陶粒原材料和級配對水泥基陶粒軌道吸音板吸聲性能的影響

李　麗，朱萬旭，孟慶鵬（1.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林　541004；2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林　541004）

陶粒原材料和級配對水泥基陶粒軌道吸音板吸聲性能的影響

李麗1，2，朱萬旭1，2，孟慶鵬1，2
（1.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林541004；2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林541004）

為了使城市軌道交通吸聲材料國產化，以水泥、陶粒等為原料，制作了水泥基陶粒多孔無砟軌道吸音板。本文采用駐波管法測試不同原材料和級配的水泥基陶粒吸音板吸聲系數(shù)，得出陶粒原材料和粒徑對其吸聲性能均有不同影響；對于軌道交通產生的低頻噪音，不同粒徑范圍陶?；旌衔舭宓奈曄禂?shù)大于單一粒徑范圍陶粒吸音板。通過比對分析，總結歸納出軌道交通水泥基陶粒吸音板粒徑的最優(yōu)配比，為軌道交通吸音板的制作提供參考。

陶粒；吸音板；吸聲系數(shù)；級配

隨著城市軌道交通的發(fā)展，行車引起的振動和噪聲對旅客以及附近的建筑物和居民產生較大的干擾，為了減振降噪，各國都在軌道結構方面采取了很多措施，如在軌道下采用彈性墊板、無機材料、鋁纖維板、橡膠吸音板等［1-4］，然而均因減振降噪效果不理想、耐久性差、造價過高等原因而無法大量推廣使用［5］。因此，開發(fā)一種環(huán)保耐久、防水阻燃、有效保持吸音效果的全天候吸聲材料迫在眉睫。水泥基陶粒多孔無砟軌道吸音板［6］是一種以陶粒為骨料，以高強度水泥為膠結材料，并添加聚酯纖維和外加劑復合而成的新型軌道吸聲材料，具有吸音頻率廣、耐久性好、透水性強、防火、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，非常適合應用于城市軌道交通。本文研究了原材料和級配對水泥基陶粒多孔無砟軌道吸音板吸聲性能的影響，提出了軌道交通吸音板最優(yōu)陶粒級配。

1　陶粒與吸音板吸聲性能

陶粒可以采用黏土、頁巖、城市生活垃圾等經造粒、焙燒而成，具有重度輕、強度高、保溫防凍、抗震、抗腐蝕、環(huán)保等特性，其材料內部為細密蜂窩狀微孔結構，顆粒之間形成連通的孔道，是很好的多孔吸聲材料。

陶粒按其原材料不同，可以分為鋁礬土陶粒、黏土陶粒、頁巖陶粒、垃圾陶粒、煤矸石陶粒、生物污泥陶粒等。陶粒粒徑一般為5～20 mm，最大可達25 mm，也有許多＜5 mm粒徑的細顆粒，在生產中用篩分機將這部分細小顆粒篩分出來，習慣上稱之為陶砂。選用不同原料、不同粒徑的陶粒或陶砂，按照不同配比制成吸音板，對其吸聲性能有較大影響。

2　試驗研究

根據(jù)《建筑吸聲產品的吸聲性能分級》（GB/T 16731—1997）［7］，采用駐波管法測試水泥基陶粒軌道吸音板的垂直入射吸聲系數(shù)，以判斷陶粒原材料和級配對水泥基陶粒多孔無砟軌道吸音板的吸聲性能影響。

駐波管為圓形截面長管筒，根據(jù)測試頻率不同有20，50，100 mm 3種直徑，直徑20 mm管測試5 000～6 300 Hz頻率，直徑50 mm管測試2 500～4 000 Hz頻率，直徑100 mm管測試200～2 000 Hz頻率。輪軌噪聲是鐵道車輛運行時的主要噪聲源，存在于2個主要的頻譜區(qū)域，低頻區(qū)以鋼軌輻射噪聲占主導地位，頻率范圍為250～1 500 Hz，高頻區(qū)以車輪輻射噪聲占主導地位，頻率范圍為2 000～4 000 Hz。本文采用直徑100 mm的駐波管，主要測試吸音板對低頻噪音的吸收能力。裝入駐波管的試樣如圖1所示。

本次試驗共制作3個試件，其材料配合比如表1所示。3個試件中陶粒的原材料和級配如表2所示，通過這3個試件主要判斷不同原材料陶粒及不同粒徑范圍陶粒配合比對吸聲性能的影響。

圖1　裝入駐波管試樣

表1　材料配合比

表2　試件陶粒原材料和級配%

3　試驗結果及吸聲性能分析

根據(jù)《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范》（GBJ 88—85）中1/3倍頻程規(guī)定的測試頻率范圍，需要測試上述3個試件在200，250，315，400，500，630，800，1 000，1 250，1 600，2 000 Hz等11個頻率下的吸聲系數(shù)，以頻率為橫坐標，以吸聲系數(shù)為縱坐標，繪制吸聲系數(shù)特性曲線，如圖2所示。

圖2　吸聲系數(shù)特性曲線

3.1不同原材料陶粒對吸聲系數(shù)的影響

從圖2可以看出，由黏土陶粒組成的2#陶粒混凝土試件和由頁巖陶粒組成的3#陶?；炷猎嚰呶曄禂?shù)特性曲線走勢大致相同。頻率＜400 Hz時，2#試件吸聲系數(shù)略大于3#試件；在400 Hz時，吸聲系數(shù)達到了第1個峰值，分別為0.70和0.80，3#試件大于2#試件；隨著頻率繼續(xù)增大，2#，3#試件的吸聲系數(shù)發(fā)生波動，但3#試件的吸聲系數(shù)始終大于2#試件。

