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        全固廢多孔吸聲材料的制備及性能研究

        2021-06-03 06:17:36李旭華
        新型建筑材料 2021年5期
        關(guān)鍵詞:造孔鋁粉空腔

        李旭華

        (山西省交通科技研發(fā)有限公司,山西 太原 030002)

        0 引言

        隨著經(jīng)濟的發(fā)展,城市化進程的加快,噪聲已經(jīng)成為當(dāng)今世界三大污染源之一,噪聲污染問題越來越嚴(yán)重,引起了各國政府的高度重視。2018年實施的《中華人民共和國環(huán)境保護稅法》不僅對固廢的征稅進行了嚴(yán)格的要求,也要求噪聲按照超過GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和GB 22337—2008《社會生活環(huán)境噪聲》的分貝數(shù)來進行征稅。廢棄物的合理處置以及噪聲的控制已經(jīng)成為制約部分企業(yè)發(fā)展的重要瓶頸,采用多孔吸聲材料是控制噪聲的有效手段[1-3]。常用的多孔吸聲材料包括有機高分子吸聲材料、金屬多孔吸聲材料、無機非金屬多孔吸聲材料,有機高分子吸聲材料通常密度較小、吸聲性能相對優(yōu)異,如有機纖維材料及泡沫塑料等,但其防火、防潮性能差[4];金屬多孔吸聲材料力學(xué)性能優(yōu)異、耐候性及耐高溫性能好,如金屬纖維、泡沫鋁等,但成本相對較高[2,5-6];無機非金屬多孔吸聲材料的防火性能優(yōu)異,性價比相對較高,但是無機纖維材料如巖棉、礦棉等材料存在性脆易斷、不易降解、易產(chǎn)生粉塵,泡沫陶瓷和泡沫玻璃等材料均要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)工藝,導(dǎo)致能耗相對較高[4,7-8]。因此開發(fā)低成本、制備過程溫和、綠色的多孔吸聲材料才符合當(dāng)今社會的需求。

        本研究以粉煤灰、脫硫石膏、電石渣為主要原料,通過鋁粉化學(xué)發(fā)泡耦合機械造孔法制備高效吸聲材料。探討了發(fā)泡劑摻量、試樣厚度、機械穿孔開孔率、機械穿孔孔徑、機械穿孔孔深、空腔距離對多孔材料吸聲性能的影響規(guī)律,以期為全固廢多孔吸聲材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

        1 實驗

        1.1 實驗原料與儀器設(shè)備

        粉煤灰、脫硫石膏:取自太原鋼鐵集團有限公司粉煤灰綜合利用公司煤粉爐粉煤灰;電石渣:取自長治市某粉煤灰綜合利用公司;發(fā)泡劑:市售鋁粉,銀灰色松散顆粒狀。粉煤灰、電石渣和脫硫石膏的主要化學(xué)成分見表1。

        表1 粉煤灰、電石渣和脫硫石膏的主要化學(xué)成分 %

        天平:北京賽多斯儀器公司,BS214D;分散機:上海環(huán)境工程技術(shù)公司,F(xiàn)S-400;養(yǎng)護箱:紹興市虞道城墟鑫科儀儀器設(shè)備廠;水泥壓蒸釜:天津市港源試驗儀器廠,YZF-2C。

        1.2 制備方法

        所有原料使用前粉磨均過400目篩(粒徑小于37μm)。利用天平稱量粉煤灰3640 g、電石渣1760 g、脫硫石膏40 g進行干料混合;按照鋁粉與水的質(zhì)量比為1∶6配制鋁粉液,所采用的水為去離子水,若水質(zhì)堿性過高,則可能導(dǎo)致部分鋁粉提前發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體;為保持相同的水灰比(0.49),每組實驗所加入的水量均要減去鋁粉液中所加入的水量。邊攪拌邊緩慢加入干料制備漿體,攪拌速度為1200 r/min,攪拌時間為5 min;制備漿體結(jié)束后調(diào)整攪拌速度為1500 r/min,向漿體中加入鋁粉液(鋁粉摻量分別為干料質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%),攪拌20 s后將發(fā)泡漿體迅速倒入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具內(nèi)完成注漿(抗壓強度模具為邊長100 mm的立方體,吸聲系數(shù)模具為直徑30、100 mm的圓柱體),然后置于養(yǎng)護箱中,在50~60℃條件下靜停發(fā)泡2 h,之后取出拆模,轉(zhuǎn)移至水泥壓蒸釜中蒸養(yǎng),溫度為180℃,養(yǎng)護時間為5 h,養(yǎng)護完成后按照不同的設(shè)計要求分別對材料進行造孔并進行性能測試。

