鎳鐵渣多孔聚合微粒吸聲材料研究及應(yīng)用

李云濤，鄭雙金，毛志剛，陸 豫

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，南寧 530000)

近年來，全國(guó)高速公路建設(shè)已進(jìn)入高峰期，高速公路網(wǎng)的日趨完善給人們交通出行帶來了極大的便利，但隨之而來的噪聲污染問題已成為當(dāng)今社會(huì)四大環(huán)境公害之一[1]，此問題已逐漸得到人們的普遍重視，交通噪聲嚴(yán)重影響沿線居民、學(xué)校的正常生活、工作和學(xué)習(xí)，利用吸聲材料對(duì)公路交通噪聲進(jìn)行吸收是防治公路交通噪聲污染最主要的措施，而吸聲型聲屏障在降噪效果上優(yōu)于普通隔聲型聲屏障，被廣泛研究和使用。而目前，聲屏障吸聲材料主要有多孔吸聲材料、共振吸聲材料和特殊吸聲材料3大類[1]，其中植物纖維材料（木質(zhì)纖維板等）和無(wú)機(jī)纖維材料（玻璃棉等）在廣西吸聲型聲屏障中使用最多。但木質(zhì)纖維板等植物纖維材料防火性能差、吸聲效果一般，玻璃棉無(wú)機(jī)纖維材料則易受潮、下沉和粉化，吸聲性能下降嚴(yán)重，且易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害[2]，耐用性和適用范圍受限。

鎳鐵渣是冶煉鎳鉻合金坯料中精煉工段排出來的工業(yè)廢渣，出爐后經(jīng)水淬急冷形成。鎳鐵渣排渣量大，有價(jià)金屬回收價(jià)值低，其具有鎂高鈣低、活性低和穩(wěn)定性差等特性，導(dǎo)致其較難在水泥制造業(yè)中被回收利用[3]；因而鎳鐵渣的處置已成為廣西鎳鉻合金企業(yè)的頭等難題。目前，僅部分用于鄉(xiāng)村道路路基填筑，產(chǎn)品附加值較低。因此，開發(fā)高附加值的鎳鐵渣新途徑顯得尤為重要。

本次研究利用鎳鐵渣為基本原料，通過添加膠凝溶劑，采用高溫聚合成型工藝，制備鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料，是以廢降噪、固廢回用的綠色環(huán)保聲學(xué)材料，集吸聲、防火、環(huán)保和耐用等性能于一身。既實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)固廢資源鎳鐵渣的合理回收利用，增加其高附加值，又解決了交通運(yùn)輸噪聲污染和聲屏障吸聲材料適用性受限等問題，實(shí)現(xiàn)“雙贏”。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

工業(yè)固廢鎳鐵渣由廣西北部灣港務(wù)集團(tuán)下屬相關(guān)企業(yè)提供，鎳鐵渣材料屬于無(wú)機(jī)礦渣顆粒，是冶煉鎳鉻合金坯料中精煉工段排出經(jīng)水淬急冷形成的鎳鐵渣。經(jīng)檢測(cè)，鎳鐵渣主要含有SiO2、MgO、Al2O3等，屬于一般工業(yè)固體廢物。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中首先將鎳鐵渣按不同粒度篩分，經(jīng)配比配料后，再添加膠凝溶劑，采用人工制備，用馬弗爐在100℃下烘烤30分鐘高溫聚合成型，自然冷卻24 h后，制備出鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料，再采用駐波管法測(cè)試其吸聲性能。

根據(jù)圖1所示的工藝流程，制成不同粒度大小、不同厚度的聚合微粒吸聲材料，測(cè)樣塊品成品如圖2所示。采用電子顯微鏡觀察其表觀顆粒形貌，得到的圖像如圖3所示。駐波管法吸聲性能測(cè)試樣塊組裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖1 工藝流程圖

從圖3可以看出，鎳鐵渣與膠凝溶劑均勻且極薄地覆蓋于全部微粒表面，形成特定角形系數(shù)的覆膜微粒。該微粒在外力和高溫作用下，覆膜層固化，使微小顆粒就像被焊接一樣聚合在一起，部分高溫液滴在快速冷卻過程中收縮形成球狀玻璃結(jié)構(gòu)，微粒之間天然地形成了大量的、不規(guī)則的、相互連通的微小孔隙。

圖2 鎳鐵渣吸聲材料樣塊

圖3 鎳鐵渣顆粒形貌

圖4 駐波管法測(cè)試結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粒度及密度測(cè)試

2.1.1 粒度分布測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)鎳鐵渣原狀粒度進(jìn)行篩分后所得分布結(jié)果見圖5所示。

