水泥基吸音降噪材料在交通工程的研究應用

朱萬旭，黃歆彧，周紅梅

(1.廣西科技大學 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006；2.桂林理工大學 土木建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

0 前 言

隨著高架道路、地鐵輕軌、高速公路、鐵路的運營與飛速發(fā)展，交通噪聲污染問題亟待解決。在治理噪聲污染的諸多措施之中，采用新型環(huán)保材料進行吸音降噪處理是一種有效可行的方法[1]。由于人們生活水平不斷提高，民眾對生活質(zhì)量的要求越來越高。為了建設更加安靜生活環(huán)境，滿足人們對美好生活的需求，水泥基吸音降噪材料的研究不能停留于口，更應實踐于手。

陶粒屬于多孔吸音材料，用陶粒做骨料制備的混凝土具有持久耐久、耐腐蝕、阻燃等性質(zhì)，同時能保持多孔吸音材料的基本特性[2]。以水泥為膠凝材料，以陶粒為骨料，運用特殊工藝使水泥漿體形成連通孔隙，能夠進一步發(fā)揮陶粒作為多孔吸音材料的優(yōu)良吸音特性。實踐證明，研制地鐵軌道吸音板是一種理想的地鐵與隧道消音降噪措施，能夠解決交通工程中噪聲治理的難題。

1 吸音材料的技術研究

1.1 設計指導思想

根據(jù)水泥基吸音板技術要求，單元板采用水泥基吸音材料成型后應滿足以下條件：以陶粒、水泥等無機材料為主要成分制成，降噪系數(shù)≥0.80，28 d抗壓強度≥8.0 MPa，28 d抗折強度≥2.0 MPa，密度≤1 200 kg/m3，環(huán)保無毒，不燃燒，燃燒性能等級為A1級；結構耐腐蝕，耐高溫，不導電以及抗凍融性好；經(jīng)久耐用，遇水沖刷或潮濕應不降低其降噪效果，攪拌均勻，顏色一致。因此，水泥基吸音降噪材料的設計指導思想如下。

1)為滿足吸音材料的降噪效果及質(zhì)量要求，水泥基骨料應采用孔結構可控、圓度粒級以及力學性能達到所需技術要求的優(yōu)質(zhì)陶粒。

2)水泥基吸音材料由水泥、陶粒、纖維、外加劑以及水等材料按設計配合比組成[3]，攪拌均勻后預留余量進行壓制，不同模具能夠壓制成不同結構型式的試件，測量其吸聲系數(shù)需達到國家I級標準，力學性能等需滿足相關性能指標要求。

1.2 配合比研究設計

早期階段，根據(jù)技術要求設計初始配合比，通過駐波管法測試篩選原材料、調(diào)整配合比；當達到理想吸聲系數(shù)并能在各頻率段上基本保持一致后，再進行計算修正，進行二次調(diào)整，最后材料達到最優(yōu)吸聲性能。配合比設計參數(shù)控制如下。

陶粒級配：骨料級配直接影響著吸音材料的孔隙結構，間斷級配能使陶粒骨料堆積形成較好的孔結構，具有大量的孔隙，能夠滿足吸音降噪材料的使用條件[4]。

粒度：經(jīng)過調(diào)研試驗，發(fā)現(xiàn)使用8 mm以下粒徑陶粒制成的陶?；炷廖舭寰哂休^好的吸音降噪效果[5]，最終確定陶粒骨料粒徑范圍是0～8 mm，分為三種粒級：陶粒A(0～3 mm)、陶粒B(3～5 mm)和陶粒C(5～8 mm)。

水灰比：水泥基吸音降噪材料的特殊使用功能決定了其水灰比與普通混凝土相比存在巨大差異，吸音降噪材料的成型除了需要滿足水泥的最小需水量、陶粒的吸水率的要求，還應當盡量減小用水量，以滿足孔隙率、強度及耐久性要求。因此，吸音降噪材料的水灰比控制十分關鍵，直接影響著材料的吸音降噪性能。

