金属声屏障用陶粒吸声板制备及性能实验研究

韩珈琪

(中国铁路设计集团有限公司机械动力与环境工程设计研究院,天津 300308)

引言

近年来,人们对于生活环境尤其是噪声环境的要求越来越严格;同时,由于铁路、城市轨道交通、公路等交通干线建设规模日趋增大,交通干线分隔居民集中区或规划区的情况时有发生,导致交通干线噪声影响日益突出。声屏障作为阻断噪声传播途径的一种手段[1-2],是防治交通干线噪声应用最广泛的措施,其中又以金属声屏障为主。声屏障主要由H形钢立柱和金属声屏障单元板组成[3],单元板作为声学性能的核心构件,TB/T 3122—2019《铁路声屏障声学构件》规定了其声学及力学性能。单元板由金属外壳及内嵌的吸声材料组成,吸声材料目前以无机纤维类吸声材料为主,但该类材料在受潮后性能下降,同时质地松软、松脆易断,容易产生粉尘污染[4]。吸声材料作为金属声屏障声学性能的决定性因素,GB/T 51335—2018《声屏障结构技术标准》建议不宜采用耐久性差、对人体有害的材料。

为保证声屏障在服役周期内声学性能,针对吸声材料的研究逐渐成为近几年热点[5-9],研究主要围绕不同原材料及相关成型工艺。但是,受防水、防火等相关功能要求限制,同时考虑生产成本与工艺成熟度,多数材料尚不能应用于外部环境(如声屏障),而水泥基吸声材料成本低、工艺易实现[10],逐渐成为吸声材料研究的一个重要分支[11],并已在轨道交通等市场上应用推广[12]。陶粒是一种性能优异的轻质骨料,目前主要应用于建筑回填、污水处理、保温隔热砌块等方面,具备一定体量的市场占有率,可以采用建筑、工业、矿业弃土或城市垃圾[13]、河道淤泥等废弃物生产,是一种绿色环保的无机材料。利用陶粒耐腐蚀、质量轻、粒径小、内部微孔结构多等特点,非常适合作为水泥基吸声材料的骨料,通过胶凝材料将陶粒粘接,单个颗粒内在孔隙及颗粒之间形成的孔隙,使其具备优良的吸声性能[14],同时陶粒生产过程中可以形成不同的粒级,通过采用相应粒级的陶粒,调整胶凝材料与陶粒的配比,可以形成不同孔隙率的吸声材料[15],从而制备成型满足具体吸声、隔声要求的吸声材料。国内学者[16-17]多采用陶粒在实验室内制备了小型吸声样件,通过驻波管法进行了吸声系数测试研究,并针对城市轨道交通吸声板应用进行了相关研究[18]。但针对工厂化试制金属声屏障用陶粒吸声板吸、隔声性能研究较少。

本文制备了多种陶粒吸声板,并分别进行了吸声系数、隔声量测试,研究了影响陶粒吸声板声学性能的主要因素,初步探讨了金属声屏障应用陶粒吸声板的前景。

1 多孔吸声材料声学机理

1.1 吸声

将陶粒作为骨料,与胶凝材料混合,通过相应工艺制备成型,形成的吸声材料为颗粒型吸声材料的一种。颗粒型吸声材料内部存在许多相互贯通的微小孔隙,当声波入射到吸声材料表面时,由于吸声材料与空气的特性阻抗存在差异,一部分能量被直接反射,另一部分经过吸声材料内部孔隙继续传播,传播过程引起内部孔隙间空气的振动,空气分子振动过程中受到孔壁黏滞作用,一部分声能量转化为热能被耗散,从而导致声波衰减,如图1所示。

图1 材料吸声示意Fig.1 Sound absorption mechanism of porous media materials

吸声材料的吸声性能通常由吸声系数表示,吸声系数为入射声能Ei和反射声能Er的差值与入射声Ei的比值,记为α,即

(1)

