陶粒吸声材料声学参数的试验研究

周红梅 杨漫 朱万旭 卜炬鹏

摘  要：陶粒吸声材料是以陶粒为骨料，水泥为胶凝材料，添加外加剂制备而成。通过试验分析增加水灰比、置换微细陶粒、添加乳胶粉和聚丙烯纤维对陶粒吸声材料的吸声系数和流阻率的影响。结果表明：增加水灰比、置换微细陶粒、添加乳胶粉和聚丙烯纤维都会使流阻率升高，但平均吸声系数并不随着流阻率的升高而升高;混合级配下水灰比为0.20的陶粒吸声材料吸声效果更好;添加微细陶粒能提升陶粒吸声材料高频段的吸声性能;添加1.0%的乳胶粉和0.3%的聚丙烯纤维使陶粒吸声材料的吸声系数分别降低了0.02和0.01。

关键词：陶粒吸声材料;流阻率;吸声系数;声学试验

中图分类号：TB343           DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.03.011

0   引言

陶粒吸声材料是以陶粒为骨料，水泥为胶凝材料，添加外加剂，通过混合、搅拌、压制、养护等工艺制备而成的一种多孔吸声材料。我国通常使用吸声系数作为评价多孔吸声材料吸声性能的标准，一般可以通过混响室法和驻波管法获得相关数据[1-2]。而欧美等发达国家自上世纪60年代末就以吸声材料的流阻率为评价标准，并编制了相关测试技术的方法、技术和标准[3-4]。吸声材料的流阻率与材料的最佳吸声系数有直接对应关系[5]。流阻率是材料内部孔隙连接状态量化的参数，通过流阻率可以了解材料的吸声性能[6-7]，对比分析流阻率和吸声系数对吸声材料的研发具有指导意义。

为了提高陶粒吸声材料的力学性能和吸声性能，以适应各种极端的使用环境，实际应用中会在陶粒吸声材料中掺加各种添加剂。不同粒径、不同级配的陶粒都会使陶粒吸声材料的内部孔道发生变化[8-10];孔隙结构的不同会对流阻、孔隙率、吸声系数产生影响[11-12]。由于陶粒吸声材料内部需要大量孔隙，水灰比的控制尤为重要，水灰比过小会使陶粒半干料搅拌不均，浆料不能完全包裹陶粒骨料的表面，导致吸声材料强度降低;水灰比过大会出现流淌的浆料完全填充陶粒之间的孔隙，从而导致陶粒吸声材料的吸声降噪性能显著降低[13-14]。陶粒吸声材料是由半干料压制成型，强度全部由陶粒之间搭接的水泥浆体承担[15]。掺加乳胶粉可以增强胶凝材料的黏结性，使胶凝材料更好地黏结陶粒，还能提高材料的抗冻融循环能力;掺加聚丙烯纤维可以起到加强整体性和加筋连接作用[16-17]。研究表明适当地掺加乳胶粉和聚丙烯纤维可明显提高陶粒吸声材料的抗弯性能、劈裂抗拉强度和耐久性能[18]。

本文通过不同陶粒级配、添加微细陶粒、乳胶粉、聚丙烯纤维及改变水灰比等变量，制作试件并对其进行吸声系数和流阻率的声学参数测试，研究不同变量对陶粒吸声材料声学参数的影响，得到在保证声学性能的前提下力学性能也达到最优的陶粒吸声材料配合比;通过对比分析流阻率和吸声系数的关系，得到最佳吸声系数时流阻率的阈值。

1    试验

1.1   試验材料

1）陶粒：试验用陶粒为本课题组自制粉煤灰免烧结陶粒，陶粒的堆积密度为0.83 kg/m3，粒径为1 ～ 8 mm，筒压强度≥5 MPa。陶粒按不同粒径（D）大小划分为小陶粒（[1 mm≤D≤3] mm）、中陶粒（[3 mm<D≤5 mm]）和大陶粒（[5 mm<D≤8 mm]）。

2）微细陶粒：选用铝矾土陶粒砂，堆积密度为1.56 g/cm3，粒径为0.04 ～ 0.30 mm。

3）水泥：选用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，市售。

4）减水剂：选用聚羧酸高效减水剂，减水率≥20%，pH值为6.0～8.0。

5）聚丙烯纤维：平均长度为10 mm，市售。

6）乳胶粉：可再分散乳胶粉，市售。

1.2   试验配比

为了研究不同粒径的陶粒、增加水灰比、置换微细陶粒、添加乳胶粉和聚丙烯纤维对陶粒吸声材料的吸声系数及流阻率的影响，设计了不同配合比的9组试件进行试验，其中J-1为基准配比，具体配合比如表1所示。

