輕骨料混凝土吸聲性能研究

李玉平，虞秀勇，胡勝

（1.湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082；2.國網湖南省電力有限公司 電力科學研究院，湖南 長沙 410007）

隨著公路[1]、鐵路[2]、航空[3]及工業[4]的快速發展，噪聲成為了嚴重危害人體健康的污染源之一[5-6].為了降低噪聲危害，為人們營造健康的安靜環境，吸聲材料的研發成為了具有較大實際應用價值的研究方向[7-9].

本文所用的輕骨料是頁巖陶粒經破碎篩分獲得，呈鋸齒狀，具有大量連通狀、蜂窩狀孔隙，用其制作的混凝土具有質輕、孔隙曲折，孔隙率大、保溫、吸聲、易加工等特點，是一種環境友好型吸聲材料[10-11].肖建莊[12]提出：骨料性能對混凝土強度影響較大；配制中等強度材料時，影響程度次之；配制低強度材料時，再生骨料對其強度的影響最小.頁巖陶粒混凝土的強度較低，但是中低頻吸聲性能較好[12-13].Park等[14]指出當材料的孔隙率為25%時，降噪系數是最佳的，但不同形狀骨料的質量分數對材料在中低頻的吸聲能力的影響很小.Kim 等[15]認為骨料類型和粒徑，以及單層和雙層多孔混凝土試樣對聲學特性有較大影響.不同類型骨料在同一頻率下吸聲能力具有明顯差異，同時雙粒徑吸聲材料吸聲能力相對較好.Kim 等[16]研究表明，發泡劑和纖維都能有效地提高多孔性和吸聲性能.目前全部由頁巖陶粒作為骨料制備的輕混凝土材料的吸聲性能研究較少.

本文以破碎后的頁巖陶粒為骨料，以水泥為膠凝材料，制備了輕骨料混凝土，討論了其吸聲特性.研究了頁巖陶粒粒徑、水泥用量、纖維摻入量、發泡劑添加量、試塊孔隙及“試塊+背腔”，“試塊+試塊”串聯等對中低頻范圍內吸聲性能的影響.用頁巖陶粒替換天然骨料（砂石）制備輕集料混凝土，有利于環境保護和砂石資源的循環利用[17-20].通過研究材料的吸聲性能，改變材料結構，改進粒徑、背腔、孔隙、纖維、發泡劑等工藝，實現對材料吸聲性能的提升.

1 實 驗

實驗材料：42.5 級普通硅酸鹽水泥；經破碎篩分的頁巖陶粒，粒徑變化范圍為3～15 mm，堆積密度約為500 kg/m3；長度為5 mm 的短切聚丙烯纖維；發泡劑是質量分數為30%的H2O2；市售硅灰；聚羧酸系減水劑；一級粉煤灰.

試樣制備：按水灰比（質量比）為0.33、骨灰比（質量比）為0.14，硅灰、減水劑用量為膠凝材料質量的1.5%配制試樣.根據配料表，先稱取水泥、硅灰、粉煤灰、外加劑等原料；再依次稱取不同粒徑的已潤濕的頁巖陶粒.實驗時，將水泥、外加劑及水（部分）等依次加入砂漿攪拌機攪拌均勻后，再加入某一粒徑已預濕的陶粒（注：陶粒的量以干基計算，潤濕陶粒的水計入配料的水量中）及纖維，攪拌90～180 s，加入適量的發泡劑（H2O2）.再攪拌20～30 s 后，倒入已在內表面均勻涂上脫模劑（機油）的直徑為98 mm、高為50 mm 的圓柱形模具中，砂漿注模后在振動機上振動30 s，夯實后放在通風處養護1 d，脫模后繼續養護14 d，即為制得的試塊（圖1）.表1 是一組采用了5種單粒級的陶粒制備的試塊材料的配料表.

