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低噪聲瀝青路面降噪機理及研究進展
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低噪聲瀝青路面降噪機理及研究進展
2022年08月15日    閱讀量:52357    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:為了有效降低交通噪聲對人類健康的危害,促進低噪聲瀝青路面的推廣應用,對瀝青路面降噪機理及研究進展進行了綜述。介紹了路面噪聲的產生及增強原理,從內部和外部影響因素深入剖析多種因素對瀝青路面降噪效果的影響,總結了當前熱門前沿的輪胎/路 面噪聲數值仿真模型研究進展。根據調研結果,提出了現階段該研究領域的不足,并 對 低 噪 聲瀝青路面的發展進行展望瀝青網sinoasphalt.com??蔀榈驮肼暈r青路面進一步發展提供基礎資料和新的視角。

關鍵詞:低噪聲瀝青路面;降噪機理;影響因素;數值仿真模型


隨著社會和科學的進步,公路已經由最初的以保障通行順暢為目的逐步向可靠、綠色、智能、安全和人文等方面發展。降低路面噪聲,是綠色理念的主要要求之一。長期處于噪聲環境,會使人的心跳加速,從而導致精神緊張,煩躁不安等,同時還會增加患高血壓的風險,不僅影響著人們的身體健康,還會影響人們的精神狀況。降低道路的噪聲,改善居民和駕駛員行駛環境已成為行業發展的方向。


由于目前胎/路噪聲研究大多是基于路面和輪胎的室外噪聲測試結果進行分析,缺乏對噪聲產生機理的分析。該文對路面噪聲形成機理及其特性進行闡述,討論瀝青路面噪聲產生的內部影響因素和外部影響因素。但由于胎/路噪聲的復雜性,常規的經驗方法不能對輪胎噪聲進行準確的描述,因此介紹當前胎/路噪聲數值仿真模型的研究,并分析當前低噪聲瀝青路面存在的不足,為低噪聲瀝青路面的設計提供新的研究途徑,并為其發展提供參考和借鑒。


1 路面噪聲形成機理


汽車行駛中產生的交通噪聲主要由3部分構成:① 道路和輪胎 相 互 作 用 產 生 的 摩 擦 噪 聲;② 汽 車 自身的引擎機械振動產生噪聲;③ 汽車在行駛過程中空氣動力 噪 聲。BernhardR[1]將 人 們 所 聽 到 的 交 通 噪聲,根據它們的形成機理,進行耦合作用,如圖1所示。隨著車輛速度的增加,各種噪聲的 A 計權聲壓級都在逐漸增加,當車速大于50km/h時,輪胎/路面的摩擦噪聲成為主要交通噪聲源,其次是車輛自身的機械噪聲。在車輛速度到達一定水平后,汽車的空氣動力噪聲將超過引擎振動的機械噪聲。在低速行駛時,汽車的機械噪聲為主要噪聲源,而在高速行駛時,路面與輪胎作用產生的噪聲為主要聲源。

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滾動的輪胎與路面相互作用形成的噪聲主要包含6個方面。


(1)輪胎與路面沖擊噪聲汽車在行駛中,輪胎表面花紋與路面發生撞擊,在撞擊時車輪表面會產生徑向模式和切向模式的波動激勵從而形成噪聲,一般這類噪聲在1000 Hz以下,控制路面的平整度能有效降低這類噪聲[2]。


(2)輪胎的泵吸效應輪胎主要由彈性體構成,車輛行駛過程中,輪胎凸起的花紋會壓縮導致溝槽內空氣壓力急劇增大;輪胎滾動后,壓縮的空氣排出,形成噪聲;當輪胎接觸部分完全離開后,溝槽腔體恢復到原狀,腔體內壓力變小產生強度較弱的噪聲。腔體的空氣壓縮和膨脹即為泵吸效應。Hayden指出輪胎的摩擦和切向模式波動激勵是產生泵吸的原因。提出單極子聲源花紋溝的聲壓級公式,但是這個模型對輪胎花紋進行大量簡化,不能準確地模擬胎/路噪聲[3]。