1.3   试件制备及测试

1）陶粒试件用直径为96 mm、高度为100 mm的圆柱形模具进行压制，压缩比统一采用0.85[19]。陶粒试件的制备工艺见图1。

2）使用AWA6128型驻波管吸声系数测试仪 （图2），依照国家标准《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》（GBJ 88—85）[20]，对试块进行吸声系数测试。材料的吸声系数是指没有被材料反射的声能和入射总声能之比，用[α]表示。

[α=1-EγE0=Eα+EβE0].            （1）

式中：[Eγ]——材料反射的声能（J），[E0]——单位时间内入射的总声能（J），[Eα]——材料吸收的声能（J），[Eβ]——材料透射的声能（J）。

3）依照国家标准《声学   多孔吸声材料流阻测量》（GB/T 25077—2010）[21]，采用直流法测试试件的流阻率的基本原理，设计了一套流阻测试装置。图3是流阻测试仪结构示意图。

当稳定的气流流过吸声材料时，两侧的压强差和流过的气体体积速度的比就是流阻率。流阻率[R]可由式（2）求得，单位为Pa·s/m2。

[R=ΔP·Aqv·d]. （2）

式中：[ΔP]——试块两侧的压强差（Pa），[qv]——气流流过试块时的体积速度（m3/s），[d]——沿气流方向的试块厚度（m），[A]——垂直于气流方向的试块横截面面积（m2）。

2    试验结果与分析

2.1   不同陶粒粒径级配对声学参数的影响

在水泥和减水剂含量一定时，水灰比不变，只改变试件粒径的情况下制作J-1、J-2、J-3、J-4等4组试件，每组3个试块。使用流阻仪测得J-1组3个试块在试块筒中的气体流速值和所对应的压差值，填入表2并进行计算，得到试块的流阻率值。

由表2可知，试块J-1-1的平均流阻率为3 575 Pa·s/m²。以同样方法测得试块J-1-2的平均流阻率为3 429 Pa·s/m²，试块J-1-3的平均流阻率为3 630 Pa·s/m²。同一配比3个试块用5种流速分别测量3次，上述数据标准偏差比为4.23%，满足精度要求。所以，[RJ-1=RJ-1-1+RJ-1-2+RJ-1-33=3 545] Pa·s/m²。后续所有流阻率的取值与RJ-1同理。

将试件编号J-1的3个试块即试块J-1-1、试块J-1-2、试块J-1-3的驻波管吸声系数测量结果列出，如表3所示。

由表3可得出，J-1组试块的平均吸声系数为0.45，后续所有吸声系数取值与J-1同理。测试得到结果如表4所示。

图4为不同陶粒粒径级配试件的驻波管吸声系数曲线图。由图4可以看出，J-1与J-4曲线基本重合，表明了小陶粒单一级配的J-1与混合级配的J-4有相似的孔隙结构，而且在200～800 Hz和1 000～  2 000 Hz的频段吸声效果都优于中陶粒和大陶粒单一级配的试件，说明陶粒试件中较小的孔隙吸声效果更好。由图5前3组可以看出，吸声系数随着流阻率的降低而降低，而对比J-1和J-4发现，J-1的流阻率大于J-4，J-4平均吸声系数却大于J-1，说明吸声系数和流阻率不是一直成正比关系，只有在最佳的流阻率范围内吸声系数才能达到最高。当[R>3] 545 Pa·s/m²时，吸声系数随着流阻率的增大而減小;当[R<2] 627 Pa·s/m²时，吸声系数随着流阻率的减小而减小。最佳吸声系数的流阻率值为2 627 ～3 545 Pa·s/m²。测得平均吸声系数最大时的流阻率为RJ-4 = 3 029 Pa·s/m²，因此，J-4的内部孔隙结构是本组试验中对吸声性能最有利的。

