陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產(chǎn)品的研究與展望

劉俊榮+張緹+梁耀龍+劉宇

摘 要：通過對聲屏障研究技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、利用陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產(chǎn)品的研究等方面的分析，簡要的論述了陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)，并提出了思考建議和目標。

關(guān)鍵詞：陶瓷廢渣；吸隔聲屏障

1 引言

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程的不斷加快，城市與城市之間、城市內(nèi)部建立起了快捷的交通路線網(wǎng)，這些高速公路、城市道路等在建造時難免要穿過人口集中的居住區(qū)，所產(chǎn)生的交通噪聲給道路附近居民的工作、生活、學習帶來了一定的干擾。近年來，城市交通呈一體化發(fā)展趨勢，交通噪聲也更加嚴峻，嚴重影響城市生活質(zhì)量。道路交通產(chǎn)生的噪聲超標情況嚴重，交通噪聲污染投訴呈快速增長趨勢。全國的環(huán)境監(jiān)測結(jié)果表明：約有17%的城市道路交通噪聲屬中度污染、49%的城市噪聲屬輕度污染。根據(jù)現(xiàn)有的工業(yè)發(fā)展水平和已有城市規(guī)劃布局，用建立聲屏障的方法來治理交通噪聲是一種主要手段，日本城市中高速公路聲屏障設(shè)置率高達80%；香港公路修建了占總里程5%的聲屏障，目前國外發(fā)達國家的經(jīng)驗證明了聲屏障的有益效果。

聲屏障是指在聲源與接受者之間，插入一個有足夠面密度的密實材料板或墻，從而使聲波有一個顯著的附加衰減量，這種“障礙物”就是聲屏障。聲波在空氣中傳播，碰到聲屏障時將產(chǎn)生反射、透射和衍射等現(xiàn)象。聲屏障的作用是阻止直達聲的傳播，隔離透射聲，并使衍射聲有足夠的衰減，聲屏障后面形成的“聲影區(qū)”內(nèi)的噪聲有明顯的下降，最終達到降低噪聲的目的。

在城市道路聲屏障中，擴散反射型和吸聲共振型是兩種基本聲學結(jié)構(gòu)[1]。根據(jù)國內(nèi)外城市道路聲屏障的發(fā)展經(jīng)驗，擴散反射型聲屏障（隔聲屏障）在材料使用上的發(fā)展趨勢是質(zhì)輕、隔聲性能好、強度高、易安裝且施工工業(yè)化程度高的材料；吸聲共振型聲屏障（吸聲屏障）優(yōu)點在于聲學元件構(gòu)造精細、美觀、結(jié)構(gòu)自重輕、吸聲性能好而占用的建筑空間較小；它將是未來城市道路聲屏障的發(fā)展方向。

目前國內(nèi)用于交通聲屏障的吸聲材料主要包括金屬聲屏障、混凝土聲屏障、PC聲屏障、玻璃鋼聲屏障、無機纖維類聲屏障及多孔陶瓷聲屏障等。金屬聲屏障、PC聲屏障及玻璃鋼聲屏障普遍存在的問題是成本高，老化性能差；使用混凝土聲屏障材料又存在增加道路施工成本，不利于交通安全的問題；超細玻璃棉、礦棉等無機纖維類材料通常強度較低，性脆易斷，吸塵易污損，粉塵化后易飛揚造成二次污染，特別是吸水受潮后吸聲性能大大減弱；而多孔陶瓷材料具有良好的聲學性能、力學性能、耐候性、防火性等特點，制成的吸聲元件在中低頻具有良好的吸聲性能。并且具有重量輕、易于安裝維護，特別適宜在高溫、潮濕的環(huán)境下使用。

陶瓷磚生產(chǎn)過程的后期冷加工廢渣目前的推廣應(yīng)用有限，近十年來，國內(nèi)積存陶瓷廢渣已有2000萬噸以上，且每年仍以數(shù)百萬噸的排渣量遞增，陶瓷廢渣用廢物處理方式作為工程填料等利用方法比較單一，大量堆積的陶瓷廢料擠占土地，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，對水資源和土壤等環(huán)境造成了嚴重污染。

