城市轨道交通声屏障用塑料板材的选择与测试方法

王春敏

(沙伯基础创新塑料集团公司，北京 100022)

1 概述

随着我国国民经济的快速发展,城市轨道交通越来越多的出现在各大中心城市,轨道交通给市民出行带来便利的同时,随之而来的交通噪声问题也引起广泛重视。轨道交通,特别是高架段所产生的噪声直接向周围环境辐射,对人们生活环境的干扰极大,已经成为影响城市生活质量的重要问题之一。

声屏障作为防治噪声的重要手段之一,已经在国内外广泛采用。按照用途、结构形式、材质、声学原理的不同,声屏障可以分为很多种类,最常见的是双侧直板式声屏障,常见于桥梁两侧,用于降低桥梁两侧居民生活区、学校或办公区的噪声等级。该类声屏障具有结构简单,设计安装方便,平面隔声效果良好等优点。但由于高速运行列车所产生的噪声被双侧平行声屏障反射叠加,区域内的声压级别反而可能有所提高,因此对于其两侧的高层建筑物,双侧直板式声屏障的降噪效果往往并不理想。针对该问题,在声屏障设计上往往通过采用加装内侧吸音结构,改变声屏障与地面角度,采用全封闭式或半封闭式声屏障设计等来予以解决。其中全(半)封闭声屏障是指在区段上安装封闭隧道形或顶端内弯弧形隔声结构,将列车行驶时产生的噪声及反射噪声隔离在声屏障内,进而提高声屏障的隔声效果。考虑到声屏障容易阻挡驾驶员视线,造成乘客空间压抑感,多数全(半)封闭声屏障选用透明材料。

透明声屏障一般采用夹胶玻璃或有机类塑料板材作为主要制作材料。实际项目中选材主要依据降低噪声要求的插入损失、现场的环境条件及其他要求决定,包括自然环境、周围景观、经济能力、防火、防雨、防老化、防炫目、防尘、安装施工等要求。

2 透明声屏障用塑料板材的特性

现代透明声屏障用塑料板材可以采用聚碳酸酯(PC),亚克力(PMMA)、聚氯乙稀(PVC)、玻纤增强复合树酯(FRP)等加工制作。其中PC和PMMA由于强度、透光性能及耐候性能方面的优势占据了绝大部分市场份额。

聚碳酸酯板材分为中空多层结构板和实心板2种,都是将塑料粒子投入挤出机高温熔化,然后通过不同模具连续加工生产而成。中空多层结构板材,在我国已得到大量的应用,但由于中空多层结构板材的单位面密度较低,其隔声性能相对有限,因而在需要有较大插入损失的降噪环境中应用受到局限。同时,中空多层板材的视觉通透性受板材内纵向加强筋影响,一般不甚理想,因而该种材料多用于受经济能力限制,对降噪要求不高,对周围视觉景观要求不太高的区域。实心板,也称耐力板,在国内外应用于声屏障的实例很多。其主要特点是强度好,阻燃性能好,高低温使用范围广,抗冲击性能优异,可有效防止撞击造成板材破碎飞溅所带来的二次损伤效应。由于聚碳酸酯材料本身热变形温度很高,在阳光曝晒等高温条件下板材本身可保持原有的强度和变形模量,因此不易扭曲变形。但聚碳酸酯板材耐候性相对较差,长期风吹、日晒雨淋后,材料容易变黄发脆,透光率会明显下降,因此针对声屏障应用,必须对板材进行防紫外线处理。

另一种常用于制作声屏障的透明塑料板材为亚克力(PMMA)板,其生产工艺一般有2种,一种是浇筑法,即将MMA单体、反应引发剂、合成添加剂等液体注入成型模具,然后在指定的温度和压力条件下让单体聚合反应完成,最后形成所需的板材。另一种是挤出成型法,和上述聚碳酸酯板材成型类似,也是由PMMA塑料粒子在高温挤出机中熔化,通过模具挤出板材,然后冷却定型而成。一般而言浇筑法生产的板材厚度较大,板材内各向应力比较平均,受热/冷后材料各向膨胀/收缩比较均一。而挤出成型法生产受模具及定型设备能力的影响,厚度一般不大于25 mm(国内生产的厚度一般不大于15 mm),板材内各向应力控制受工艺及设备影响有较大差别,导致安装受热膨胀变形可能性也较大。同时浇筑法生产的亚克力板材其内部高分子平均分子量和交联程度都比挤出法大许多,因而热稳定性和化学稳定性也相对较佳。亚克力学名为聚甲基丙烯酸甲酯,具有优异的透光性能和耐候性能,板材表面硬度及光泽度比一般PC要高。但亚克力材料的耐温性能较差,高温下弯曲模量及弹性模量下降很快,材料易变形。亚克力常温耐冲击性能较PC差很多(仅为PC的1/30),破碎时容易飞溅。材料为易燃材料,需要对材料进行改性或对最终声屏障设施进行额外防火处理等。