噪聲與溝槽的參數密不可分,在實際輪胎生產中,對溝槽深度有一定的要求,可以認作定值,在模擬分析中通常只考慮花紋溝槽長度與寬度。當路面平整無空隙時,泵吸產生的噪聲是輪胎/路面噪聲主要聲源,鋪筑多空隙或者半空隙路面材料,能有效降低泵吸效應產生的噪聲。


(3)氣柱共鳴噪聲汽車行駛時,輪胎溝槽和路面形成管道,當聲波的相位差為180°時,并且固有的頻率和發聲頻率相同時會產生共振噪聲。Sandberg[4]通過諧振器模擬了輪胎溝槽內空氣共振現象,發現這種現象是在腔體尺寸小于聲波長度時發生的。這種由空氣共振產生聲音的現象通常描述為“管風琴”效應,較短的路面紋理能有效控制此類噪聲。


(4)輪胎的黏滯機理輪胎和路面進行接觸的時候在荷載作用下會產生切向力,花紋塊也會產生徑向的變形,產生由遲滯力和黏附力組成的“黏滑效應”,使輪胎胎體和胎側產生振動噪聲[5]。張濤[6]對輪胎模態和振動噪聲進行數值分析發現:在輪胎接觸路面后產生的高頻噪聲是由于胎/路之間摩擦和黏滯作用產生的切向變形,可以通過優化輪胎花紋圖案降低此類噪聲。


(5)空氣擾流噪聲車輛行駛會導致輪胎周圍的空氣亂流,在車輪行進方向的空氣會被分開,而后方的空氣會被卷入,引起周圍空氣振動,從而引起聲壓變化產生噪聲[7]。


(6)喇叭筒效應輪胎前邊緣由圓形的輪胎和路面之間的氣體構成了喇叭筒形狀,由于幾何作用,放大了噪聲和其他聲源的聲音[8]。黃林[9]經過噪聲的數值分析計 算,發 現 噪聲增強主要是由于汽車行駛中輪胎與路面會產生一個夾角,像一個“喇叭口”形狀,導致的聲散射。


2 輪胎/路面噪聲影響因素


2.1 內部因素


2.1.1 輪胎種類


美國 NACT[10]采用噪聲檢測車對美國常用的輪胎進行噪聲測試,結果如表1所示??梢园l現:ASTM標準的光滑輪胎不存在空氣泵噪聲,產生噪聲最小,但此類輪胎不含花紋,抗滑能力不足,不同類型的輪胎噪聲差值能夠達到4dB(A)。黃林[9]針對3種不同花紋的輪胎進行邊界元分析,發現在低頻的噪聲中,花紋的傾斜角度和深度對噪聲沒有明顯的影響;但是在高頻噪聲中隨著傾斜角度增加,噪聲越大,隨著花溝槽深度增加,噪聲放大作用減弱;毛飛[11]通過對輪胎 進 行 室內噪聲分析測試,發現采用多節距變化的胎面花紋,能夠使集中的聲能量分散成寬頻帶的聲音,從而使聲音變得順滑。

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通過研究可以發現:各種輪胎產生噪聲大小順序為:縱向直線花紋=光面<縱向普通花紋<雙向混合花紋<越野花紋=橫向普通花紋<橫向直線花紋。


2.1.2 路面空隙率


泵吸效應也是胎/路噪聲產生的主要來源之一,泵吸效應產生的噪聲是由于輪

胎的花紋塊受到了擠壓變形。當輪胎接觸的路面含有大量的空隙時,空氣與空

隙之間存在摩擦和黏滯阻力,在通道內摩擦并消耗能量,將聲能轉化為熱能噪聲將會大為降低。圖2、3為普通路面與多空隙路面噪聲反射圖,多空隙的路面存在許多的微管和窄縫,空隙間相互連通,減小壓縮空氣爆破聲音,并對噪聲產生反射、衍射[12]。

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Steven[13]認為:采用多空隙瀝青混凝土可以使噪聲降低2~5dB(A);魏 建 軍[14]采 用 駐 波 法 對 具 有 不同空隙率的混合料進行吸聲系數測量,試驗結果如圖4所示。由圖4可知:吸聲系數隨著瀝青混合料的 空隙率增大而增大,吸聲系數峰值與空隙率之間大體存在線性關系。表明增加瀝青混合料的連通空隙率有助于提高路面的吸聲功能。