孔隙率：水泥基吸音降噪材料的孔隙率是直接反映水泥基吸音材料內(nèi)部結構情況的重要指標，也是材料吸聲性能重要參考因素[6]。目標孔隙率是配合比設計中的重要參數(shù)，能夠直觀反映出材料預設的孔隙情況。若目標孔隙率設定過高，則會影響到材料的強度及耐久性；若目標孔隙率設定過低，則無法達到吸音降噪材料的吸聲性能要求。為了滿足材料使用要求的同時兼顧優(yōu)化材料吸聲性能，預先設定目標孔隙率為20%、25%、30%，最后根據(jù)試驗結果微調(diào)，找出最佳孔隙率。

主要配合比設計參數(shù)如表1所示。

表1 配合比設計參數(shù)

1.3 物理力學性能測定

1.3.1 吸聲性能的測定

根據(jù)試驗研究需要，采用駐波管吸聲系數(shù)測試儀檢測吸音板等吸音降噪材料的吸聲系數(shù)，吸聲系數(shù)試驗用測試設備如圖1所示。

圖1 AWA6128型駐波管吸聲系數(shù)測試儀

除駐波管吸聲系數(shù)測試儀之外，還需配備混響室這一工程用檢驗設備，建成使用中的混響室如圖2所示。根據(jù)《聲學混響室吸聲吸聲測量》(GB/T 20247—2006)、《建筑吸聲產(chǎn)品的吸聲性能分級》(GB/T 16731—1997)[7-8]進行混響室吸聲測量，結果表明，城市軌道吸音板的降噪系數(shù)NRC值為0.8，吸聲性能等級為I級。

圖2 建成使用中的混響室

1.3.2 力學性能的測定

根據(jù)實際工程的具體要求，參照規(guī)范《水泥膠砂強度檢驗法》(GB/T 17671—1999)[9]將抗壓強度試件尺寸大小取為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；抗折強度試件尺寸大小取為40 mm×40 mm×160 mm，并形成了企業(yè)標準《HCM吸音板》。

經(jīng)過多組試驗及檢驗，吸音板試件的抗壓強度平均值為11.8 MPa，抗折強度平均值為3.3 MPa?？箟簭姸饶芊€(wěn)定保持在8 MPa以上，抗折強度保持在2 MPa以上。因此，城市軌道吸音板的力學性能是穩(wěn)定的、安全的。

1.3.3 耐久性能的測定

經(jīng)過測試，城市軌道吸音板不導電，且結構無腐蝕性；經(jīng)過200次凍融試驗，吸音板的質(zhì)量損失率僅為3.4%，遠小于標準5%的規(guī)定值；動彈性模量為82.4%，滿足大于60%的標準要求；抗蝕系數(shù)達到83.3%，高于標準要求的75%，耐腐蝕性能優(yōu)異。

2 吸音材料的工程應用

2.1 吸音板結構設計

吸音板應達到結構安全、可實施性好等要求，在充分發(fā)揮吸音板的降噪功能的前提下，發(fā)揮人行通道、水溝蓋板的功能。吸音板的外形與鋪裝要滿足建筑限界與車輛限界要求，同時保證行車安全。一方面，吸音板的結構設計要合理利用噪聲控制原理，充分發(fā)揮多孔材料的吸聲性能，最大限度提高降噪水平。另一方面，吸音板的設計強度應滿足作為人行通道的要求。針對國內(nèi)不同地鐵軌道尺寸，設計出不同的吸音板外形結構和規(guī)格尺寸，并制定了相應的鋼結構和塑料空腔模具。其中一種設計合理的吸音板外形，如圖3所示。

圖3 吸音板三維模型

為保障吸音板的工作安全性，還要進行安全性理論分析。根據(jù)吸音板結構型式，通過結構分析設計軟件ANSYS，建立相應三維模型；完成模型網(wǎng)格劃分與均布荷載的施加后，進行相應的結構計算。根據(jù)計算結果可知，城市軌道吸音板在實際使用狀態(tài)下施加均布荷載后，拉、壓應力值均遠遠小于吸音板試件本身的強度值，吸音板產(chǎn)生的位移量非常小。因此，城市軌道吸音板能安全穩(wěn)定地適用于更多城市軌道交通工程。。

