轻骨料混凝土吸声性能研究

李玉平 虞秀勇 胡胜

摘   要：以硅酸盐水泥、页岩陶粒、聚丙烯纤维、发泡剂及其他助剂制备轻骨料混凝土. 研究水泥用量、纤维掺量、页岩陶粒粒徑、发泡剂掺加量、陶粒试块及其串联在中低频范围内的吸声性能. 结果表明，单粒径页岩陶粒制备的混凝土试块在600 Hz频段附近有良好的吸声性能;添加纤维和发泡剂，可改善混凝土材料内部结构，有利于提高材料的吸声性能;陶粒混凝土试块的串联可使其整体吸声性能较原试块提升近80%.

关键词：隔声材料;轻质混凝土;粒度分布;轻骨料;吸声系数;串联

中图分类号：TB321                                文献标志码：A

Study on Sound Absorption Performance

of Light-weight Aggregate Concrete

LI Yuping1†，YU Xiuyong1，HU Sheng2

（1. College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. State Grid Hunan Electric Power Company Limited Research Institute，Changsha 410007，China）

Abstract：The light-weight aggregate concrete was prepared with common Portland cement， shale ceramsite， polypropylene fiber， foaming agent and other additives. The characteristics of sound absorption in the low and medium frequency range for the cement content， fiber， grain size of shale ceramsite， foaming agent， ceramsite test block， different types of ceramsite test block and series connection were studied. The results show that the single-grain shale ceramsite concrete has good sound absorption performance near 600 Hz frequency band. When preparing concrete， adding fiber and foaming agent （H2O2） can improve the internal structure of the material， which is conducive for improving the sound absorption performance of the material. The overall sound absorption performance of the series structure of ceramsite concrete test blocks with different particle sizes can be improved by nearly 80% when compared with the original test blocks.

Key words：sound insulating materials;light weight concrete;particle size distribution;light-weight aggregate;sound absorption coefficient;series connection

随着公路[1]、铁路[2]、航空[3]及工业[4]的快速发展，噪声成为了严重危害人体健康的污染源之一[5-6].  为了降低噪声危害，为人们营造健康的安静环境，吸声材料的研发成为了具有较大实际应用价值的研究方向[7- 9].

本文所用的轻骨料是页岩陶粒经破碎筛分获得，呈锯齿状，具有大量连通状、蜂窝状孔隙，用其制作的混凝土具有质轻、孔隙曲折，孔隙率大、保温、吸声、易加工等特点，是一种环境友好型吸声材料[10-11]. 肖建庄[12]提出：骨料性能对混凝土强度影响较大;配制中等强度材料时，影响程度次之;配制低强度材料时，再生骨料对其强度的影响最小. 页岩陶粒混凝土的强度较低，但是中低频吸声性能较好[12-13]. Park等[14]指出当材料的孔隙率为25%时，降噪系数是最佳的，但不同形状骨料的质量分数对材料在中低频的吸声能力的影响很小.  Kim等[15]认为骨料类型和粒径，以及单层和双层多孔混凝土试样对声学特性有较大影响. 不同类型骨料在同一频率下吸声能力具有明显差异，同时双粒径吸声材料吸声能力相对较好. Kim等[16]研究表明，发泡剂和纤维都能有效地提高多孔性和吸声性能. 目前全部由页岩陶粒作为骨料制备的轻混凝土材料的吸声性能研究较少.

本文以破碎后的页岩陶粒为骨料，以水泥为胶凝材料，制备了轻骨料混凝土，讨论了其吸声特性. 研究了页岩陶粒粒径、水泥用量、纤维掺入量、发泡剂添加量、试块孔隙及“试块+背腔”，“试块+试块”串联等对中低频范围内吸声性能的影响. 用页岩陶粒替换天然骨料（砂石）制备轻集料混凝土，有利于环境保护和砂石资源的循环利用[17-20]. 通过研究材料的吸声性能，改变材料结构，改进粒径、背腔、孔隙、纤维、发泡剂等工艺，实现对材料吸声性能的提升.

1   实   验

实验材料：42.5级普通硅酸盐水泥;经破碎筛分的页岩陶粒，粒径变化范围为3～15 mm，堆積密度约为 500 kg/m3;长度为5 mm的短切聚丙烯纤维;发泡剂是质量分数为30% 的H2O2;市售硅灰;聚羧酸系减水剂;一级粉煤灰.

