聚丙烯纤维对多孔混凝土吸声性能的影响

陈灵智，马永存，秦雪花，罗 逊，耿培森，周 晨，田建德，申世刚

（1.衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000；2.衡水学院应用化学系,河北 衡水 053000；3.河北大学化学与环境科学学院，河北 保定 071002）

现代社会轨道交通快速发展的同时也给人类带来了噪声污染问题，据报道，长期处在噪音环境中，重者会导致抑郁、心血管疾病等[1-2]。多孔混凝土是一种具有开口孔洞和连通孔洞的吸声材料，声波在其内部经过多次反射和干涉，使声能消耗，常用于声屏障材料[4-5]。但是混凝土吸声材料中应含有大量的孔径，致使材料的抗压强度降低，并由于材料的开孔率较低，吸声效果并不明显。为了提高混凝土吸声材料综合性能，人们不断加入不同的骨料制备混凝土吸声材料。聚丙烯纤维因价格便宜，具有较好的长径比，研究发现，将其添加到混凝土中，可有效提高混凝土抗裂性能[6]、力学性能[7]和防渗透性能[8]，对将其添加到泡沫混凝土中对其吸声性能的研究较少。因此，采用聚丙烯纤维为骨料添加到混凝土中，通过发泡技术制备聚丙烯纤维多孔混凝土材料，进一步研究了聚丙烯纤维混凝土的添加对多孔混凝土吸声性能、力学性能、容重和吸水率的影响。

1 实验内容

1.1 实验原料及设备

硅盐酸水泥，42.5，辛集市钢信水泥有限公司；聚丙烯纤维，工业级，山东东方宏业化工有限公司；发泡剂，工业级，市售；抗裂增强剂，工业级，市售；流平剂，工业级，市售。

发泡机，F80 型，邢台凯优机械厂；HCZT-I 型混凝土程控磁盘振动台，北京世纪诚达实验仪器制造有限公司；HJW-60 单卧轴强制式混凝土搅拌机，北京世纪诚达实验仪器制造有限公司；HXSY-200微机控制电液伺服万能试验机，美斯特工业系统有限公司；PA-501 JTZB驻波管，北京世纪建通科技股份有限公司。

1.2 试样制备

将水泥、流平剂、增强剂和不同量的聚丙烯纤维（1%、2%、3%、4%、5%）干料倒入搅拌机混匀，加水（水灰比为0.5），再次搅拌，用发泡机将稀释过的发泡剂发泡，添加到搅拌机再次搅拌，在模具刷油后（便于脱模）把混和均匀的复合物快速倒入模具，开启数控磁力振动台，振动时间为30 s，静置晾干脱模，得到样品。

模具分为三种：①Ф90×50 mm 圆柱形；②Ф90×68 mm 圆柱形；③100 mm×100 mm×100 mm 正立方体。

2 性能测试

2.1 吸声性能

用JTZB 吸声系数计算软件配合JTZB 驻波管专用频谱分析使用，通过调节分贝值及频率位置来测试在200～2 000 Hz时每个值的最大声压（即波峰）和最小声压（即波谷），根据其最大声压和最小声压的差值来得出其吸声系数。吸声系数越大，表明材料的吸声效果越好。模具采用Ф90 mm×50 mm和Ф90 mm×68 mm两种圆柱形试样。

2.2 力学性能

本实验用HXSY-200微机控制电液伺服万能试验机测试不同聚丙烯纤维添加量，样品尺寸100 mm×100 mm×100 mm立方体，养护期为10 d，设计强度等级为C 3.0。

2.3 容重

即单位体积的重量，单位N/m3。样品真空干燥后，用电子天平称量单位体积为100 mm×100 mm×100 mm的重量，计算容重。混凝土的容重主要反映单元板的重量，与施工现场承载力相关。

2.4 吸水率

样品用烘箱烘干，每隔4 h 将样品取出称量一次，直到两次的质量差小于最后质量的0.1%，此时为干燥质量m0。然后将样品冷却至室温，侧向直立在槽中，加水，水面高出样品表面约20 mm，浸泡24 h±0.25 h。最后拿出样品，吸去表面多余的水珠，再次称量，此时为样品吸水24 h的质量m1。

