陶瓷废渣制备吸隔声屏障产品的研究与展望

2014-08-08刘俊荣张缇梁耀龙刘宇

佛山陶瓷 2014年1期

刘俊荣+张缇+梁耀龙+刘宇

摘要：通过对声屏障研究技术的国内外发展现状、利用陶瓷废渣制备吸隔声屏障产品的研究等方面的分析，简要的论述了陶瓷废渣制备吸隔声屏障产品的技术现状与发展动态，并提出了思考建议和目标。

关键词：陶瓷废渣；吸隔声屏障

1 引言

随着中国经济的高速发展，城市化进程的不断加快，城市与城市之间、城市内部建立起了快捷的交通路线网，这些高速公路、城市道路等在建造时难免要穿过人口集中的居住区，所产生的交通噪声给道路附近居民的工作、生活、学习带来了一定的干扰。近年来，城市交通呈一体化发展趋势，交通噪声也更加严峻，严重影响城市生活质量。道路交通产生的噪声超标情况严重，交通噪声污染投诉呈快速增长趋势。全国的环境监测结果表明：约有17%的城市道路交通噪声属中度污染、49%的城市噪声属轻度污染。根据现有的工业发展水平和已有城市规划布局，用建立声屏障的方法来治理交通噪声是一种主要手段，日本城市中高速公路声屏障设置率高达80%；香港公路修建了占总里程5%的声屏障，目前国外发达国家的经验证明了声屏障的有益效果。

声屏障是指在声源与接受者之间，插入一个有足够面密度的密实材料板或墙，从而使声波有一个显著的附加衰减量，这种“障碍物”就是声屏障。声波在空气中传播，碰到声屏障时将产生反射、透射和衍射等现象。声屏障的作用是阻止直达声的传播，隔离透射声，并使衍射声有足够的衰减，声屏障后面形成的“声影区”内的噪声有明显的下降，最终达到降低噪声的目的。

在城市道路声屏障中，扩散反射型和吸声共振型是两种基本声学结构[1]。根据国内外城市道路声屏障的发展经验，扩散反射型声屏障（隔声屏障）在材料使用上的发展趋势是质轻、隔声性能好、强度高、易安装且施工工业化程度高的材料；吸声共振型声屏障（吸声屏障）优点在于声学元件构造精细、美观、结构自重轻、吸声性能好而占用的建筑空间较小；它将是未来城市道路声屏障的发展方向。

目前国内用于交通声屏障的吸声材料主要包括金属声屏障、混凝土声屏障、PC声屏障、玻璃钢声屏障、无机纤维类声屏障及多孔陶瓷声屏障等。金属声屏障、PC声屏障及玻璃钢声屏障普遍存在的问题是成本高，老化性能差；使用混凝土声屏障材料又存在增加道路施工成本，不利于交通安全的问题；超细玻璃棉、矿棉等无机纤维类材料通常强度较低，性脆易断，吸尘易污损，粉尘化后易飞扬造成二次污染，特别是吸水受潮后吸声性能大大减弱；而多孔陶瓷材料具有良好的声学性能、力学性能、耐候性、防火性等特点，制成的吸声元件在中低频具有良好的吸声性能。并且具有重量轻、易于安装维护，特别适宜在高温、潮湿的环境下使用。

陶瓷砖生产过程的后期冷加工废渣目前的推广应用有限，近十年来，国内积存陶瓷废渣已有2000万吨以上，且每年仍以数百万吨的排渣量递增，陶瓷废渣用废物处理方式作为工程填料等利用方法比较单一，大量堆积的陶瓷废料挤占土地，严重破坏生态环境，对水资源和土壤等环境造成了严重污染。

2 声屏障研究技术的国内外发展现状

声屏障研究在国外起步较早，美国20世纪70年代开始修建公路沿线声屏障，发展速度很快，至2006年底，全美已建成的公路声屏障约5000km。日本声屏障的修建始于20世纪60～70年代，在20世纪70年代中期有了较大发展，至2006年底已建成约1600km公路声屏障，日本城市高速道路的隔声屏障设置率已达到80%，东京的首都高速公路两侧有一半设置了隔声屏障。法国、英国、德国、澳大利亚、丹麦等也大力发展声屏障技术来控制城市道路交通噪声的污染。

