金屬聲屏障用陶粒吸聲板制備及性能實驗研究

韓珈琪

(中國鐵路設計集團有限公司機械動力與環境工程設計研究院,天津 300308)

引言

近年來,人們對于生活環境尤其是噪聲環境的要求越來越嚴格;同時,由于鐵路、城市軌道交通、公路等交通干線建設規模日趨增大,交通干線分隔居民集中區或規劃區的情況時有發生,導致交通干線噪聲影響日益突出。聲屏障作為阻斷噪聲傳播途徑的一種手段[1-2],是防治交通干線噪聲應用最廣泛的措施,其中又以金屬聲屏障為主。聲屏障主要由H形鋼立柱和金屬聲屏障單元板組成[3],單元板作為聲學性能的核心構件,TB/T 3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》規定了其聲學及力學性能。單元板由金屬外殼及內嵌的吸聲材料組成,吸聲材料目前以無機纖維類吸聲材料為主,但該類材料在受潮后性能下降,同時質地松軟、松脆易斷,容易產生粉塵污染[4]。吸聲材料作為金屬聲屏障聲學性能的決定性因素,GB/T 51335—2018《聲屏障結構技術標準》建議不宜采用耐久性差、對人體有害的材料。

為保證聲屏障在服役周期內聲學性能,針對吸聲材料的研究逐漸成為近幾年熱點[5-9],研究主要圍繞不同原材料及相關成型工藝。但是,受防水、防火等相關功能要求限制,同時考慮生產成本與工藝成熟度,多數材料尚不能應用于外部環境(如聲屏障),而水泥基吸聲材料成本低、工藝易實現[10],逐漸成為吸聲材料研究的一個重要分支[11],并已在軌道交通等市場上應用推廣[12]。陶粒是一種性能優異的輕質骨料,目前主要應用于建筑回填、污水處理、保溫隔熱砌塊等方面,具備一定體量的市場占有率,可以采用建筑、工業、礦業棄土或城市垃圾[13]、河道淤泥等廢棄物生產,是一種綠色環保的無機材料。利用陶粒耐腐蝕、質量輕、粒徑小、內部微孔結構多等特點,非常適合作為水泥基吸聲材料的骨料,通過膠凝材料將陶粒粘接,單個顆粒內在孔隙及顆粒之間形成的孔隙,使其具備優良的吸聲性能[14],同時陶粒生產過程中可以形成不同的粒級,通過采用相應粒級的陶粒,調整膠凝材料與陶粒的配比,可以形成不同孔隙率的吸聲材料[15],從而制備成型滿足具體吸聲、隔聲要求的吸聲材料。國內學者[16-17]多采用陶粒在實驗室內制備了小型吸聲樣件,通過駐波管法進行了吸聲系數測試研究,并針對城市軌道交通吸聲板應用進行了相關研究[18]。但針對工廠化試制金屬聲屏障用陶粒吸聲板吸、隔聲性能研究較少。

本文制備了多種陶粒吸聲板,并分別進行了吸聲系數、隔聲量測試,研究了影響陶粒吸聲板聲學性能的主要因素,初步探討了金屬聲屏障應用陶粒吸聲板的前景。

1 多孔吸聲材料聲學機理

1.1 吸聲

將陶粒作為骨料,與膠凝材料混合,通過相應工藝制備成型,形成的吸聲材料為顆粒型吸聲材料的一種。顆粒型吸聲材料內部存在許多相互貫通的微小孔隙,當聲波入射到吸聲材料表面時,由于吸聲材料與空氣的特性阻抗存在差異,一部分能量被直接反射,另一部分經過吸聲材料內部孔隙繼續傳播,傳播過程引起內部孔隙間空氣的振動,空氣分子振動過程中受到孔壁黏滯作用,一部分聲能量轉化為熱能被耗散,從而導致聲波衰減,如圖1所示。

圖1 材料吸聲示意Fig.1 Sound absorption mechanism of porous media materials

吸聲材料的吸聲性能通常由吸聲系數表示,吸聲系數為入射聲能Ei和反射聲能Er的差值與入射聲Ei的比值,記為α,即

(1)

