陶粒原材料和级配对水泥基陶粒轨道吸音板吸声性能的影响

李　丽，朱万旭，孟庆鹏（1.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林　541004；2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林　541004）

陶粒原材料和级配对水泥基陶粒轨道吸音板吸声性能的影响

李丽1，2，朱万旭1，2，孟庆鹏1，2
（1.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林541004；2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林541004）

为了使城市轨道交通吸声材料国产化，以水泥、陶粒等为原料，制作了水泥基陶粒多孔无砟轨道吸音板。本文采用驻波管法测试不同原材料和级配的水泥基陶粒吸音板吸声系数，得出陶粒原材料和粒径对其吸声性能均有不同影响；对于轨道交通产生的低频噪音，不同粒径范围陶粒混合吸音板的吸声系数大于单一粒径范围陶粒吸音板。通过比对分析，总结归纳出轨道交通水泥基陶粒吸音板粒径的最优配比，为轨道交通吸音板的制作提供参考。

陶粒；吸音板；吸声系数；级配

随着城市轨道交通的发展，行车引起的振动和噪声对旅客以及附近的建筑物和居民产生较大的干扰，为了减振降噪，各国都在轨道结构方面采取了很多措施，如在轨道下采用弹性垫板、无机材料、铝纤维板、橡胶吸音板等［1-4］，然而均因减振降噪效果不理想、耐久性差、造价过高等原因而无法大量推广使用［5］。因此，开发一种环保耐久、防水阻燃、有效保持吸音效果的全天候吸声材料迫在眉睫。水泥基陶粒多孔无砟轨道吸音板［6］是一种以陶粒为骨料，以高强度水泥为胶结材料，并添加聚酯纤维和外加剂复合而成的新型轨道吸声材料，具有吸音频率广、耐久性好、透水性强、防火、节能环保等诸多优点，非常适合应用于城市轨道交通。本文研究了原材料和级配对水泥基陶粒多孔无砟轨道吸音板吸声性能的影响，提出了轨道交通吸音板最优陶粒级配。

1　陶粒与吸音板吸声性能

陶粒可以采用黏土、页岩、城市生活垃圾等经造粒、焙烧而成，具有重度轻、强度高、保温防冻、抗震、抗腐蚀、环保等特性，其材料内部为细密蜂窝状微孔结构，颗粒之间形成连通的孔道，是很好的多孔吸声材料。

陶粒按其原材料不同，可以分为铝矾土陶粒、黏土陶粒、页岩陶粒、垃圾陶粒、煤矸石陶粒、生物污泥陶粒等。陶粒粒径一般为5～20 mm，最大可达25 mm，也有许多＜5 mm粒径的细颗粒，在生产中用筛分机将这部分细小颗粒筛分出来，习惯上称之为陶砂。选用不同原料、不同粒径的陶粒或陶砂，按照不同配比制成吸音板，对其吸声性能有较大影响。

2　试验研究

根据《建筑吸声产品的吸声性能分级》（GB/T 16731—1997）［7］，采用驻波管法测试水泥基陶粒轨道吸音板的垂直入射吸声系数，以判断陶粒原材料和级配对水泥基陶粒多孔无砟轨道吸音板的吸声性能影响。

驻波管为圆形截面长管筒，根据测试频率不同有20，50，100 mm 3种直径，直径20 mm管测试5 000～6 300 Hz频率，直径50 mm管测试2 500～4 000 Hz频率，直径100 mm管测试200～2 000 Hz频率。轮轨噪声是铁道车辆运行时的主要噪声源，存在于2个主要的频谱区域，低频区以钢轨辐射噪声占主导地位，频率范围为250～1 500 Hz，高频区以车轮辐射噪声占主导地位，频率范围为2 000～4 000 Hz。本文采用直径100 mm的驻波管，主要测试吸音板对低频噪音的吸收能力。装入驻波管的试样如图1所示。

本次试验共制作3个试件，其材料配合比如表1所示。3个试件中陶粒的原材料和级配如表2所示，通过这3个试件主要判断不同原材料陶粒及不同粒径范围陶粒配合比对吸声性能的影响。

图1　装入驻波管试样

表1　材料配合比

表2　试件陶粒原材料和级配%

3　试验结果及吸声性能分析

根据《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》（GBJ 88—85）中1/3倍频程规定的测试频率范围，需要测试上述3个试件在200，250，315，400，500，630，800，1 000，1 250，1 600，2 000 Hz等11个频率下的吸声系数，以频率为横坐标，以吸声系数为纵坐标，绘制吸声系数特性曲线，如图2所示。

