采用陶粒吸声材料的声屏障声学性能影响因素研究

潘晓岩，苏卫青，常 亮

（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）

0 引言

声屏障作为降低铁路运行噪声的有效措施，在国内外铁路项目中被普遍采用[1]。目前，我国铁路声屏障采用的吸声材料绝大多数为岩棉、玻璃棉等纤维类材料，铁路金属类声屏障通常采用在金属外壳内部填充岩棉等多孔吸声材料实现降噪功能[2]。应用于金属声屏障的多孔吸声材料主要分为纤维类材料、泡沫铝、水泥基吸声材料等[3-4]。近年来，水泥基陶粒吸声材料以优异的吸声性能、力学性能、耐久性能和环保性能受到重视[5-9]。

陶粒可由建筑弃土、河道淤泥、危险废物污泥、煤矸石、黏土、页岩等[10-12]烧制而成，是一种内部结构呈蜂窝状的多孔吸声材料，具备质轻、吸音、耐久、环保等特点，使其非常适合作为声屏障吸声材料[7-8]。陶粒作为声屏障吸声材料时，一般采用陶粒作为骨料、水泥作为胶凝材料，通过水泥浆体将陶粒颗粒包裹粘结而成，其不仅具有陶粒本身的孔隙率，还存在大量陶粒颗粒相互堆积形成的微空隙[8-9]，使水泥基陶粒吸声材料具有优异的吸声性能。此外，水泥基陶粒多孔吸声材料较纤维类吸声材料可实现强度、耐久性、环保性能等多项性能的提升，并较泡沫铝等金属类吸声材料经济性更优。

综上，水泥基陶粒吸声材料作为声屏障吸声材料，使用寿命更长、更换频率更低、更加节能环保，是声屏障重点发展方向之一。为使水泥基陶粒吸声材料优良的特质得到充分的开发及应用，开展陶粒吸声材料声学性能影响研究有重要意义。本文采用梯度实验、正交实验、不同粒径陶粒对比实验等方法，测试不同陶粒级配、陶粒与水泥配比及水灰比情况对陶粒吸声板声学性能的影响，确定适用于铁路声屏障的陶粒粒级、配比及水灰比，使基于陶粒吸声材料的声屏障满足国家和行业相关标准、规范的要求。

1 陶粒级配对声屏障吸声性能和隔声性能的影响

1.1 原材料

轻骨料采用建筑弃土烧制成型的1～3 mm 和3～5 mm陶粒，胶凝材料采用标号为42.5的硅酸盐水泥。

1.2 对照实验

为探究陶粒粒径对吸声系数及隔声量的影响，设计了对照实验。对照实验共计2种配合比(见表1)。

表1 对照实验配合比

1.3 不同粒径陶粒对吸声性能的影响

按照表1 的配合比，分别将1～3 mm 粒级陶粒和3～5 mm 粒级陶粒作为骨料制作成驻波管测试样件，探究陶粒级配对吸声和隔声性能的影响。不同粒径陶粒吸声材料吸声系数如图1所示。

图1 不同粒径陶粒吸声材料吸声系数

从图1 可以看出，1～3 mm 粒径和3～5 mm 粒径陶粒制备的声屏障材料的吸声系数特性曲线走势大致相同。在200～800 Hz、1 250～2 000 Hz范围内，1～3 mm陶粒试样的吸声系数高于3～5 mm 陶粒试样的吸声系数。在1 000 Hz及2 000～6 300 Hz范围内，3～5 mm陶粒试样的吸声系数高于1～3 mm陶粒试样的吸声系数。以上测试结果表明，在低频段，陶粒的粒径越小，其吸声系数越高，吸声性能越好；在高频段，3～5 mm陶粒试样的吸声系数曲线高于1～3 mm 陶粒试样，陶粒的半径越大，其吸声性能越高。这是由于陶粒的粒径越小，堆积密度越大，单位体积内陶粒越多，在其他条件一致的情况下，陶粒间的孔隙率越高，材料的低频吸声性能越好。图2 和图3 分别为不同粒径陶粒吸声材料的隔声量和平均隔声量。由图2可以看出，由1～3 mm陶粒组成的声屏障材料试样与由3～5 mm 陶粒组成的声屏障材料试样相比，在315～800 Hz及大于2 500 Hz范围内前者的隔声量高于后者，1 000～2 500 Hz 范围内，由于试块表面反射现象愈加明显，隔声量均较低频有提高，但3～5 mm 陶粒试样隔声略高，这与测试方法与数据误差有关。从图3可以看出，1～3 mm陶粒试样的平均隔声量高于3～5 mm陶粒试样的平均隔声量。

图2 不同粒径的陶粒吸声材料隔声量

图3 不同粒径的陶粒吸声材料平均隔声量

2 陶粒、水泥材料配比对声屏障吸声性能和隔声性能的影响

2.1 梯度实验

为探究声学性能最佳的胶凝材料用量，采用本文1.1 所述原材料(陶粒尺寸为3～5 mm)设计梯度实验。梯度实验共计7种配合比，如表2所示。

表2 梯度实验配合比

2.2 不同陶粒、水泥材料配比的影响

以水泥质量与陶粒质量的不同配比为例，得到吸声性能与水泥用量的关系曲线如图4 所示。从图4 可以看出，当水泥质量与陶粒质量的比达到0.13时，降噪系数最大，吸声效果最好。这是由于随着水泥用量的增加，除了陶粒本身的气孔外，被包裹的陶粒间形成的孔隙也起到了吸声的作用，因而降噪系数逐渐增高，直至水泥质量与陶粒质量之比达到0.13 时最高；在此之后当水泥质量增大时，多余的水泥浆会堵塞陶粒内部孔隙，使陶粒材料的孔隙率降低，进而使声波与孔壁的有效摩擦减少，降噪系数降低。