針對不同噪聲的頻譜特點,GB/T 16731—1997《建筑吸聲產品的吸聲性能分級》定義了降噪系數(NRC),降噪系數指頻率250,500,1 000,2 000 Hz對應的吸聲系數的平均值。

1.2 隔聲

與室內吸聲材料不同,用于聲屏障的吸聲材料除對其吸聲性能有要求外,也需要其具備一定的隔聲性能。圖1中吸聲材料一側的入射聲能與另一側透射聲能的差值為材料的隔聲量R,即

R=10lgEi-10lgEt

(2)

實驗室以計權隔聲量Rw作為材料的隔聲性能評判指標,GB/T 50121—2005《建筑隔聲評價標準》,將隔聲構件倍頻程或1/3倍頻程下的隔聲曲線,與標準的參考曲線族進行比較,判定得到試件的計權隔聲曲線,該曲線在500 Hz頻率下的隔聲量即作為計權隔聲量Rw。

通過控制采用陶粒的粒徑、形狀及膠凝材料用量、水膠比等可以在一定程度上控制吸聲材料的孔隙率和孔的曲折程度等,同時吸聲材料厚度對吸聲、隔聲均有影響,因此,選取陶粒級配(不同粒徑)、骨膠比、水膠比、吸聲材料厚度作為研究影響成型陶粒吸聲板吸聲、隔聲性能的主要指標。

2 樣件制備

2.1 原材料與制備工藝

膠凝材料采用水泥及黏度改性劑,其中水泥為南方水泥有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥;陶粒選取了以建筑棄土為原材料燒制而成的陶粒,粒徑范圍為>2.36 mm。

各試件制備流程主要為:各工況將陶粒、膠凝材料等干料,按表1配比混合后加入料斗,料頭通過抬升履帶送入密封攪拌機,高速攪拌至少180 s,隨后按表1比例加入定量水,攪拌至少180 s,通過送料履帶將攪拌均勻后的濕料送至壓板成型機處,一次振動加壓成型,加壓壓強2.0 MPa,陶粒吸聲板成型尺寸為975 mm(長)×490 mm(寬)×板厚。振壓成型如圖2所示。陶粒吸聲板成型后,運送至密閉的集中養護區,確保環境溫濕度基本恒定的情況下養護28 d,28 d后按照相關標準規范對養護成型的陶粒吸聲板進行隔聲性能、吸聲性能測試。

表1 工況記錄Table 1 Condition information

圖2 振動加壓裝備及成型后的陶粒吸聲板Fig.2 Trial production machine and produced CSP

2.2 制備工況

本次研究設計了不同水膠比、不同陶粒與膠凝材料比(骨膠比)對陶粒吸聲板的聲學性能影響,同時研究了陶粒吸聲板放入鋁合金外殼形成金屬聲屏障單元板后,吸聲隔聲性能的變化情況。具體工況配比(質量比)情況見表1,各材料根據實際用量,以膠凝材料(水泥+黏度改性劑)質量歸一化后的比例表示。

3 測試方法

在混響室中進行材料的吸聲測試,依據GB/T 20247—2006《聲學 混響室吸聲測量》,首先檢測混響室空場混響時間(T1),利用T1計算空場混響室吸聲量(A1),然后將試件平鋪于混響室地面,檢測放置試件后的混響時間(T2),利用T2計算放置試件后的混響室吸聲量(A2),最后由試件吸聲量與試件平鋪面積(S1)計算吸聲系數α,即

(3)

在隔聲室中進行材料的隔聲測試,依據GB/T 19889—2005《建筑和建筑構件隔聲測量第3部分:建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》,將試件固定于測試窗口內,周邊首先采用發泡膠填縫,待發泡膠完全發泡后,采用結構膠密封測試窗口四周。待密封膠完全風干后,開始測試,首先將聲源放置于受聲室測試受聲室混響時間,通過賽賓公式計算受聲室吸聲量(A3);然后將聲源放置于聲源室,分別測得聲源室平均聲壓級(LA)和受聲室平均聲壓級(LB),結合測試窗口面積(S2)計算得出試件隔聲量,即

(4)

