陶粒吸聲材料聲學參數的試驗研究

周紅梅 楊漫 朱萬旭 卜炬鵬

摘? 要：陶粒吸聲材料是以陶粒為骨料，水泥為膠凝材料，添加外加劑制備而成。通過試驗分析增加水灰比、置換微細陶粒、添加乳膠粉和聚丙烯纖維對陶粒吸聲材料的吸聲系數和流阻率的影響。結果表明：增加水灰比、置換微細陶粒、添加乳膠粉和聚丙烯纖維都會使流阻率升高，但平均吸聲系數并不隨著流阻率的升高而升高;混合級配下水灰比為0.20的陶粒吸聲材料吸聲效果更好;添加微細陶粒能提升陶粒吸聲材料高頻段的吸聲性能;添加1.0%的乳膠粉和0.3%的聚丙烯纖維使陶粒吸聲材料的吸聲系數分別降低了0.02和0.01。

關鍵詞：陶粒吸聲材料;流阻率;吸聲系數;聲學試驗

中圖分類號：TB343? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.03.011

0? ?引言

陶粒吸聲材料是以陶粒為骨料，水泥為膠凝材料，添加外加劑，通過混合、攪拌、壓制、養護等工藝制備而成的一種多孔吸聲材料。我國通常使用吸聲系數作為評價多孔吸聲材料吸聲性能的標準，一般可以通過混響室法和駐波管法獲得相關數據[1-2]。而歐美等發達國家自上世紀60年代末就以吸聲材料的流阻率為評價標準，并編制了相關測試技術的方法、技術和標準[3-4]。吸聲材料的流阻率與材料的最佳吸聲系數有直接對應關系[5]。流阻率是材料內部孔隙連接狀態量化的參數，通過流阻率可以了解材料的吸聲性能[6-7]，對比分析流阻率和吸聲系數對吸聲材料的研發具有指導意義。

為了提高陶粒吸聲材料的力學性能和吸聲性能，以適應各種極端的使用環境，實際應用中會在陶粒吸聲材料中摻加各種添加劑。不同粒徑、不同級配的陶粒都會使陶粒吸聲材料的內部孔道發生變化[8-10];孔隙結構的不同會對流阻、孔隙率、吸聲系數產生影響[11-12]。由于陶粒吸聲材料內部需要大量孔隙，水灰比的控制尤為重要，水灰比過小會使陶粒半干料攪拌不均，漿料不能完全包裹陶粒骨料的表面，導致吸聲材料強度降低;水灰比過大會出現流淌的漿料完全填充陶粒之間的孔隙，從而導致陶粒吸聲材料的吸聲降噪性能顯著降低[13-14]。陶粒吸聲材料是由半干料壓制成型，強度全部由陶粒之間搭接的水泥漿體承擔[15]。摻加乳膠粉可以增強膠凝材料的黏結性，使膠凝材料更好地黏結陶粒，還能提高材料的抗凍融循環能力;摻加聚丙烯纖維可以起到加強整體性和加筋連接作用[16-17]。研究表明適當地摻加乳膠粉和聚丙烯纖維可明顯提高陶粒吸聲材料的抗彎性能、劈裂抗拉強度和耐久性能[18]。

本文通過不同陶粒級配、添加微細陶粒、乳膠粉、聚丙烯纖維及改變水灰比等變量，制作試件并對其進行吸聲系數和流阻率的聲學參數測試，研究不同變量對陶粒吸聲材料聲學參數的影響，得到在保證聲學性能的前提下力學性能也達到最優的陶粒吸聲材料配合比;通過對比分析流阻率和吸聲系數的關系，得到最佳吸聲系數時流阻率的閾值。

1? ? 試驗

1.1? ?試驗材料

1）陶粒：試驗用陶粒為本課題組自制粉煤灰免燒結陶粒，陶粒的堆積密度為0.83 kg/m3，粒徑為1 ～ 8 mm，筒壓強度≥5 MPa。陶粒按不同粒徑（D）大小劃分為小陶粒（[1 mm≤D≤3] mm）、中陶粒（[3 mm<D≤5 mm]）和大陶粒（[5 mm<D≤8 mm]）。

2）微細陶粒：選用鋁礬土陶粒砂，堆積密度為1.56 g/cm3，粒徑為0.04 ～ 0.30 mm。

3）水泥：選用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，市售。

4）減水劑：選用聚羧酸高效減水劑，減水率≥20%，pH值為6.0～8.0。

5）聚丙烯纖維：平均長度為10 mm，市售。

6）乳膠粉：可再分散乳膠粉，市售。

1.2? ?試驗配比

為了研究不同粒徑的陶粒、增加水灰比、置換微細陶粒、添加乳膠粉和聚丙烯纖維對陶粒吸聲材料的吸聲系數及流阻率的影響，設計了不同配合比的9組試件進行試驗，其中J-1為基準配比，具體配合比如表1所示。

