城市軌道交通聲屏障用塑料板材的選擇與測試方法

王春敏

(沙伯基礎創(chuàng)新塑料集團公司，北京 100022)

1 概述

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,城市軌道交通越來越多的出現(xiàn)在各大中心城市,軌道交通給市民出行帶來便利的同時,隨之而來的交通噪聲問題也引起廣泛重視。軌道交通,特別是高架段所產(chǎn)生的噪聲直接向周圍環(huán)境輻射,對人們生活環(huán)境的干擾極大,已經(jīng)成為影響城市生活質(zhì)量的重要問題之一。

聲屏障作為防治噪聲的重要手段之一,已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛采用。按照用途、結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、聲學原理的不同,聲屏障可以分為很多種類,最常見的是雙側(cè)直板式聲屏障,常見于橋梁兩側(cè),用于降低橋梁兩側(cè)居民生活區(qū)、學校或辦公區(qū)的噪聲等級。該類聲屏障具有結(jié)構(gòu)簡單,設計安裝方便,平面隔聲效果良好等優(yōu)點。但由于高速運行列車所產(chǎn)生的噪聲被雙側(cè)平行聲屏障反射疊加,區(qū)域內(nèi)的聲壓級別反而可能有所提高,因此對于其兩側(cè)的高層建筑物,雙側(cè)直板式聲屏障的降噪效果往往并不理想。針對該問題,在聲屏障設計上往往通過采用加裝內(nèi)側(cè)吸音結(jié)構(gòu),改變聲屏障與地面角度,采用全封閉式或半封閉式聲屏障設計等來予以解決。其中全(半)封閉聲屏障是指在區(qū)段上安裝封閉隧道形或頂端內(nèi)彎弧形隔聲結(jié)構(gòu),將列車行駛時產(chǎn)生的噪聲及反射噪聲隔離在聲屏障內(nèi),進而提高聲屏障的隔聲效果。考慮到聲屏障容易阻擋駕駛員視線,造成乘客空間壓抑感,多數(shù)全(半)封閉聲屏障選用透明材料。

透明聲屏障一般采用夾膠玻璃或有機類塑料板材作為主要制作材料。實際項目中選材主要依據(jù)降低噪聲要求的插入損失、現(xiàn)場的環(huán)境條件及其他要求決定,包括自然環(huán)境、周圍景觀、經(jīng)濟能力、防火、防雨、防老化、防炫目、防塵、安裝施工等要求。

2 透明聲屏障用塑料板材的特性

現(xiàn)代透明聲屏障用塑料板材可以采用聚碳酸酯(PC),亞克力(PMMA)、聚氯乙稀(PVC)、玻纖增強復合樹酯(FRP)等加工制作。其中PC和PMMA由于強度、透光性能及耐候性能方面的優(yōu)勢占據(jù)了絕大部分市場份額。

聚碳酸酯板材分為中空多層結(jié)構(gòu)板和實心板2種,都是將塑料粒子投入擠出機高溫熔化,然后通過不同模具連續(xù)加工生產(chǎn)而成。中空多層結(jié)構(gòu)板材,在我國已得到大量的應用,但由于中空多層結(jié)構(gòu)板材的單位面密度較低,其隔聲性能相對有限,因而在需要有較大插入損失的降噪環(huán)境中應用受到局限。同時,中空多層板材的視覺通透性受板材內(nèi)縱向加強筋影響,一般不甚理想,因而該種材料多用于受經(jīng)濟能力限制,對降噪要求不高,對周圍視覺景觀要求不太高的區(qū)域。實心板,也稱耐力板,在國內(nèi)外應用于聲屏障的實例很多。其主要特點是強度好,阻燃性能好,高低溫使用范圍廣,抗沖擊性能優(yōu)異,可有效防止撞擊造成板材破碎飛濺所帶來的二次損傷效應。由于聚碳酸酯材料本身熱變形溫度很高,在陽光曝曬等高溫條件下板材本身可保持原有的強度和變形模量,因此不易扭曲變形。但聚碳酸酯板材耐候性相對較差,長期風吹、日曬雨淋后,材料容易變黃發(fā)脆,透光率會明顯下降,因此針對聲屏障應用,必須對板材進行防紫外線處理。