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王宏暢[15]通過有限元軟件 Abaqus對多孔隙瀝青路面吸聲結構建立聲-固耦合模型,對其吸聲性能進行數值仿真模擬,分析不同路面空隙率水平下輪胎/路面噪聲的分布規律,如圖5所示。由圖5可知:噪聲隨空隙率的增大而快速減小,當空隙率達到30%時,噪聲減少量達到4dB(A)。與魏建軍等的試驗結果相似。

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為了改善單層多空隙瀝青混凝土的風砂堵孔、結構強度不足等問題,出現了雙層多空隙瀝青路面結構,可以有效地減緩降噪效果的衰減,王宏暢[15]通過數值仿真模擬分析雙層多空隙瀝青路面降噪效果,發現下層空隙率是影響雙層多空隙瀝青路面吸聲性能的最主要因素,基本隨著下層空隙率增 加,吸 聲 性 能 也 在 增大;吳文彪[16]利用駐波管法測試雙層多空隙瀝青混合料的吸聲系數發現:當上層混合料空隙率增大時,路面降噪性能增強,隨著下層空隙率增大,路面的降噪性能卻在降低,和王宏暢的研究具有相異結論,對此尚具有較大的爭議,當前中國對雙層多空隙瀝青路面的研究非常少,還亟需學者進一步探究。


2.1.3 路面厚度


路面材料厚度對吸聲性能也有著重要的影響,吸聲材料厚度決定了材料的吸聲系數和頻率范圍。增加吸聲材料厚度,材料的重量也相應增加,導致第一共振

頻率往低頻方向移動,使得對低頻的吸聲性能顯著提高,但對高頻吸聲性能影響較?。郏保罚?。聲波射向多孔材料的邊界會衍射到材料內,聲波在材料中傳播一定距離后,其聲壓衰減e-1。


當路面厚度超過透射深度,實際上具有無限厚度的聲阻抗和 吸 聲 系 數。張 麗 宏[18]利 用 有 限 元 軟 件 模擬,建立了噪聲和厚度之間的關系曲線,如圖6所示,噪聲隨著厚度的增加而減??;齊琳[19]通過試驗測定頻

率值分別為630、1000Hz時,厚度不同的多孔瀝青混合料的吸聲系數的變化,如圖7所示。由圖6可知,當瀝青路面厚度增加,噪聲呈線性下降,在路面厚度值小于30mm 時最為顯著,但當路面厚度大于30mm 以上時,這種降低的效果不再顯著。為了滿足路用性能要求推薦的降噪路面厚度合理范圍為3.8~5.1cm。


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瑞典專家 Bendtsen [20]根 據 路 面 材 料 厚 度、空 隙

率對減噪效果的影響總結了一個關系式:

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2.1.4 路面材料黏彈性


汽車在行使過程中,肯定會發生振動,產生噪聲。橡膠瀝青混凝土中的橡膠顆粒和瀝青都屬于良好的阻尼材料,導致路面動態模量減小和相位角增大從而提

高路面減振能力[5]。


橡膠瀝青混凝土路面降噪機理:① 橡膠瀝青的級配一般是斷級配具有較大的構造深度,空隙率增加,路面結構具 有 更 多 的 內 部 連 通 空 隙。在聲波傳到路面時,會被混合料中的微縫吸收,并且在傳遞過程中,由于聲波與空隙壁之間摩擦和黏滯阻尼的作用,使得部分聲波耗散,從而達到 抑 制 噪 聲 的 效 果;② 由 于 橡 膠粉的高彈性改善了路面阻尼性能,減小了路面阻尼振動,可以有效降低噪聲的產生從而減少噪聲。


王凇和Shatanawi對于不同膠粉的摻量對降噪效果進行分析,發 現 隨 著 膠 粉 摻 量 增 加,聲 壓 級 不 斷 降低,減振降噪能力越好[21]。廣東中山105國道的鴉崗路段,分別采用了SBS改性瀝青和橡膠粉瀝青混凝土鋪設的試驗路段,通過對行車噪聲進行檢測可以看出:


