采用陶粒吸聲材料的聲屏障聲學(xué)性能影響因素研究

潘曉巖，蘇衛(wèi)青，常 亮

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 機(jī)械動力與環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

聲屏障作為降低鐵路運(yùn)行噪聲的有效措施，在國內(nèi)外鐵路項(xiàng)目中被普遍采用[1]。目前，我國鐵路聲屏障采用的吸聲材料絕大多數(shù)為巖棉、玻璃棉等纖維類材料，鐵路金屬類聲屏障通常采用在金屬外殼內(nèi)部填充巖棉等多孔吸聲材料實(shí)現(xiàn)降噪功能[2]。應(yīng)用于金屬聲屏障的多孔吸聲材料主要分為纖維類材料、泡沫鋁、水泥基吸聲材料等[3-4]。近年來，水泥基陶粒吸聲材料以優(yōu)異的吸聲性能、力學(xué)性能、耐久性能和環(huán)保性能受到重視[5-9]。

陶?？捎山ㄖ壨?、河道淤泥、危險(xiǎn)廢物污泥、煤矸石、黏土、頁巖等[10-12]燒制而成，是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀的多孔吸聲材料，具備質(zhì)輕、吸音、耐久、環(huán)保等特點(diǎn)，使其非常適合作為聲屏障吸聲材料[7-8]。陶粒作為聲屏障吸聲材料時(shí)，一般采用陶粒作為骨料、水泥作為膠凝材料，通過水泥漿體將陶粒顆粒包裹粘結(jié)而成，其不僅具有陶粒本身的孔隙率，還存在大量陶粒顆粒相互堆積形成的微空隙[8-9]，使水泥基陶粒吸聲材料具有優(yōu)異的吸聲性能。此外，水泥基陶粒多孔吸聲材料較纖維類吸聲材料可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、耐久性、環(huán)保性能等多項(xiàng)性能的提升，并較泡沫鋁等金屬類吸聲材料經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

綜上，水泥基陶粒吸聲材料作為聲屏障吸聲材料，使用壽命更長、更換頻率更低、更加節(jié)能環(huán)保，是聲屏障重點(diǎn)發(fā)展方向之一。為使水泥基陶粒吸聲材料優(yōu)良的特質(zhì)得到充分的開發(fā)及應(yīng)用，開展陶粒吸聲材料聲學(xué)性能影響研究有重要意義。本文采用梯度實(shí)驗(yàn)、正交實(shí)驗(yàn)、不同粒徑陶粒對比實(shí)驗(yàn)等方法，測試不同陶粒級配、陶粒與水泥配比及水灰比情況對陶粒吸聲板聲學(xué)性能的影響，確定適用于鐵路聲屏障的陶粒粒級、配比及水灰比，使基于陶粒吸聲材料的聲屏障滿足國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。

1 陶粒級配對聲屏障吸聲性能和隔聲性能的影響

1.1 原材料

輕骨料采用建筑棄土燒制成型的1～3 mm 和3～5 mm陶粒，膠凝材料采用標(biāo)號為42.5的硅酸鹽水泥。

1.2 對照實(shí)驗(yàn)

為探究陶粒粒徑對吸聲系數(shù)及隔聲量的影響，設(shè)計(jì)了對照實(shí)驗(yàn)。對照實(shí)驗(yàn)共計(jì)2種配合比(見表1)。

表1 對照實(shí)驗(yàn)配合比

1.3 不同粒徑陶粒對吸聲性能的影響

按照表1 的配合比，分別將1～3 mm 粒級陶粒和3～5 mm 粒級陶粒作為骨料制作成駐波管測試樣件，探究陶粒級配對吸聲和隔聲性能的影響。不同粒徑陶粒吸聲材料吸聲系數(shù)如圖1所示。

圖1 不同粒徑陶粒吸聲材料吸聲系數(shù)

從圖1 可以看出，1～3 mm 粒徑和3～5 mm 粒徑陶粒制備的聲屏障材料的吸聲系數(shù)特性曲線走勢大致相同。在200～800 Hz、1 250～2 000 Hz范圍內(nèi)，1～3 mm陶粒試樣的吸聲系數(shù)高于3～5 mm 陶粒試樣的吸聲系數(shù)。在1 000 Hz及2 000～6 300 Hz范圍內(nèi)，3～5 mm陶粒試樣的吸聲系數(shù)高于1～3 mm陶粒試樣的吸聲系數(shù)。以上測試結(jié)果表明，在低頻段，陶粒的粒徑越小，其吸聲系數(shù)越高，吸聲性能越好；在高頻段，3～5 mm陶粒試樣的吸聲系數(shù)曲線高于1～3 mm 陶粒試樣，陶粒的半徑越大，其吸聲性能越高。這是由于陶粒的粒徑越小，堆積密度越大，單位體積內(nèi)陶粒越多，在其他條件一致的情況下，陶粒間的孔隙率越高，材料的低頻吸聲性能越好。圖2 和圖3 分別為不同粒徑陶粒吸聲材料的隔聲量和平均隔聲量。由圖2可以看出，由1～3 mm陶粒組成的聲屏障材料試樣與由3～5 mm 陶粒組成的聲屏障材料試樣相比，在315～800 Hz及大于2 500 Hz范圍內(nèi)前者的隔聲量高于后者，1 000～2 500 Hz 范圍內(nèi)，由于試塊表面反射現(xiàn)象愈加明顯，隔聲量均較低頻有提高，但3～5 mm 陶粒試樣隔聲略高，這與測試方法與數(shù)據(jù)誤差有關(guān)。從圖3可以看出，1～3 mm陶粒試樣的平均隔聲量高于3～5 mm陶粒試樣的平均隔聲量。