        1.3 吸聲性能測試

        試塊的吸聲系數(shù)(SAC)按照GBJ88—85《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻孔率測量規(guī)范》進行測試;樣品直徑分別為30mm與100 mm,直徑30 mm樣品用來測高頻(1000~6300 Hz)的吸聲系數(shù),直徑100 mm樣品用來測試低頻(80~1600 Hz)的吸聲系數(shù)。通常用降噪系數(shù)(NRC)來評價材料的吸聲性能,NRC為250、500、1000、2000 Hz四個倍頻帶SAC的算數(shù)平均值。一般情況下,0<NRC<1,NRC越大,則吸聲性能越好[9]。駐波管法吸聲系數(shù)測定儀的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

        圖1 吸聲系數(shù)測定儀結(jié)構(gòu)示意

        2 結(jié)果與討論

        2.1 鋁粉摻量對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

        利用鋁粉在堿性體系中與氫氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)生氫氣來制備多孔吸聲材料。鋁粉摻量的變化會使材料的密度發(fā)生改變[10-11]。一般而言,密度越小,則孔隙率越高,聲波則更容易進入材料并且更容易在材料中被耗散掉,當(dāng)聲波傳到材料表面時,由惠更斯原理可知,聲波的振動帶動相鄰質(zhì)點的振動,相鄰的質(zhì)點又將振動傳遞給與它相鄰的質(zhì)點,如此這樣聲波在多孔介質(zhì)中傳播下去,振動的空氣會與孔壁發(fā)生摩擦作用,使得聲能快速轉(zhuǎn)化為熱能,從而使聲波衰減,達到吸聲降噪的目的[1,12]。

        多孔材料的厚度為4 cm,不同鋁粉摻量時材料的吸聲系數(shù)見圖2,降噪系數(shù)、密度和抗壓強度見表2。

        圖2 不同鋁粉摻量時材料的吸聲系數(shù)

        表2 不同鋁粉摻量時材料的降噪系數(shù)、密度和抗壓強度

        由圖2和表2可以看出:

        (1)隨鋁粉摻量的增加,材料的NRC先增大后減小,當(dāng)鋁粉摻量為0.4%時,NRC最大,為0.363,與摻量為0.1%時相比增幅接近2倍;但隨著鋁粉摻量進一步增加至0.5%,NRC降至0.343。

        (2)隨鋁粉摻量的增加,材料的密度先減小后稍有增大,抗壓強度逐漸降低。密度和抗壓強度也呈現(xiàn)了與吸聲性能大致相似的變化規(guī)律,表明材料的密度是吸聲性能及力學(xué)性能的重要影響因素。密度的降低導(dǎo)致孔隙率的升高,使得孔隙通道變多并且更加復(fù)雜,當(dāng)聲波進入孔隙后,聲波發(fā)生多次碰撞的可能性也就大大增加,同時與孔壁的接觸面積也隨之增加,由于摩擦及空氣粘滯阻力等使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散的速率大大增加,因此呈現(xiàn)出吸聲性能的提升。從化學(xué)反應(yīng)的角度來看,鋁粉摻量越大,其產(chǎn)氣量越高,導(dǎo)致材料的密度降低;但鋁粉摻量過高時,不僅會導(dǎo)致產(chǎn)氣量過大,還會導(dǎo)致產(chǎn)氣速率過快,遠超過膠凝材料的凝結(jié)速率,凝結(jié)速率與產(chǎn)氣速率的不匹配則會使得體系出現(xiàn)塌模現(xiàn)象。本實驗中鋁粉摻量為0.5%時出現(xiàn)了塌模現(xiàn)象,因此導(dǎo)致材料的密度相對于0.4%時略有提升,吸聲性能變差。

