in dieser Arbeit dargestellten Versuchen wird versucht, durch den Eintrag einer definierten (künstlichen) Schmutzmenge mit Hilfe kontrollierter Beregnungen unter wiederholbaren Bedingungen, den Verschmutzungsprozess von offenporigen Asphalten möglichst realitätsnah zu simulieren. Das grundlegende Verständnis der Verschmutzungsprozesse und seiner Auswirkungen auf das Schallabsorptionsverhalten ist dabei Voraussetzung für die Konzipierung der Versuche, der Anwendung der Modelle und der Interpretation der Mess- sowie der Berechnungsergebnisse. Auf diese Weise ist es erstmals möglich, Zusammenhänge von Schmutzmengen bzw. Verschmutzungsstadien und Absorberparametern (Hohlraumgehalt bzw. Porosität, Strömungs-widerstand, Strukturfaktor bzw. Tortuosität) herzustellen und somit die abnehmende lärmmindernde Wirkung durch die verschmutzungsbedingten Veränderungen im Schallabsorptionsverhalten präzisieren zu können. Für unterschiedliche Schichtaufbauten und Modifizierungen zur Schmutzabweisung können aus den Versuchsergebnissen abhängig von der jeweiligen Schmutzmenge typische (sich aus der Verschmutzung ergebende) Absorberparameter angegeben werden. Hierbei ist generell festzustellen, dass Verschmutzungsvorgänge bei grobkörnigeren und zweilagigen Schichtaufbauten weniger Auswirkungen auf das Absorptionsverhalten bzw. die lärmmindernde Wirkung zeigen. Auch die untersuchten Materialmodifizierungen vermindern durch die schmutzabweisenden Eigenschaften die Auswirkungen der Verschmutzung auf das akutische Verhalten des offenporigen Asphalts. Bereits existierende akustische Modelle zur Beschreibung von offenporigen Asphaltdeckschichten als poröser Absorber vor einer schallharten Wand beschränken sich bisher auf die Beschreibung des Absorptionsverhalten von offenporigen Asphalten im unverschmutzten Zustand. Mit den aus den Versuchen ermittelten Absorberparametern (im verschmutzten Zustand) sind die Modelle mittels Ausgleichsrechnung zwischen Mess- und Rechenergebnissen des Schallabsorptionsgrads auf ihre Eignung hinsichtlich der Übertragbarkeit auf verschmutzte Zustände untersucht worden. Die betrachteten Modelle sind aufgrund ihrer zugrundeliegenden theoretischen Annahmen und Voraussetzungen unterschiedlich gut geeignet, den Verschmutzungsprozess wiederzugeben. Aus den Modell- bzw. Ausgleichsrechnungen können für unterschiedliche Verschmutzungsstadien für die Berechnung des Schallabsorptionsgrads typische Eingangsparameter (Absorberparameter und Modellparameter) in Abhängigkeit von Mischgutsorte, Schichtaufbau, (schmutzabweisender) Materialmodifizierung und vor allem eingetragener Schmutzmenge angegeben werden. Es ist damit möglich, das Schallabsorptionsverhalten von offenporigen Asphalten über die Liegedauer zu prognostizieren. Dabei sind sinnvolle Annahmen über anfallende Schmutzmengen in Abhängigkeit der Liegedauer zu treffen. Die hier untersuchten Modelle betrachten den Verschmutzungsvorgang in vereinfachter Weise. Potentielle Erweiterungen der Modellvorstellung und Ansätze zu weitergehenden Betrachtungen (z.B. Extrapolationen, andere Umfeldbedingungen, verschiedene Verschmutzungsmechanismen) können jedoch in die untersuchten Modelle zusätzlich integriert werden.Road noise is an omnipresent problem in modern societies. Reducing noise emissions can be realised both by traffic measures and by technical measures concerning the vehicles and the road surface. Several approaches and both theoretical and practical solutions to build low noise road constructions have been made in the past or already exist. Porous asphalt (PA) is a possible solution to reduce noise already at its source due to its technical specifications, especially the comparably high void content. Among the noise reducing pavements they have the greatest potential to reduce road noise. Porous asphalt has been already used for several decades worldwide. Because of the high void content, which was continuously increased over the years, constructional and operational problems has appeared which need to be solved. A great problem is the decrease in noise reducing properties with longer life time of the pavement. The decrease in noise reducing properties of porous asphalt with longer life time is commonly based mainly on soiling and clogging of the porous structure. External effects determine the soiling of porous asphalt in a decisive way. That is why soiling rates are quite different according to the environmental conditions. Furthermore different soiling processes take place at once and partially intensify each other; other processes, e.g. rolling traffic, work against soiling and clogging processes. There have been attempts in the past to clean the porous asphalt layers with water under high pressure, however, with little success. Accordingly, the idea is to prevent porous asphalt from being plugged with dirt using polymer technology. There are three possible solutions: 1) Coatings which equalise the roughness of the pores. 2) Coatings which do not allow dirt adsorption on the pores’ surfaces or which make it easier to flush away adherent dirt with water. 3) Addition of polymers to the ready-mix of asphalt which has the same effect on the pores’ surfaces as described in 2) after the asphalt layer is built and cooled down. It has been proved in laboratory experiments whether a dirt-resistant surface of pores can prevent the porous structure from soiling and clogging. The soiling experiments described and conducted in this thesis should simulate the soiling process of porous asphalt in a realistic and reproducible way. Defined amounts of artificial dirt are applied together with controlled rain impact on different porous asphalts. The basic knowledge of soiling processes and their effects on sound absorption properties is needed to plan the experiments, to apply the adequate models and the interpretation of measurement and calculation results. Within this thesis it is possible for the first time to provide correlations between amount of dirt, stages of soiling and clogging on the one side and absorption parameters (void content, porosity, flow resistivity, structure factor, tortuosity) on the other side. Thus, the decrease of the noise reducing potential of porous asphalts can be precised by the development of sound absorption properties. Typical absorption parameters can be determined from the results of the experiments dependent on the applied amounts of dirt for different layer sequences and thicknesses as well as polymer modifications and coatings. In general, the influence of soiling processes on the sound absorption properties is lower for coarse-grained and double-layer porous asphalt constructions. The material modifications considered and applied in this work also show the tendency to diminish effects of soiling on the acoustical behaviour resprectively the sound absorption properties of porous asphalt. Existing acoustical models to describe porous asphalt as porous acoustic absorber in front of an acoustic resistant background only describe the sound absorption properties of porous asphalt without the impact of soiling. These existing models are proved whether they can also describe the sound absorption of porous asphalt with the impact of soiling. The applicability for this case was determined by using the adjustment theory between measured and calculated results of sound absorption properties with the experimentally determined absorption parameters. The quality of common models for porous asphalt considered in this thesis to describe the absorption behavior with the impact of soling is quite different. From the model calculations and the results of the adjustment theory typical parameters (absorption parameters and model parameters) can be specified dependent on asphalt mixture, layer sequences and thicknesses, material modification and especially the amount of dirt in the porous structure. Thus it is possible to predict the sound absorption properties of porous asphalt during its life time. Therefore reasonable assumptions about time-dependent amounts of dirt during the life time of porous asphalt have to be made (this thesis summarizes as well experiences with amount of dirt from different works and researches in the past). The soiling process is simplified for the use in the models. A more general and complex assumption of the soiling process (different environmental conditions, different main soiling processes, extrapolation) can be integrated in the common models for porous asphalt considered in this thesis