圖1 試塊制備的工藝流程圖Fig.1 Preparation processing flow chart of test block

表1 吸聲試塊材料的配料表Tab.1 The formula of the sound absorption test block material

吸聲性能表征：采用L 型駐波管吸聲系數測定儀，根據GBJ 188—1985《駐波管法吸聲系數與聲阻孔率測量規范》，測量材料各個頻段吸聲系數.樣品直徑為96 mm，長度不小于50 mm，測量頻率為60～1 600 Hz.

2 結果與討論

2.1 水泥用量對材料吸聲性能影響

水泥用量與陶粒混凝土材料最終性能密切相關.表2 列出了水泥用量對吸聲性能的影響，由表2 可知，A～D 試塊，隨著水泥用量的增大，其孔隙率有所減小，抗壓強度及密度有所增大，平均吸聲系數有所增大，在550～650 Hz 時出現最大吸收峰，峰值為0.45～0.73.D 試塊峰值最高，C 試塊次之，A 試塊峰值最低.B 試塊在100 Hz 有第2 峰，峰值為0.26（圖2）.隨著水泥用量增加，吸聲能力逐漸提升后下降（表2）.這是因為試塊孔隙率略有減小，但孔隙曲折程度增加，孔隙更為復雜，因而吸聲系數增大，同時抗壓強度隨之增加，但水泥用量過多時，會堵塞孔隙，降低吸聲性能.

表2 水泥用量對試塊吸聲性能的影響Tab.2 Influence of cement content on sound absorption performance of test block

圖2 不同水泥用量試塊的頻率-吸聲系數曲線Fig.2 Frequency-absorption coefficient curves of different cement content test blocks

2.2 骨料粒徑對材料吸聲性能的影響

骨料（頁巖陶粒）粒徑變化對材料的吸聲能力有較大的影響（表3）.試塊分別在200 Hz 和1 250 Hz時吸聲系數較低，在500～650 Hz 區段吸聲系數達到峰值，其吸聲系數值達0.6～0.85.試塊5 吸收峰值最高，試塊4 較低.試塊3 峰值往低頻（500 Hz）方向偏移（圖3）.從整體上看，試塊5 吸聲性能較好，試塊2次之，試塊4 吸聲性能較差.采用單粒徑陶粒制備的試塊，其孔隙率較大，孔隙曲折程度較低，孔隙多為連通大孔，表現在試塊的吸收峰較少，且吸聲峰僅出現在單一頻段中，平均吸聲系數也較低，因而整體吸聲效果較差.隨著陶粒粒徑增大，內部孔隙會有所增大，前后貫通，且在大粒徑骨料中，分布有較多的均勻性閉口氣孔，因此采用較大粒徑制作的試塊在中低頻段整體的吸聲性能有所提升.

表3 陶粒粒徑對試塊吸聲性能的影響Tab.3 Influence of ceramsite size on sound absorption performance of test block

圖3 不同骨料粒徑試塊的頻率-吸聲系數曲線Fig.3 Frequency-absorption coefficient curves of different aggregate size test blocks

2.3 纖維摻量對材料吸聲性能的影響

纖維摻量也會影響材料的吸聲性能.按表1 中試塊4 的配合比，固定水泥用量為179 g，依次增加纖維摻量（表4），所得試塊在600 Hz 附近均有最大吸收峰，峰值約為0.6.摻入纖維量較多的C2、C3 試塊平均吸聲系數較未摻纖維或摻入纖維量少的C、C1 試塊均有所提高，更重要的是，這兩個試塊在1 600 Hz 附近又開始出現新峰值（圖4）.總體上說，添加纖維的試塊整體吸聲性能優于未添加纖維的試塊，但添加纖維過多，對吸聲性能的提高有所減緩，C3 試塊的吸聲性能，反而略遜于C2 試塊.

