陳靈智，馬永存，秦雪花，羅 遜，耿培森，周 晨，田建德，申世剛

（1.衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000；2.衡水學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系,河北 衡水 053000；3.河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002）

現(xiàn)代社會(huì)軌道交通快速發(fā)展的同時(shí)也給人類(lèi)帶來(lái)了噪聲污染問(wèn)題，據(jù)報(bào)道，長(zhǎng)期處在噪音環(huán)境中，重者會(huì)導(dǎo)致抑郁、心血管疾病等[1-2]。多孔混凝土是一種具有開(kāi)口孔洞和連通孔洞的吸聲材料，聲波在其內(nèi)部經(jīng)過(guò)多次反射和干涉，使聲能消耗，常用于聲屏障材料[4-5]。但是混凝土吸聲材料中應(yīng)含有大量的孔徑，致使材料的抗壓強(qiáng)度降低，并由于材料的開(kāi)孔率較低，吸聲效果并不明顯。為了提高混凝土吸聲材料綜合性能，人們不斷加入不同的骨料制備混凝土吸聲材料。聚丙烯纖維因價(jià)格便宜，具有較好的長(zhǎng)徑比，研究發(fā)現(xiàn)，將其添加到混凝土中，可有效提高混凝土抗裂性能[6]、力學(xué)性能[7]和防滲透性能[8]，對(duì)將其添加到泡沫混凝土中對(duì)其吸聲性能的研究較少。因此，采用聚丙烯纖維為骨料添加到混凝土中，通過(guò)發(fā)泡技術(shù)制備聚丙烯纖維多孔混凝土材料，進(jìn)一步研究了聚丙烯纖維混凝土的添加對(duì)多孔混凝土吸聲性能、力學(xué)性能、容重和吸水率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

硅鹽酸水泥，42.5，辛集市鋼信水泥有限公司；聚丙烯纖維，工業(yè)級(jí)，山東東方宏業(yè)化工有限公司；發(fā)泡劑，工業(yè)級(jí)，市售；抗裂增強(qiáng)劑，工業(yè)級(jí)，市售；流平劑，工業(yè)級(jí)，市售。

發(fā)泡機(jī)，F(xiàn)80 型，邢臺(tái)凱優(yōu)機(jī)械廠(chǎng)；HCZT-I 型混凝土程控磁盤(pán)振動(dòng)臺(tái)，北京世紀(jì)誠(chéng)達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司；HJW-60 單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，北京世紀(jì)誠(chéng)達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司；HXSY-200微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司；PA-501 JTZB駐波管，北京世紀(jì)建通科技股份有限公司。

1.2 試樣制備

將水泥、流平劑、增強(qiáng)劑和不同量的聚丙烯纖維（1%、2%、3%、4%、5%）干料倒入攪拌機(jī)混勻，加水（水灰比為0.5），再次攪拌，用發(fā)泡機(jī)將稀釋過(guò)的發(fā)泡劑發(fā)泡，添加到攪拌機(jī)再次攪拌，在模具刷油后（便于脫模）把混和均勻的復(fù)合物快速倒入模具，開(kāi)啟數(shù)控磁力振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)時(shí)間為30 s，靜置晾干脫模，得到樣品。

模具分為三種：①Ф90×50 mm 圓柱形；②Ф90×68 mm 圓柱形；③100 mm×100 mm×100 mm 正立方體。

2 性能測(cè)試

2.1 吸聲性能

用JTZB 吸聲系數(shù)計(jì)算軟件配合JTZB 駐波管專(zhuān)用頻譜分析使用，通過(guò)調(diào)節(jié)分貝值及頻率位置來(lái)測(cè)試在200～2 000 Hz時(shí)每個(gè)值的最大聲壓（即波峰）和最小聲壓（即波谷），根據(jù)其最大聲壓和最小聲壓的差值來(lái)得出其吸聲系數(shù)。吸聲系數(shù)越大，表明材料的吸聲效果越好。模具采用Ф90 mm×50 mm和Ф90 mm×68 mm兩種圓柱形試樣。

2.2 力學(xué)性能

本實(shí)驗(yàn)用HXSY-200微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同聚丙烯纖維添加量，樣品尺寸100 mm×100 mm×100 mm立方體，養(yǎng)護(hù)期為10 d，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C 3.0。

2.3 容重

即單位體積的重量，單位N/m3。樣品真空干燥后，用電子天平稱(chēng)量單位體積為100 mm×100 mm×100 mm的重量，計(jì)算容重?；炷恋娜葜刂饕从硢卧宓闹亓?，與施工現(xiàn)場(chǎng)承載力相關(guān)。

2.4 吸水率

樣品用烘箱烘干，每隔4 h 將樣品取出稱(chēng)量一次，直到兩次的質(zhì)量差小于最后質(zhì)量的0.1%，此時(shí)為干燥質(zhì)量m0。然后將樣品冷卻至室溫，側(cè)向直立在槽中，加水，水面高出樣品表面約20 mm，浸泡24 h±0.25 h。最后拿出樣品，吸去表面多余的水珠，再次稱(chēng)量，此時(shí)為樣品吸水24 h的質(zhì)量m1。