图4 吸声性能与水泥用量的关系曲线

平均隔声量与水泥材料用量关系如图5 所示。由图5 可知，随着水泥用量的增加，隔声量总体逐渐增加。这是由于随着水泥用量的增加，一方面增加了陶粒吸声材料的质量，材料更加致密，另一方面使陶粒与陶粒间的孔隙越来越少，声波越不易透射，这两方面因素使隔声量增大。

图5 平均隔声量与水泥材料用量关系

3 级配、配比、水灰比等对吸声材料声学性能的影响

采用正交实验的方法，探究陶粒不同粒径、胶凝材料用量、掺合料用量及水用量等因素对陶粒声屏障材料声学性能的影响。

3.1 降噪效果分析

对吸声系数采用极差分析法进行分析，旨在研究4 个因素对吸声系数的影响程度，正交实验的吸声性能直观分析结果如表3所示。

表3 正交实验吸声性能直观分析结果

表3 中的K1、K2、K3反映4 个因素不同水平对降噪系数的影响，以便得到该因素的最佳水平。用某一因素不同水平下降噪系数的极差R来反映该因素的水平变化对降噪系数影响程度的大小，极差越大说明该因素越重要，反之说明该因素为次要因素。

经分析得到，影响正交实验中陶粒材料声屏障降噪系数的因素依次为掺合料质量/水泥质量、水质量/(水泥+掺合料)质量、不同粒径比例(1～3 mm/3～5 mm)、水泥质量/陶粒质量。选取每个因素中K值最大的水平为最优水平，即得到较高降噪系数的因素水平组合，即掺合料质量/水泥质量为0.15，水质量/(水泥+掺合料)质量取0.5，不同粒径比例(1～3 mm/3～5 mm)为1:1，水泥质量/陶粒质量为0.13。

效果曲线图是对正交实验直观分析的形象描述，将表3 中各因素每个水平结果的均值以效应曲线图表示，如图6至图9所示。

图9 水灰比效应曲线

从图6 可以看出，随着1～3 mm 陶粒的用量增多，降噪系数先升高后降低。这是由于当1～3 mm 陶粒与3～5 mm 陶粒比例相同时，材料的堆积密度最大，同等体积的试样所含陶粒最多、微孔最多，声波进入材料内部后不能顺畅通过，与孔壁的有效摩擦增多，能量损失较多，吸声效果最佳。

从图7 可以看出，随着水泥用量的增加，降噪系数先升高后降低，这与梯度实验的结果是一致的。初始阶段，随着水泥用量的增加，除了陶粒本身的气孔外，水泥形成的孔隙也起到了吸声的作用，因而降噪系数逐渐增高，直至水泥质量与陶粒质量的比达到0.13时达到最高。在此之后，当水泥的量增大时，多余的水泥浆会堵塞陶粒内部的孔隙，使陶粒材料的孔隙率降低，进而使声波与孔壁的有效摩擦减少，消耗的声能减少，降噪系数降低。

从图8 可以看出，随着掺合料用量的增加，降噪系数先升高后降低。掺合料与水泥质量之比达到0.15时降噪系数最高。掺合料主要用于水泥等胶凝材料的粘结，在后面制备过程中，根据其对材料吸声性能的影响综合选取。

从图9 可以看出，随着水灰比的提高，降噪系数逐渐降低。这是由于水灰比较高时，水泥固化时发生离析现象，制备试块时易产生大孔径封闭孔，使发挥吸声作用的气孔增大、孔数目减少。硬化水泥中过大的孔隙率及孔隙尺寸使空气容易透过，声能因空气摩擦损耗的功率减少，则材料内部的声能损耗少，吸声性能降低。

3.2 隔声量分析

隔声量的直观分析结果如表4所示。经分析得出，影响陶粒声屏障材料隔声量的因素依次为水泥质量/陶粒质量、掺合料质量/水泥质量、水质量/(水泥+掺合料)质量、不同粒径比例(1～3 mm/3～5 mm)。隔声量越大越好，因而选取每个因素中使K值最大的水平为最优水平，即得到较高隔声量的因素水平组合为水泥质量/陶粒质量为0.15，掺合料质量/水泥质量为0.20，水质量/(水泥+掺合料)质量为1.00，不同粒径比例(1～3 mm/3～5 mm)为1:3。

表4 正交实验隔声性能直观分析结果

4 结论

（1）陶粒内部通孔越多、孔径越小，吸声性能越好，封闭孔对于声学性能的贡献较小，对于应用于声屏障的陶粒材料应要求其尽可能产生能够发挥多孔吸声材料吸声性能的连通孔结构而非封闭孔。

（2）陶粒级配中小粒径粒级陶粒占比大，则低频吸声系数相对较好，吸声系数曲线向低频平移。综合多次测试结果，3 mm 以下陶粒低频吸声系数最高，高频吸声系数较3～5 mm粒径陶粒有所下降。在3 mm以下粒径陶粒中适当掺入3 mm以上陶粒，比例为50%时全频域降噪系数、吸声性能较好；大于5 mm陶粒低频吸声系数、降噪系数较低，不宜用于陶粒板制备。

（3）粒径越小隔声性能越好，不同级配陶粒板的隔声曲线趋势基本一致。

（4）影响陶粒吸声材料声屏障吸声系数的因素依次为掺合料质量/水泥质量、水质量/(水泥+掺合料)质量、不同粒径比例(1～3 mm/3～5 mm)、水泥质量/陶粒质量；影响陶粒声屏障材料隔声量的因素依次为水泥质量/陶粒质量、掺合料质量/水泥质量、水质量/(水泥+掺合料)质量、不同粒径比例(1～3 mm/3～5 mm)。