吸聲系數與隔聲量實驗室測試如圖3所示。

圖3 實驗室聲學測試Fig.3 Laboratory acoustic testing

4 結果與分析

4.1 測試結果分析

(1)陶粒粒徑影響

圖4為陶粒粒徑對陶粒吸聲板聲學性能影響。由測試結果可知,不同粒徑制作的陶粒吸聲板吸聲系數曲線趨勢一致,100～1 000 Hz吸聲系數逐漸增加,在1 000 Hz達到峰值,分別為1.05、1.03、0.97、0.79;1 000～2 000 Hz吸聲系數逐漸減小,工況1、工況4在2 000 Hz達到局部低谷,工況2、工況3在2 500 Hz達到局部低谷;工況1、工況4在2 000～3 150 Hz,工況2、工況3在2 500～4 000 Hz出現吸聲系數第二次增加,并分別在3 150 Hz和4 000 Hz達到第二峰值,工況1～工況4吸聲系數第二峰值分別為0.87、0.83、0.7、0.59;隨著頻率一直提高到5 000 Hz,工況1～工況4吸聲系數逐漸減小。除了隨頻率的波動特性外,4種工況高頻吸聲系數(500 Hz以上)明顯低于低頻;不同粒徑制作的陶粒吸聲板隔聲量曲線在100～125 Hz有微小增加,160 Hz急劇降低,160～5 000 Hz,總體呈增加趨勢,少數中心頻率存在局部波谷值,5 000 Hz隔聲量最大,陶粒吸聲板隔聲量曲線呈現低頻、高頻高,中間頻率低的情況,這是因為陶粒吸聲板彈性模量較低,隔聲曲線勁度控制區共振頻率較低,在200 Hz左右,因此,200 Hz頻率附近存在隔聲量谷值,隨后隔聲曲線進入阻尼控制區,曲線隨頻率波動,頻率進一步升高,隔聲量曲線進入質量控制區,即頻率越高,隔聲量越大。

圖4 陶粒粒徑對陶粒吸聲板聲學性能影響Fig.4 Effect of size of ceramic on the acoustic performance of CSP

對比工況1～工況4的吸聲系數曲線可以得出,基本在所有中心頻率下,工況1>工況2>工況3>工況4,即陶粒吸聲板采用的陶粒粒徑越小,吸聲系數越高,且差值在低頻區段(100～250 Hz)較小,隨著頻率的提高逐漸增加。工況1～工況4的降噪系數分別為0.67、0.61、0.53、0.45。

對比工況1～工況4的隔聲量曲線可以得出,在大多數中心頻率下,工況1隔聲量最高,在多個中心頻率下,工況3與工況1隔聲量相近,630～1 000 Hz,工況2隔聲量高于工況1,2 000～5 000 Hz,工況1隔聲量明顯高于工況2;工況3、工況4隔聲量在2 000 Hz以下相近,2 000 Hz以上工況3隔聲量明顯高于工況4;工況1、工況2隔聲量優于工況3、工況4,即陶粒粒徑越小,陶粒吸聲板隔聲量越高。工況1～工況4的計權隔聲量分別為14,14,13,13 dB。

產生以上結果的原因是:采用陶粒越小,最終成型的吸聲材料內部孔隙更加曲折,孔隙結構越小、越密集,聲波進入這樣的孔隙結構,與孔壁發生碰撞、摩擦機率增加,從而聲波能量損失增加,直接反映了材料的吸聲性能增加,同時,由式(2)可得,針對同一種吸聲材料,當入射聲能和反射聲能基本維持不變時,吸收聲能越大,材料的隔聲量越高。

(2)陶粒級配影響

采用不同粒級陶粒、按不同比例混合后制作的陶粒吸聲板聲學性能對比見圖5。由測試結果可知,吸聲系數曲線、隔聲量曲線波動與前述一致,后續不再贅述;對比不同工況可以得出,基本在所有中心頻率下,小粒徑(2.35～4.75)陶粒占比越高,陶粒吸聲板吸聲系數越高,吸聲系數曲線越趨近于工況1(全部采用小陶粒),反之則趨近于工況2(全部采用大陶粒);4種工況隔聲量在全頻段無明顯差值。工況6、工況7的降噪系數分別為0.63、0.62,計權隔聲量分別為14、14 dB。產生以上結果的原因是:小陶粒占比越多,孔隙結構越小、越密集,吸聲板的吸聲性能越好。