试样制备：按水灰比（质量比）为0.33、骨灰比（质量比）为0.14，硅灰、减水剂用量为胶凝材料质量的1.5%配制试样. 根据配料表，先称取水泥、硅灰、粉煤灰、外加剂等原料;再依次称取不同粒径的已润湿的页岩陶粒. 实验时，将水泥、外加剂及水（部分）等依次加入砂浆搅拌机搅拌均匀后，再加入某一粒径已预湿的陶粒（注：陶粒的量以干基计算，润湿陶粒的水计入配料的水量中）及纤维，搅拌90 ～ 180 s，加入适量的发泡剂（H2O2）. 再搅拌 20 ～ 30 s后，倒入已在内表面均匀涂上脱模剂（机油）的直径为98 mm、高为50 mm的圆柱形模具中，砂浆注模后在振动机上振动30 s，夯实后放在通风处养护1 d，脱模后继续养护14 d，即为制得的试块（图1）. 表1是一组采用了5种单粒级的陶粒制备的试块材料的配料表.

吸声性能表征：采用L型驻波管吸声系数测定仪，根据GBJ 188—1985《驻波管法吸声系数与声阻孔率测量规范》，测量材料各个频段吸声系数. 样品直径为96 mm，长度不小于50 mm，测量频率为60 ～ 1 600 Hz.

2   结果与讨论

2.1   水泥用量对材料吸声性能影响

水泥用量与陶粒混凝土材料最终性能密切相关. 表2列出了水泥用量对吸声性能的影响，由表2可知，A～D试块，随着水泥用量的增大，其孔隙率有所减小，抗压强度及密度有所增大，平均吸声系数有所增大，在550～650 Hz时出现最大吸收峰，峰值为0.45～0.73. D试块峰值最高，C试块次之，A试块峰值最低. B试块在100 Hz有第2峰，峰值为0.26（图2）. 随着水泥用量增加，吸声能力逐渐提升后下降（表2）. 这是因为试块孔隙率略有减小，但孔隙曲折程度增加，孔隙更为复杂，因而吸声系数增大，同时抗压强度随之增加，但水泥用量过多时，会堵塞孔隙，降低吸声性能.

2.2   骨料粒径对材料吸声性能的影响

骨料（页岩陶粒）粒径变化对材料的吸声能力有较大的影响（表3）. 试块分别在200 Hz和1 250 Hz 时吸声系数较低，在500～650 Hz区段吸声系数达到峰值，其吸声系数值达0.6～0.85. 试块5吸收峰值最高，试块4较低. 试块3峰值往低频（500 Hz）方向偏移（图3）. 从整体上看，试块5吸声性能较好，试块2次之，试块4吸声性能较差. 采用单粒径陶粒制备的试块，其孔隙率较大，孔隙曲折程度较低，孔隙多为连通大孔，表现在试块的吸收峰较少，且吸声峰仅出现在单一频段中，平均吸声系数也较低，因而整体吸声效果较差. 随着陶粒粒径增大，内部孔隙会有所增大，前后贯通，且在大粒径骨料中，分布有较多的均匀性闭口气孔，因此采用较大粒径制作的试块在中低频段整体的吸声性能有所提升.

2.3   纤维掺量对材料吸声性能的影响

纤维掺量也会影响材料的吸声性能. 按表1中试块4的配合比，固定水泥用量为179 g，依次增加纤维掺量（表4），所得试块在600 Hz 附近均有最大吸收峰，峰值约为0.6. 掺入纤维量较多的C2、C3试块平均吸声系数较未掺纤维或掺入纤维量少的C、C1试块均有所提高，更重要的是，这两个试块在1 600 Hz附近又开始出现新峰值（图4）. 总体上说，添加纤维的试块整体吸声性能优于未添加纤维的试块，但添加纤维过多，对吸声性能的提高有所减缓，C3试块的吸声性能，反而略逊于C2试块.

聚丙烯纤维在材料中使各孔隙相互连通，形成网格结构，同时声波传入时，使纤维发生反复振动，动能转化为热能. 故其可使材料的吸收峰略微偏移，且可稍微加大吸收峰宽度、增大吸收峰面积;过多纤维会发生团聚，堵塞孔隙，使得材料吸声性能略微下降. 聚丙烯纤维掺量为2%，可能是一个理想的掺加量（表4）.

2.4   发泡剂对材料吸声性能的影响

发泡剂添加量直接影响了材料的孔隙率，进而也影响了材料吸声性能. 采用表1中试块4的配合比（水泥用量为179 g，10～13 mm粒径的陶粒25 g，水60 g以及相应的助剂），添加不同量的发泡剂（H2O2），制备了编号为C4～C6的试块（表5），测量了其吸声性能（图5）. 由图5可知，各试块在600 Hz 附近都有最大吸收峰，峰值约为0.65～0.75，其中C5试块的吸收峰值最高，C6次之，C4最低. 但C4试块除了有峰值为0.45的主吸收峰外，还在100 Hz及300 Hz附近有小的吸收峰，其值分别约为0.15、0.3（图5），由此可知，其吸声性能有所提高.

制备试块时，加入适量的发泡剂（H2O2），可显著增加材料内部连通孔隙，并使孔隙分布均匀、大小均匀，从而提高材料吸声性能. 但H2O2过多，会使得材料穿孔过多，孔隙率过高，开口孔较多，声波不能在材料内部反复传播，使得材料吸声性能略微下降. 如同在试块制备时添加短切纤维类似，发泡剂的加入也有一个最优的量.