图2　吸声系数特性曲线

3.1不同原材料陶粒对吸声系数的影响

从图2可以看出，由黏土陶粒组成的2#陶粒混凝土试件和由页岩陶粒组成的3#陶粒混凝土试件，二者吸声系数特性曲线走势大致相同。频率＜400 Hz时，2#试件吸声系数略大于3#试件；在400 Hz时，吸声系数达到了第1个峰值，分别为0.70和0.80，3#试件大于2#试件；随着频率继续增大，2#，3#试件的吸声系数发生波动，但3#试件的吸声系数始终大于2#试件。

由页岩和淤泥组成的1#陶粒混凝土试件的吸声系数特性曲线，在初始阶段其吸声系数较低，500 Hz时达到第1个峰值，吸声系数达到了0.95，远远大于2#，3#试件；随着频率的继续增大，其吸声系数特性曲线出现起伏，但其吸声系数基本大于2#，3#试件。

计算3个试件在250，500，1 000，2 000 Hz 4个频率下测出的吸声系数的算术平均值作为其降噪系数［8］，则 3个试件的降噪系数分别为 0.50，0.35，0.40。由此可以看出采用页岩和淤泥陶粒制成的吸声材料吸声效果较好，其降噪系数高于单纯采用页岩的陶粒，而黏土陶粒的降噪系数又略差于页岩陶粒吸声材料。

3.2不同粒径配合比陶粒对吸声系数的影响

1#和3#试件为不同粒径的陶粒构成的陶粒混凝土试件，3#试件主要是0～4 mm粒径的陶粒，而1#试件则掺加了30%的4～8 mm粒径的陶粒，从二者的吸声系数特性曲线可以看出，频率≤400 Hz时，3#试件吸声系数略高于 1#试件，而随着频率从 500 Hz加大到2 000 Hz，1#试件的吸声系数基本高于3#试件，只是在1 250 Hz时，3#试件的吸声系数第2次达到了峰值，其吸声系数略高于1#试件。

由以上分析可以看出，由不同粒径范围的陶粒配合制成的吸音板，其吸声效果较好，降噪系数较高，达到了0.50。因此，采用大部分0～4 mm小粒径陶粒配合小部分4～8 mm大粒径陶粒，可以达到较好的吸声、降噪效果。相同粒径范围陶粒组成的吸声材料，由于陶粒不能很好地补充相互之间的孔隙，声波进入后能顺畅通过，与孔壁的有效摩擦减小，因而能量损失较少，自然吸声效果就差［8-9］。另外3#试件采用的陶粒粒径范围较小，陶粒之间的孔隙减小，声波很难进入试件，因而其吸声效果降低［10］。此外，1#试件掺入的淤泥陶粒也可能对吸声性能产生影响，有待于进一步试验研究。

为了提高轨道吸音板的吸声性能，在水泥基陶粒轨道吸音板制作过程中，可以采用不同粒径陶粒混合制成轨道吸音板，例如大部分粒径5 mm以内的陶砂和小部分粒径＞5 mm的陶粒，使中小粒径陶粒填充大粒径陶粒间孔隙，所形成的孔隙细小均匀，轨道噪音声波进入吸音板后，与孔隙壁发生多次非弹性碰撞，声波得到了充分的摩擦，经过多次反射和折射后，能量损失较多，从而提高轨道吸音板的吸声性能，更好地起到吸声降噪的作用。其成品铺设在轨道中如图3所示。

图3　吸音板铺设于轨道中

4　结语

水泥基陶粒轨道吸音板吸声性能良好，与弹性垫片、无机材料吸音板相比，其吸水性、透水性、耐火极限及耐久性更优；与铝纤维板类吸声材料相比其造价更低，取材方便，可以在国内生产，从而实现轨道交通吸声材料国产化，具有广阔的应用前景。

［1］徐传友，苟凤祥，杜鑫，等.吸声材料研究的进展［J］.砖瓦，2008（9）：11-14.

［2］张德信.我国绝热吸声材料工业现状及发展建议［J］.新型建筑材料，1995（11）：17-21.

［3］韩冬，张俊红，张英，等.金属铝纤维的性能研究及其应用进展［J］.轻金属，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］张守梅，曾令可，张明，等.地铁多孔吸音材料的研制［J］.新型建筑材料，2003（5）：60-62.

［6］金凌志，陈超，周晓杰，等.水泥基陶粒多孔无砟轨道吸音板的制作及性能浅析［J］.混凝土与水泥制品，2013（2）：39-43.

［7］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 16731—1997建筑吸声产品的吸声性能分级［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［8］马大猷，沈山豪.声学手册［M］.北京：科学出版社，2006.

［9］许庆彦，陈玉勇，李庆春.多孔铝合金材料吸声性能的研究［J］.宇航材料工艺，1998（2）：39-43.

［10］周栋梁，张志强，李付刚，等.水泥基复合多孔吸声材料的制备方法和性能［J］.噪声与振动控制，2008（4）：136-137.

（责任审编周彦彦）

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

广西矿冶与环境科学实验中心资助项目（KH2013YB023）

李丽（1980—），女，讲师，硕士。