3 透明声屏障用塑料板材测试方法与应用原则

3.1 声学设计与应用

全封闭或半封闭声屏障多采用塑料板材或塑料板材与玻璃相结合的形式。在这种设计中,声屏障两侧直立面可以采用夹胶玻璃板或厚透明塑料板,而上端弧形封闭面或半封闭面一般采用透明塑料板。这是由于塑料板材容易弯曲成型,同时塑料比重同玻璃相比仅为后者不到二分之一,因而方便整体结构设计及安装。依据《建筑声学检验：气载声和冲击声的隔绝》(ISO717/DIN52210)的隔声效果检测表明,聚碳酸酯板材与玻璃相比,在8～12 mm厚度具有相近的隔声效果,在12 mm以上厚度同玻璃相比具有更佳的隔声表现。4 mm PC板材隔声效果为27 dB左右,而12 mm时隔声效果为35 dB。PMMA隔声效果同玻璃或PC相比较差,在15 mm时的隔声效果为30 dB。

3.2 光学性能

塑料板材光学性能一般测量如下指标：透光率,雾度及黄度。透光率及雾度的测试一般依据《透明塑料板材雾度和透光率测试标准方法》(ASTM D1003)予以检测。而黄度的测量则依据《塑料黄度指数》(ASTM D1925)计算或测量而来。对高品质原材料生产出来的板材进行检测,PC板的透光率依赖厚度而不同,一般6 mm板材在84%～88%。亚克力板材的透光率为86%～90%。两种板材的雾度基本相同,但对于某些冲击改性亚克力板材,由于所添加的冲击改性剂影响,其雾度会有所升高。而对上述指标而言,真正有意义的测量及评价是在板材使用中受风吹、雨淋、曝晒后的变化值。该内容将在老化性能测量中予以详述。

3.3 耐冲击性能

由于声屏障使用中不可避免的会受到石子、砂土等的冲击,因而优异的耐冲击性能无疑可以提高声屏障的使用寿命,降低维护及保养成本。更重要的是,当飞溅物撞击声屏障上时,具有优异抗冲性能的透明材料不会破碎或者四处飞溅,从而避免造成对周边行人或建筑物的损伤。目前对冲击性能的测试有很多方法,例如ISO6603 Flexed Plate I MPact或者ISO180 Izod以及ISO179 Charpy冲击等方法。但从实际声屏障应用的角度分析,上述测试方法均有其局限性,或者是测试样条尺寸过小,测试条件过于理想化,或者是冲击强度不够,不能模拟实际使用环境等等。因此国外常用《 加工工具安全性-小型数控机床或加工中心》(EN12415)中所用的测试方法,模拟物品在中高速条件下飞溅撞击保护屏障,来判断冲击对透明材料的损伤结果。测试结果标明,12 mm厚的Lexan聚碳酸酯板材可以承受2.5 kg重物以225 km/h的速度所携带的冲击能量而不破碎。当以缺口冲击方式进行测试时,Lexan PC板材表现为韧性断裂,而玻璃和亚克力板材则为脆性断裂。同时Lexan板材在很宽的温度范围(-30～120 ℃)均能保持较高的冲击强度。