2 聲屏障研究技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

聲屏障研究在國外起步較早，美國20世紀70年代開始修建公路沿線聲屏障，發(fā)展速度很快，至2006年底，全美已建成的公路聲屏障約5000km。日本聲屏障的修建始于20世紀60～70年代，在20世紀70年代中期有了較大發(fā)展，至2006年底已建成約1600km公路聲屏障，日本城市高速道路的隔聲屏障設(shè)置率已達到80%，東京的首都高速公路兩側(cè)有一半設(shè)置了隔聲屏障。法國、英國、德國、澳大利亞、丹麥等也大力發(fā)展聲屏障技術(shù)來控制城市道路交通噪聲的污染。

據(jù)《2012年公路水路交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，2012年末全國公路總里程達423.75萬公里，比2011年末增加13.11萬公里。公路密度為44.14公里/百平方公里，提高1.37公里/百平方公里。而至2012年底，全國已建成的公路聲屏障長度僅為1670km，與發(fā)達國家相比差距太大。隨著我國經(jīng)濟快速、可持續(xù)發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境力度的不斷加強，治理公路交通噪聲的聲屏障工程量會逐步增長，而且空間很大。

在聲屏障材料方面，美國20世紀70年代修建聲屏障的材料50%以上是混凝土砌塊或板材，80年代起開始大量采用吸聲類聲屏障。吸聲類聲屏障的材料主要有輕集料混凝土砌塊，砌塊具有良好的物理力學性能和耐久性，優(yōu)化設(shè)計混凝土砌塊的原料組成、配比和結(jié)構(gòu)，可顯著提高其吸聲性能。這種方式成本較低，可以顯著改善道路兩側(cè)的噪聲，因此在高速公路聲屏障的建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。其他類似還有板材、面層覆蓋輕集料的普通混凝土板、刨花板背襯混凝土板、帶穿孔面層的鋼板、面層為各類輕質(zhì)材料（玻璃纖維、礦渣棉、石棉等）的塑鋼板等。我國高速公路目前常用路網(wǎng)聲屏障品種有鋼化玻璃聲屏障、陶瓷板材聲屏障、水泥木屑吸聲板、微穿孔板吸聲屏障、聚酯隔聲板、彩鋼板等。

袁衛(wèi)寧等人[2]采用雙側(cè)共振腔吸聲磚建造的隔聲屏障對實際降噪效果的研究。共振腔吸聲磚是具有吸聲和隔聲雙重功能的混凝土砌塊，吸聲面開有豎槽，與內(nèi)部空腔連通形成共振腔。這種構(gòu)造的聲屏障構(gòu)造簡單，施工方便，造價低。經(jīng)實際工程監(jiān)測表明，其降噪量可以達到13dB以上。王武祥等人也對建筑砌塊應(yīng)用于隔聲屏障進行了詳細研究，介紹了吸聲隔聲砌塊、超輕陶粒砌塊、單元式吸聲砌塊、爐渣砌塊、吸聲裝飾砌塊等不同類型的砌塊。實際應(yīng)用效果表明，這種隔聲屏障的降噪效果達到10dB以上。這些砌塊還可以結(jié)合道路綠化，在建好的聲屏障上種植綠色植物，不僅可以降低道路兩旁的噪聲水平，還可以形成綠化景觀，對高速公路來說是一種可取的選擇。

楊滿宏等人[3]研究了關(guān)于彩鋼復(fù)合板隔聲屏障在道路聲屏障特別是城市道路聲屏障中的應(yīng)用。彩鋼復(fù)合板是以巖棉、聚苯板、聚氨酯等為芯材的彩鋼夾芯板。具有較高的剪切強度，具有一定的韌性，能很好地抵抗重復(fù)荷載，具有較好的防火性能。50mm厚度的彩鋼復(fù)合板的計權(quán)隔聲量可以達到32dB，完全可以滿足較高降噪量要求時的隔聲性能。彩鋼復(fù)合板具有剛度大、彈性好及不易積灰等優(yōu)點；同時結(jié)構(gòu)形式靈活，外觀美觀，便于加工和安裝施工、維護容易，因此在道路特別是高架橋等位置的反射型聲屏障得到廣泛應(yīng)用。但彩鋼復(fù)合板芯材存在環(huán)保問題，在耐候性、壽命等方面不盡如人意。