圖2 不同粒徑的陶粒吸聲材料隔聲量

圖3 不同粒徑的陶粒吸聲材料平均隔聲量

2 陶粒、水泥材料配比對聲屏障吸聲性能和隔聲性能的影響

2.1 梯度實(shí)驗(yàn)

為探究聲學(xué)性能最佳的膠凝材料用量，采用本文1.1 所述原材料(陶粒尺寸為3～5 mm)設(shè)計(jì)梯度實(shí)驗(yàn)。梯度實(shí)驗(yàn)共計(jì)7種配合比，如表2所示。

表2 梯度實(shí)驗(yàn)配合比

2.2 不同陶粒、水泥材料配比的影響

以水泥質(zhì)量與陶粒質(zhì)量的不同配比為例，得到吸聲性能與水泥用量的關(guān)系曲線如圖4 所示。從圖4 可以看出，當(dāng)水泥質(zhì)量與陶粒質(zhì)量的比達(dá)到0.13時(shí)，降噪系數(shù)最大，吸聲效果最好。這是由于隨著水泥用量的增加，除了陶粒本身的氣孔外，被包裹的陶粒間形成的孔隙也起到了吸聲的作用，因而降噪系數(shù)逐漸增高，直至水泥質(zhì)量與陶粒質(zhì)量之比達(dá)到0.13 時(shí)最高；在此之后當(dāng)水泥質(zhì)量增大時(shí)，多余的水泥漿會堵塞陶粒內(nèi)部孔隙，使陶粒材料的孔隙率降低，進(jìn)而使聲波與孔壁的有效摩擦減少，降噪系數(shù)降低。

圖4 吸聲性能與水泥用量的關(guān)系曲線

平均隔聲量與水泥材料用量關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可知，隨著水泥用量的增加，隔聲量總體逐漸增加。這是由于隨著水泥用量的增加，一方面增加了陶粒吸聲材料的質(zhì)量，材料更加致密，另一方面使陶粒與陶粒間的孔隙越來越少，聲波越不易透射，這兩方面因素使隔聲量增大。

圖5 平均隔聲量與水泥材料用量關(guān)系

3 級配、配比、水灰比等對吸聲材料聲學(xué)性能的影響

采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，探究陶粒不同粒徑、膠凝材料用量、摻合料用量及水用量等因素對陶粒聲屏障材料聲學(xué)性能的影響。

3.1 降噪效果分析

對吸聲系數(shù)采用極差分析法進(jìn)行分析，旨在研究4 個(gè)因素對吸聲系數(shù)的影響程度，正交實(shí)驗(yàn)的吸聲性能直觀分析結(jié)果如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)吸聲性能直觀分析結(jié)果

表3 中的K1、K2、K3反映4 個(gè)因素不同水平對降噪系數(shù)的影響，以便得到該因素的最佳水平。用某一因素不同水平下降噪系數(shù)的極差R來反映該因素的水平變化對降噪系數(shù)影響程度的大小，極差越大說明該因素越重要，反之說明該因素為次要因素。

經(jīng)分析得到，影響正交實(shí)驗(yàn)中陶粒材料聲屏障降噪系數(shù)的因素依次為摻合料質(zhì)量/水泥質(zhì)量、水質(zhì)量/(水泥+摻合料)質(zhì)量、不同粒徑比例(1～3 mm/3～5 mm)、水泥質(zhì)量/陶粒質(zhì)量。選取每個(gè)因素中K值最大的水平為最優(yōu)水平，即得到較高降噪系數(shù)的因素水平組合，即摻合料質(zhì)量/水泥質(zhì)量為0.15，水質(zhì)量/(水泥+摻合料)質(zhì)量取0.5，不同粒徑比例(1～3 mm/3～5 mm)為1:1，水泥質(zhì)量/陶粒質(zhì)量為0.13。

效果曲線圖是對正交實(shí)驗(yàn)直觀分析的形象描述，將表3 中各因素每個(gè)水平結(jié)果的均值以效應(yīng)曲線圖表示，如圖6至圖9所示。