另一種常用于制作聲屏障的透明塑料板材為亞克力(PMMA)板,其生產(chǎn)工藝一般有2種,一種是澆筑法,即將MMA單體、反應引發(fā)劑、合成添加劑等液體注入成型模具,然后在指定的溫度和壓力條件下讓單體聚合反應完成,最后形成所需的板材。另一種是擠出成型法,和上述聚碳酸酯板材成型類似,也是由PMMA塑料粒子在高溫擠出機中熔化,通過模具擠出板材,然后冷卻定型而成。一般而言澆筑法生產(chǎn)的板材厚度較大,板材內(nèi)各向應力比較平均,受熱/冷后材料各向膨脹/收縮比較均一。而擠出成型法生產(chǎn)受模具及定型設備能力的影響,厚度一般不大于25 mm(國內(nèi)生產(chǎn)的厚度一般不大于15 mm),板材內(nèi)各向應力控制受工藝及設備影響有較大差別,導致安裝受熱膨脹變形可能性也較大。同時澆筑法生產(chǎn)的亞克力板材其內(nèi)部高分子平均分子量和交聯(lián)程度都比擠出法大許多,因而熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性也相對較佳。亞克力學名為聚甲基丙烯酸甲酯,具有優(yōu)異的透光性能和耐候性能,板材表面硬度及光澤度比一般PC要高。但亞克力材料的耐溫性能較差,高溫下彎曲模量及彈性模量下降很快,材料易變形。亞克力常溫耐沖擊性能較PC差很多(僅為PC的1/30),破碎時容易飛濺。材料為易燃材料,需要對材料進行改性或?qū)ψ罱K聲屏障設施進行額外防火處理等。

3 透明聲屏障用塑料板材測試方法與應用原則

3.1 聲學設計與應用

全封閉或半封閉聲屏障多采用塑料板材或塑料板材與玻璃相結(jié)合的形式。在這種設計中,聲屏障兩側(cè)直立面可以采用夾膠玻璃板或厚透明塑料板,而上端弧形封閉面或半封閉面一般采用透明塑料板。這是由于塑料板材容易彎曲成型,同時塑料比重同玻璃相比僅為后者不到二分之一,因而方便整體結(jié)構(gòu)設計及安裝。依據(jù)《建筑聲學檢驗：氣載聲和沖擊聲的隔絕》(ISO717/DIN52210)的隔聲效果檢測表明,聚碳酸酯板材與玻璃相比,在8～12 mm厚度具有相近的隔聲效果,在12 mm以上厚度同玻璃相比具有更佳的隔聲表現(xiàn)。4 mm PC板材隔聲效果為27 dB左右,而12 mm時隔聲效果為35 dB。PMMA隔聲效果同玻璃或PC相比較差,在15 mm時的隔聲效果為30 dB。

3.2 光學性能

塑料板材光學性能一般測量如下指標：透光率,霧度及黃度。透光率及霧度的測試一般依據(jù)《透明塑料板材霧度和透光率測試標準方法》(ASTM D1003)予以檢測。而黃度的測量則依據(jù)《塑料黃度指數(shù)》(ASTM D1925)計算或測量而來。對高品質(zhì)原材料生產(chǎn)出來的板材進行檢測,PC板的透光率依賴厚度而不同,一般6 mm板材在84%～88%。亞克力板材的透光率為86%～90%。兩種板材的霧度基本相同,但對于某些沖擊改性亞克力板材,由于所添加的沖擊改性劑影響,其霧度會有所升高。而對上述指標而言,真正有意義的測量及評價是在板材使用中受風吹、雨淋、曝曬后的變化值。該內(nèi)容將在老化性能測量中予以詳述。

3.3 耐沖擊性能

由于聲屏障使用中不可避免的會受到石子、砂土等的沖擊,因而優(yōu)異的耐沖擊性能無疑可以提高聲屏障的使用壽命,降低維護及保養(yǎng)成本。更重要的是,當飛濺物撞擊聲屏障上時,具有優(yōu)異抗沖性能的透明材料不會破碎或者四處飛濺,從而避免造成對周邊行人或建筑物的損傷。目前對沖擊性能的測試有很多方法,例如ISO6603 Flexed Plate I MPact或者ISO180 Izod以及ISO179 Charpy沖擊等方法。但從實際聲屏障應用的角度分析,上述測試方法均有其局限性,或者是測試樣條尺寸過小,測試條件過于理想化,或者是沖擊強度不夠,不能模擬實際使用環(huán)境等等。因此國外常用《 加工工具安全性-小型數(shù)控機床或加工中心》(EN12415)中所用的測試方法,模擬物品在中高速條件下飛濺撞擊保護屏障,來判斷沖擊對透明材料的損傷結(jié)果。測試結(jié)果標明,12 mm厚的Lexan聚碳酸酯板材可以承受2.5 kg重物以225 km/h的速度所攜帶的沖擊能量而不破碎。當以缺口沖擊方式進行測試時,Lexan PC板材表現(xiàn)為韌性斷裂,而玻璃和亞克力板材則為脆性斷裂。同時Lexan板材在很寬的溫度范圍(-30～120 ℃)均能保持較高的沖擊強度。