采用SBS改性瀝青混凝土噪聲明顯大于采用橡膠粉瀝青 混 凝 土,當 速 度 達 到 120km/h,兩 者 相 差 達 到5.4dB(A)[22];樂 興 堃[23]通 過 噪 聲 測 試,測 得 普 通 瀝青路面、大孔隙橡膠瀝青路面、普通橡膠瀝青路面3個不同路面的等效噪聲。大孔隙橡膠瀝青路面比普通瀝青路面和普通橡膠瀝青路面平均等效聲級分別降低4.9、1.8dB(A);許 雪 瑩 等[24]發 現 當 橡 膠 粉 摻 量 為3%時,密實型路面的動態模量最小,其減振降噪效果最好。為進一步提高降噪能力,日本引入了多孔彈性路面,這是一種復合型降噪路面,在混合料中摻入橡膠顆粒,并使用聚氨酯樹脂進行固結,路面材料空隙率為30%~40%,同時具有減振降噪和多孔吸聲降噪的特點[25];曹衛東[26]通過室外現場檢測發現,多孔彈性路

面對小汽車降噪能力可達13dB(A),對輕卡車和重車達到6dB(A),但此種路面雖然降噪效果突出,但施工技術復雜,造價較高,相應的研究還比較少。


2.1.5 最大公稱粒徑


瀝青混凝土集料的尺寸、表面紋理、攤鋪厚度以及空隙率都受到最大公稱粒徑的影響。若混合料的空隙率和構造深度相似時,采用粒徑較小的集料,混合料空隙的孔徑較小,容易生成更多連通的細微空隙,從而有效地提高吸聲性能。


王?。郏玻罚堇眉铀俣确M室外現場路面噪聲,分析了級配最大公 稱 粒 徑 與 噪 聲 的 A 計 權 聲 壓 級 之 間的關系,芬蘭專家JarkkoValtonen[28]等,通過在試驗路段現場測試,也分別評價了最大公稱粒徑為5、8、11和16mm 的SMA 型瀝青混合料的噪聲水平。


兩位學者做了類似的試驗,由于他們試驗路段選取不一樣,瀝青材料,溫度、濕度以及測試速度等不一致導致測得的噪聲水平具有一定差值。但是從他們試

驗結果也得出了相似的結論:隨著集料粒徑增大,噪聲水平具有明顯上升趨勢,SMA-5的輪胎路面噪聲值要比 SMA-16的輪胎路面噪聲值低近5dB(A),由于混合料粒徑的減小,對于多孔瀝青路面單個空隙的體積減小,混合料內部空隙增多進而改善了混合料內部微空隙結構,對于密實型瀝青路面,隨著路表混合料集料粒徑的減小,由路表激勵引起的輪胎振動噪聲將相應減小,同時還可以改善路面的紋理狀態,增加輪胎下碎石數量,每顆碎石與胎/路噪聲產生相互干涉,達到降低噪聲的效果。因此低噪聲瀝青混合料宜選用小粒徑多微空隙的礦料結構。


2.2 外部因素


2.2.1 路表指標


路面凸凹不平和其他一些隨機無規則障礙物(如井蓋)也增加了輪胎/路面噪聲和車體振聲。在不平整的路面,噪聲值可能會提高3~4dB(A),提高路面平整度和經常維護路面平整對于降低交通噪聲十分重要。孫立 軍[29]等在上海市選取 了國際平整度指數IRI 變化范圍為2.76~7.24的10條路段,研究噪聲與平整度之間的關系,發現在各個速度值下,IRI 值的增加,最大噪聲級Lmax 也會增加。


熊潮波[30]為科學分析輪胎與路面產生的車外噪聲機理,探究瀝青路面路表指標與車外噪聲間的相關影響關系,選取了某市兩段單向四車道的高架路段作為試驗路,試驗路段瀝青路面的車外噪聲采用滑行法測量,研究國際平整度指數IRI、路面抗滑值BPN 和構造深度TD 3個路面路表性能指標對瀝青路面噪聲的影響。試驗結果中噪聲基本不受抗滑值影響,與路面平整度IRI 及構造深度TD 的乘積有關,當IRI×TD=1.112時,車外噪聲達到最小值。


