轻骨料混凝土吸声性能研究

2021-12-30李玉平虞秀勇胡胜

湖南大学学报（自然科学版） 2021年12期

李玉平，虞秀勇，胡胜

（1.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410082；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙 410007）

随着公路[1]、铁路[2]、航空[3]及工业[4]的快速发展，噪声成为了严重危害人体健康的污染源之一[5-6].为了降低噪声危害，为人们营造健康的安静环境，吸声材料的研发成为了具有较大实际应用价值的研究方向[7-9].

本文所用的轻骨料是页岩陶粒经破碎筛分获得，呈锯齿状，具有大量连通状、蜂窝状孔隙，用其制作的混凝土具有质轻、孔隙曲折，孔隙率大、保温、吸声、易加工等特点，是一种环境友好型吸声材料[10-11].肖建庄[12]提出：骨料性能对混凝土强度影响较大；配制中等强度材料时，影响程度次之；配制低强度材料时，再生骨料对其强度的影响最小.页岩陶粒混凝土的强度较低，但是中低频吸声性能较好[12-13].Park等[14]指出当材料的孔隙率为25%时，降噪系数是最佳的，但不同形状骨料的质量分数对材料在中低频的吸声能力的影响很小.Kim 等[15]认为骨料类型和粒径，以及单层和双层多孔混凝土试样对声学特性有较大影响.不同类型骨料在同一频率下吸声能力具有明显差异，同时双粒径吸声材料吸声能力相对较好.Kim 等[16]研究表明，发泡剂和纤维都能有效地提高多孔性和吸声性能.目前全部由页岩陶粒作为骨料制备的轻混凝土材料的吸声性能研究较少.

本文以破碎后的页岩陶粒为骨料，以水泥为胶凝材料，制备了轻骨料混凝土，讨论了其吸声特性.研究了页岩陶粒粒径、水泥用量、纤维掺入量、发泡剂添加量、试块孔隙及“试块+背腔”，“试块+试块”串联等对中低频范围内吸声性能的影响.用页岩陶粒替换天然骨料（砂石）制备轻集料混凝土，有利于环境保护和砂石资源的循环利用[17-20].通过研究材料的吸声性能，改变材料结构，改进粒径、背腔、孔隙、纤维、发泡剂等工艺，实现对材料吸声性能的提升.

1 实验

实验材料：42.5 级普通硅酸盐水泥；经破碎筛分的页岩陶粒，粒径变化范围为3～15 mm，堆积密度约为500 kg/m3；长度为5 mm 的短切聚丙烯纤维；发泡剂是质量分数为30%的H2O2；市售硅灰；聚羧酸系减水剂；一级粉煤灰.

试样制备：按水灰比（质量比）为0.33、骨灰比（质量比）为0.14，硅灰、减水剂用量为胶凝材料质量的1.5%配制试样.根据配料表，先称取水泥、硅灰、粉煤灰、外加剂等原料；再依次称取不同粒径的已润湿的页岩陶粒.实验时，将水泥、外加剂及水（部分）等依次加入砂浆搅拌机搅拌均匀后，再加入某一粒径已预湿的陶粒（注：陶粒的量以干基计算，润湿陶粒的水计入配料的水量中）及纤维，搅拌90～180 s，加入适量的发泡剂（H2O2）.再搅拌20～30 s 后，倒入已在内表面均匀涂上脱模剂（机油）的直径为98 mm、高为50 mm 的圆柱形模具中，砂浆注模后在振动机上振动30 s，夯实后放在通风处养护1 d，脱模后继续养护14 d，即为制得的试块（图1）.表1 是一组采用了5种单粒级的陶粒制备的试块材料的配料表.

图1 试块制备的工艺流程图Fig.1 Preparation processing flow chart of test block

表1 吸声试块材料的配料表Tab.1 The formula of the sound absorption test block material

吸声性能表征：采用L 型驻波管吸声系数测定仪，根据GBJ 188—1985《驻波管法吸声系数与声阻孔率测量规范》，测量材料各个频段吸声系数.样品直径为96 mm，长度不小于50 mm，测量频率为60～1 600 Hz.

2 结果与讨论

2.1 水泥用量对材料吸声性能影响

水泥用量与陶粒混凝土材料最终性能密切相关.表2 列出了水泥用量对吸声性能的影响，由表2 可知，A～D 试块，随着水泥用量的增大，其孔隙率有所减小，抗压强度及密度有所增大，平均吸声系数有所增大，在550～650 Hz 时出现最大吸收峰，峰值为0.45～0.73.D 试块峰值最高，C 试块次之，A 试块峰值最低.B 试块在100 Hz 有第2 峰，峰值为0.26（图2）.随着水泥用量增加，吸声能力逐渐提升后下降（表2）.这是因为试块孔隙率略有减小，但孔隙曲折程度增加，孔隙更为复杂，因而吸声系数增大，同时抗压强度随之增加，但水泥用量过多时，会堵塞孔隙，降低吸声性能.

