胡 勝，虞秀勇，陳 煒，趙麗敏，李玉平，彭繼文

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長沙 410007；2.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082；3.山東電力設(shè)備有限公司，濟(jì)南 250022)

0 引 言

噪聲已成為逐漸引起各國政府和科技人員重視的當(dāng)今世界三大污染問題之一[1]。噪聲(尤指低頻噪聲)易對人的身體健康產(chǎn)生巨大的危害,如在心理上會產(chǎn)生不舒服的聽覺刺激,生理上會引發(fā)聽覺失聰或心腦血管疾病,同時使人的神經(jīng)系統(tǒng)受到危害，從而造成嚴(yán)重的影響[2]。其防治措施主要包括控制聲源和切斷聲音傳播途徑這兩種方式[3]。采用吸聲材料是最有效的降噪方法之一[4-5]。傳統(tǒng)多孔吸聲材料，高頻吸聲系數(shù)大、比重小,但低頻吸聲系數(shù)較低[6]。近年來發(fā)展較為迅速的共振吸聲材料低頻吸聲系數(shù)高,但加工困難[7]。因此加工簡易，力學(xué)性能和耐候性能優(yōu)異，成本低廉且環(huán)保的水泥基陶粒吸聲材料已成為重要降噪材料的研究方向之一[8-10]。國內(nèi)城市化建設(shè)，多數(shù)建設(shè)工程及擬建設(shè)項目設(shè)計均采用水泥基陶粒吸聲材料[11-12]來改善軌道交通、變電站等環(huán)境下的低頻噪聲污染問題。因而,研究水泥基陶粒吸聲材料的吸聲性能對研發(fā)高吸聲軌道交通、變電站、公路材料等具有重大意義[13-15]。

本文以硅酸鹽水泥和不同粒徑輕質(zhì)多孔陶粒為主要原料，制備了水泥基陶粒吸聲材料，研究了水泥摻量、陶粒粒徑、陶粒級配等對水泥基陶粒吸聲材料中低頻范圍內(nèi)吸聲性能的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥。

(2)陶粒：粒徑3～15 mm，筒壓強(qiáng)度3.5 MPa,堆積密度510 kg/m3。

(3)礦渣：市售礦渣。

(4)減水劑：聚羧酸類減水劑。

1.2 實驗儀器

實驗過程中所用儀器主要有電子萬能材料試驗機(jī)、單型臥軸混凝土攪拌機(jī)、混凝土振動臺、恒溫干燥箱、混凝土養(yǎng)護(hù)箱、雙通道阻抗管吸隔聲測試系統(tǒng)等。

1.3 試樣制備

圖1 水泥基陶粒吸聲材料制備流程Fig.1 Preparation process of cement-based ceramsite sound absorbing materials

通過前期實驗，確定水灰比為0.33。骨灰比為0.15。礦渣、減水劑用量為粉料的1.5%。制備流程見圖1，按表1中不同方案將水泥、摻合料、外加劑等攪勻，并按比例添加混凝土骨料，高速攪拌機(jī)下攪拌90～180 s，最后迅速攪拌20～30 s混勻倒入預(yù)制好的底面直徑為98 mm，高度為50～100 mm不等的圓柱形模具，并提前在圓柱形模具內(nèi)表面均勻涂上機(jī)油，以幫助成型后脫模；注模后在水泥膠砂震實臺迅速夯實后轉(zhuǎn)放在通風(fēng)處養(yǎng)護(hù)，隨后拆模養(yǎng)護(hù)，即可制得試塊1～5、B1～B4。在單粒徑水泥基陶粒吸聲材料注模后，改變陶粒骨料的粒徑，重復(fù)上述步驟，即可制得具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)樣塊1-2、2-3、3-4、4-5、5-1。

1.4 材料性能及吸聲性能的測定

主要考察水泥摻量、纖維、陶粒粒徑等對吸聲材料性能的影響，吸聲性能測試按GBF-88-85《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻孔率測量規(guī)范》測量材料的各頻段吸聲系數(shù)。并借助顯微鏡，分析顆粒型多孔吸聲材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得出材料內(nèi)部連通孔隙率、孔隙大小和分布情況。

表1 材料配合比Table 1 Material mix ratio

2 結(jié)果與討論

2.1 陶粒粒徑對材料吸聲性能影響

為探究陶粒粒徑對材料吸聲性能影響，試驗篩選了3～5 mm、5～8 mm、8～10 mm、10～13 mm、13～15 mm五種粒徑范圍的陶粒制作了五個試塊1～5，五個試塊的體積及原料比例相同，其密度范圍為745.1～758.8 kg/m3，試塊密度在 750 kg/m3左右，密度相差較小，故密度對吸聲系數(shù)的影響可忽略不計。