据《2012年公路水路交通运输行业发展统计公报》，2012年末全国公路总里程达423.75万公里，比2011年末增加13.11万公里。公路密度为44.14公里/百平方公里，提高1.37公里/百平方公里。而至2012年底，全国已建成的公路声屏障长度仅为1670km，与发达国家相比差距太大。随着我国经济快速、可持续发展和保护生态环境力度的不断加强，治理公路交通噪声的声屏障工程量会逐步增长，而且空间很大。

在声屏障材料方面，美国20世纪70年代修建声屏障的材料50%以上是混凝土砌块或板材，80年代起开始大量采用吸声类声屏障。吸声类声屏障的材料主要有轻集料混凝土砌块，砌块具有良好的物理力学性能和耐久性，优化设计混凝土砌块的原料组成、配比和结构，可显著提高其吸声性能。这种方式成本较低，可以显著改善道路两侧的噪声，因此在高速公路声屏障的建设中得到广泛应用。其他类似还有板材、面层覆盖轻集料的普通混凝土板、刨花板背衬混凝土板、带穿孔面层的钢板、面层为各类轻质材料（玻璃纤维、矿渣棉、石棉等）的塑钢板等。我国高速公路目前常用路网声屏障品种有钢化玻璃声屏障、陶瓷板材声屏障、水泥木屑吸声板、微穿孔板吸声屏障、聚酯隔声板、彩钢板等。

袁卫宁等人[2]采用双侧共振腔吸声砖建造的隔声屏障对实际降噪效果的研究。共振腔吸声砖是具有吸声和隔声双重功能的混凝土砌块，吸声面开有竖槽，与内部空腔连通形成共振腔。这种构造的声屏障构造简单，施工方便，造价低。经实际工程监测表明，其降噪量可以达到13dB以上。王武祥等人也对建筑砌块应用于隔声屏障进行了详细研究，介绍了吸声隔声砌块、超轻陶粒砌块、单元式吸声砌块、炉渣砌块、吸声装饰砌块等不同类型的砌块。实际应用效果表明，这种隔声屏障的降噪效果达到10dB以上。这些砌块还可以结合道路绿化，在建好的声屏障上种植绿色植物，不仅可以降低道路两旁的噪声水平，还可以形成绿化景观，对高速公路来说是一种可取的选择。

杨满宏等人[3]研究了关于彩钢复合板隔声屏障在道路声屏障特别是城市道路声屏障中的应用。彩钢复合板是以岩棉、聚苯板、聚氨酯等为芯材的彩钢夹芯板。具有较高的剪切强度，具有一定的韧性，能很好地抵抗重复荷载，具有较好的防火性能。50mm厚度的彩钢复合板的计权隔声量可以达到32dB，完全可以满足较高降噪量要求时的隔声性能。彩钢复合板具有刚度大、弹性好及不易积灰等优点；同时结构形式灵活，外观美观，便于加工和安装施工、维护容易，因此在道路特别是高架桥等位置的反射型声屏障得到广泛应用。但彩钢复合板芯材存在环保问题，在耐候性、寿命等方面不尽如人意。

囤静华等人[4]介绍了珍珠岩声屏障在高速公路上的应用，对珍珠岩声屏障进行了研究，并设计了珍珠岩声屏障，收到了良好的降噪效果。通过实际工程应用表明，珍珠岩声屏障具有较好的吸声性能，是较好的高速公路声屏障材料。珍珠岩通过以水泥、天然矿物质加上其它化学材料经特殊处理后，搅拌，制模成型，可以作为声屏障隔声吸声材料，平均降噪系数NRC0.85左右，符合道路声屏障声学要求；应用安装简单，可预制或现场成型；但主要缺点是：自重较大，在低频段吸声性能较差，目前在香港地区应用较多，在内地应用较少。