囤靜華等人[4]介紹了珍珠巖聲屏障在高速公路上的應(yīng)用，對珍珠巖聲屏障進行了研究，并設(shè)計了珍珠巖聲屏障，收到了良好的降噪效果。通過實際工程應(yīng)用表明，珍珠巖聲屏障具有較好的吸聲性能，是較好的高速公路聲屏障材料。珍珠巖通過以水泥、天然礦物質(zhì)加上其它化學材料經(jīng)特殊處理后，攪拌，制模成型，可以作為聲屏障隔聲吸聲材料，平均降噪系數(shù)NRC0.85左右，符合道路聲屏障聲學要求；應(yīng)用安裝簡單，可預(yù)制或現(xiàn)場成型；但主要缺點是：自重較大，在低頻段吸聲性能較差，目前在香港地區(qū)應(yīng)用較多，在內(nèi)地應(yīng)用較少。

國外的加拿大Cymat鋁業(yè)公司和日本Shinko Wire公司采用泡沫鋁和纖維鋁制備聲屏障產(chǎn)品，避免了普通的鋼材質(zhì)聲屏障容易遭受腐蝕的問題。經(jīng)性能測試表明，這種泡沫鋁板具有較好的降噪系數(shù)，空腔為100mm時的降噪系數(shù)達到0.6以上，用于戶外隔聲屏障是良好的吸聲材料。但不足之處在于其成本太高,無法在我國大量推廣使用。另外,金屬結(jié)構(gòu)的隔聲屏單元連接也較困難,且容易產(chǎn)生噪聲泄漏。

3 利用陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產(chǎn)品的研究與展望

目前國內(nèi)用于道路聲屏障的吸聲材料主要是細玻璃棉、礦棉等無機纖維類材料。但超細玻璃棉類吸聲材料通常強度較低，脆性易斷，吸塵易污損，粉塵化后易飛揚造成二次污染，特別是吸水受潮后吸聲性能大大減弱。近年來從對采用纖維類材料做吸聲材料道路屏障的檢修來看，由于長期處于大流量交通流振動和風壓影響下，纖維材料的脆性斷裂和粉塵化使原來的勻質(zhì)結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，道路聲屏障未能有效起到吸聲降噪作用。由于存在上述缺點，以及出于對環(huán)境保護的要求，需要更有效更環(huán)保的吸聲材料代替。新型吸聲材料泡沫陶瓷在國外道路聲屏障建設(shè)中得到應(yīng)用，取得了非常好的降噪效果。泡沫陶瓷具有良好的吸聲性能，并且具有重量輕、易于安裝維護等優(yōu)點，特別適合在高溫、潮濕的環(huán)境下使用。厚50mm泡沫陶瓷材料和后留10cm空腔、厚50mm的泡沫陶瓷，分別對中心頻率為600Hz和中心頻率為250Hz的聲頻具有較好的吸聲效果，此時吸聲系數(shù)最高，而這正是道路交通噪聲的主要頻段。

以拋光磚廢料為發(fā)泡劑可制備大量的封閉孔，添加合適的外加劑可改變孔隙結(jié)構(gòu)，使封閉孔相互連通構(gòu)成多孔吸聲材料。其吸聲原理如下：材料表面有大量連通孔，當聲波入射到多孔材料表面，一部分產(chǎn)生反射或散射，一部分則沿著氣孔進入材料內(nèi)部繼續(xù)傳播。聲波在材料內(nèi)部的縫隙和連通氣孔中傳播時，導致聲波衰減。首先是聲波導致的空氣運動，氣孔中空氣受壓縮時溫度升高，稀疏時溫度降低；緊靠孔壁的空氣運動較慢，相對遠離孔壁的空氣運動較快，從而產(chǎn)生黏滯阻力和磨擦作用；其次是材料的熱傳導效應(yīng)。這兩種作用同時導致一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏a(chǎn)生衰減，從而起到吸聲作用。

多孔吸聲材料的吸聲頻譜特性是，吸聲系數(shù)隨頻率的增大而增大，由低頻向高頻逐步升高，期間有不同程度的起伏，起伏幅度都在高頻位趨緩，其頻率特征曲線如圖1所示。

以陶瓷原料和固體廢棄物為主要原料，通過成型、干燥和燒成等工藝可制備出高吸聲系數(shù)的陶瓷吸隔聲屏障產(chǎn)品。這種陶瓷吸隔聲屏障產(chǎn)品是一種剛性開孔型吸聲陶瓷，具有強度高、裝飾性好、不燃、耐老化等優(yōu)點。

4 結(jié)語

對陶瓷工業(yè)廢渣進行綜合利用，通過材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)具有良好吸聲和隔聲性能的多孔陶瓷聲屏障產(chǎn)品，可以解決陶瓷固體廢棄物的資源綜合利用和環(huán)境噪聲污染問題。產(chǎn)品既可使用于公路及軌道交通等特定環(huán)境，降低環(huán)境噪音污染，又可廣泛應(yīng)用于建筑裝修、高架橋、隧道等基礎(chǔ)建設(shè)工程，社會經(jīng)濟效益顯著。

參考文獻

[1] 楊滿宏. 擴散反射型與吸聲共振型公路聲屏障[J]. 公路，1996（5）.