        多孔材料的吸聲性能不僅和孔隙率相關(guān)還和材料孔壁的粗糙度相關(guān)[13],鋁粉摻量為0.4%時,多孔材料水化28d的SEM照片見圖3。

        圖3 全固廢多孔吸聲材料的SEM照片

        由圖3可以看出,材料的內(nèi)壁有豐富的葉片狀水化產(chǎn)物,增加了孔壁與孔內(nèi)空氣的摩擦,加快了聲能到熱能的轉(zhuǎn)化速率,因此增強了材料的吸聲性能,使得全固廢多孔材料具有制備高性能吸聲材料的潛在優(yōu)勢。

        2.2 機械造孔深度對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

        為了增強多孔吸聲材料的吸收聲能,減少其反射聲能,對多孔材料進行二次機械造孔,造孔前后試塊對比如圖4所示。選取鋁粉摻量為0.4%,多孔材料厚度為4 cm,造孔率(造孔平面面積與材料原平面面積比)為5%,造孔孔徑為3 mm(采用直徑為3 mm的鉆頭),造孔深度分別為0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 cm時材料的吸聲系數(shù)見圖5,降噪系數(shù)見表3。

        圖4 全固廢多孔吸聲材料造孔前后對比

        圖5 不同造孔深度時材料的吸聲系數(shù)

        表3 不同造孔深度時材料的降噪系數(shù)

        由圖5和表3可見,造孔深度分別為0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 cm時,對應(yīng)的第一吸聲峰的位置分別為4000、2500、1250、1000、800Hz,表明隨著造孔深度的增加,材料的吸聲峰向低頻方向移動,有利于低頻噪聲的吸收,并且這些頻率下對應(yīng)的吸聲系數(shù)均達到0.8以上,有些甚至超過0.9,表明通過改變造孔深度可以實現(xiàn)低頻噪聲的高效控制。隨著造孔深度從0.8 cm增加至4.0cm(通孔)時,材料的降噪系數(shù)從0.364增大至0.532,增幅達到46.2%,機械造孔深度越深,材料的吸聲性能越好。

        2.3 造孔孔徑對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

        當(dāng)造孔率一致時,除了造孔深度,造孔孔徑也是可能影響吸聲性能的重要因素之一。選取鋁粉摻量為0.4%、多孔材料厚度為4 cm、造孔率為5%、造孔深度為4.0 cm、造孔孔徑分別為1、2、3、4、5 mm時材料的吸聲系數(shù)見圖6,降噪系數(shù)見表4。其中基準(zhǔn)試樣為未造孔處理的多孔材料。不同造孔孔徑下的造孔個數(shù)計算如式(1)所示:

        式中:N——造孔個數(shù);

        X——造孔率;

        r——造孔半徑,mm;

        R——試樣半徑,mm。

        圖6 不同造孔孔徑時材料的吸聲系數(shù)

        表4 不同造孔孔徑時材料的降噪系數(shù)

        由圖6和表4可見,隨著造孔孔徑從1mm增大到5mm,材料的降噪系數(shù)沒有發(fā)生明顯的變化,表明從宏觀上看,造孔孔徑并不是多孔材料吸聲性能的重要影響因素。但對其低頻段吸聲系數(shù)進行分析發(fā)現(xiàn),隨著造孔孔徑的增大,多孔材料的低頻吸聲系數(shù)的峰值升高,當(dāng)孔徑為4、5 mm時,1000 Hz對應(yīng)的吸聲系數(shù)均達到0.98,表明對該頻率下的噪聲具有很強的吸收能力,因此也可以通過造孔孔徑的調(diào)節(jié)實現(xiàn)不同用途吸聲材料的制備。

        當(dāng)車輛在城市道路中行駛速度為40~95 km/h時,對應(yīng)的噪聲等效頻率為470~1000 Hz;車輛在高速公路行駛的車速一般在100~120 km/h,噪聲等效頻率為650~900 Hz;對于鐵路,噪聲等效頻率與列車運行速度成正相關(guān),普通鐵路的噪聲等效頻率為400~800 Hz,高速鐵路的噪聲等效頻率為1000~2000 Hz。從圖6可以看出,機械造孔后全固廢多孔吸聲材料在這些頻率段內(nèi)均具有良好的吸聲性能,因此,本材料可適用于解決城市道路、高速路和鐵路的噪聲污染問題。