圖5 鎳鐵渣粒度分布圖

由圖5可看到，鎳鐵渣粒度分布相對(duì)均勻，主要分布在10目～60目之間，占比高達(dá)94.77%；而占比較大的為16目＞40目＞24目，三者占比達(dá)70.5%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，粒度較小的鎳鐵渣中可見大量大針片狀結(jié)構(gòu)和棉結(jié)構(gòu)，這是鎳鐵渣在水淬過程中產(chǎn)生的玻璃體和玻璃。根據(jù)上述篩分結(jié)果，本次研究擬選取鎳鐵渣中10～60目的顆粒進(jìn)行聚合微粒吸聲材料的試制。

2.1.2 堆積密度測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)不同粒度鎳鐵渣的緊密堆積密度測(cè)試結(jié)果見表1所示。

從表1可看出，和原狀未篩分的鎳鐵渣相比，篩除10目以上和60目以下顆粒后，鎳鐵渣堆積密度降低，孔隙率提高，且粒度分布范圍越窄，堆積密度越小。表明，單粒級(jí)或粒徑范圍越小，其緊密堆積密度越小，孔隙率越大。

2.2 粒徑配比對(duì)鎳鐵渣吸聲材料吸聲性能的影響

結(jié)合鎳鐵渣粒度分布情況，以提高其利用率為原則，本次選取5種不同粒徑鎳鐵渣配比（10～60目、10～50目、20～60目、30～50目及未篩原狀顆粒）制備樣塊，并對(duì)不同粒徑配比的樣塊在不同頻率下的吸聲性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果詳見圖6。

圖6 不同粒徑配比鎳鐵渣吸聲材料的吸聲性能

由圖6可看出，5種配比的鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料樣塊的吸聲性能變化趨勢(shì)基本一致，在250 Hz～1000 Hz的中低頻區(qū)間，其吸聲性能都在0.6以上。這說明鎳鐵渣吸聲材料是一種對(duì)中低頻噪聲具有高效吸聲性能的吸聲材料；因?yàn)殒囪F渣為高溫下極冷形成，疏松多孔，屬于多孔材料，而多孔吸聲材料主要依靠聲波在多孔材料內(nèi)部的空氣黏滯性、摩擦、振動(dòng)和空氣熱傳導(dǎo)等方式，將聲能轉(zhuǎn)化為熱量而被消耗掉[4]。因此，制備的鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料屬于多孔吸聲材料，其內(nèi)部多為連通的開放孔，進(jìn)一步增加了孔隙率。

此外，通過對(duì)圖6曲線縱向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn)，未篩分的樣塊其吸聲性能優(yōu)于10～50目和10～60目的樣塊，且與最優(yōu)的30～50目樣塊差值僅在0.02～0.14之間。這是由于未篩分顆粒中連續(xù)級(jí)配中的細(xì)小顆粒會(huì)填充于粗顆粒中，而占比5.3%的100目及以上的細(xì)微顆?？蓪⒋诸w粒中的大孔隙填充分隔成更小的孔隙，進(jìn)一步增加了孔隙率和比表面積。使得聲波在多孔材料中的流阻增大，并在透入吸聲材料時(shí)與顆?？紫侗砻娼佑|的機(jī)會(huì)增多，進(jìn)而消耗的聲能增加。

2.3 膠凝溶劑對(duì)鎳鐵渣吸聲材料吸聲性能的影響

選取2種膠凝溶劑摻量（3.5%、5%）制備鎳鐵渣吸聲材料樣塊，對(duì)不同摻量配比的樣塊在不同頻率下的吸聲性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見圖7。

圖7 不同膠凝劑摻量鎳鐵渣吸聲材料的吸聲性能

由圖7可以看出，在鎳鐵渣粒徑配比不變的情況下，兩種不同膠凝溶劑摻量的樣塊其吸聲性能變化不大。其中10～60目配比樣塊中，3.5%和5.0%的膠凝溶劑摻量對(duì)材料的吸聲系數(shù)影響不大；而20～60目配比樣塊中，膠凝溶劑摻量少的樣塊其吸聲性能反而稍高于5%摻量的樣塊。這是由于在20～60目樣塊中，較多的膠凝溶劑更易將形成的微小孔隙封堵，致使其吸聲性能反而稍微降低。因此，總的來看，膠凝溶劑摻量對(duì)材料的吸聲系數(shù)影響不大，采用3.5%膠凝溶劑摻量的樣塊抗彎強(qiáng)度已達(dá)5.87 MPa，在滿足強(qiáng)度要求情況下減少了吸聲材料制作成本，而不影響吸聲性能。