针对不同噪声的频谱特点,GB/T 16731—1997《建筑吸声产品的吸声性能分级》定义了降噪系数(NRC),降噪系数指频率250,500,1 000,2 000 Hz对应的吸声系数的平均值。

1.2 隔声

与室内吸声材料不同,用于声屏障的吸声材料除对其吸声性能有要求外,也需要其具备一定的隔声性能。图1中吸声材料一侧的入射声能与另一侧透射声能的差值为材料的隔声量R,即

R=10lgEi-10lgEt

(2)

实验室以计权隔声量Rw作为材料的隔声性能评判指标,GB/T 50121—2005《建筑隔声评价标准》,将隔声构件倍频程或1/3倍频程下的隔声曲线,与标准的参考曲线族进行比较,判定得到试件的计权隔声曲线,该曲线在500 Hz频率下的隔声量即作为计权隔声量Rw。

通过控制采用陶粒的粒径、形状及胶凝材料用量、水胶比等可以在一定程度上控制吸声材料的孔隙率和孔的曲折程度等,同时吸声材料厚度对吸声、隔声均有影响,因此,选取陶粒级配(不同粒径)、骨胶比、水胶比、吸声材料厚度作为研究影响成型陶粒吸声板吸声、隔声性能的主要指标。

2 样件制备

2.1 原材料与制备工艺

胶凝材料采用水泥及黏度改性剂,其中水泥为南方水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥;陶粒选取了以建筑弃土为原材料烧制而成的陶粒,粒径范围为>2.36 mm。

各试件制备流程主要为:各工况将陶粒、胶凝材料等干料,按表1配比混合后加入料斗,料头通过抬升履带送入密封搅拌机,高速搅拌至少180 s,随后按表1比例加入定量水,搅拌至少180 s,通过送料履带将搅拌均匀后的湿料送至压板成型机处,一次振动加压成型,加压压强2.0 MPa,陶粒吸声板成型尺寸为975 mm(长)×490 mm(宽)×板厚。振压成型如图2所示。陶粒吸声板成型后,运送至密闭的集中养护区,确保环境温湿度基本恒定的情况下养护28 d,28 d后按照相关标准规范对养护成型的陶粒吸声板进行隔声性能、吸声性能测试。

表1 工况记录Table 1 Condition information

图2 振动加压装备及成型后的陶粒吸声板Fig.2 Trial production machine and produced CSP

2.2 制备工况

本次研究设计了不同水胶比、不同陶粒与胶凝材料比(骨胶比)对陶粒吸声板的声学性能影响,同时研究了陶粒吸声板放入铝合金外壳形成金属声屏障单元板后,吸声隔声性能的变化情况。具体工况配比(质量比)情况见表1,各材料根据实际用量,以胶凝材料(水泥+黏度改性剂)质量归一化后的比例表示。

3 测试方法

在混响室中进行材料的吸声测试,依据GB/T 20247—2006《声学 混响室吸声测量》,首先检测混响室空场混响时间(T1),利用T1计算空场混响室吸声量(A1),然后将试件平铺于混响室地面,检测放置试件后的混响时间(T2),利用T2计算放置试件后的混响室吸声量(A2),最后由试件吸声量与试件平铺面积(S1)计算吸声系数α,即

(3)

在隔声室中进行材料的隔声测试,依据GB/T 19889—2005《建筑和建筑构件隔声测量第3部分:建筑构件空气声隔声的实验室测量》,将试件固定于测试窗口内,周边首先采用发泡胶填缝,待发泡胶完全发泡后,采用结构胶密封测试窗口四周。待密封胶完全风干后,开始测试,首先将声源放置于受声室测试受声室混响时间,通过赛宾公式计算受声室吸声量(A3);然后将声源放置于声源室,分别测得声源室平均声压级(LA)和受声室平均声压级(LB),结合测试窗口面积(S2)计算得出试件隔声量,即

(4)