1.3? ?試件制備及測試

1）陶粒試件用直徑為96 mm、高度為100 mm的圓柱形模具進行壓制，壓縮比統一采用0.85[19]。陶粒試件的制備工藝見圖1。

2）使用AWA6128型駐波管吸聲系數測試儀 （圖2），依照國家標準《駐波管法吸聲系數與聲阻抗率測量規范》（GBJ 88—85）[20]，對試塊進行吸聲系數測試。材料的吸聲系數是指沒有被材料反射的聲能和入射總聲能之比，用[α]表示。

[α=1-EγE0=Eα+EβE0].? ? ? ? ? ? （1）

式中：[Eγ]——材料反射的聲能（J），[E0]——單位時間內入射的總聲能（J），[Eα]——材料吸收的聲能（J），[Eβ]——材料透射的聲能（J）。

3）依照國家標準《聲學? ?多孔吸聲材料流阻測量》（GB/T 25077—2010）[21]，采用直流法測試試件的流阻率的基本原理，設計了一套流阻測試裝置。圖3是流阻測試儀結構示意圖。

當穩定的氣流流過吸聲材料時，兩側的壓強差和流過的氣體體積速度的比就是流阻率。流阻率[R]可由式（2）求得，單位為Pa·s/m2。

[R=ΔP·Aqv·d]. （2）

式中：[ΔP]——試塊兩側的壓強差（Pa），[qv]——氣流流過試塊時的體積速度（m3/s），[d]——沿氣流方向的試塊厚度（m），[A]——垂直于氣流方向的試塊橫截面面積（m2）。

2? ? 試驗結果與分析

2.1? ?不同陶粒粒徑級配對聲學參數的影響

在水泥和減水劑含量一定時，水灰比不變，只改變試件粒徑的情況下制作J-1、J-2、J-3、J-4等4組試件，每組3個試塊。使用流阻儀測得J-1組3個試塊在試塊筒中的氣體流速值和所對應的壓差值，填入表2并進行計算，得到試塊的流阻率值。

由表2可知，試塊J-1-1的平均流阻率為3 575 Pa·s/m2。以同樣方法測得試塊J-1-2的平均流阻率為3 429 Pa·s/m2，試塊J-1-3的平均流阻率為3 630 Pa·s/m2。同一配比3個試塊用5種流速分別測量3次，上述數據標準偏差比為4.23%，滿足精度要求。所以，[RJ-1=RJ-1-1+RJ-1-2+RJ-1-33=3 545] Pa·s/m2。后續所有流阻率的取值與RJ-1同理。

將試件編號J-1的3個試塊即試塊J-1-1、試塊J-1-2、試塊J-1-3的駐波管吸聲系數測量結果列出，如表3所示。

由表3可得出，J-1組試塊的平均吸聲系數為0.45，后續所有吸聲系數取值與J-1同理。測試得到結果如表4所示。

圖4為不同陶粒粒徑級配試件的駐波管吸聲系數曲線圖。由圖4可以看出，J-1與J-4曲線基本重合，表明了小陶粒單一級配的J-1與混合級配的J-4有相似的孔隙結構，而且在200～800 Hz和1 000～? 2 000 Hz的頻段吸聲效果都優于中陶粒和大陶粒單一級配的試件，說明陶粒試件中較小的孔隙吸聲效果更好。由圖5前3組可以看出，吸聲系數隨著流阻率的降低而降低，而對比J-1和J-4發現，J-1的流阻率大于J-4，J-4平均吸聲系數卻大于J-1，說明吸聲系數和流阻率不是一直成正比關系，只有在最佳的流阻率范圍內吸聲系數才能達到最高。當[R>3] 545 Pa·s/m2時，吸聲系數隨著流阻率的增大而減小;當[R<2] 627 Pa·s/m2時，吸聲系數隨著流阻率的減小而減小。最佳吸聲系數的流阻率值為2 627 ～3 545 Pa·s/m2。測得平均吸聲系數最大時的流阻率為RJ-4 = 3 029 Pa·s/m2，因此，J-4的內部孔隙結構是本組試驗中對吸聲性能最有利的。