表2 水泥用量对试块吸声性能的影响Tab.2 Influence of cement content on sound absorption performance of test block

图2 不同水泥用量试块的频率-吸声系数曲线Fig.2 Frequency-absorption coefficient curves of different cement content test blocks

2.2 骨料粒径对材料吸声性能的影响

骨料（页岩陶粒）粒径变化对材料的吸声能力有较大的影响（表3）.试块分别在200 Hz 和1 250 Hz时吸声系数较低，在500～650 Hz 区段吸声系数达到峰值，其吸声系数值达0.6～0.85.试块5 吸收峰值最高，试块4 较低.试块3 峰值往低频（500 Hz）方向偏移（图3）.从整体上看，试块5 吸声性能较好，试块2次之，试块4 吸声性能较差.采用单粒径陶粒制备的试块，其孔隙率较大，孔隙曲折程度较低，孔隙多为连通大孔，表现在试块的吸收峰较少，且吸声峰仅出现在单一频段中，平均吸声系数也较低，因而整体吸声效果较差.随着陶粒粒径增大，内部孔隙会有所增大，前后贯通，且在大粒径骨料中，分布有较多的均匀性闭口气孔，因此采用较大粒径制作的试块在中低频段整体的吸声性能有所提升.

表3 陶粒粒径对试块吸声性能的影响Tab.3 Influence of ceramsite size on sound absorption performance of test block

图3 不同骨料粒径试块的频率-吸声系数曲线Fig.3 Frequency-absorption coefficient curves of different aggregate size test blocks

2.3 纤维掺量对材料吸声性能的影响

纤维掺量也会影响材料的吸声性能.按表1 中试块4 的配合比，固定水泥用量为179 g，依次增加纤维掺量（表4），所得试块在600 Hz 附近均有最大吸收峰，峰值约为0.6.掺入纤维量较多的C2、C3 试块平均吸声系数较未掺纤维或掺入纤维量少的C、C1 试块均有所提高，更重要的是，这两个试块在1 600 Hz 附近又开始出现新峰值（图4）.总体上说，添加纤维的试块整体吸声性能优于未添加纤维的试块，但添加纤维过多，对吸声性能的提高有所减缓，C3 试块的吸声性能，反而略逊于C2 试块.

表4 纤维掺入量对试块吸声性能的影响Tab.4 Influence of fiber content on sound absorption performance of test blocks

图4 不同纤维掺量试块的频率-吸声系数曲线Fig.4 Frequency-absorption coefficient curves of different fiber content test blocks

聚丙烯纤维在材料中使各孔隙相互连通，形成网格结构，同时声波传入时，使纤维发生反复振动，动能转化为热能.故其可使材料的吸收峰略微偏移，且可稍微加大吸收峰宽度、增大吸收峰面积；过多纤维会发生团聚，堵塞孔隙，使得材料吸声性能略微下降.聚丙烯纤维掺量为2%，可能是一个理想的掺加量（表4）.

2.4 发泡剂对材料吸声性能的影响

发泡剂添加量直接影响了材料的孔隙率，进而也影响了材料吸声性能.采用表1 中试块4 的配合比（水泥用量为179 g，10～13 mm 粒径的陶粒25 g，水60 g 以及相应的助剂），添加不同量的发泡剂（H2O2），制备了编号为C4～C6 的试块（表5），测量了其吸声性能（图5）.由图5 可知，各试块在600 Hz 附近都有最大吸收峰，峰值约为0.65～0.75，其中C5 试块的吸收峰值最高，C6 次之，C4 最低.但C4 试块除了有峰值为0.45 的主吸收峰外，还在100 Hz 及300 Hz 附近有小的吸收峰，其值分别约为0.15、0.3（图5），由此可知，其吸声性能有所提高.

图5 不同发泡剂掺加量试块的频率-吸声系数曲线Fig.5 Frequency-absorption coefficient curves of samples with different dosage of foaming agent

表5 不同发泡剂掺入量对试块吸声性能的影响Tab.5 Influence of different dosage of foaming agent on sound absorption performance of test blocks

制备试块时，加入适量的发泡剂（H2O2），可显著增加材料内部连通孔隙，并使孔隙分布均匀、大小均匀，从而提高材料吸声性能.但H2O2过多，会使得材料穿孔过多，孔隙率过高，开口孔较多，声波不能在材料内部反复传播，使得材料吸声性能略微下降.如同在试块制备时添加短切纤维类似，发泡剂的加入也有一个最优的量.