2.2.2 氣候條件


一般來說,高溫條件下,由于輪胎的軟化導致輪胎的振動噪聲減弱,從而降低了輪胎/路面噪聲。通過統計通過法(SPB)檢測表明:溫度每升高1 ℃,普通瀝青路面降低噪 聲0.10dB(A),多孔瀝青路面噪聲降低0.06dB(A)[31]??諝鉂穸葘喬ィ访嬖肼暃]有顯著影響。噪聲和空氣濕度沒有關系因為噪聲是頻率成分,而濕度不會對頻率產生影響。一般情況下路面溫度與空氣溫度之間還存在著溫差,噪聲傳播方向會發生改變,向著溫度較低的方向傳播,風向同樣對噪聲傳播產生影響,在 順 風 情 況 下,噪聲會沿著地面方向傳播[32]。


3 低噪聲瀝青路面數值仿真模型


3.1 理論計算模型


瀝青路面噪聲影響因素眾多,空隙率、平整度、構造深度等指標往往是牽一發而動全身,不能對每一個影響因素進行有效的單獨分析。研究者們為了實現噪

聲的定量化 分 析,建 立 輪 胎 解 析 模 型,經 歷 了 圓 環 模型、圓環- 彈簧模型再到薄殼模 型以及 Kropp 模 型(綜合物理模型)。最初只是把輪胎看作一個有張力的圓環,到現在模型采用聲源疊加技術建立解析支撐板模型,考慮了輪胎在轉動中會產生徑向振動和喇叭效應產生二維聲輻射,然而此模型僅在低頻范圍內與試驗結果部分符合。這些模型大多從輪胎出發未考慮不同路面材料和結構對噪聲產生的影響,而且計算過程復雜、繁瑣,因此沒有推廣應用的價值。因此難以純粹從解析角度預測和模擬輪胎噪聲的特性。


3.2 數值仿真


由于輪胎噪聲機理的復雜性,解析方法和經驗方法都不可能對輪胎噪聲進行精確和可靠的預測。因此近年來,隨著計算機技術高速發展,越來越多的學者采

用有限元、邊界元等數值仿真方法對輪胎噪聲進行研究[33]。Sungtae等[34]在計算空氣泵吸產生的噪聲時,利用柯西霍夫積分和 CFD 計算流體力學的方法。但這種方法僅僅考慮了簡單的橫溝情形,沒有考慮復雜

的橫溝和縱溝產生的影響;余潔冰等[35]根據輪胎溝槽與空氣的相互作用關系,建立了流-固耦合模型,模擬在荷載作用下輪胎溝槽的開閉過程,計算壓力差來得到泵吸效應產生的噪聲。這個模型沒有考慮輪胎的轉動,產 生 較 大 的 誤 差,與 真 實 情 況 不 符;Nakajima等[33]利用有限元軟件,分析輪胎的模態,并將 計 算 出的輪胎固有頻率代入邊界元聲學軟件中得到噪聲數值。但該方法是一種頻域求解方法,沒有考慮輪胎花紋形式且計算過程繁瑣;王國林等[36]提取輪胎轉動時表面節點加速度,作為聲學邊界條件,進行輪胎振動噪聲的計算。其缺點是未計算泵吸效應產生的噪聲,也無法模擬輪胎花紋對噪聲的影響;Y.T.Wei[37]等利用LabVirtual仿真軟件進行有限元分析,考慮了輪胎的花紋以及輪胎的材料特性和受載情況,模型符合實際的情 況;馮 希 金[38]基 于 混 合 拉 格 朗 日 - 歐 拉 方 法(MLE),建立了時域有限元仿真模型計算噪聲,此 模型考慮輪胎的轉動,通過與試驗結果比較可知,該方法有相當的可靠性;謝永[39]使用掃描儀獲取典型瀝青路面的表觀紋理,得到路面對于輪胎的激勵作用函數,構建“空氣-輪胎-路面”三維泵氣噪聲模型。這種模型考慮了路面表觀紋理對胎/路噪聲的影響,未考慮路面的空隙率、路面厚度以及材料吸聲系數對噪聲產生的影響。