2.2 吸音板生產(chǎn)工藝

水泥基吸聲降噪材料由水泥、骨料、減水劑以及其他添加劑配制而成，相較于其他降噪材料，需要兼顧吸聲性能及力學性能要求。為滿足聲學與力學等不同領域的性能要求，作者團隊從原材料選擇、產(chǎn)品結構、生產(chǎn)工藝等方面進行創(chuàng)新、優(yōu)化、改進，并通過反復試驗研究，最終研制出滿足高速交通工程的技術要求的城市軌道吸音板。

2.2.1 預制生產(chǎn)

在預制工廠，根據(jù)工程設計圖紙尺寸選擇模具，并按照以下生產(chǎn)工藝進行生產(chǎn)。

①準備工作：包括設備模具的準備、原材料的準備、陶粒篩分、防水預處理等；②根據(jù)優(yōu)化配合比進行原材料的稱量計重工作；③對原材料進行混合攪拌；④攪拌均勻后將拌合物裝模；⑤振動壓模成型；⑥養(yǎng)護試件，必要時進行蒸汽養(yǎng)護；⑦成品檢驗；⑧包裝運輸。半自動化生產(chǎn)線如圖4所示。

圖4 半自動化生產(chǎn)線

2.2.2 現(xiàn)場檢驗

生產(chǎn)過程中，每班組至少須制作一組試塊并與現(xiàn)場同條件養(yǎng)護，以檢驗其抗壓強度與抗折強度；同時制作至少1組直徑為96 mm、高為100 mm的試塊，用于駐波管法測量吸聲系數(shù)，折算出吸音板的降噪系數(shù)。外觀要求表面平整，顏色均勻，無蜂窩，無裂紋，無掉角缺塊；尺寸誤差應在5 mm之內(nèi)；28 d抗壓強度應≥8 MPa，抗折強度應≥2 MPa；降噪系數(shù)應≥0.8。只有嚴格達到以上技術要求，才能為交通工程的吸音降噪效果提供保證。

2.3 吸音板施工工藝

2.3.1 施工指導思想

水泥基降噪吸音材料的安裝工程幾乎都是在狹窄、陡峭的地方，特別是城市軌道吸音板，放置在行車軌道的底部，比較適合人工鋪裝[10]。因此，城市軌道吸音板的施工應遵循的指導思想為：方便、快捷，不會大面積影響其他的工作。同時，施工工藝安全、可靠。

2.3.2 施工措施

經(jīng)過試驗驗證，吸音板生產(chǎn)工藝可按以下步驟進行施工，整個施工工程便捷、環(huán)保，且不影響其他施工安裝。

1)將在工廠預制成型的吸音板運輸至安裝現(xiàn)場,根據(jù)不同的規(guī)格進行堆放。

2)通過軌道平板車或其他工具將所要求規(guī)格的吸音板運送至預定鋪裝點。

3)清掃干凈所要安裝的基礎，要求無浮土，無油污。

4)定好鋪裝位置，將吸音板用吊裝帶吊起預位，將底部粘結板的防護層剝掉。

5)按位置鋪設在道床上完成安裝，如果是使用螺栓固定，就位后直接把螺栓鎖緊。

6)鋪設好的吸音板應牢固平穩(wěn)，鋪設位置需符合技術文件要求。

3 結 語

水泥基吸聲降噪材料涉及不同的專業(yè)領域，國內(nèi)沒有可借鑒的成功經(jīng)驗或資料作為參考，產(chǎn)品研發(fā)難度很大，需要多方面多角度進行嘗試，不斷研究、創(chuàng)新。本文主要探討了水泥基降噪材料配合比的設計；明確了水泥基吸音降噪材料物理力學性能測定方法；研究了城市地鐵吸音板的結構設計及安裝方法；利用設計科學、使用方便的模具，通過自動化及半自動化生產(chǎn)工藝達成吸音降噪產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。解決了交通工程中噪音大、噪聲頻帶寬、降噪措施易失效、費用高等難題，為創(chuàng)造更佳的人居環(huán)境奠定了基礎。希望以此為基礎，在原材料綠色環(huán)保、生產(chǎn)環(huán)節(jié)降低能耗、產(chǎn)品質(zhì)量與外觀等方面，能夠進一步攻堅克難，細致完善具體的吸音降噪配套措施，從而提高生產(chǎn)力和市場核心競爭力。

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