3.4 耐磨损/刮伤性能

声屏障应用环境一般比较恶劣,表面容易被污染,为保证声屏障的美观性,需要定期的清洁和保养。塑料板材的清洁一般采用高压水冲。清洗过程中水流或板材表面附着的砂砾可能对材料造成损伤。因此,高等级声屏障一般采用表面硬化处理技术增加耐磨损性或直接在生产中把板材表面辊压出一定的纹理,从而降低刮痕造成的视觉影响。后一种处理方式一般仅限于对视觉通透性要求不高的场合。耐刮擦测试的标准依照《透明塑料材料表面耐磨损性能标准测试方法》(ASTM D1044)或(ISO 3537)进行。雾度增加值测试表明：PC板材或PMMA板材的差异依赖于制造板材的原材料以及工艺。一般而言,浇筑法生产的PMMA板材具有相对较好的表现,而PC在初始阶段雾度增加比较明显,之后,PC或PMMA不同材料的雾度增加值差异则很小。因此,如果从增加耐磨损/刮伤性能的角度来考虑,PC或PMMA板材应当进行表面硬化处理,来提高其清洁性能、美观性及使用寿命。

3.5 耐候性能

耐候性能是透明声屏障使用中需要考虑的重要因素之一。塑料材料由于其分子构成的特点,容易受太阳辐射,尤其是紫外线辐射的影响,从而引发材料降解,在表面形成微小的银纹和开裂,而这些银纹和开裂受雨水、灰尘和化品侵蚀成为进一步老化的源头。影响高分子材料老化的主要因素包括地理位置、海拔、季节变化、当地污染程度等。塑料材料的耐候性能测试应依据《色漆和清漆模拟气候及模拟辐射曝晒氙弧灯曝晒》(ISO1134)进行。相比之下,PMMA具有非常优异的耐老化性能,人工加速老化试验表明,10年后PMMA板材的透光率损失、雾度增加及黄度变化值大约分别为2%、5%及2%(依厂家和材料不同有所差异)。而PC板材只有对聚碳酸酯原材料严格控制基础上,结合表面防UV处理才能保证优异的耐老化性能。

3.6 燃烧性能

透明声屏障在设计,尤其是采用全封闭或半封闭设计时必须考虑阻燃及防火的要求。由于在上述设计时声屏障整体上处于封闭或半封闭状态,屏障内车辆或人员一旦出现危急情况,如果屏障材料没有良好的阻燃效果,后果将不堪设想。国外在声屏障设计过程中,除了对于超过一定长度的封闭型声屏障强制设置屏体紧急出口,增装消防设施等举措外,对声屏障材料的阻燃等级及测试方法也作出了明确的规定。在材料能否自熄灭方面,《塑料材料氧指数测试》(ISO4589)或(ASTM D2863)给出了相应的依据。氧指数是材料能否自熄灭方面的评定指标,氧指数是在规定条件下,试样在氧、氮混合气流中,维持平稳燃烧所需的最低氧气浓度。氧指数高表示材料不易燃烧,氧指数低表示材料容易燃烧。测试表明,Lexan PC板材的氧指数为25%,而亚克力板材为18%,由于空气中含有20%左右的氧气,火焰要在Lexan板材表面传播,则需要比空气中浓度更高的氧气。因而Lexan PC是一种自熄灭材料。而亚克力板材必须进行配方方面的调整来满足这些防火性能上的要求。

4 结语

透明塑料材料用于声屏障在国外已经有多年的应用历史,随着我国国民经济的发展和人民群众生活水平的提高,在我国噪声控制领域也必将得到广泛应用。在北京地铁5号线,昌平线及房山线均已经使用LEXAN®EXELL-D作为声屏障的主要材料,如图1和图2所示。项目累积使用面积已超过7万m2。但考虑到塑料透明材料在国内市场上良莠不齐,检测技术及方法并不为公众所熟知,因而通过本文的介绍,希望为在我国噪声控制技术领域普及上述材料提供有益借鉴。

图1 北京地铁5号线全封闭声屏障

图2 北京地铁房山线半封闭声屏障

参考文献：

[1]马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社，2002：962-965.

[2]Simpson, Myles A. Noise Barrier Design Handbook[M]. Report No. FHWA-RD-76-58. Arlington, VA: Bolt Beranek and Newman, Inc., February 1976.

[3]Hutchins, D.A., J.W. Jones, B. Patterson, and L.T. Russell. Studies of Parallel Barrier Performance by Acoustical Modeling[J]. Journal of Acoustical Society of America, 1985,77:536-546.

[4]张继萍.PMMA塑料板在道路隔声屏障中的应用[J].噪声与振动控制，2004(3)：42-44.