[2] 袁衛(wèi)寧，董小林，張玉芬. 高速公路共振腔吸聲磚聲屏障降噪

效果[J]. 交通運輸工程學報，2007（2）.

[3] 楊滿宏，劉書套. 彩鋼復(fù)合板公路聲屏障材料聲學性能研究[J].

噪聲與振動控制，1999（5）.

[4] 囤靜華，周 洲. 珍珠巖聲屏障在高速公路上的應(yīng)用[J]. 上海船

舶運輸科學研究所學報. 2006（12）.

佛山市院市合作項目，項目編號2010YS018；佛山市三水區(qū)科技計劃項目，三科2010[8]號；粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點突破項目佛山專項，項目編號2010Z52102

3 利用陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產(chǎn)品的研究與展望

目前國內(nèi)用于道路聲屏障的吸聲材料主要是細玻璃棉、礦棉等無機纖維類材料。但超細玻璃棉類吸聲材料通常強度較低，脆性易斷，吸塵易污損，粉塵化后易飛揚造成二次污染，特別是吸水受潮后吸聲性能大大減弱。近年來從對采用纖維類材料做吸聲材料道路屏障的檢修來看，由于長期處于大流量交通流振動和風壓影響下，纖維材料的脆性斷裂和粉塵化使原來的勻質(zhì)結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，道路聲屏障未能有效起到吸聲降噪作用。由于存在上述缺點，以及出于對環(huán)境保護的要求，需要更有效更環(huán)保的吸聲材料代替。新型吸聲材料泡沫陶瓷在國外道路聲屏障建設(shè)中得到應(yīng)用，取得了非常好的降噪效果。泡沫陶瓷具有良好的吸聲性能，并且具有重量輕、易于安裝維護等優(yōu)點，特別適合在高溫、潮濕的環(huán)境下使用。厚50mm泡沫陶瓷材料和后留10cm空腔、厚50mm的泡沫陶瓷，分別對中心頻率為600Hz和中心頻率為250Hz的聲頻具有較好的吸聲效果，此時吸聲系數(shù)最高，而這正是道路交通噪聲的主要頻段。

以拋光磚廢料為發(fā)泡劑可制備大量的封閉孔，添加合適的外加劑可改變孔隙結(jié)構(gòu)，使封閉孔相互連通構(gòu)成多孔吸聲材料。其吸聲原理如下：材料表面有大量連通孔，當聲波入射到多孔材料表面，一部分產(chǎn)生反射或散射，一部分則沿著氣孔進入材料內(nèi)部繼續(xù)傳播。聲波在材料內(nèi)部的縫隙和連通氣孔中傳播時，導致聲波衰減。首先是聲波導致的空氣運動，氣孔中空氣受壓縮時溫度升高，稀疏時溫度降低；緊靠孔壁的空氣運動較慢，相對遠離孔壁的空氣運動較快，從而產(chǎn)生黏滯阻力和磨擦作用；其次是材料的熱傳導效應(yīng)。這兩種作用同時導致一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏a(chǎn)生衰減，從而起到吸聲作用。

多孔吸聲材料的吸聲頻譜特性是，吸聲系數(shù)隨頻率的增大而增大，由低頻向高頻逐步升高，期間有不同程度的起伏，起伏幅度都在高頻位趨緩，其頻率特征曲線如圖1所示。

以陶瓷原料和固體廢棄物為主要原料，通過成型、干燥和燒成等工藝可制備出高吸聲系數(shù)的陶瓷吸隔聲屏障產(chǎn)品。這種陶瓷吸隔聲屏障產(chǎn)品是一種剛性開孔型吸聲陶瓷，具有強度高、裝飾性好、不燃、耐老化等優(yōu)點。

4 結(jié)語

對陶瓷工業(yè)廢渣進行綜合利用，通過材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)具有良好吸聲和隔聲性能的多孔陶瓷聲屏障產(chǎn)品，可以解決陶瓷固體廢棄物的資源綜合利用和環(huán)境噪聲污染問題。產(chǎn)品既可使用于公路及軌道交通等特定環(huán)境，降低環(huán)境噪音污染，又可廣泛應(yīng)用于建筑裝修、高架橋、隧道等基礎(chǔ)建設(shè)工程，社會經(jīng)濟效益顯著。

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噪聲與振動控制，1999（5）.

