铁路金属声屏障吸声用岩棉性能研究

2020-11-10董大为李鹏水春雨洪蔚刘烁马爱英

铁路节能环保与安全卫生 2020年5期

董大为，李鹏，水春雨，洪蔚，刘烁，马爱英

（中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，北京100081）

为了解决高速铁路运行产生的噪声污染，铁路沿线采用了金属声屏障系统，而吸声材料是影响声屏障降噪效果的重要因素，也是声屏障系统的关键技术之一。铁路金属声屏障需要在野外长期使用，面临风吹雨淋及较大的列车风荷载，除了考虑吸声材料的吸声效果，吸声材料的耐候性能也尤为重要。为了声屏障结构安全并保证吸声材料持续发挥降噪作用，有必要对声屏障吸声用岩棉进行耐水性能及抗吹风性能试验研究。

1 吸声材料的吸声原理及特点

吸声性能好的材料一般为轻质、疏松、多孔结构，从构造特征上分析，多孔吸声材料孔隙率较高，材料内部筋络总表面积大，由外到内具有大量互相贯通的微孔和间隙，微孔向外敞开，使声波易于进入微孔而被吸收，具有很高的隔声降噪作用，在声学工程中应用广泛。

多孔吸声材料内部具有彼此互相贯通的细微孔隙，通过表面与外界接通，当声波入射到多孔材料表面时，入射声能的一部分被表面反射，另一部分透入材料内部向前传播。在材料内部传播过程中[1]，声波振动引起微孔内的空气运动，空气与固体筋络之间产生相对运动，形成与孔壁的摩擦，声波受到来自筋璧附近气体的粘滞阻力，使相当一部分声能不断转化为内能，从而使声波衰减。此外，空气绝热压缩时，空气与孔壁间还会发生热交换，也能使声能衰减。

多孔吸声材料主要包括纤维材料和泡沫材料，无机纤维材料因其具有良好的吸声性能，以及容重小、可压缩、不燃、不易老化、价格低廉等特性，成为声屏障吸声材料的首选，其中又以岩棉应用居多。

2 岩棉主要性能研究

岩棉的性能主要体现在外观、抗拉强度、柔性和脆性、化学稳定性和耐水性能等方面，这些性能主要由酸度系数决定。酸度系数对岩棉纤维方向抗拉强度影响大，即酸度系数越高，岩棉抗拉抗剪切强度越高[2]。此外，酸度系数直接影响岩棉的热稳定性和耐水性能，酸度系数越低，岩棉受热后体积保留率越低，岩棉萎缩明显。为了保证岩棉的上述性能，《建筑外墙外保温用岩棉制品》(GB/T 25975—2018)[3]中将酸度系数调整为“应不小于1.8”。

由于岩棉制品呈纤维状，可能因长期的列车风影响产生损坏，为满足声屏障的吸声效果及25年寿命的要求，需要考察岩棉抗风吹性能并对岩棉采取适当的防护措施。为此，主要针对岩棉耐水性能和抗吹风性能进行试验分析。

2.1 耐水性能试验

符合《建筑外墙外保温用岩棉制品》(GB/T 25975—2018)的岩棉可以完全满足铁路金属声屏障在其应用环境下长期运行的要求。但是，在对现行铁路金属声屏障调研过程中发现，存在吸声材料坍塌现象。究其原因，主要是用酸度系数较低的矿渣棉代替了岩棉。矿渣棉虽然与岩棉同属于矿物棉，但由于原料成分不同，酸度系数也有很大差别，矿渣棉酸度系数＜1.5，一般都在1.3左右，岩棉酸度系数≥1.6，导致两者的耐水性能相差很大。通过淋水及振动试验对不同酸度系数的岩棉和矿渣棉进行了耐水性能分析。

2.1.1 试验过程及方法

采用不同酸度系数的岩棉(酸度系数分别为1.86、1.94和1.95)和矿渣棉(酸度系数分别为1.31和1.34)，共5个试验样本进行淋水及振动试验。

首先，选取规格为300 mm×100 mm的5个试验样本置于倾斜角度为45°的透水板上淋水，如图1所示。喷淋器流量为1 L/min，与样本距离约为150 mm，淋水时间为24 h。淋水结束后，将5个样本分别切割成规格为100 mm×100 mm的3块小样，固定于振动实验台上进行振动试验，试验振动频率5 Hz，振动时间50 h。

图1岩棉与矿渣棉淋水试验

2.1.2 试验结果分析

试验结束后，检测样本尺寸的变化并计算体积保留率。图2至图6为不同酸度系数的岩棉、矿渣棉样本振动试验前后体积变化情况，图7为试验样本酸度系数与体积保留率变化曲线。

由图2、图3和图4可知，酸度系数为1.95、1.94和1.86的岩棉试验样本在淋水、振动后体积基本不发生改变；由图5、图6可知，酸度系数为1.34和1.31的矿渣棉试验样本在淋水振动后坍塌严重。由图7可知，酸度系数为1.86、1.94和1.95的岩棉试验样本的体积保留率分别为96%、102%和107%，酸度系数越高，耐水性能越强，酸度系数≥1.8时，岩棉样品体积保留率＞90%。

图2酸度系数为1.95的岩棉振动试验前后体积变化

图3酸度系数为1.94的岩棉振动试验前后体积变化

图4酸度系数为1.86的岩棉振动试验前后体积变化

图5酸度系数为1.34的矿渣棉振动试验前后体积变化

图6酸度系数为1.31的矿渣棉振动试验前后体积变化

图7试验样本酸度系数与体积保留率变化曲线

由试验结果分析可知，矿渣棉耐水性能明显低于岩棉，并且岩棉酸度系数越高、耐水性能越好。因此，在选择声屏障用吸声材料时，应选择酸度系数大于1.8的岩棉，同时加强对声屏障原材料和质量的监管，杜绝以次充好现象。

2.2 抗吹风性能试验

当列车运行速度为350 km/h时，3.3 m高金属声屏障结构动力响应系数为2.11[4]，列车脉动风压值≤0.9 kN/m2，列车风荷载通过声屏障开孔面板对岩棉产生影响。为提高岩棉抵抗列车脉动力和抗气流冲刷的能力，对岩棉采取了一定的防护措施，岩棉内置加强筋后，包裹无碱憎水玻璃纤维布或聚丙烯憎水无纺布，并在岩棉声源侧采用金属网防护。这些护面材料因穿孔率高几乎不影响岩棉的吸声性能，可以大幅提高岩棉的抗风吹性能。

2.2.1 试验过程及方法

抗吹风性能试验采用酸度系数为1.8、规格为476 mm×407 mm×50 mm、采取了防护措施的岩棉。离心风机电压220V，功率1.1 kW，转速2 800 r/min，风量2 250 m3/h，风压940 Pa。利用离心风机对防护岩棉样品连续吹风，风压为900 Pa，岩棉实际风压接触面积为100 mm×130 mm，吹风时间为12 d。试验结束后观察岩棉表面纤维是否有凹坑、松动或坍塌，是否出现伤痕、污迹和破损现象。

2.2.2 试验结果分析

试验结束后，去除岩棉样品表面防护进行观察，试验前后对比如图8所示。从图8中可以看出，试验后岩棉表面纤维未出现凹坑、松动或坍塌，也未出现伤痕、污迹和破损现象。岩棉的防护措施可以有效提高岩棉的抗风吹性能，延长岩棉使用寿命。在满足酸度系数要求的前提下，长期的列车风荷载不会对岩棉产生损坏。