圖2為陶粒粒徑對材料吸聲性能的影響。由圖2可知，2、3、5號試塊的吸聲曲線趨勢相似，在1 250 Hz 時吸聲系數(shù)較低，分別為0.02、0.13、0.10。在500 Hz附近有最大吸收峰值，分別為0.92、0.90、0.91。在300～500 Hz時都有高于0.6的吸聲系數(shù)。同時，在1 600 Hz時有第二個較高吸收峰值，分別為0.33、0.62、0.77；4號試塊吸聲曲線趨勢與3號類似，但最大吸收峰值在650 Hz。1號試塊吸聲曲線趨勢與4號類似，但僅有650 Hz最大吸收峰值。顯然，隨著吸聲頻率的增加，2、5號試塊的吸聲曲線起伏程度很明顯，1號試塊的吸聲峰較寬，但峰值較低。

綜上所述，1號試塊陶粒吸聲材料孔隙會對部分頻率有好的吸收效果，但其余頻段吸聲系數(shù)很低，整體比較后降噪系數(shù)較低。2、5號試塊陶粒吸聲材料孔隙對500 Hz和1 600 Hz附近頻段有較好吸收效果，降噪系數(shù)較高，但其在1 100 Hz附近吸聲系數(shù)很低，影響整體降噪系數(shù)。3、4號試塊陶粒吸聲材料孔隙對500 Hz和1 600 Hz附近頻段有較好吸收效果，但峰值較低，同時峰值頻率分布范圍較窄，且整體降噪系數(shù)不高。

圖2 陶粒粒徑對材料吸聲性能的影響Fig.2 Effect of ceramsite particle size on soundabsorption performance of materials

圖3 水泥摻量對材料吸聲性能的影響Fig.3 Effect of cement content on sound absorptionperformance of materials

2.2 水泥摻量對材料吸聲性能影響

為探究水泥摻入量對材料吸聲性能影響，選取了粒徑范圍為10～13 mm的陶粒制作吸聲試塊B1、B2、B3、B4，控制4種試塊體積及原料配比相同，4號為標(biāo)準(zhǔn)對比試塊；試塊密度控制在750 kg/m3左右(實測密度為742～763 kg/m3)。

圖3為水泥摻量對材料吸聲性能的影響。由圖3可知，4、B1、B2、B3、B4試塊的吸聲曲線趨勢相似，在1 000 Hz時吸聲系數(shù)較低，約在0.10～0.18。在500 Hz附近有最大吸收峰值，約在0.70～0.95，在300～800 Hz 時都有高于 0.5的吸聲系數(shù)。同時，4號和B2試塊在1 600 Hz時有第二個較高吸收峰值，分別為0.61、0.57；顯然，隨著吸聲頻率的變化，B3試塊的吸聲曲線起伏程度很明顯，B1試塊的整體吸聲系數(shù)較低。4、B2、B4 試塊的吸聲曲線大致相同，從低頻開始時就有相對較高的吸聲系數(shù)，但B4僅有一個較高吸收峰。隨著材料密度減小，材料內(nèi)部空隙率增加，比流阻減小，從而使得吸聲性能增大。因而，降低材料密度能提高材料吸聲性能，故4號和B2試塊吸聲系數(shù)相對較好，但B2試塊空隙率過低，力學(xué)性能及耐久性較差。故采用4號試塊的配比進(jìn)行改進(jìn)試驗(GB/T 23451—2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》規(guī)定試塊抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥3.5 MPa)。

2.3 不同粒徑級配陶粒吸聲材料的吸聲性能

試驗選取粒徑為3～5 mm、5～8 mm、8～10 mm、10～13 mm和13～15 mm陶粒吸聲材料，背腔50 mm以后加(5)標(biāo)記。5種粒徑陶粒由3～5 mm開始次第組合試塊1-2、2-3、3-4、4-5、5-1。

圖4為陶粒組合前后吸聲材料吸聲性能的對比。由圖4可知，5組試塊中組合試塊與原試塊加相同長度背腔的吸聲曲線趨勢類似。相比于原試塊均發(fā)生了吸聲峰前移現(xiàn)象，400 Hz附近吸收峰前移動到更低頻段200 Hz，高于1 600 Hz附近的吸收峰也發(fā)生前移，使得1 400 Hz附近吸收峰面積略有增加。移動后加背腔的試塊200 Hz吸收峰峰值降低，故加背腔試塊整個頻段吸聲能力比原試塊更為均衡，但總體吸聲能力并未得到提高。這是因為在低頻范圍內(nèi),各頻率吸聲性能取決于材料本身內(nèi)部結(jié)構(gòu),僅增加材料厚度、背部空腔能改進(jìn)低頻吸聲性能,但材料本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變,故材料的平均吸聲系數(shù)并未提高。工程應(yīng)用中，增加背腔等同于增加厚度,能使材料頻率特性發(fā)生改變，低頻吸聲性能改善，然而材料的整體吸聲系數(shù)并未提高。從表2可以明顯看出，5組加背腔試塊吸聲能力最高也僅僅提高了30.7%。