        2.4 空腔對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

        2.4.1 空腔對不造孔試塊吸聲性能的影響

        假設(shè)多孔材料的后背是剛性壁面,材料與壁面之間的距離,稱為空腔的深度,有時簡稱為空腔,增加一定距離的空腔,可以改善對低頻噪聲的吸聲性能,相當(dāng)于增加多孔材料的厚度,且更加經(jīng)濟實用[12]。由于空腔對材料的高頻吸聲性能沒有明顯的影響,故僅考察了80~1250Hz內(nèi)吸聲性能隨空腔深度的變化規(guī)律。選取鋁粉摻量為0.4%、多孔材料厚度為4 cm,空腔分別為0、1、2、3、4 cm時材料的吸聲特性曲線見圖7。

        圖7 吸聲系數(shù)與空腔的關(guān)系(不造孔試塊)

        由圖7可以看出,設(shè)置了空腔后,材料在80~500 Hz內(nèi)的吸聲性能有明顯的提升,表明空腔對改善低頻噪聲的吸聲性能具有明顯的作用,進一步發(fā)現(xiàn),隨著空腔深度的增加,材料的吸聲峰向低頻移動,且峰值更高。對于吸聲峰的移動,主要是由于,對于多孔材料,背后空腔深度的增加等同于材料本身厚度的增加,由于厚度增加使吸聲峰值向低頻偏移,高頻聲波主要在材料的表面被吸收,低頻聲波的吸收在材料的內(nèi)部[14]。

        2.4.2 空腔對造孔試塊吸聲性能的影響

        選取鋁粉摻量為0.4%、多孔材料厚度為4 cm、造孔率為5%、造孔深度為4.0 cm、造孔孔徑為3 mm,空腔分別為0、1、2、3、4 cm時材料的吸聲特性曲線見圖8。

        圖8 吸聲系數(shù)與空腔的關(guān)系(造孔試塊)

        由圖8可見,隨著空腔深度的增加,材料的吸聲峰向低頻方向移動,且最高吸聲系數(shù)接近于1,表明空腔對造孔吸聲材料的低頻吸聲性能提升作用更明顯。這是由于,穿孔吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率受到聲速、穿孔率、穿孔有效長度和空腔深度等多種因素的影響,當(dāng)聲速和穿孔率、穿孔有效長度不變時,隨背后空腔深度的增加,吸聲峰向低頻方向移動。其中對于多孔材料是否造孔后設(shè)置空腔還有本質(zhì)的區(qū)別,造的每個通孔與背后空腔組成了亥姆霍茲共振器,均勻打孔后,就形成了多個并聯(lián)的亥姆霍茲共振器,因此不僅存在多孔吸聲機制,更重要的是共振吸聲機制加強了低頻吸聲性能的提升[15]。

        3 結(jié)論

        利用粉煤灰、脫硫石膏、電石渣的復(fù)配,通過鋁粉化學(xué)發(fā)泡耦合機械造孔法可以制備出全固廢高效吸聲材料,不僅具有豐富的孔結(jié)構(gòu),而且材料內(nèi)壁上豐富的葉片狀水化產(chǎn)物極大地增加了孔壁與孔內(nèi)空氣的摩擦,加快了聲能到熱能的轉(zhuǎn)化速率,增強了材料的吸聲性能。

        (1)隨著鋁粉摻量的增加,材料的降噪系數(shù)先增大后減小,當(dāng)鋁粉摻量為0.4%時,多孔材料的降噪系數(shù)達到0.363,鋁粉摻量對吸聲性能的影響主要體現(xiàn)在密度以及孔隙率的改變。

        (2)機械造孔對材料的吸聲性能具有明顯的改善作用,當(dāng)造孔深度為4 cm(通孔)時,降噪系數(shù)達到0.532;隨著造孔孔徑的增大,材料在1000 Hz附近的吸聲系數(shù)達到0.98。

        (3)造孔后設(shè)置空腔,相當(dāng)于增加了材料的有效厚度,會形成亥姆霍茲共振器,不僅存在多孔吸聲,而且存在共振吸聲,二者協(xié)同作用提高了材料的低頻吸聲性能。

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