铁路微孔吸声材料声屏障的研究与应用

岳鹏，张润斌，杨毅，付丽，胡晋

（1.中铁第六勘察设计院集团有限公司 机械环境设计院，天津 300308；2.中铁电气工业有限公司 江西环保分公司，江西 萍乡 337000）

铁路网的日趋完善给人们交通出行带来了极大的便利，但噪声污染对铁路沿线居民的工作、生活造成了一定影响，利用声屏障对铁路噪声进行隔离吸收是防治噪声污染的主要措施之一[1]。声屏障的材料构成对吸声型声屏障的隔音效果和使用寿命有重要影响[2]，火山岩作为一种天然材料，有吸音隔音、吸热储热、吸水防滑、耐酸碱等功能，而且抗风化、耐气候、经久耐用[3]。本次研究利用火山岩为基本原料，通过添加525水泥和掺合剂，采用机械常温压制成型以制备火山岩微孔吸声材料并应用于铁路声屏障，测定其性能并在运营线上测试其吸声效果，以期为铁路声屏障的研究和应用提供参考。

1 实验概述

1.1 实验材料

火山岩、525水泥、掺合剂。

1.2 实验方法

实验中首先将火山岩按不同粒度筛分，经配比配料后再添加525水泥和掺合剂，采用机械压制成型，自然冷却24 h后，制备出不同厚度的火山岩微孔吸声材料样块，工艺流程如图1所示。火山岩可以均匀分布在样块表面及内部，形成特定角形系数的微粒聚合体，微粒之间形成了大量相互连通的微小孔隙，样块成品如图2所示。

图1 样块制备工艺流程

图2 样块成品

采用混响室法测试不同样块的吸声性能[4]，实验采用的不同样块规格如表1所示。

表1 样块规格

2 实验结果与分析

2.1 火山岩粒径对吸声材料吸声性能的影响

选取3种同等厚度(53 mm)不同粒径火山岩配比的样块(1#样块1～2 mm、2#样块3～4 mm、3#样块5 mm以上)测试其在不同频率下的吸声性能，测试结果如图3所示。

从图3可以看出，各粒径火山岩样块吸声系数最大值出现在500～800 Hz之间，并随着频率的增大，吸声系数在经历略微下降后，在1 000～1 500 Hz左右达到稳定并不再随频率的增加而显著变化。这表明火山岩微孔吸声材料是一种对中高频噪声有较好吸声性能的吸声材料，这是由于火山岩微粒之间有大量相互连通的微小孔隙，形成了多孔结构，声波在多孔材料内部由于空气粘滞性、摩擦、振动等将声能转化为热能而被消耗掉[5]。

图3 火山岩粒径对吸声材料吸声性能的影响

从火山岩的不同粒径来看，粗粒径(5 mm以上)火山岩样块在各频率的吸声系数明显低于细粒径(1～2 mm)和中粗粒径(3～4 mm)样块的吸声系数，而细粒径与中粗粒径样块的吸声系数相差不大，最终测得的降噪系数(细粒径0.50、中粗粒径0.45、粗粒径0.30)表明火山岩粒径越小降噪系数越大。这是由于更小粒径火山岩制成的吸声材料孔隙更小，增加了材料的孔隙率和比表面积，使声波在透入吸声材料时与颗粒孔隙表面接触的机会增多，并且在多孔材料中的流阻增大，进而增加了消耗的声能[6]。

2.2 厚度对吸声材料吸声性能的影响

选取4种同等粒径(细粒径1～2 mm)不同厚度样块(4#样块34 mm、1#样块53 mm、5#样块140 mm、6#样块210 mm)测试其在不同频率下的吸声性能，结果如图4所示。

由图4可知，火山岩微孔吸声材料的吸声性能在低频(800 Hz以下)随厚度的增加而增大，但在中高频(2 000～4 000 Hz)材料吸声系数随厚度的增加有所不同，53 mm以下厚度样块的吸声系数趋近一致(约0.62)，140 mm以上样块吸声系数趋近一致(0.79)。测得降噪系数34 mm样块0.45、53 mm样块0.50、140 mm样块0.75、210 mm样块0.80，表明火山岩材料厚度越大降噪系数越大。同时测试结果表明，材料越厚，厚度增加对提高隔声系数的效果并不明显。

图4 厚度对吸声材料吸声性能的影响

由于厚度直接关系到吸声材料的制作成本，吸声材料并非越厚越好。高速铁路噪声声源主要频谱范围为500～5 000 Hz，为宽频噪声[7]。采用140 mm厚度的火山岩微孔吸声材料的吸声性能不仅可以较好覆盖这一频率范围(吸声系数均在0.67以上，见图3)，还能够减少吸声材料的制作成本。