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舶運輸科學研究所學報. 2006（12）.

佛山市院市合作項目，項目編號2010YS018；佛山市三水區(qū)科技計劃項目，三科2010[8]號；粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點突破項目佛山專項，項目編號2010Z52102

3 利用陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產(chǎn)品的研究與展望

目前國內(nèi)用于道路聲屏障的吸聲材料主要是細玻璃棉、礦棉等無機纖維類材料。但超細玻璃棉類吸聲材料通常強度較低，脆性易斷，吸塵易污損，粉塵化后易飛揚造成二次污染，特別是吸水受潮后吸聲性能大大減弱。近年來從對采用纖維類材料做吸聲材料道路屏障的檢修來看，由于長期處于大流量交通流振動和風壓影響下，纖維材料的脆性斷裂和粉塵化使原來的勻質(zhì)結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，道路聲屏障未能有效起到吸聲降噪作用。由于存在上述缺點，以及出于對環(huán)境保護的要求，需要更有效更環(huán)保的吸聲材料代替。新型吸聲材料泡沫陶瓷在國外道路聲屏障建設(shè)中得到應(yīng)用，取得了非常好的降噪效果。泡沫陶瓷具有良好的吸聲性能，并且具有重量輕、易于安裝維護等優(yōu)點，特別適合在高溫、潮濕的環(huán)境下使用。厚50mm泡沫陶瓷材料和后留10cm空腔、厚50mm的泡沫陶瓷，分別對中心頻率為600Hz和中心頻率為250Hz的聲頻具有較好的吸聲效果，此時吸聲系數(shù)最高，而這正是道路交通噪聲的主要頻段。

以拋光磚廢料為發(fā)泡劑可制備大量的封閉孔，添加合適的外加劑可改變孔隙結(jié)構(gòu)，使封閉孔相互連通構(gòu)成多孔吸聲材料。其吸聲原理如下：材料表面有大量連通孔，當聲波入射到多孔材料表面，一部分產(chǎn)生反射或散射，一部分則沿著氣孔進入材料內(nèi)部繼續(xù)傳播。聲波在材料內(nèi)部的縫隙和連通氣孔中傳播時，導致聲波衰減。首先是聲波導致的空氣運動，氣孔中空氣受壓縮時溫度升高，稀疏時溫度降低；緊靠孔壁的空氣運動較慢，相對遠離孔壁的空氣運動較快，從而產(chǎn)生黏滯阻力和磨擦作用；其次是材料的熱傳導效應(yīng)。這兩種作用同時導致一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏a(chǎn)生衰減，從而起到吸聲作用。

多孔吸聲材料的吸聲頻譜特性是，吸聲系數(shù)隨頻率的增大而增大，由低頻向高頻逐步升高，期間有不同程度的起伏，起伏幅度都在高頻位趨緩，其頻率特征曲線如圖1所示。

以陶瓷原料和固體廢棄物為主要原料，通過成型、干燥和燒成等工藝可制備出高吸聲系數(shù)的陶瓷吸隔聲屏障產(chǎn)品。這種陶瓷吸隔聲屏障產(chǎn)品是一種剛性開孔型吸聲陶瓷，具有強度高、裝飾性好、不燃、耐老化等優(yōu)點。

4 結(jié)語

對陶瓷工業(yè)廢渣進行綜合利用，通過材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)具有良好吸聲和隔聲性能的多孔陶瓷聲屏障產(chǎn)品，可以解決陶瓷固體廢棄物的資源綜合利用和環(huán)境噪聲污染問題。產(chǎn)品既可使用于公路及軌道交通等特定環(huán)境，降低環(huán)境噪音污染，又可廣泛應(yīng)用于建筑裝修、高架橋、隧道等基礎(chǔ)建設(shè)工程，社會經(jīng)濟效益顯著。

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佛山市院市合作項目，項目編號2010YS018；佛山市三水區(qū)科技計劃項目，三科2010[8]號；粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點突破項目佛山專項，項目編號2010Z52102