2.2   添加微细陶粒对声学参数的影响

按表1配合比制成试件J-5，测试结果如表5所示。

由图6可以看出，添加微细陶粒之后陶粒吸声材料在200～800 Hz频段吸声系数几乎不变，在      1 250～2 000 Hz频段添加微细陶粒的试件吸声效果比未添加微细陶粒的试件吸声效果好。其原因是：微细陶粒填充了之前大颗粒间的架空部位，使孔隙尺寸变小，孔隙数量增多，声波进入材料的孔隙后可以多次与材料孔壁发生折射，从而消耗更多的声波能量。所以较小的孔隙对1 250～2 000 Hz频段的吸声效果更好。图7中当流阻率从3 545 Pa·s/m²增至3 990 Pa·s/m²时，吸声系数从0.45降至0.44，进一步验证了2.1的结论：当[R>3] 545 Pa·s/m²时，吸声系数随着流阻率的增大而减小。

2.3   不同水灰比对声学参数的影响

按表1配合比制成不同水灰比的陶粒吸声材料试件，J-1、J-6、J-7水灰比分别为0.20、0.35、0.50，配合比其他成分无变化。测试结果如表6所示。

由图8可以看出，随着水灰比的增大试件的吸声效果越来越差，原因是水灰比增大后，流淌的水泥浆体占据部分陶粒之间的孔隙，使孔隙尺寸变小，甚至完全堵塞孔隙。在图9中，当水灰比由0.20提升至0.35时，流阻率提升了3.8倍;而当水灰比由0.20提升至0.50，其流阻率提升了8.5倍。随着水灰比的增加，流阻率升高，平均吸声系数下降，流阻率与平均吸声系数成反比关系。水灰比上升使得流淌的水泥浆变多从而堵塞了孔隙，声波在传递到材料表面时进入材料内部的声波变少，导致吸声性能降低。所以在制备陶粒吸声材料时最佳水灰比为0.20。

2.4   掺加乳胶粉对声学参数的影响

在标准对照组J-1的基础上，加入了1%乳胶粉制成试件J-8，测试结果如表7所示。

图10为掺加乳胶粉前后的吸声系数。由图10可知，添加乳胶粉之后的陶粒吸声试块吸声系数无明显变化。由图11可知，添加乳胶粉后试件流阻率增大，平均吸声系数下降;未添加乳胶粉时流阻率为3 545 Pa·s/m²，平均吸声系数为0.45;添加乳胶粉后流阻率提升至5 009 Pa·s/m²，平均吸声系数降至0.43。其原因为：添加乳胶粉会使材料表面形成聚合物膜，堵塞了陶粒吸声材料内部的微细孔隙，声波进入材料的部分变少，吸声性能降低。

2.5   掺加聚丙烯纤维对声学参数的影响

在标准对照组J-1的基础上，加入0.3%的聚丙烯纤维制成试件J-9，测试结果如表8所示。

由图12可以看出，添加0.3%聚丙烯纤维的陶粒试件吸声系数与未添加聚丙烯纤维的陶粒试件吸声系数只有微小的差距。由图13可知，添加聚丙烯纤维后，试件流阻率增大，平均吸声系数下降;未添加聚丙烯纤维时，[R=3] 545 Pa·s/m²，平均吸声系数为0.45;添加聚丙烯纤维后，流阻率提升至5 356 Pa·s/m²，平均吸声系数降至0.44。聚丙烯纤维堵塞了部分孔隙，导致流阻率升高，进入材料内部的声波减少，减弱了与孔壁摩擦消耗声能的效果。

3    结论

1）陶粒的骨料粒径对陶粒吸声材料的吸声系数和流阻率影响最为显著，单一级配时，随着骨料粒径的增大，流阻率不断降低，吸声系数也在变小;而混合级配陶粒试块具有更好的孔隙结构，吸声系数优于单一级配试件，其流阻率介于单一级配试件之间。

2）吸声系数和流阻率不是一直成正比关系，只有在最佳的流阻率范围内吸声系数才能达到最高，低于或高于这个范围都会降低陶粒吸声材料的吸声系数，且最佳吸声系数的流阻率值为2 627～           3 545 Pa·s/m²。

3）混合级配下水灰比为0.20的陶粒吸声材料的吸声效果最好;添加微细陶粒使材料孔隙变小，可提高陶粒吸声材料的高频吸声系数;添加1.0%的乳胶粉和0.3%的聚丙烯纤维对陶粒吸声材料的吸声系数有细微的影响，吸声系数分别降低了0.02和0.01。

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Experimental study on acoustic parameters of ceramsite sound

absorbing material

ZHOU Hongmei1， YANG Man1， ZHU Wanxu1，2， BU Jupeng3

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.School of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China; 3.Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.Ltd.， Nanning 530000， China）

Abstract： Ceramsite sound absorption material is prepared by using ceramsite as aggregate， cement as