用公式：ω=100%×（m1-m0）/m0计算吸水率。

3 结果与讨论

3.1 吸声性能

3.1.1 不同频率和不同聚丙烯纤维添加量的吸声效果

由图1可知，每组曲线随着频率的增加，吸声系数都是先升高再降低再升高，每组都至少有一个峰值。整体来看，在频率为400～700 Hz 及1 600～2 000 Hz 时，吸声系数较高，其他频率的吸声效果一般。即本次的试样在低频率和高频率时吸声效果较好。图1 中当聚丙烯纤维添加量为4%时的曲线明显高于其他聚丙烯纤维添加量的曲线，即降噪系数明显增强。从整体上看，吸声曲线在频率为630 Hz时，出现较高吸声系数，表明添加聚丙烯纤维为4%时，最大的吸声系数为0.53，其中降噪系数为0.36。

图1 混凝土在不同频率时的吸声系数图

3.1.2 不同厚度的模具对吸声效果的影响

图2是对聚丙烯纤维添加量为4%的样品不同厚度的模具对吸声性能的影响分析，从图2 可以看出，厚度为68 mm的聚丙烯混凝土吸声材料在800 Hz之前出现了较高的峰值，在600 Hz 附近出现了较好的吸声系数（高于0.5），其次缓慢降低，在1 600 Hz左右又出现了次高峰。从整体效果来看，68 mm的聚丙烯混凝土吸声材料吸声性能明显高于50 mm 厚度的产品。这可能是由于随着吸声材料厚度的增加，声波在材料内部运行轨道增长，其过程中通过反复碰撞消耗大量的能量，致使材料的吸声效果增强。因此根据施工要求选择68 mm 的聚丙烯混凝土吸声材料最好。

图2 不同厚度的模具对吸声效果的影响

3.2 抗压性能

由图3 可知，随着聚丙烯纤维添加量的增加，聚丙烯混凝土吸声材料的抗压强度先增加后减少，聚丙烯纤维的添加量为4%时，压强最大，为2.02 MPa。这可能是由于聚丙烯纤维具有较好的长径比，通过纤维的添加可以提高材料的强度，致使混凝土吸声材料抗压强度增加。当聚丙烯纤维的添加量达到一定量时，混凝土对其凝聚能力降低，致使混凝土吸声材料的抗压能力逐渐降低，表明聚丙烯纤维的添加量为4%时，抗压能力最佳。

图3 不同聚丙烯纤维添加量对抗压性能的影响

3.3 容重w

从表1中可以看出，聚丙烯添加量为1%～5%时，聚丙烯混凝土吸声材料的容重约为600 kg/m3，基本上满足吸声材料作为声屏障材料铁路工程上的承重要求。从数据中可以看到，随聚丙烯纤维含量的增加，聚丙烯纤维基混凝土材料的容重逐渐增加，当添加量为3%时，容重达到最高，为689 kg/m3,即含气孔的密度很小，声波在很少的气孔内部发生折射和干涉的次数很少，不能很好地将声能转化成热能，消耗不完全，所以其吸声性能不佳，这与前文中的曲线图所对映。之后随聚丙烯添加量的增加容重降低，添加量为4%时，容重为650 kg/m3,表明此样品在保持较好吸声性能的同时，容重符合施工要求。

表1 不同量聚丙烯纤维样品的容重

3.4 吸水率

本实验测定了上述文中具有最佳吸声性能的聚丙烯纤维基混凝土样品（添加量为4%）的吸水率，取同组的三块样品，得到数据。

由表2可知，聚丙烯纤维基混凝土样品平均吸水率为0.22%，表明此组样品具有较低的吸水率，此配方制备的聚丙烯基混凝土吸声材料的抗渗性能优异，适宜应用于铁路、公路声屏障材料中。

表2 最佳吸水性能样品的吸水率

4 结论

综上所述，聚丙烯纤维的添加可以提高混凝土多孔材料的吸声性能和抗压能力，并具有符合施工要求的容重和吸水率。当向混凝土添加4%聚丙烯纤维时，通过发泡技术制备的多孔混凝土材料降噪系数为0.36，抗压强度达到2.02 MPa，容重为650 kg/m3，平均吸水率为0.22%。结果表明，聚丙烯纤维的添加有利于多孔混凝土材料吸声性能和抗压性能的提高，可以作为优良的骨料材料添加到混凝土吸声材料中。