吸声系数与隔声量实验室测试如图3所示。

图3 实验室声学测试Fig.3 Laboratory acoustic testing

4 结果与分析

4.1 测试结果分析

(1)陶粒粒径影响

图4为陶粒粒径对陶粒吸声板声学性能影响。由测试结果可知,不同粒径制作的陶粒吸声板吸声系数曲线趋势一致,100～1 000 Hz吸声系数逐渐增加,在1 000 Hz达到峰值,分别为1.05、1.03、0.97、0.79;1 000～2 000 Hz吸声系数逐渐减小,工况1、工况4在2 000 Hz达到局部低谷,工况2、工况3在2 500 Hz达到局部低谷;工况1、工况4在2 000～3 150 Hz,工况2、工况3在2 500～4 000 Hz出现吸声系数第二次增加,并分别在3 150 Hz和4 000 Hz达到第二峰值,工况1～工况4吸声系数第二峰值分别为0.87、0.83、0.7、0.59;随着频率一直提高到5 000 Hz,工况1～工况4吸声系数逐渐减小。除了随频率的波动特性外,4种工况高频吸声系数(500 Hz以上)明显低于低频;不同粒径制作的陶粒吸声板隔声量曲线在100～125 Hz有微小增加,160 Hz急剧降低,160～5 000 Hz,总体呈增加趋势,少数中心频率存在局部波谷值,5 000 Hz隔声量最大,陶粒吸声板隔声量曲线呈现低频、高频高,中间频率低的情况,这是因为陶粒吸声板弹性模量较低,隔声曲线劲度控制区共振频率较低,在200 Hz左右,因此,200 Hz频率附近存在隔声量谷值,随后隔声曲线进入阻尼控制区,曲线随频率波动,频率进一步升高,隔声量曲线进入质量控制区,即频率越高,隔声量越大。

图4 陶粒粒径对陶粒吸声板声学性能影响Fig.4 Effect of size of ceramic on the acoustic performance of CSP

对比工况1～工况4的吸声系数曲线可以得出,基本在所有中心频率下,工况1>工况2>工况3>工况4,即陶粒吸声板采用的陶粒粒径越小,吸声系数越高,且差值在低频区段(100～250 Hz)较小,随着频率的提高逐渐增加。工况1～工况4的降噪系数分别为0.67、0.61、0.53、0.45。

对比工况1～工况4的隔声量曲线可以得出,在大多数中心频率下,工况1隔声量最高,在多个中心频率下,工况3与工况1隔声量相近,630～1 000 Hz,工况2隔声量高于工况1,2 000～5 000 Hz,工况1隔声量明显高于工况2;工况3、工况4隔声量在2 000 Hz以下相近,2 000 Hz以上工况3隔声量明显高于工况4;工况1、工况2隔声量优于工况3、工况4,即陶粒粒径越小,陶粒吸声板隔声量越高。工况1～工况4的计权隔声量分别为14,14,13,13 dB。

产生以上结果的原因是:采用陶粒越小,最终成型的吸声材料内部孔隙更加曲折,孔隙结构越小、越密集,声波进入这样的孔隙结构,与孔壁发生碰撞、摩擦机率增加,从而声波能量损失增加,直接反映了材料的吸声性能增加,同时,由式(2)可得,针对同一种吸声材料,当入射声能和反射声能基本维持不变时,吸收声能越大,材料的隔声量越高。

(2)陶粒级配影响

采用不同粒级陶粒、按不同比例混合后制作的陶粒吸声板声学性能对比见图5。由测试结果可知,吸声系数曲线、隔声量曲线波动与前述一致,后续不再赘述;对比不同工况可以得出,基本在所有中心频率下,小粒径(2.35～4.75)陶粒占比越高,陶粒吸声板吸声系数越高,吸声系数曲线越趋近于工况1(全部采用小陶粒),反之则趋近于工况2(全部采用大陶粒);4种工况隔声量在全频段无明显差值。工况6、工况7的降噪系数分别为0.63、0.62,计权隔声量分别为14、14 dB。产生以上结果的原因是:小陶粒占比越多,孔隙结构越小、越密集,吸声板的吸声性能越好。