圖9 水灰比效應(yīng)曲線

從圖6 可以看出，隨著1～3 mm 陶粒的用量增多，降噪系數(shù)先升高后降低。這是由于當(dāng)1～3 mm 陶粒與3～5 mm 陶粒比例相同時(shí)，材料的堆積密度最大，同等體積的試樣所含陶粒最多、微孔最多，聲波進(jìn)入材料內(nèi)部后不能順暢通過，與孔壁的有效摩擦增多，能量損失較多，吸聲效果最佳。

從圖7 可以看出，隨著水泥用量的增加，降噪系數(shù)先升高后降低，這與梯度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的。初始階段，隨著水泥用量的增加，除了陶粒本身的氣孔外，水泥形成的孔隙也起到了吸聲的作用，因而降噪系數(shù)逐漸增高，直至水泥質(zhì)量與陶粒質(zhì)量的比達(dá)到0.13時(shí)達(dá)到最高。在此之后，當(dāng)水泥的量增大時(shí)，多余的水泥漿會堵塞陶粒內(nèi)部的孔隙，使陶粒材料的孔隙率降低，進(jìn)而使聲波與孔壁的有效摩擦減少，消耗的聲能減少，降噪系數(shù)降低。

從圖8 可以看出，隨著摻合料用量的增加，降噪系數(shù)先升高后降低。摻合料與水泥質(zhì)量之比達(dá)到0.15時(shí)降噪系數(shù)最高。摻合料主要用于水泥等膠凝材料的粘結(jié)，在后面制備過程中，根據(jù)其對材料吸聲性能的影響綜合選取。

從圖9 可以看出，隨著水灰比的提高，降噪系數(shù)逐漸降低。這是由于水灰比較高時(shí)，水泥固化時(shí)發(fā)生離析現(xiàn)象，制備試塊時(shí)易產(chǎn)生大孔徑封閉孔，使發(fā)揮吸聲作用的氣孔增大、孔數(shù)目減少。硬化水泥中過大的孔隙率及孔隙尺寸使空氣容易透過，聲能因空氣摩擦損耗的功率減少，則材料內(nèi)部的聲能損耗少，吸聲性能降低。

3.2 隔聲量分析

隔聲量的直觀分析結(jié)果如表4所示。經(jīng)分析得出，影響陶粒聲屏障材料隔聲量的因素依次為水泥質(zhì)量/陶粒質(zhì)量、摻合料質(zhì)量/水泥質(zhì)量、水質(zhì)量/(水泥+摻合料)質(zhì)量、不同粒徑比例(1～3 mm/3～5 mm)。隔聲量越大越好，因而選取每個(gè)因素中使K值最大的水平為最優(yōu)水平，即得到較高隔聲量的因素水平組合為水泥質(zhì)量/陶粒質(zhì)量為0.15，摻合料質(zhì)量/水泥質(zhì)量為0.20，水質(zhì)量/(水泥+摻合料)質(zhì)量為1.00，不同粒徑比例(1～3 mm/3～5 mm)為1:3。

表4 正交實(shí)驗(yàn)隔聲性能直觀分析結(jié)果

4 結(jié)論

（1）陶粒內(nèi)部通孔越多、孔徑越小，吸聲性能越好，封閉孔對于聲學(xué)性能的貢獻(xiàn)較小，對于應(yīng)用于聲屏障的陶粒材料應(yīng)要求其盡可能產(chǎn)生能夠發(fā)揮多孔吸聲材料吸聲性能的連通孔結(jié)構(gòu)而非封閉孔。

（2）陶粒級配中小粒徑粒級陶粒占比大，則低頻吸聲系數(shù)相對較好，吸聲系數(shù)曲線向低頻平移。綜合多次測試結(jié)果，3 mm 以下陶粒低頻吸聲系數(shù)最高，高頻吸聲系數(shù)較3～5 mm粒徑陶粒有所下降。在3 mm以下粒徑陶粒中適當(dāng)摻入3 mm以上陶粒，比例為50%時(shí)全頻域降噪系數(shù)、吸聲性能較好；大于5 mm陶粒低頻吸聲系數(shù)、降噪系數(shù)較低，不宜用于陶粒板制備。

（3）粒徑越小隔聲性能越好，不同級配陶粒板的隔聲曲線趨勢基本一致。

（4）影響陶粒吸聲材料聲屏障吸聲系數(shù)的因素依次為摻合料質(zhì)量/水泥質(zhì)量、水質(zhì)量/(水泥+摻合料)質(zhì)量、不同粒徑比例(1～3 mm/3～5 mm)、水泥質(zhì)量/陶粒質(zhì)量；影響陶粒聲屏障材料隔聲量的因素依次為水泥質(zhì)量/陶粒質(zhì)量、摻合料質(zhì)量/水泥質(zhì)量、水質(zhì)量/(水泥+摻合料)質(zhì)量、不同粒徑比例(1～3 mm/3～5 mm)。