圖5 陶粒級配對陶粒吸聲板聲學性能影響Fig.5 Effect of grading of ceramic on the acoustic performance of CSP

(3)骨膠比影響

圖6為不同骨膠比對陶粒吸聲板聲學性能影響。由測試結果可知,骨膠比由3.5變為5.0時,200～5 000 Hz,陶粒占比越大,吸聲系數越低,且中高頻區段(200 Hz以上)差值明顯,而低頻區段(200 Hz及以下)兩工況差值較小;陶粒占比越大,隔聲量越低,除個別頻率(125 Hz)外,全頻段差值明顯。工況8降噪系數、計權隔聲量分別為0.61、12 dB。

圖6 骨膠比對陶粒吸聲板聲學性能影響Fig.6 Effect of bone-cement ratio on the acoustic performance of CSP

產生以上結果的原因是:當膠凝材料用量較小時,攪拌過程中膠凝材料未完全包裹陶粒,導致陶粒間的孔隙較大,吸聲、隔聲性能均有所降低,高頻區段尤其明顯。膠凝材料占比較大時,多余的水泥漿會堵塞陶粒間的孔隙,因此,陶粒吸聲板骨膠比制定需要根據試驗結果不斷調整,得到符合工程要求的吸聲材料。

(4)水膠比影響

圖7為不同水膠比對陶粒吸聲板聲學性能影響。由測試結果可知,水膠比由0.9變為0.7時,100～1 000 Hz,兩工況差值極小,1 250～5 000 Hz,水膠比越低,吸聲系數越高;除315 Hz以下頻段有所波動外,整體上水膠比越低,隔聲量越低。工況9降噪系數、計權隔聲量分別為0.63、11 dB。

圖7 水膠比對陶粒吸聲板聲學性能影響Fig.7 Effect of water-cement ratio on the acoustic performance of CSP

產生以上結果的原因是:水膠比較高時,混凝土容易離析,制備試件時混凝土本身產生大量閉孔氣泡,這些氣泡對最終成型的陶粒吸聲板吸聲性能沒有提高作用,反而因為混凝土本身體積增大,阻塞了部分陶粒間的孔隙,造成了吸聲性能降低,高頻區段尤其明顯。

(5)板厚影響

圖8為板厚對陶粒吸聲板聲學性能影響。由測試結果可知,板厚由50 mm變為60 mm時,100～200 Hz,兩工況差值極小;200 Hz以上,隨著板厚增加,吸聲系數曲線有向低頻偏移的趨勢。具體表現為:250 ～800 Hz,厚度越大,陶粒吸聲板吸聲系數越高;1 000 Hz兩工況吸聲系數一致;1 000～2 000 Hz,厚度越小,陶粒吸聲板吸聲系數越高;2 500 Hz兩工況吸聲系數差別不大;2 500～5 000 Hz,厚度越小,陶粒吸聲板吸聲系數越高;100～125 Hz,兩種厚度吸聲板隔聲量差值極小;125 Hz以上,隨板厚增加,隔聲量有微小增加。工況7降噪系數、計權隔聲量分別為0.7、14 dB。產生以上結果的原因是:增加板厚,延長了聲波在吸聲材料內部的傳播距離,導致材料內部吸收的聲能增加。

圖8 板厚對陶粒吸聲板聲學性能影響Fig.8 Effect of plate thickness on the acoustic performance of CSP

