新型輕質隔音砌塊技術研究

高 玲 朱文軒 王靖鑫 闞學生 姜志偉 王 蕊

（齊齊哈爾大學 黑龍江齊齊哈爾 161000）

0 引言

中國每年產生的廢舊輪胎數量已連續十年世界第一。廢舊輪胎再利用已成為環保的重大課題；我國秸稈資源每年產量約是6.4億t，但秸稈的利用率卻只有33%，大量秸桿因焚燒或成為燃料而被嚴重浪費。燃燒又帶來的霧霾等問題日益惡化著自然環境，因此研究秸稈纖維砌塊作為塊體材料具有重大意義。

橡膠顆粒廉價易得，質量輕、密度低、隔音防噪、防水抗裂等性能優良；秸稈質量輕，組織疏松，翹皮較多，有良好的吸音能力，結合二者優點將其作為輕骨料加入混凝土中，即可實現廢物利用而保護環境又能提升混凝土的聲學及力學性能。混凝土中，橡膠顆粒粒徑、摻量的不同以及秸稈摻量的不同對混凝土的吸聲隔音性能和抗壓性能都有很大的影響。本文采用超聲法對橡膠混凝土進行隔音性能檢測，研究橡膠與混凝土聲學間的變化規律，分析不同橡膠摻量對超聲波信號的影響，為制作優良的新型混凝土隔音砌塊提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料

（1）水泥：普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，實測28d抗壓強度為46.0MPa。

（2）細骨料：采用中砂，連續級配，細度模數2.7，表觀密度為2650kg/m3，孔隙率是 2.8。

（3）粗骨料：連續級配的碎石，公稱粒徑為5～10mm，表觀密度2720kg/m3，孔隙率 38%。

（4）秸稈：采用長度為20～30mm的玉米秸稈片狀纖維，表面用HCI[1]和6%NaOH化學改性劑進行處理，以加強復合材料的力學性能[2]。

（5）橡膠：采用手工裁剪的三種規格粒徑的橡膠，并用1%的NaOH溶液浸泡30min，除去橡膠表面的活化劑，以提高橡膠與水泥漿體間的結合力[3]。三種粒徑分別為1～2mm：表觀密度是842kg/m3；粒徑為3～4mm：表觀密度是920kg/m3；粒徑為5～6mm：表觀密度是1120kg/m3。

（6）水：普通自來水。

1.2 試驗配合比

實驗中，依據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）[4]，以C30為設計基準，試驗室配合比為1：1.708：3.04：0.540。不同粒徑的橡膠顆粒分別以0%、10%、20%、30%、40%的體積分數替代細骨料。張喜明、尹維亮等人對秸稈混凝土砌塊的試驗研究發現，按水泥重量的2%的比例將秸稈摻入到混凝土中，制成的砌塊不僅滿足C30的混凝土強度要求而且可以應用到實際建造中去[5]。在此為了排除其他因素之間的影響，只考慮把秸稈纖維以質量比為2%的摻量加入到混凝土中，具體配合比見表1。

1.3 試件制作

試件按照《混凝土試驗方法標準》規定制作，試件為150mm×150mm×150mm的立方體試塊。按表1的設計配合比稱取適量的水泥、石子、砂子、秸稈和不同粒徑的橡膠顆粒，將其倒入混凝土攪拌機攪拌25s，等原料混合均勻后加入水再攪拌160s。把混合好的混凝土倒入模具并振動60s，振動后清理模具且在溫度為（20±2）℃、相對濕度為95%以上的標準養護箱養護1d再脫模養護28d。每種粒徑的橡膠混凝土制作3個試件，共制作15個。養護28d后對試件進行超聲波檢測和抗壓性能檢測。

表1 C30輕質隔音混凝土設計配合比（每1m3的用量）

1.4 試驗儀器及檢測方法

抗壓實驗采用萬能液壓試驗機、強式混凝土攪拌機、混凝土振動臺等設備，根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GWT 50081—2002）測立方體28d抗壓強度。超聲檢測試驗采用北京時代山峰科技有限公司的SF-C61非金屬超聲檢測儀，使用縱波波形[6]，超聲法檢測框架如圖1所示。使用固定頻率的超聲波穿過不同條件下的混凝土試件，形成衰減正弦波，通過對比和分析波形的振幅來判斷超聲波能量在混凝土中的損失，由此得到橡膠混凝土試件吸聲隔音性的好壞。

超聲波是機械波的一種，機械波的能量的強弱可以由平均能流密度I表示。

式中：A——機械波的振幅；

ρ——介質密度；

ω——角頻率，ω=2π/T；

u——波速。

從式中可以得出，聲波能量的強弱與其振幅的二次方成正比，與其介質和波速正相關。在超聲波測試所得的波形圖中，可以直接讀取到波的最大振幅及波速等相關參數。從超聲波檢測儀發出固定振幅的聲波，聲波穿過混凝土試件再次被檢測儀接收到，此時由于橡膠和秸稈在混凝土中的摻量不同，聲波的能量發生不同程度的吸收衰減及散射衰減[7]，導致波的振幅及波速發生不同的變化。