4 存在的問題與展望


4.1 目前研究中存在的不足


(1)噪聲機理方面,關于輪胎振動噪聲和氣動噪聲仍缺乏有力的研究數據,其內在關聯以及在輪胎噪聲中的具體占比并未完全明確。


(2)目前國內外提出了多種室內外噪聲測試方法和標準,但都存在一定局限性,室外檢測并無法完全消除環境噪聲的干擾,室內檢測不論是“混響室法”還是“駐波法”都是從外部產生噪聲源,與胎/路噪聲產生機理和降噪對策不一致,對改善路面黏彈性降低胎/路振動噪聲的降噪效果評價并不顯著。建立一種室內便捷有效的胎/路噪聲測試方法還需要進一步深入研究。


(3)通過鋪筑大量試驗路研究發現胎/路 噪 聲 主要影響因素是:車速、荷載、混合料空隙率、路面材料黏彈性、路面厚度、級配等,但各個影響因素對噪聲影響的顯著程度,尚存在較大的爭論。


(4)雖然仿真軟件日新月異且計算速度有大幅度的提高,但是在仿真計算中對胎/路噪聲仍進行了大量簡化,如何又快又準確地用仿真手段針對不同類型輪胎進行可靠、有效的噪聲水平預報及研究,仍待探索。


4.2 展望


(1)為了使中國在 不 同 地 區、不 同 道 路 的 路 面 噪聲水平評價中具有可比性,室外試驗應更加規范化,建立輪胎/路面噪聲與室內路面材料聲學性能的關系。


(2)開展大規模的 道 路 噪 聲 評 價,建 立 中 國 典 型道路路面噪聲庫,積累完整、可靠、長期的路面噪聲數據,為瀝青路面噪聲機理研究奠定數據基礎。


(3)基于輪胎/路面噪聲產生機理,確定不同機理產生噪聲所占比例,從而建立針對性的低噪聲瀝青路面結構設計方法。


(4)隨著計算水平的提高、基礎理論的完善,以仿真方法對未知世界真理的探索必然是未來研究輪胎噪聲不可或缺的手段之一。輪胎噪聲問題本就是多場耦合問題,要從單一場計算向多物理耦合場轉變,對流-固耦合、聲-固耦合、流-固-聲耦合的研究是大勢所趨。同時也要從線性問題求解向非線性問題發展,輪胎材料結構變形、流場改變都是非線性問題,僅靠線性理論根本無法解決。


5 結論


(1)輪胎/路面噪聲的產生機理主要包括輪胎與路面沖擊振動、氣柱共鳴、輪胎黏滯作用、泵吸效應等多種類型,噪聲增強機理主要有胎體與胎側振動、喇叭筒效應、內部聲學共振等多種形式,噪聲產生的機理和噪聲增強的機理難以進行準確的區分,大多數情況都是共同存在的,是受到多種因素影響的復雜問題。


(2)瀝青路面選擇 小 粒 徑 多 空 隙 礦 料 結 構,加 大材料 的 空 隙 率,并 提 升 施 工 工 藝 使 IRI ×TD =1.1158時,路面具有較低的噪聲水平,但不能盲目追求高空隙率,追求低噪聲的同時,為滿足路用性能要求

路面厚度宜控制為3.8~5.1mm。


(3)橡膠材料不僅 對 聲 能 具 有 黏 滯 性、內 摩 擦 吸收、熱傳導吸收和分子馳豫吸收的特點,且具有良好的阻尼及高彈性,使得橡膠瀝青路面具有較高的吸收振動和沖擊性能,適當增加橡膠摻量,可以減少路面振動達到降低路面噪聲的目的。


(4)大多數學者都停留在材料和級配方面去研究低噪聲瀝青路面。研究者缺乏采用力學公式、聲學公式和經驗公式相結合的方法對輪胎/路面噪聲進行理

論研究,并利用有限元軟件對噪聲進行有限元仿真提出胎/路噪聲耦合預測模型。從機理出發,在設計階段對低噪聲瀝青路面進行標準化的噪聲水平評價。



參考文獻:略


來源:中 外 公 路 2022 年 2 月

作者:何虹霖 1,鄒曉翎1,2,葉向前1,曾濤1

(1.重慶交通大學 土木工程學院,重慶市 400041;2.重慶交通大學 土建材料國家地方聯合工程實驗室,重慶市 400041)


標簽:今日頭條,綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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