(6)背部空氣層影響

圖9為陶粒吸聲板裝入金屬外殼形成單元板,陶粒吸聲板+背部空氣層較陶粒吸聲板的聲學性能變化情況。由測試結果可知,陶粒吸聲板+背部空氣層吸聲系數較單一陶粒吸聲板在100～500 Hz頻率范圍提升顯著,500～1 250 Hz有所降低,1 600～2 000 Hz有略微提升,500～1 250 Hz有所降低,組合后單元板降噪系數為0.78,較工況1降噪系數0.67提升0.11。總體上,空氣層提升了陶粒板吸聲性能,這是因為空氣層與陶粒吸聲板內部孔隙形成了大量的赫姆霍茲共振腔,較陶粒吸聲板明顯提升了中低頻吸聲性能。陶粒吸聲板+背部空氣層隔聲量較單一陶粒吸聲板在100～5 000 Hz頻率范圍提升顯著,組合后單元板計權隔聲量為30 dB,較工況1計權隔聲量14 dB提升16 dB,這是因為陶粒吸聲板與金屬外殼背板形成了雙層隔聲結構,當聲波穿過金屬外殼面板開孔投射到陶粒吸聲板時,一部分被反射,一部分被吸收,剩余透射部分經過背腔空氣層衰減,投射到金屬外殼背板上,同樣一部分被反射,一部分被吸收,剩余投射到外部空間,由于經過二次反射和損耗,單元板隔聲性能較陶粒吸聲板提升明顯。

圖9 背腔空氣層對陶粒吸聲板聲學性能影響Fig.9 Effect of air layer in the back on the acoustic performance of CSP

陶粒吸聲板裝入鋁合金外殼形成的單元板吸聲系數、隔聲量與標準對照情況分別見表2、表3,由表2、表3可得,單元板吸聲系數、隔聲量分別滿足TB/T 3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》標準要求。

表2 陶粒吸聲金屬聲屏障單元板吸聲系數對標Table 2 Comparison of the sound absorption coefficient of SBUP with standards

表3 陶粒吸聲金屬聲屏障單元板隔聲量對標 dBTable 3 Comparison of the sound transmission loss of SBUP with standards

4.2 討論

根據測試結果[19-20],高速列車以300～350 km/h通過橋梁、路堤區段時,外場測點(距外軌中心線7.5～25 m、軌面以上1.2～3.5 m)列車通過噪聲峰值頻率集中在500～2 500 Hz,與前文中陶粒吸聲板的吸聲系數、隔聲量較高的頻率范圍基本重合。經過設計配比,陶粒吸聲板可以確保GB/T 16731—1997《建筑吸聲產品的吸聲性能分級》中Ⅱ級吸聲性能,同時兼具一定的隔聲效果,同時根據本文研究結果,放置入金屬外殼組成聲屏障單元板后,與背后空氣層形成的吸隔聲單元會進一步提高單元板的吸聲、隔聲性能,且滿足相關標準要求。目前,國內外已經將陶粒吸聲板用于軌道交通減振降噪[21],陶粒吸聲板作為軌道吸音構件完全裸露于外環境中,且位于軌道交通車輛底部,安全性及耐久性均已得到驗證,放置于金屬外殼中的陶粒吸聲板可靠性及耐久性進一步得到保障,將陶粒吸聲板用于金屬聲屏障吸聲材料是可行的。

5 結論

(1)不同工況陶粒吸聲板吸聲系數、隔聲量曲線基本一致,中低頻區段吸聲系數逐漸增加,1 000 Hz左右達到峰值,1 000～5 000 Hz吸聲系數曲線存在波動及第二峰值;隔聲量曲線基本呈先降低后增加趨勢,區間存在波動,5 000 Hz達到峰值。

(2)陶粒吸聲板采用的陶粒粒徑越小、小陶粒占比越高,吸聲系數、隔聲量越高;骨膠比由3.5提升至5.0,吸聲系數、隔聲量降低;降低水膠比對中低頻吸聲系數影響不大,高頻區段吸聲系數增加明顯,中高頻隔聲量降低明顯;板厚增加,低頻段吸聲系數變化較小,中高頻段吸聲系數曲線有向低頻平移趨勢,隔聲量整體變化不大。

(3)陶粒吸聲板放入金屬外殼形成單元板后,由于背部空氣層的作用,吸聲系數、隔聲量較單一陶粒板整體提升顯著。

(4)經過設計配比,陶粒吸聲板可以達到Ⅱ級吸聲要求,同時兼具一定的隔聲效果,放置入金屬外殼組成聲屏障單元板后,滿足TB/T 3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》標準要求。將陶粒吸聲板用于金屬聲屏障吸聲材料是可行的。