2.3 声屏障结构及测试

2.3.1 声屏障应用参数选取

根据以上实验结果并结合铁路声屏障设计和实际情况，铁路声屏障用火山岩微孔吸声材料的相关应用参数选取如下。

（1）粒径配比。采用5 mm以下粒径火山岩可以在保证吸声性能的基础上，增加对火山岩的利用率，减少研磨筛分量，具有更好的环境效益和技术经济性。

（2）厚度。采用140 mm厚度的火山岩微孔吸声材料为铁路声屏障，可以在保证较好吸声效果的同时减少制作成本。

（3）尺寸。采用3 960 mm×500 mm×140 mm(长×宽×厚)为样块尺寸，便于生产、运输及安装。

2.3.2 吸隔声性能

采用混响室法测定样块的吸声性能，采用隔声室测定样块的隔声性能，结果如图5所示。

图5 火山岩微孔吸声材料的吸隔声性能

经计算，此火山岩微孔吸声材料的降噪系数为0.8，计权隔声量为35 dB，符合《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)对隔声量不应小于30 dB、降噪系数不应小于0.70的要求。样块吸隔声性能与《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)对声屏障声学构件性能要求的对比如表2所示。根据表2，火山岩微孔吸声材料吸隔声性能能够满足规范要求。此外，在高速铁路噪声源分布的主要频谱范围500～5 000 Hz内，火山岩微孔吸声材料的吸声系数在0.64以上，隔声量在32 dB以上，利用火山岩制作的吸声型声屏障对高速铁路噪声声源有良好的吸隔声效果，对铁路噪声具有较好的针对性。

表2 火山岩微孔吸声材料吸隔声性能与规范要求比较

2.3.3 结构性能

铁路声屏障材料除需满足一定的吸隔声性能外，还需要有一定的结构强度，以适应复杂的现场运行条件和气候条件。采用《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)等规范规定方法对火山岩微孔吸声材料声屏障的结构性能进行了检测和评估，结果如表3所示。

表3 火山岩微孔吸声材料的结构性能

火山岩微孔吸声材料的结构性能测试结果均符合规范要求，具有优良的抗冲击、抗风压、抗弯曲断裂荷载、防火、抗疲劳、抗压及抗冻性能，能够适应铁路运营线路复杂的运行条件。此外，火山岩微孔吸声材料属于无机材料，具有优良的抗酸碱性及耐候性，在复杂气候条件下长期使用不会发生粉化等不良影响，能够在保证吸声性能的前提下长期使用[5]，并且由于火山岩微孔吸声材料的主要成分火山岩为自然形成，在生产过程中添加的水泥和掺合剂也均为无机物，在材料报废时可直接填埋或重复利用而无二次污染，应用范围广泛。

3 实际工程应用效果

3.1 工程概况

某Ⅰ级双线电气化铁路现有行车速度140～160 km/h。本次测试，声屏障位于路堤段正线右侧，距轨道中心线4.0 m，声屏障长300 m，高3.0 m，声屏障采用火山岩微孔吸声材料吸声板，该段声屏障所对应的敏感保护目标为农村居民区，测试声屏障横断面如图6所示。

图6 测试声屏障横断(单位：m)

3.2 测量方法

（1）测量仪器。AWA6228+多功能声级计、AWA6221B声校准器。所用仪器均经计量部门检定并在检定有效期内。

（2）布点。根据《声屏障声学设计和测量规范》(HJ/T 90—2004)及《铁路边界噪声限值及其测量方法》(GB 12525—90)，在声屏障中心、距离轨道中心30 m处设1个降噪效果监测点，同时在声屏障保护区域外、距离轨道中心30 m处设1个铁路噪声监测点。声级计距道床平面1.2 m，水平设置，收声筒指向轨道。

（3）测量。测量时气候状况良好，晴朗无风，声级计在加装风球的情况下进行监测。测量开始时间为春季某日上午10:00，持续90 min。测点与轨道间的地面覆盖主要为灌木及草地，背景噪声为54.1 dB。声屏障现场情况如图7所示。

图7 火山岩微孔吸声材料声屏障现场

3.3 测试结果

在测量过程中共有4列旅客列车及4列货物列车经过，测试过程中无突发非铁路噪声源干扰，监测结果如表4所示。

表4 声屏障降噪效果监测结果 dB(A)

从表4监测结果可以看出，距离铁路轨道中心线30 m处，在声屏障保护范围外与声屏障保护范围内的等效声级分别为68.1 dB(A)和61.5 dB(A)，可降低噪声6.6 dB(A)。降噪效果与国内高速铁路直立式声屏障的实际降噪范围3～8 dB(A)相比[8-9]，处于较好水平。

4 结论

（1）以火山岩为轻骨料、525水泥作为粘结剂在常温下制备的火山岩微孔吸声材料样块，粒径越小则降噪系数越大。

（2）火山岩微孔吸声材料样块厚度越大降噪系数越大。同时，材料越厚，材料厚度增加对提高隔声系数的效果不明显。

（3）在高速铁路噪声源分布的主要频谱500～5 000 Hz范围内，火山岩微孔吸声材料的吸声系数在0.64以上，隔声量在32 dB以上。利用火山岩制成的吸声型声屏障对高速铁路噪声有良好的吸隔声效果，对铁路噪声具有较好的针对性。

（4）火山岩微孔吸声材料的结构性能测试结果均符合规范要求，具有优良的抗冲击、抗风压、抗弯曲断裂荷载、防火、抗疲劳、抗压及抗冻性能，能够适应铁路运营线路复杂的运行条件。