2.2? ?添加微細陶粒對聲學參數的影響

按表1配合比制成試件J-5，測試結果如表5所示。

由圖6可以看出，添加微細陶粒之后陶粒吸聲材料在200～800 Hz頻段吸聲系數幾乎不變，在? ? ? 1 250～2 000 Hz頻段添加微細陶粒的試件吸聲效果比未添加微細陶粒的試件吸聲效果好。其原因是：微細陶粒填充了之前大顆粒間的架空部位，使孔隙尺寸變小，孔隙數量增多，聲波進入材料的孔隙后可以多次與材料孔壁發生折射，從而消耗更多的聲波能量。所以較小的孔隙對1 250～2 000 Hz頻段的吸聲效果更好。圖7中當流阻率從3 545 Pa·s/m2增至3 990 Pa·s/m2時，吸聲系數從0.45降至0.44，進一步驗證了2.1的結論：當[R>3] 545 Pa·s/m2時，吸聲系數隨著流阻率的增大而減小。

2.3? ?不同水灰比對聲學參數的影響

按表1配合比制成不同水灰比的陶粒吸聲材料試件，J-1、J-6、J-7水灰比分別為0.20、0.35、0.50，配合比其他成分無變化。測試結果如表6所示。

由圖8可以看出，隨著水灰比的增大試件的吸聲效果越來越差，原因是水灰比增大后，流淌的水泥漿體占據部分陶粒之間的孔隙，使孔隙尺寸變小，甚至完全堵塞孔隙。在圖9中，當水灰比由0.20提升至0.35時，流阻率提升了3.8倍;而當水灰比由0.20提升至0.50，其流阻率提升了8.5倍。隨著水灰比的增加，流阻率升高，平均吸聲系數下降，流阻率與平均吸聲系數成反比關系。水灰比上升使得流淌的水泥漿變多從而堵塞了孔隙，聲波在傳遞到材料表面時進入材料內部的聲波變少，導致吸聲性能降低。所以在制備陶粒吸聲材料時最佳水灰比為0.20。

2.4? ?摻加乳膠粉對聲學參數的影響

在標準對照組J-1的基礎上，加入了1%乳膠粉制成試件J-8，測試結果如表7所示。

圖10為摻加乳膠粉前后的吸聲系數。由圖10可知，添加乳膠粉之后的陶粒吸聲試塊吸聲系數無明顯變化。由圖11可知，添加乳膠粉后試件流阻率增大，平均吸聲系數下降;未添加乳膠粉時流阻率為3 545 Pa·s/m2，平均吸聲系數為0.45;添加乳膠粉后流阻率提升至5 009 Pa·s/m2，平均吸聲系數降至0.43。其原因為：添加乳膠粉會使材料表面形成聚合物膜，堵塞了陶粒吸聲材料內部的微細孔隙，聲波進入材料的部分變少，吸聲性能降低。

2.5? ?摻加聚丙烯纖維對聲學參數的影響

在標準對照組J-1的基礎上，加入0.3%的聚丙烯纖維制成試件J-9，測試結果如表8所示。

由圖12可以看出，添加0.3%聚丙烯纖維的陶粒試件吸聲系數與未添加聚丙烯纖維的陶粒試件吸聲系數只有微小的差距。由圖13可知，添加聚丙烯纖維后，試件流阻率增大，平均吸聲系數下降;未添加聚丙烯纖維時，[R=3] 545 Pa·s/m2，平均吸聲系數為0.45;添加聚丙烯纖維后，流阻率提升至5 356 Pa·s/m2，平均吸聲系數降至0.44。聚丙烯纖維堵塞了部分孔隙，導致流阻率升高，進入材料內部的聲波減少，減弱了與孔壁摩擦消耗聲能的效果。

3? ? 結論

1）陶粒的骨料粒徑對陶粒吸聲材料的吸聲系數和流阻率影響最為顯著，單一級配時，隨著骨料粒徑的增大，流阻率不斷降低，吸聲系數也在變小;而混合級配陶粒試塊具有更好的孔隙結構，吸聲系數優于單一級配試件，其流阻率介于單一級配試件之間。

2）吸聲系數和流阻率不是一直成正比關系，只有在最佳的流阻率范圍內吸聲系數才能達到最高，低于或高于這個范圍都會降低陶粒吸聲材料的吸聲系數，且最佳吸聲系數的流阻率值為2 627～? ? ? ? ? ?3 545 Pa·s/m2。

3）混合級配下水灰比為0.20的陶粒吸聲材料的吸聲效果最好;添加微細陶粒使材料孔隙變小，可提高陶粒吸聲材料的高頻吸聲系數;添加1.0%的乳膠粉和0.3%的聚丙烯纖維對陶粒吸聲材料的吸聲系數有細微的影響，吸聲系數分別降低了0.02和0.01。

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Experimental study on acoustic parameters of ceramsite sound

absorbing material

ZHOU Hongmei1， YANG Man1， ZHU Wanxu1，2， BU Jupeng3

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.School of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China; 3.Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.Ltd.， Nanning 530000， China）

Abstract： Ceramsite sound absorption material is prepared by using ceramsite as aggregate， cement as