表4 纖維摻入量對試塊吸聲性能的影響Tab.4 Influence of fiber content on sound absorption performance of test blocks

圖4 不同纖維摻量試塊的頻率-吸聲系數曲線Fig.4 Frequency-absorption coefficient curves of different fiber content test blocks

聚丙烯纖維在材料中使各孔隙相互連通，形成網格結構，同時聲波傳入時，使纖維發生反復振動，動能轉化為熱能.故其可使材料的吸收峰略微偏移，且可稍微加大吸收峰寬度、增大吸收峰面積；過多纖維會發生團聚，堵塞孔隙，使得材料吸聲性能略微下降.聚丙烯纖維摻量為2%，可能是一個理想的摻加量（表4）.

2.4 發泡劑對材料吸聲性能的影響

發泡劑添加量直接影響了材料的孔隙率，進而也影響了材料吸聲性能.采用表1 中試塊4 的配合比（水泥用量為179 g，10～13 mm 粒徑的陶粒25 g，水60 g 以及相應的助劑），添加不同量的發泡劑（H2O2），制備了編號為C4～C6 的試塊（表5），測量了其吸聲性能（圖5）.由圖5 可知，各試塊在600 Hz 附近都有最大吸收峰，峰值約為0.65～0.75，其中C5 試塊的吸收峰值最高，C6 次之，C4 最低.但C4 試塊除了有峰值為0.45 的主吸收峰外，還在100 Hz 及300 Hz 附近有小的吸收峰，其值分別約為0.15、0.3（圖5），由此可知，其吸聲性能有所提高.

圖5 不同發泡劑摻加量試塊的頻率-吸聲系數曲線Fig.5 Frequency-absorption coefficient curves of samples with different dosage of foaming agent

表5 不同發泡劑摻入量對試塊吸聲性能的影響Tab.5 Influence of different dosage of foaming agent on sound absorption performance of test blocks

制備試塊時，加入適量的發泡劑（H2O2），可顯著增加材料內部連通孔隙，并使孔隙分布均勻、大小均勻，從而提高材料吸聲性能.但H2O2過多，會使得材料穿孔過多，孔隙率過高，開口孔較多，聲波不能在材料內部反復傳播，使得材料吸聲性能略微下降.如同在試塊制備時添加短切纖維類似，發泡劑的加入也有一個最優的量.

2.5 背腔對材料吸聲性能的影響

對表1 中的5 個試塊各增加一個50 mm 厚的背腔，將“試塊+背腔”當成一個樣品來測量其吸聲性能.“試塊1+背腔”記為1（5），其中1 表示樣號，見表1；樣號后的“（5）”表示加了50 mm 的背腔，其余類推.圖6 為“試塊+背腔”樣品的頻率-吸聲系數曲線，由圖6 可知，各試塊增加了50 mm 的背腔后，其吸聲系數有所提高，吸聲峰的位置也有所偏移，分別在300～400 Hz、1 300～1 600 Hz 內出現了最大吸收峰，峰值分別達到了0.5～0.7、0.7～0.9.在高頻段1 300 Hz之后，可見到吸聲系數在不斷提高，但卻沒有形成一個完整的峰，說明高頻時吸聲效果有顯著提高.試塊1 號和2 號在1 000～1 500 Hz 吸聲系數略高于其他試塊；3 號試塊波動較為明顯；4 號試塊300 Hz 峰值最低，1 600 Hz 峰值最高；5 號試塊與3 號試塊趨勢相同，在1 600 Hz 稍低.

圖6 “試塊+背腔”樣品的頻率-吸聲系數曲線Fig.6 Frequency-absorption coefficient curve of“block+back chamber”samples

在試塊上增加背腔，相當于增加了試塊的厚度，出現了吸聲峰值相對于原試塊來說，既向低頻偏移，也向高頻段峰值移動，從而產生了兩個峰值，使試塊的整體吸聲性能高于原試塊.背腔的加入并不能改變材料整體的吸聲性能，但卻能使得材料的吸聲能力在各個頻段上發生偏移，從而使材料吸聲性能有所改善.