由頁巖和淤泥組成的1#陶?；炷猎嚰奈曄禂?shù)特性曲線，在初始階段其吸聲系數(shù)較低，500 Hz時達到第1個峰值，吸聲系數(shù)達到了0.95，遠遠大于2#，3#試件；隨著頻率的繼續(xù)增大，其吸聲系數(shù)特性曲線出現(xiàn)起伏，但其吸聲系數(shù)基本大于2#，3#試件。

計算3個試件在250，500，1 000，2 000 Hz 4個頻率下測出的吸聲系數(shù)的算術平均值作為其降噪系數(shù)［8］，則 3個試件的降噪系數(shù)分別為 0.50，0.35，0.40。由此可以看出采用頁巖和淤泥陶粒制成的吸聲材料吸聲效果較好，其降噪系數(shù)高于單純采用頁巖的陶粒，而黏土陶粒的降噪系數(shù)又略差于頁巖陶粒吸聲材料。

3.2不同粒徑配合比陶粒對吸聲系數(shù)的影響

1#和3#試件為不同粒徑的陶粒構成的陶粒混凝土試件，3#試件主要是0～4 mm粒徑的陶粒，而1#試件則摻加了30%的4～8 mm粒徑的陶粒，從二者的吸聲系數(shù)特性曲線可以看出，頻率≤400 Hz時，3#試件吸聲系數(shù)略高于 1#試件，而隨著頻率從 500 Hz加大到2 000 Hz，1#試件的吸聲系數(shù)基本高于3#試件，只是在1 250 Hz時，3#試件的吸聲系數(shù)第2次達到了峰值，其吸聲系數(shù)略高于1#試件。

由以上分析可以看出，由不同粒徑范圍的陶粒配合制成的吸音板，其吸聲效果較好，降噪系數(shù)較高，達到了0.50。因此，采用大部分0～4 mm小粒徑陶粒配合小部分4～8 mm大粒徑陶粒，可以達到較好的吸聲、降噪效果。相同粒徑范圍陶粒組成的吸聲材料，由于陶粒不能很好地補充相互之間的孔隙，聲波進入后能順暢通過，與孔壁的有效摩擦減小，因而能量損失較少，自然吸聲效果就差［8-9］。另外3#試件采用的陶粒粒徑范圍較小，陶粒之間的孔隙減小，聲波很難進入試件，因而其吸聲效果降低［10］。此外，1#試件摻入的淤泥陶粒也可能對吸聲性能產生影響，有待于進一步試驗研究。

為了提高軌道吸音板的吸聲性能，在水泥基陶粒軌道吸音板制作過程中，可以采用不同粒徑陶粒混合制成軌道吸音板，例如大部分粒徑5 mm以內的陶砂和小部分粒徑＞5 mm的陶粒，使中小粒徑陶粒填充大粒徑陶粒間孔隙，所形成的孔隙細小均勻，軌道噪音聲波進入吸音板后，與孔隙壁發(fā)生多次非彈性碰撞，聲波得到了充分的摩擦，經過多次反射和折射后，能量損失較多，從而提高軌道吸音板的吸聲性能，更好地起到吸聲降噪的作用。其成品鋪設在軌道中如圖3所示。

圖3　吸音板鋪設于軌道中

4　結語

水泥基陶粒軌道吸音板吸聲性能良好，與彈性墊片、無機材料吸音板相比，其吸水性、透水性、耐火極限及耐久性更優(yōu)；與鋁纖維板類吸聲材料相比其造價更低，取材方便，可以在國內生產，從而實現(xiàn)軌道交通吸聲材料國產化，具有廣闊的應用前景。

［1］徐傳友，茍鳳祥，杜鑫，等.吸聲材料研究的進展［J］.磚瓦，2008（9）：11-14.

［2］張德信.我國絕熱吸聲材料工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展建議［J］.新型建筑材料，1995（11）：17-21.

［3］韓冬，張俊紅，張英，等.金屬鋁纖維的性能研究及其應用進展［J］.輕金屬，2007（12）：67-70.

［4］MORGAN P A，WATTS G R.A Novel Approach to the Acoustic Characterisation of Porous Road Surfaces［J］.Applied Acoustics，2003（12）：1171-1186.

［5］張守梅，曾令可，張明，等.地鐵多孔吸音材料的研制［J］.新型建筑材料，2003（5）：60-62.

［6］金凌志，陳超，周曉杰，等.水泥基陶粒多孔無砟軌道吸音板的制作及性能淺析［J］.混凝土與水泥制品，2013（2）：39-43.

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［8］馬大猷，沈山豪.聲學手冊［M］.北京：科學出版社，2006.

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［10］周棟梁，張志強，李付剛，等.水泥基復合多孔吸聲材料的制備方法和性能［J］.噪聲與振動控制，2008（4）：136-137.

（責任審編周彥彥）

Influence of Raw Materials and Grading of Ceramics on Sound Absorption Performance of Cement-based Ceramic Acoustic Panels for Track

LI Li1，2，ZHU Wanxu1，2，MENG Qingpeng1，2
（1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Guilin Guangxi 541004，China；2.College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Cement-based ceramic acoustic panel as a new sound absorption material for track is ideal for the localization of sound absorption material under metro rail traffic environment to reduce rail traffic noise.T hrough the standing wave tube test，the sizes and raw materials of ceramics have impact on absorption performance.For lowfrequency noise from rail，the sound absorption coefficient of size-mixed ceramic hybrid acoustic panel is greater than single size ceramic acoustic panel.T he best composition of ceramics was analyzed to provide theoretical data for cement-based ceramic acoustic panels used in rail track.

Ceramic；Acoustic panel；Sound absorption coefficient；Grading

TU112.59

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.39

1003-1995（2016）08-0157-03

2016-03-10；

2016-05-25

廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心資助項目（KH2013YB023）

李麗（1980—），女，講師，碩士。