2.5   背腔对材料吸声性能的影响

对表1中的5个试块各增加一个50 mm厚的背腔，将“试块+背腔”当成一个样品来测量其吸声性能. “试块1+背腔”记为1（5），其中1表示样号，见表1;样号后的“（5）”表示加了50 mm的背腔，其余类推. 图6为“试块+背腔”样品的频率-吸声系数曲线，由图6可知，各试块增加了50 mm的背腔后，其吸声系数有所提高，吸声峰的位置也有所偏移，分别在300～400 Hz、1 300～1 600 Hz内出现了最大吸收峰，峰值分别达到了0.5～0.7、0.7～0.9. 在高频段1 300 Hz之后，可见到吸声系数在不断提高，但却没有形成一个完整的峰，说明高频时吸声效果有显著提高. 试块1号和2号 在1 000～1 500 Hz吸声系数略高于其他试块;3号试块波动较为明显;4号试块300 Hz峰值最低，1 600 Hz峰值最高;5号试块与3号试块趋势相同，在1 600 Hz稍低.

在試块上增加背腔，相当于增加了试块的厚度，出现了吸声峰值相对于原试块来说，既向低频偏移，也向高频段峰值移动，从而产生了两个峰值，使试块的整体吸声性能高于原试块. 背腔的加入并不能改变材料整体的吸声性能，但却能使得材料的吸声能力在各个频段上发生偏移，从而使材料吸声性能有所改善. 2.6   串联结构对吸声材料吸声性能影响

吸声材料的结构对材料整体孔隙分布及孔隙率具有一定影响，从而影响材料的吸声性能，Kim等[15]的研究也佐证了这一点. 按图7所示工艺，制备由两种不同陶粒粒径试块构成的串联样品，并研究它们的吸声性能. “试块1+试块2”串联记为试块1-2，其余类推.总体上看，串联试块吸收峰数量有所增加，由“试块+背腔”样品的2个吸收峰变为了3个吸收峰（图8）、吸收峰面积除串联试块2-3外其他的也得到了明显增加（图9），平均吸声系数也较与构成串联试块的原试块有较大幅度的提高（图10）.

页岩陶粒混凝土吸声材料内部的粒径之间微孔孔径大小单一（图11）. 而单一孔径仅能吸收其孔径相应的声波频率，对其他的频率声波不能有效吸收，仅靠声波共振消耗掉部分声能. 不同粒径组合试块结构如试块1-5，具备图11（a）小孔和图11（c）大孔两种不同的孔隙，同时结合处也有新的孔隙，使整个结构更为复杂，提高了孔隙率及孔隙弯曲程度，声波在内部孔隙中的运动路径更长，从而消耗更多的声能，吸声能力得到提高.  图12为“试块1+试块5”串联样品的内部孔隙结构照片.

具有串联结构试块的吸收峰面积较大，孔隙曲折程度较复杂，连通孔隙较多，且孔隙率较高. 因而各试块吸收峰较多，在多数频段均有较好的吸声性能，平均吸声系数较高，整体吸声效果较好（表6）.

3   结   论

本文研究了页岩陶粒粒径、水泥用量、纤维掺量、发泡剂掺加量等轻骨料混凝土基本组成以及“试块+背腔”“试块+试块”等情况下的吸声性能，得出如下结论：

1）原料构成对试块吸声性能影响. 随水泥掺量增加，孔隙率有所减小. 但孔隙曲折程度增加，结构更为复杂，吸声系数增大. 聚丙烯纤维可略加大吸收峰宽度和面积;掺量在2%时，相对其他掺量有更好的吸声效果. 加入H2O2后，可增加材料连通孔隙，使孔隙分布均匀，从而提高材料吸声性能. 此类因素仅能小幅度提升吸声性能.

2）“试块+背腔”“试块+试块”对材料吸声性能影响. “试块+背腔”可使吸收峰值相对于原试块向低频偏移，使得原试块高频段峰值前移，产生了两个峰值，吸声性能整体优于原试块. “试块+试块”的串联方式增加了试块吸收峰数量、吸收峰面积、峰值，相比原试块而言整体吸声性能大幅提高.

由页岩陶粒混凝土及其串联结构制作的隔声墙板材料，可广泛用于工业厂房、变电站、演播厅、报告厅等需要安静的大型公共建筑的场所.

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收稿日期：2020-09-03

基金項目：国网湖南省电力公司重点研发项目（1818S1-FW），Key R & D Project of State Grid Hunan Electric Power Company（1818S1-FW）

作者简介：李玉平（1962—），男，湖南嘉禾人，湖南大学教授

通信联系人，E-mail：liypli@hnu.edu.cn