2 數據處理分析

2.1 橡膠粒徑和摻量對混凝土超聲波聲速的影響

對三種不同粒徑的混凝土進行超聲波檢測，橡膠摻量與超聲波聲速的關系如圖1所示。

分析數據得到，橡膠混凝土的超聲波聲速比普通混凝土（摻量為0%）的聲速小，且隨著橡膠摻量的增加和粒徑的減小而減小。橡膠摻量為0%～10%區間時，聲速的下降幅度大；在摻量大于10%時，橡膠粒徑小的混凝土聲速下降幅度小于粒徑大的混凝土。聲速的傳播快慢與傳播介質的密實度為正相關，橡膠的密度遠小于砂的密度，所以橡膠等體積代砂降低了混凝土整體的密實度，必將減低混凝土超聲聲速。此外顆粒粒徑越小，相對表面積越大，顆粒與其他骨料形成的接觸面就越多，因此聲波穿過的空隙就越多，導致聲速下降越快。綜上述，橡膠顆粒使混凝土的介質密度ρ和聲波波速u都有所下降，根據平均能流密度公式，平均能流密度I也將下降，故聲波的能量也會變弱。

圖1 橡膠摻量與聲速的關系

2.2 橡膠粒徑和摻量對混凝土超聲波振幅的影響

用初始振幅相同的超聲波穿過混凝土試件，每組試驗所得的波形為非標準的正弦波，取每一波形的前五個振幅的平均值作為研究對象，整體而言，超聲波振幅隨著橡膠摻量的增加而減小，但與橡膠顆粒粒徑的相關性較差。橡膠混凝土的振幅比普通混凝土（摻量為0%）的振幅小；橡膠摻量處于0%～10%的區間時，粒徑為5～6mm和3～4mm的混凝土振幅下降較快；橡膠粒徑為1～2mm的混凝土在摻量是10%～20%時，混凝土振幅下降較快。橡膠混凝土的密度比普通混凝土的低，吸聲系數較大，故而消耗的聲波能量更多，振幅較小。徐運鋒學者還指出，橡膠混凝土結構的吸聲原理與引氣劑相似，橡膠顆粒通過增大混凝土內部孔隙量，達到增加消耗聲波能量的效果。通過分析得出，橡膠顆粒在混凝土中可以吸收或者消耗超聲波的能量，從而提高混凝土的吸聲隔音性能。

2.3 橡膠粒徑和摻量對混凝土抗壓強度的影響

混凝土的抗壓強度是衡量混凝土強度大小的基本指標，代表著混凝土合格與否，圖2為橡膠各粒徑和摻量與混凝土抗壓強度之間的關系。

圖2 橡膠摻量與抗壓強度的關系

橡膠粒徑不同、摻量相同時，混凝土試件的抗壓強度隨著粒徑的增大而變小；橡膠粒徑相同、摻量不同時，試件的抗壓強度隨著摻量的增加而變小。橡膠粒徑是1～2mm的混凝土，其抗壓強度在各種摻量下始終大于其于兩種粒徑的橡膠混凝土，原因分析為粒徑太小，混凝土內部空隙被橡膠顆粒填充，致使強度下降較少。所有粒徑的橡膠顆粒都會使混凝土的抗壓強度有所下降，楊春峰學者指出，由于橡膠顆粒難被水泥砂漿包裹，在漿體與橡膠的界面處易形成孔隙，增加了體系的孔隙率，降低混凝土的強度。此外，制作混凝土試件中發現，振動混凝土時橡膠顆粒易上浮至試件頂部，從而形成了結構強度的薄弱區，降低了混凝土的強度。總之，在保證橡膠混凝土抗壓強度合格的前提下，橡膠顆粒等體積代砂量宜為10%～15%。

3 結論

（1）加入秸稈纖維和橡膠顆粒的混凝土砌塊，以等體積代砂法加入橡膠顆粒時，隨著顆粒摻量的增加，穿過混凝土的超聲波的聲速、振幅逐漸下降，混凝土砌塊的吸聲隔音性能得到了提高。

（2）隨著橡膠粒徑的增大和摻量的增加，橡膠混凝土的抗壓強度逐漸降低。相同橡膠摻量時，橡膠粒徑尺寸與強度成反比。

（3）在保證混凝土擁有良好的抗壓強度條件之下，橡膠顆粒以10%等體積代替砂時，橡膠顆粒的吸聲效果最好，橡膠混凝土的吸聲隔音性能提高程度也最大。