2.5 背腔对材料吸声性能的影响

对表1 中的5 个试块各增加一个50 mm 厚的背腔，将“试块+背腔”当成一个样品来测量其吸声性能.“试块1+背腔”记为1（5），其中1 表示样号，见表1；样号后的“（5）”表示加了50 mm 的背腔，其余类推.图6 为“试块+背腔”样品的频率-吸声系数曲线，由图6 可知，各试块增加了50 mm 的背腔后，其吸声系数有所提高，吸声峰的位置也有所偏移，分别在300～400 Hz、1 300～1 600 Hz 内出现了最大吸收峰，峰值分别达到了0.5～0.7、0.7～0.9.在高频段1 300 Hz之后，可见到吸声系数在不断提高，但却没有形成一个完整的峰，说明高频时吸声效果有显著提高.试块1 号和2 号在1 000～1 500 Hz 吸声系数略高于其他试块；3 号试块波动较为明显；4 号试块300 Hz 峰值最低，1 600 Hz 峰值最高；5 号试块与3 号试块趋势相同，在1 600 Hz 稍低.

图6 “试块+背腔”样品的频率-吸声系数曲线Fig.6 Frequency-absorption coefficient curve of“block+back chamber”samples

在试块上增加背腔，相当于增加了试块的厚度，出现了吸声峰值相对于原试块来说，既向低频偏移，也向高频段峰值移动，从而产生了两个峰值，使试块的整体吸声性能高于原试块.背腔的加入并不能改变材料整体的吸声性能，但却能使得材料的吸声能力在各个频段上发生偏移，从而使材料吸声性能有所改善.

2.6 串联结构对吸声材料吸声性能影响

吸声材料的结构对材料整体孔隙分布及孔隙率具有一定影响，从而影响材料的吸声性能，Kim 等[15]的研究也佐证了这一点.按图7 所示工艺，制备由两种不同陶粒粒径试块构成的串联样品，并研究它们的吸声性能.“试块1+试块2”串联记为试块1-2，其余类推.总体上看，串联试块吸收峰数量有所增加，由“试块+背腔”样品的2 个吸收峰变为了3 个吸收峰（图8）、吸收峰面积除串联试块2-3 外其他的也得到了明显增加（图9），平均吸声系数也较与构成串联试块的原试块有较大幅度的提高（图10）.

图7 串联结构样品制备工艺示意图Fig.7 Schematic diagram of series structure

图8 “试块+试块”串联结构样品的频率-吸声系数曲线Fig.8 Frequency-absorption coefficient curve of“test block+test block”serial structure samples

图9 原试块与“试块+试块”串联样品的吸收峰面积Fig.9 The absorption peak area of the sample with“test block+test block”series samples

图10 原试块与“试块+试块”串联结构样品的平均吸声系数Fig.10 The average sound absorption coefficient of the sample with“test block+test block”series structure

页岩陶粒混凝土吸声材料内部的粒径之间微孔孔径大小单一（图11）.而单一孔径仅能吸收其孔径相应的声波频率，对其他的频率声波不能有效吸收，仅靠声波共振消耗掉部分声能.不同粒径组合试块结构如试块1-5，具备图11（a）小孔和图11（c）大孔两种不同的孔隙，同时结合处也有新的孔隙，使整个结构更为复杂，提高了孔隙率及孔隙弯曲程度，声波在内部孔隙中的运动路径更长，从而消耗更多的声能，吸声能力得到提高.图12 为“试块1+试块5”串联样品的内部孔隙结构照片.

图11 试块1 和试块5 的内部孔隙结构照片Fig.11 Photo of the internal pore structure of test blocks 1 and 5

图12 “试块1+试块5”串联样品的内部孔隙结构照片Fig.12 Photo of internal pore structure of“test block 1+test block 5”serial sample

具有串联结构试块的吸收峰面积较大，孔隙曲折程度较复杂，连通孔隙较多，且孔隙率较高.因而各试块吸收峰较多，在多数频段均有较好的吸声性能，平均吸声系数较高，整体吸声效果较好（表6）.

表6 原试块与“试块+试块”串联样品的吸声性能对比Tab.6 Comparison of acoustic absorption performance between the original test blocks and“test block+test block”series samples