图5 陶粒级配对陶粒吸声板声学性能影响Fig.5 Effect of grading of ceramic on the acoustic performance of CSP

(3)骨胶比影响

图6为不同骨胶比对陶粒吸声板声学性能影响。由测试结果可知,骨胶比由3.5变为5.0时,200～5 000 Hz,陶粒占比越大,吸声系数越低,且中高频区段(200 Hz以上)差值明显,而低频区段(200 Hz及以下)两工况差值较小;陶粒占比越大,隔声量越低,除个别频率(125 Hz)外,全频段差值明显。工况8降噪系数、计权隔声量分别为0.61、12 dB。

图6 骨胶比对陶粒吸声板声学性能影响Fig.6 Effect of bone-cement ratio on the acoustic performance of CSP

产生以上结果的原因是:当胶凝材料用量较小时,搅拌过程中胶凝材料未完全包裹陶粒,导致陶粒间的孔隙较大,吸声、隔声性能均有所降低,高频区段尤其明显。胶凝材料占比较大时,多余的水泥浆会堵塞陶粒间的孔隙,因此,陶粒吸声板骨胶比制定需要根据试验结果不断调整,得到符合工程要求的吸声材料。

(4)水胶比影响

图7为不同水胶比对陶粒吸声板声学性能影响。由测试结果可知,水胶比由0.9变为0.7时,100～1 000 Hz,两工况差值极小,1 250～5 000 Hz,水胶比越低,吸声系数越高;除315 Hz以下频段有所波动外,整体上水胶比越低,隔声量越低。工况9降噪系数、计权隔声量分别为0.63、11 dB。

图7 水胶比对陶粒吸声板声学性能影响Fig.7 Effect of water-cement ratio on the acoustic performance of CSP

产生以上结果的原因是:水胶比较高时,混凝土容易离析,制备试件时混凝土本身产生大量闭孔气泡,这些气泡对最终成型的陶粒吸声板吸声性能没有提高作用,反而因为混凝土本身体积增大,阻塞了部分陶粒间的孔隙,造成了吸声性能降低,高频区段尤其明显。

(5)板厚影响

图8为板厚对陶粒吸声板声学性能影响。由测试结果可知,板厚由50 mm变为60 mm时,100～200 Hz,两工况差值极小;200 Hz以上,随着板厚增加,吸声系数曲线有向低频偏移的趋势。具体表现为:250 ～800 Hz,厚度越大,陶粒吸声板吸声系数越高;1 000 Hz两工况吸声系数一致;1 000～2 000 Hz,厚度越小,陶粒吸声板吸声系数越高;2 500 Hz两工况吸声系数差别不大;2 500～5 000 Hz,厚度越小,陶粒吸声板吸声系数越高;100～125 Hz,两种厚度吸声板隔声量差值极小;125 Hz以上,随板厚增加,隔声量有微小增加。工况7降噪系数、计权隔声量分别为0.7、14 dB。产生以上结果的原因是:增加板厚,延长了声波在吸声材料内部的传播距离,导致材料内部吸收的声能增加。

图8 板厚对陶粒吸声板声学性能影响Fig.8 Effect of plate thickness on the acoustic performance of CSP