3.4 耐磨損/刮傷性能

聲屏障應用環(huán)境一般比較惡劣,表面容易被污染,為保證聲屏障的美觀性,需要定期的清潔和保養(yǎng)。塑料板材的清潔一般采用高壓水沖。清洗過程中水流或板材表面附著的砂礫可能對材料造成損傷。因此,高等級聲屏障一般采用表面硬化處理技術增加耐磨損性或直接在生產(chǎn)中把板材表面輥壓出一定的紋理,從而降低刮痕造成的視覺影響。后一種處理方式一般僅限于對視覺通透性要求不高的場合。耐刮擦測試的標準依照《透明塑料材料表面耐磨損性能標準測試方法》(ASTM D1044)或(ISO 3537)進行。霧度增加值測試表明：PC板材或PMMA板材的差異依賴于制造板材的原材料以及工藝。一般而言,澆筑法生產(chǎn)的PMMA板材具有相對較好的表現(xiàn),而PC在初始階段霧度增加比較明顯,之后,PC或PMMA不同材料的霧度增加值差異則很小。因此,如果從增加耐磨損/刮傷性能的角度來考慮,PC或PMMA板材應當進行表面硬化處理,來提高其清潔性能、美觀性及使用壽命。

3.5 耐候性能

耐候性能是透明聲屏障使用中需要考慮的重要因素之一。塑料材料由于其分子構(gòu)成的特點,容易受太陽輻射,尤其是紫外線輻射的影響,從而引發(fā)材料降解,在表面形成微小的銀紋和開裂,而這些銀紋和開裂受雨水、灰塵和化品侵蝕成為進一步老化的源頭。影響高分子材料老化的主要因素包括地理位置、海拔、季節(jié)變化、當?shù)匚廴境潭鹊取Ｋ芰喜牧系哪秃蛐阅軠y試應依據(jù)《色漆和清漆模擬氣候及模擬輻射曝曬氙弧燈曝曬》(ISO1134)進行。相比之下,PMMA具有非常優(yōu)異的耐老化性能,人工加速老化試驗表明,10年后PMMA板材的透光率損失、霧度增加及黃度變化值大約分別為2%、5%及2%(依廠家和材料不同有所差異)。而PC板材只有對聚碳酸酯原材料嚴格控制基礎上,結(jié)合表面防UV處理才能保證優(yōu)異的耐老化性能。

3.6 燃燒性能

透明聲屏障在設計,尤其是采用全封閉或半封閉設計時必須考慮阻燃及防火的要求。由于在上述設計時聲屏障整體上處于封閉或半封閉狀態(tài),屏障內(nèi)車輛或人員一旦出現(xiàn)危急情況,如果屏障材料沒有良好的阻燃效果,后果將不堪設想。國外在聲屏障設計過程中,除了對于超過一定長度的封閉型聲屏障強制設置屏體緊急出口,增裝消防設施等舉措外,對聲屏障材料的阻燃等級及測試方法也作出了明確的規(guī)定。在材料能否自熄滅方面,《塑料材料氧指數(shù)測試》(ISO4589)或(ASTM D2863)給出了相應的依據(jù)。氧指數(shù)是材料能否自熄滅方面的評定指標,氧指數(shù)是在規(guī)定條件下,試樣在氧、氮混合氣流中,維持平穩(wěn)燃燒所需的最低氧氣濃度。氧指數(shù)高表示材料不易燃燒,氧指數(shù)低表示材料容易燃燒。測試表明,Lexan PC板材的氧指數(shù)為25%,而亞克力板材為18%,由于空氣中含有20%左右的氧氣,火焰要在Lexan板材表面?zhèn)鞑?則需要比空氣中濃度更高的氧氣。因而Lexan PC是一種自熄滅材料。而亞克力板材必須進行配方方面的調(diào)整來滿足這些防火性能上的要求。

4 結(jié)語

透明塑料材料用于聲屏障在國外已經(jīng)有多年的應用歷史,隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民群眾生活水平的提高,在我國噪聲控制領域也必將得到廣泛應用。在北京地鐵5號線,昌平線及房山線均已經(jīng)使用LEXAN?EXELL-D作為聲屏障的主要材料,如圖1和圖2所示。項目累積使用面積已超過7萬m2。但考慮到塑料透明材料在國內(nèi)市場上良莠不齊,檢測技術及方法并不為公眾所熟知,因而通過本文的介紹,希望為在我國噪聲控制技術領域普及上述材料提供有益借鑒。

圖1 北京地鐵5號線全封閉聲屏障

圖2 北京地鐵房山線半封閉聲屏障

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