圖4 陶粒組合前后吸聲材料吸聲性能的對比Fig.4 Comparison of sound absorption performance of sound absorption materials before and after ceramsite combination

表2 原試塊與加背腔試塊及組合試塊吸聲性能對比Table 2 Comparison of sound absorption performance of original block with back cavity block and composite block

組合試塊200 Hz吸收峰峰值提高，1 400 Hz附近吸收峰面積部分略有增加，同時組合試塊均在700 Hz附近出現(xiàn)一個與第一吸收峰高度相仿的新吸收峰，使得組合試塊整體吸聲能力大大提高。圖5為吸聲材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，由圖5可知單粒徑試塊陶粒孔徑尺寸較單一，故內(nèi)部粒徑與粒徑之間組合的微孔孔徑大小單一，而不同大小的孔徑僅能吸收相應(yīng)的聲波頻率，而對其他頻率聲波不能有效吸收，僅能靠聲波共振消耗部分聲能。組合試塊相比于原試塊有兩種孔徑結(jié)構(gòu)如1～5號吸聲材料同時具備圖5(a)的小孔徑和圖5(b)的大孔徑兩種不同結(jié)構(gòu)的孔隙，同時兩種結(jié)合處也有新的孔徑結(jié)構(gòu)，使得整個孔徑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一定程度上提高了孔隙率及孔隙彎曲程度，使得聲波在材料中運動路徑更長，同時消耗更多聲能。故材料吸聲能力得到提高。

同時組合試塊性能變化也有不同，相比較而言，1～5號試塊標(biāo)號越靠后，孔隙粒徑越大，如圖5所示，材料本身在中低頻率吸聲效果是越來越好的。1～5號試塊平均吸收系數(shù)分別為0.22、0.23、0.24、0.25、0.26。故雖然從表2中知4號試塊提高最多，5號試塊最差。但實際上從提高數(shù)值來看，1～5號試塊分別為0.15、0.17、0.16、0.19、0.16，提高性能最少的是1號。從孔隙粒徑角度也可說明，1～2號試塊孔隙過小，中低頻聲波進(jìn)入量較少，大多被反射回去，而4～5號試塊孔隙較大，中低頻聲波較易進(jìn)入。故可被吸收聲能較高，吸聲能力較好。

圖5 粒徑為3～5 mm和13～15 mm陶粒組合后吸聲材料內(nèi)部橫向-縱向孔隙結(jié)構(gòu)Fig.5 Transverse and longitudinal pore structure of the sound absorbing material after the combination of ceramsite particle size 3-5 mm and 13-15 mm

3 結(jié) 論

(1)單一粒徑陶粒吸聲材料在特定頻率有一定吸聲效果，但整體吸聲效果較差。陶?？讖匠叽巛^單一，故內(nèi)部粒徑與粒徑之間組合的微孔孔徑大小單一，而不同大小的孔徑僅能吸收相應(yīng)的聲波頻率，而對其他頻率聲波不能有效吸收，僅能靠聲波共振消耗部分聲能，故在整個頻率的吸聲效果較差。

(2)隨著水泥摻入量增加，材料密度增大，材料內(nèi)部孔隙率減小。當(dāng)水泥摻入量過大時，材料密度大幅增加，比流阻隨之增大，會使的吸聲性能降低。反之當(dāng)水泥摻入量過小時，材料密度迅速減小，材料上下貫通孔大量增加，會使材料吸聲性能大大受損。同時考慮到GB/T 23451—2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》規(guī)定試塊抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥3.5 MPa，在達(dá)到力學(xué)性能及耐久性時，為了使材料具有較好的吸聲效果，推薦采用4號試塊的配比進(jìn)行試驗。

(3)在中低頻范圍內(nèi)，不同粒徑級配陶粒吸聲材料的吸聲性能相較原試塊以及加背腔的試塊提高較為明顯。組合試塊相比于原試塊有兩種孔徑結(jié)構(gòu)，同時兩種結(jié)合處也有新的孔徑結(jié)構(gòu)，使得整個孔徑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一定程度上提高了孔隙率及孔隙彎曲程度，使得聲波在材料中運動路徑更長，同時消耗更多聲能。故材料吸聲能力得到提高。