用公式：ω=100%×（m1-m0）/m0計(jì)算吸水率。

3 結(jié)果與討論

3.1 吸聲性能

3.1.1 不同頻率和不同聚丙烯纖維添加量的吸聲效果

由圖1可知，每組曲線(xiàn)隨著頻率的增加，吸聲系數(shù)都是先升高再降低再升高，每組都至少有一個(gè)峰值。整體來(lái)看，在頻率為400～700 Hz 及1 600～2 000 Hz 時(shí)，吸聲系數(shù)較高，其他頻率的吸聲效果一般。即本次的試樣在低頻率和高頻率時(shí)吸聲效果較好。圖1 中當(dāng)聚丙烯纖維添加量為4%時(shí)的曲線(xiàn)明顯高于其他聚丙烯纖維添加量的曲線(xiàn)，即降噪系數(shù)明顯增強(qiáng)。從整體上看，吸聲曲線(xiàn)在頻率為630 Hz時(shí)，出現(xiàn)較高吸聲系數(shù)，表明添加聚丙烯纖維為4%時(shí)，最大的吸聲系數(shù)為0.53，其中降噪系數(shù)為0.36。

圖1 混凝土在不同頻率時(shí)的吸聲系數(shù)圖

3.1.2 不同厚度的模具對(duì)吸聲效果的影響

圖2是對(duì)聚丙烯纖維添加量為4%的樣品不同厚度的模具對(duì)吸聲性能的影響分析，從圖2 可以看出，厚度為68 mm的聚丙烯混凝土吸聲材料在800 Hz之前出現(xiàn)了較高的峰值，在600 Hz 附近出現(xiàn)了較好的吸聲系數(shù)（高于0.5），其次緩慢降低，在1 600 Hz左右又出現(xiàn)了次高峰。從整體效果來(lái)看，68 mm的聚丙烯混凝土吸聲材料吸聲性能明顯高于50 mm 厚度的產(chǎn)品。這可能是由于隨著吸聲材料厚度的增加，聲波在材料內(nèi)部運(yùn)行軌道增長(zhǎng)，其過(guò)程中通過(guò)反復(fù)碰撞消耗大量的能量，致使材料的吸聲效果增強(qiáng)。因此根據(jù)施工要求選擇68 mm 的聚丙烯混凝土吸聲材料最好。

圖2 不同厚度的模具對(duì)吸聲效果的影響

3.2 抗壓性能

由圖3 可知，隨著聚丙烯纖維添加量的增加，聚丙烯混凝土吸聲材料的抗壓強(qiáng)度先增加后減少，聚丙烯纖維的添加量為4%時(shí)，壓強(qiáng)最大，為2.02 MPa。這可能是由于聚丙烯纖維具有較好的長(zhǎng)徑比，通過(guò)纖維的添加可以提高材料的強(qiáng)度，致使混凝土吸聲材料抗壓強(qiáng)度增加。當(dāng)聚丙烯纖維的添加量達(dá)到一定量時(shí)，混凝土對(duì)其凝聚能力降低，致使混凝土吸聲材料的抗壓能力逐漸降低，表明聚丙烯纖維的添加量為4%時(shí)，抗壓能力最佳。

圖3 不同聚丙烯纖維添加量對(duì)抗壓性能的影響

3.3 容重w

從表1中可以看出，聚丙烯添加量為1%～5%時(shí)，聚丙烯混凝土吸聲材料的容重約為600 kg/m3，基本上滿(mǎn)足吸聲材料作為聲屏障材料鐵路工程上的承重要求。從數(shù)據(jù)中可以看到，隨聚丙烯纖維含量的增加，聚丙烯纖維基混凝土材料的容重逐漸增加，當(dāng)添加量為3%時(shí)，容重達(dá)到最高，為689 kg/m3,即含氣孔的密度很小，聲波在很少的氣孔內(nèi)部發(fā)生折射和干涉的次數(shù)很少，不能很好地將聲能轉(zhuǎn)化成熱能，消耗不完全，所以其吸聲性能不佳，這與前文中的曲線(xiàn)圖所對(duì)映。之后隨聚丙烯添加量的增加容重降低，添加量為4%時(shí)，容重為650 kg/m3,表明此樣品在保持較好吸聲性能的同時(shí)，容重符合施工要求。

表1 不同量聚丙烯纖維樣品的容重

3.4 吸水率

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了上述文中具有最佳吸聲性能的聚丙烯纖維基混凝土樣品（添加量為4%）的吸水率，取同組的三塊樣品，得到數(shù)據(jù)。

由表2可知，聚丙烯纖維基混凝土樣品平均吸水率為0.22%，表明此組樣品具有較低的吸水率，此配方制備的聚丙烯基混凝土吸聲材料的抗?jié)B性能優(yōu)異，適宜應(yīng)用于鐵路、公路聲屏障材料中。

表2 最佳吸水性能樣品的吸水率

4 結(jié)論

綜上所述，聚丙烯纖維的添加可以提高混凝土多孔材料的吸聲性能和抗壓能力，并具有符合施工要求的容重和吸水率。當(dāng)向混凝土添加4%聚丙烯纖維時(shí)，通過(guò)發(fā)泡技術(shù)制備的多孔混凝土材料降噪系數(shù)為0.36，抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.02 MPa，容重為650 kg/m3，平均吸水率為0.22%。結(jié)果表明，聚丙烯纖維的添加有利于多孔混凝土材料吸聲性能和抗壓性能的提高，可以作為優(yōu)良的骨料材料添加到混凝土吸聲材料中。