2.4 厚度對(duì)鎳鐵渣吸聲材料吸聲性能的影響

聚合微粒吸聲材料的厚度不僅能決定材料的吸聲性能，同時(shí)直接關(guān)系到吸聲材料的制作成本。本次實(shí)驗(yàn)樣品厚度分別選取4種不同厚度的樣塊（10 mm、20 mm、30 mm、50 mm）來進(jìn)行吸聲性能測(cè)試和分析，結(jié)果見圖8。

表1 不同粒度鎳鐵渣堆積密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 不同厚度鎳鐵渣吸聲材料的吸聲性能

由圖8可知，鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料的吸聲性能并不完全隨樣塊厚度的增加而增大。從縱向變化來看，在小于500 Hz的波段內(nèi)，吸聲性能隨著樣塊厚度的增加而增大；但在大于500 Hz的波段內(nèi)，則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，隨著樣塊厚度的增加，其吸聲性能呈現(xiàn)大幅度的下降?？梢?，在空腔深度不變的情況下，鎳鐵渣吸聲材料厚度對(duì)其吸聲性能影響較大，但其厚度對(duì)吸聲性能并非越厚越好。

此外，鑒于公路交通噪聲的等效頻率以1000 Hz以下的中低頻區(qū)段為主[5]，且占多數(shù)的中小型車交通噪聲頻率主要分布在400 Hz～1000 Hz范圍[6]。因此，結(jié)合圖8可知，10 mm厚度聚合微粒樣塊的吸聲性能更好地涵蓋了這個(gè)頻率范圍，其吸聲系數(shù)均在0.6及以上。表明10 mm厚度的聚合微粒吸聲材料不僅可最大化提高對(duì)交通噪聲所在頻段的吸聲性能，還能在實(shí)際應(yīng)用中減少吸聲材料的制作成本。

2.5 空腔深度對(duì)鎳鐵渣吸聲材料吸聲性能的影響

圖9是相同配比鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料在吸聲材料厚度不變情況下，改變空腔深度后，吸聲性能隨頻率變化而變化的趨勢(shì)。

圖9 不同空腔深度鎳鐵渣吸聲材料的吸聲性能

由圖9可以看出，相同配比的鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料（10 mm厚度），當(dāng)空腔深度為40 mm時(shí)，其吸聲系數(shù)峰值出現(xiàn)在1000 Hz處，而當(dāng)空腔深度為90 mm時(shí)，其吸聲系數(shù)峰值則向低頻橫向移動(dòng)至500 Hz處，但兩者吸聲峰值大小基本一致。說明空腔深度的改變對(duì)吸聲系數(shù)峰值影響不大，其主要影響的是吸聲頻帶寬度和共振頻率。

當(dāng)入射聲波的頻率與吸聲材料的固有頻率相近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，在共振頻率下吸聲材料樣塊會(huì)極大消耗聲波能量，出現(xiàn)吸聲系數(shù)的最大值[7]；而空腔的深度直接影響到共振頻率，增加空腔深度可以提高鎳鐵渣吸聲材料對(duì)低頻聲波的吸聲性能，共振頻率向低頻方向移動(dòng)；而減小空腔深度則可以提高鎳鐵渣吸聲材料對(duì)中頻聲波的吸聲性能，共振頻率向高頻方向移動(dòng)。

3 吸聲型公路聲屏障結(jié)構(gòu)及測(cè)試

3.1 公路聲屏障應(yīng)用參數(shù)選取

根據(jù)以上參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，并結(jié)合聲屏障設(shè)計(jì)和實(shí)際情況，綜合考慮各種因素，建議鎳鐵渣應(yīng)用于吸聲型聲屏障制備中選取的參數(shù)如下：

（1）粒徑配比：30～50目鎳鐵渣樣塊吸聲性能高于其他配比樣塊，但其對(duì)鎳鐵渣的使用率僅為40%，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)固廢鎳鐵渣的全部回收利用。而未篩分鎳鐵渣原狀粒徑制作的樣塊其吸聲性能優(yōu)于10～50目和10～60目配比樣塊，且與30～50目樣塊差值僅在0.02～0.14之間，相差不大。因此，從環(huán)境保護(hù)及固廢回收利用的角度來看，使用未篩分的鎳鐵渣原狀粒徑制作吸聲材料可在不犧牲吸聲性能的基礎(chǔ)上，對(duì)工業(yè)固廢實(shí)現(xiàn)完全回收利用，具有更好的環(huán)境效益和技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

（2）膠凝溶劑摻量：3.5%膠凝溶劑摻量的樣塊抗彎強(qiáng)度已達(dá)5.87 MPa，在滿足強(qiáng)度要求情況下減少了吸聲材料制作成本，而不影響吸聲性能。