2.6 串聯結構對吸聲材料吸聲性能影響

吸聲材料的結構對材料整體孔隙分布及孔隙率具有一定影響，從而影響材料的吸聲性能，Kim 等[15]的研究也佐證了這一點.按圖7 所示工藝，制備由兩種不同陶粒粒徑試塊構成的串聯樣品，并研究它們的吸聲性能.“試塊1+試塊2”串聯記為試塊1-2，其余類推.總體上看，串聯試塊吸收峰數量有所增加，由“試塊+背腔”樣品的2 個吸收峰變為了3 個吸收峰（圖8）、吸收峰面積除串聯試塊2-3 外其他的也得到了明顯增加（圖9），平均吸聲系數也較與構成串聯試塊的原試塊有較大幅度的提高（圖10）.

圖7 串聯結構樣品制備工藝示意圖Fig.7 Schematic diagram of series structure

圖8 “試塊+試塊”串聯結構樣品的頻率-吸聲系數曲線Fig.8 Frequency-absorption coefficient curve of“test block+test block”serial structure samples

圖9 原試塊與“試塊+試塊”串聯樣品的吸收峰面積Fig.9 The absorption peak area of the sample with“test block+test block”series samples

圖10 原試塊與“試塊+試塊”串聯結構樣品的平均吸聲系數Fig.10 The average sound absorption coefficient of the sample with“test block+test block”series structure

頁巖陶粒混凝土吸聲材料內部的粒徑之間微孔孔徑大小單一（圖11）.而單一孔徑僅能吸收其孔徑相應的聲波頻率，對其他的頻率聲波不能有效吸收，僅靠聲波共振消耗掉部分聲能.不同粒徑組合試塊結構如試塊1-5，具備圖11（a）小孔和圖11（c）大孔兩種不同的孔隙，同時結合處也有新的孔隙，使整個結構更為復雜，提高了孔隙率及孔隙彎曲程度，聲波在內部孔隙中的運動路徑更長，從而消耗更多的聲能，吸聲能力得到提高.圖12 為“試塊1+試塊5”串聯樣品的內部孔隙結構照片.

圖11 試塊1 和試塊5 的內部孔隙結構照片Fig.11 Photo of the internal pore structure of test blocks 1 and 5

圖12 “試塊1+試塊5”串聯樣品的內部孔隙結構照片Fig.12 Photo of internal pore structure of“test block 1+test block 5”serial sample

具有串聯結構試塊的吸收峰面積較大，孔隙曲折程度較復雜，連通孔隙較多，且孔隙率較高.因而各試塊吸收峰較多，在多數頻段均有較好的吸聲性能，平均吸聲系數較高，整體吸聲效果較好（表6）.

表6 原試塊與“試塊+試塊”串聯樣品的吸聲性能對比Tab.6 Comparison of acoustic absorption performance between the original test blocks and“test block+test block”series samples

3 結論

本文研究了頁巖陶粒粒徑、水泥用量、纖維摻量、發泡劑摻加量等輕骨料混凝土基本組成以及“試塊+背腔”“試塊+試塊”等情況下的吸聲性能，得出如下結論：

1）原料構成對試塊吸聲性能影響.隨水泥摻量增加，孔隙率有所減小.但孔隙曲折程度增加，結構更為復雜，吸聲系數增大.聚丙烯纖維可略加大吸收峰寬度和面積；摻量在2%時，相對其他摻量有更好的吸聲效果.加入H2O2后，可增加材料連通孔隙，使孔隙分布均勻，從而提高材料吸聲性能.此類因素僅能小幅度提升吸聲性能.

2）“試塊+背腔”“試塊+試塊”對材料吸聲性能影響.“試塊+背腔”可使吸收峰值相對于原試塊向低頻偏移，使得原試塊高頻段峰值前移，產生了兩個峰值，吸聲性能整體優于原試塊.“試塊+試塊”的串聯方式增加了試塊吸收峰數量、吸收峰面積、峰值，相比原試塊而言整體吸聲性能大幅提高.

由頁巖陶粒混凝土及其串聯結構制作的隔聲墻板材料，可廣泛用于工業廠房、變電站、演播廳、報告廳等需要安靜的大型公共建筑的場所.