国外的加拿大Cymat铝业公司和日本Shinko Wire公司采用泡沫铝和纤维铝制备声屏障产品，避免了普通的钢材质声屏障容易遭受腐蚀的问题。经性能测试表明，这种泡沫铝板具有较好的降噪系数，空腔为100mm时的降噪系数达到0.6以上，用于户外隔声屏障是良好的吸声材料。但不足之处在于其成本太高,无法在我国大量推广使用。另外,金属结构的隔声屏单元连接也较困难,且容易产生噪声泄漏。

3 利用陶瓷废渣制备吸隔声屏障产品的研究与展望

目前国内用于道路声屏障的吸声材料主要是细玻璃棉、矿棉等无机纤维类材料。但超细玻璃棉类吸声材料通常强度较低，脆性易断，吸尘易污损，粉尘化后易飞扬造成二次污染，特别是吸水受潮后吸声性能大大减弱。近年来从对采用纤维类材料做吸声材料道路屏障的检修来看，由于长期处于大流量交通流振动和风压影响下，纤维材料的脆性断裂和粉尘化使原来的匀质结构不复存在，道路声屏障未能有效起到吸声降噪作用。由于存在上述缺点，以及出于对环境保护的要求，需要更有效更环保的吸声材料代替。新型吸声材料泡沫陶瓷在国外道路声屏障建设中得到应用，取得了非常好的降噪效果。泡沫陶瓷具有良好的吸声性能，并且具有重量轻、易于安装维护等优点，特别适合在高温、潮湿的环境下使用。厚50mm泡沫陶瓷材料和后留10cm空腔、厚50mm的泡沫陶瓷，分别对中心频率为600Hz和中心频率为250Hz的声频具有较好的吸声效果，此时吸声系数最高，而这正是道路交通噪声的主要频段。

以抛光砖废料为发泡剂可制备大量的封闭孔，添加合适的外加剂可改变孔隙结构，使封闭孔相互连通构成多孔吸声材料。其吸声原理如下：材料表面有大量连通孔，当声波入射到多孔材料表面，一部分产生反射或散射，一部分则沿着气孔进入材料内部继续传播。声波在材料内部的缝隙和连通气孔中传播时，导致声波衰减。首先是声波导致的空气运动，气孔中空气受压缩时温度升高，稀疏时温度降低；紧靠孔壁的空气运动较慢，相对远离孔壁的空气运动较快，从而产生黏滞阻力和磨擦作用；其次是材料的热传导效应。这两种作用同时导致一部分声能转变为热能而产生衰减，从而起到吸声作用。

多孔吸声材料的吸声频谱特性是，吸声系数随频率的增大而增大，由低频向高频逐步升高，期间有不同程度的起伏，起伏幅度都在高频位趋缓，其频率特征曲线如图1所示。

以陶瓷原料和固体废弃物为主要原料，通过成型、干燥和烧成等工艺可制备出高吸声系数的陶瓷吸隔声屏障产品。这种陶瓷吸隔声屏障产品是一种刚性开孔型吸声陶瓷，具有强度高、装饰性好、不燃、耐老化等优点。

4 结语

对陶瓷工业废渣进行综合利用，通过材料及结构设计，开发具有良好吸声和隔声性能的多孔陶瓷声屏障产品，可以解决陶瓷固体废弃物的资源综合利用和环境噪声污染问题。产品既可使用于公路及轨道交通等特定环境，降低环境噪音污染，又可广泛应用于建筑装修、高架桥、隧道等基础建设工程，社会经济效益显著。

参考文献

[1] 杨满宏. 扩散反射型与吸声共振型公路声屏障[J]. 公路，1996（5）.

[2] 袁卫宁，董小林，张玉芬. 高速公路共振腔吸声砖声屏障降噪

效果[J]. 交通运输工程学报，2007（2）.

[3] 杨满宏，刘书套. 彩钢复合板公路声屏障材料声学性能研究[J].

噪声与振动控制，1999（5）.

[4] 囤静华，周洲. 珍珠岩声屏障在高速公路上的应用[J]. 上海船

舶运输科学研究所学报. 2006（12）.