（3）吸聲材料厚度：10 mm厚度聚合微粒樣塊不僅可最大化提高對(duì)交通噪聲所在頻段的吸聲性能，還能在應(yīng)用中減少吸聲材料的制作成本。

（4）空腔深度：增加空腔深度，可提高吸聲材料對(duì)低頻聲波的吸聲性能?！拔暡牧虾穸?0 mm+空腔深度90 mm”組合吸聲系數(shù)峰值在500 Hz左右，不僅滿足“公路交通噪聲等效頻率主要分布在1000 Hz以下，且集中在500 Hz前后”的規(guī)律。

3.2 聲屏障混響室測(cè)試

鑒于駐波管吸聲測(cè)量與混響室吸聲測(cè)量具有一定程度的偏差，在混響室中聲波是無(wú)規(guī)入射，更符合實(shí)際情況。采用以上應(yīng)用參數(shù)選取的建議，利用“10 mm吸聲材料厚度+90 mm空腔深度”型吸聲型聲屏障結(jié)構(gòu)，樣塊尺寸為1960 mm×500 mm×148 mm，共10塊總面積9.8 m2，直接放在混響室地面按GB/T20247-2006進(jìn)行測(cè)試。

混響室及聲屏障樣塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖10所示。

圖10 混響室及聲屏障結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

使用混響室測(cè)量鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料聲屏障樣塊結(jié)果如圖11所示。

圖11 混響室中鎳鐵渣吸聲模塊的吸聲性能

由圖11可見，在200 Hz～5000 Hz頻段內(nèi)吸聲性均大于0.5，說明其吸聲性能高效。其吸聲系數(shù)的峰值在350 Hz～500 Hz之間，與公路交通噪聲等效頻率主要分布在1000 Hz以下，且集中在500 Hz前后的規(guī)律相吻合，因此提高了交通噪聲集中分布頻段的吸聲性能。經(jīng)計(jì)算，本次鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料應(yīng)用于聲屏障結(jié)構(gòu)后，其吸聲系數(shù)NRC=0.68。表明利用鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料制作的吸聲型聲屏障具備高效的吸聲性能，對(duì)公路交通噪聲的降噪具有較好的適用性和針對(duì)性。

此外，鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料屬于無(wú)機(jī)材料，具有優(yōu)良的耐候性、耐酸堿性，長(zhǎng)期使用不會(huì)發(fā)生粉化、沉降等不良變化，表面積灰后雨水可沖刷，長(zhǎng)期使用吸聲性能不受影響。且若報(bào)廢，為聚合微粒塊，可直接填埋，無(wú)二次污染，亦可回收再利用。因此，鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料是一種具有耐用性和適用范圍廣泛的新型吸聲材料，具有較大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）工業(yè)固廢鎳鐵渣粒度分布相對(duì)均勻，主要分布在10目～60目之間，占比高達(dá)94.77%。

（2）鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料在250 Hz～1000 Hz區(qū)間，其吸聲系數(shù)基本都在0.6以上，說明鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料是一種對(duì)中低頻噪聲具有高效吸聲性能的新型多孔吸聲材料，與公路交通噪聲頻率以1000 Hz以下的中低頻區(qū)段為主相吻合。

（3）從環(huán)境保護(hù)及固廢回收利用角度來看，使用未篩分的鎳鐵渣原狀粒徑制作吸聲材料可在不犧牲吸聲性能的基礎(chǔ)上，對(duì)工業(yè)固廢實(shí)現(xiàn)完全回收利用，具有更好的環(huán)境效益和技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

（4）膠凝溶劑摻量對(duì)材料的吸聲系數(shù)影響不大，采用3.5%的膠凝溶劑摻量可減少吸聲材料制作成本，而不影響其吸聲性能。

（5）鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料厚度對(duì)其吸聲性能并非越厚越好，10 mm厚度聚合微粒樣塊不僅可最大化提高對(duì)交通噪聲所在頻段的吸聲性能，還能在應(yīng)用中減少吸聲材料的制作成本。

（6）空腔深度的改變對(duì)吸聲系數(shù)峰值影響不大，其主要影響的是吸聲頻帶寬度和共振頻率。增加空腔深度可提高對(duì)低頻聲波的吸聲性能，共振頻率向低頻方向移動(dòng)。

（7）“吸聲材料厚度10 mm+空腔深度90 mm”吸聲型聲屏障結(jié)構(gòu)在200 Hz～5000 Hz頻段內(nèi)吸聲性均大于0.5，說明其吸聲性能高效。

（8）鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料是一種對(duì)中低頻交通噪聲具有高效吸聲性能的新型吸聲材料，其具有耐候、耐酸堿、不粉化沉降、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期使用吸聲性能不受影響，具有較大的應(yīng)用前景。

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