(6)背部空气层影响

图9为陶粒吸声板装入金属外壳形成单元板,陶粒吸声板+背部空气层较陶粒吸声板的声学性能变化情况。由测试结果可知,陶粒吸声板+背部空气层吸声系数较单一陶粒吸声板在100～500 Hz频率范围提升显著,500～1 250 Hz有所降低,1 600～2 000 Hz有略微提升,500～1 250 Hz有所降低,组合后单元板降噪系数为0.78,较工况1降噪系数0.67提升0.11。总体上,空气层提升了陶粒板吸声性能,这是因为空气层与陶粒吸声板内部孔隙形成了大量的赫姆霍兹共振腔,较陶粒吸声板明显提升了中低频吸声性能。陶粒吸声板+背部空气层隔声量较单一陶粒吸声板在100～5 000 Hz频率范围提升显著,组合后单元板计权隔声量为30 dB,较工况1计权隔声量14 dB提升16 dB,这是因为陶粒吸声板与金属外壳背板形成了双层隔声结构,当声波穿过金属外壳面板开孔投射到陶粒吸声板时,一部分被反射,一部分被吸收,剩余透射部分经过背腔空气层衰减,投射到金属外壳背板上,同样一部分被反射,一部分被吸收,剩余投射到外部空间,由于经过二次反射和损耗,单元板隔声性能较陶粒吸声板提升明显。

图9 背腔空气层对陶粒吸声板声学性能影响Fig.9 Effect of air layer in the back on the acoustic performance of CSP

陶粒吸声板装入铝合金外壳形成的单元板吸声系数、隔声量与标准对照情况分别见表2、表3,由表2、表3可得,单元板吸声系数、隔声量分别满足TB/T 3122—2019《铁路声屏障声学构件》标准要求。

表2 陶粒吸声金属声屏障单元板吸声系数对标Table 2 Comparison of the sound absorption coefficient of SBUP with standards

表3 陶粒吸声金属声屏障单元板隔声量对标 dBTable 3 Comparison of the sound transmission loss of SBUP with standards

4.2 讨论

根据测试结果[19-20],高速列车以300～350 km/h通过桥梁、路堤区段时,外场测点(距外轨中心线7.5～25 m、轨面以上1.2～3.5 m)列车通过噪声峰值频率集中在500～2 500 Hz,与前文中陶粒吸声板的吸声系数、隔声量较高的频率范围基本重合。经过设计配比,陶粒吸声板可以确保GB/T 16731—1997《建筑吸声产品的吸声性能分级》中Ⅱ级吸声性能,同时兼具一定的隔声效果,同时根据本文研究结果,放置入金属外壳组成声屏障单元板后,与背后空气层形成的吸隔声单元会进一步提高单元板的吸声、隔声性能,且满足相关标准要求。目前,国内外已经将陶粒吸声板用于轨道交通减振降噪[21],陶粒吸声板作为轨道吸音构件完全裸露于外环境中,且位于轨道交通车辆底部,安全性及耐久性均已得到验证,放置于金属外壳中的陶粒吸声板可靠性及耐久性进一步得到保障,将陶粒吸声板用于金属声屏障吸声材料是可行的。

5 结论

(1)不同工况陶粒吸声板吸声系数、隔声量曲线基本一致,中低频区段吸声系数逐渐增加,1 000 Hz左右达到峰值,1 000～5 000 Hz吸声系数曲线存在波动及第二峰值;隔声量曲线基本呈先降低后增加趋势,区间存在波动,5 000 Hz达到峰值。

(2)陶粒吸声板采用的陶粒粒径越小、小陶粒占比越高,吸声系数、隔声量越高;骨胶比由3.5提升至5.0,吸声系数、隔声量降低;降低水胶比对中低频吸声系数影响不大,高频区段吸声系数增加明显,中高频隔声量降低明显;板厚增加,低频段吸声系数变化较小,中高频段吸声系数曲线有向低频平移趋势,隔声量整体变化不大。

(3)陶粒吸声板放入金属外壳形成单元板后,由于背部空气层的作用,吸声系数、隔声量较单一陶粒板整体提升显著。

(4)经过设计配比,陶粒吸声板可以达到Ⅱ级吸声要求,同时兼具一定的隔声效果,放置入金属外壳组成声屏障单元板后,满足TB/T 3122—2019《铁路声屏障声学构件》标准要求。将陶粒吸声板用于金属声屏障吸声材料是可行的。