李玉平，虞秀勇，胡勝

（1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007）

隨著公路[1]、鐵路[2]、航空[3]及工業(yè)[4]的快速發(fā)展，噪聲成為了嚴(yán)重危害人體健康的污染源之一[5-6].為了降低噪聲危害，為人們營造健康的安靜環(huán)境，吸聲材料的研發(fā)成為了具有較大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究方向[7-9].

本文所用的輕骨料是頁巖陶粒經(jīng)破碎篩分獲得，呈鋸齒狀，具有大量連通狀、蜂窩狀孔隙，用其制作的混凝土具有質(zhì)輕、孔隙曲折，孔隙率大、保溫、吸聲、易加工等特點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型吸聲材料[10-11].肖建莊[12]提出：骨料性能對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較大；配制中等強(qiáng)度材料時(shí)，影響程度次之；配制低強(qiáng)度材料時(shí)，再生骨料對(duì)其強(qiáng)度的影響最小.頁巖陶?；炷恋膹?qiáng)度較低，但是中低頻吸聲性能較好[12-13].Park等[14]指出當(dāng)材料的孔隙率為25%時(shí)，降噪系數(shù)是最佳的，但不同形狀骨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)材料在中低頻的吸聲能力的影響很小.Kim 等[15]認(rèn)為骨料類型和粒徑，以及單層和雙層多孔混凝土試樣對(duì)聲學(xué)特性有較大影響.不同類型骨料在同一頻率下吸聲能力具有明顯差異，同時(shí)雙粒徑吸聲材料吸聲能力相對(duì)較好.Kim 等[16]研究表明，發(fā)泡劑和纖維都能有效地提高多孔性和吸聲性能.目前全部由頁巖陶粒作為骨料制備的輕混凝土材料的吸聲性能研究較少.

本文以破碎后的頁巖陶粒為骨料，以水泥為膠凝材料，制備了輕骨料混凝土，討論了其吸聲特性.研究了頁巖陶粒粒徑、水泥用量、纖維摻入量、發(fā)泡劑添加量、試塊孔隙及“試塊+背腔”，“試塊+試塊”串聯(lián)等對(duì)中低頻范圍內(nèi)吸聲性能的影響.用頁巖陶粒替換天然骨料（砂石）制備輕集料混凝土，有利于環(huán)境保護(hù)和砂石資源的循環(huán)利用[17-20].通過研究材料的吸聲性能，改變材料結(jié)構(gòu)，改進(jìn)粒徑、背腔、孔隙、纖維、發(fā)泡劑等工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料吸聲性能的提升.

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料：42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥；經(jīng)破碎篩分的頁巖陶粒，粒徑變化范圍為3～15 mm，堆積密度約為500 kg/m3；長度為5 mm 的短切聚丙烯纖維；發(fā)泡劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2；市售硅灰；聚羧酸系減水劑；一級(jí)粉煤灰.

試樣制備：按水灰比（質(zhì)量比）為0.33、骨灰比（質(zhì)量比）為0.14，硅灰、減水劑用量為膠凝材料質(zhì)量的1.5%配制試樣.根據(jù)配料表，先稱取水泥、硅灰、粉煤灰、外加劑等原料；再依次稱取不同粒徑的已潤濕的頁巖陶粒.實(shí)驗(yàn)時(shí)，將水泥、外加劑及水（部分）等依次加入砂漿攪拌機(jī)攪拌均勻后，再加入某一粒徑已預(yù)濕的陶粒（注：陶粒的量以干基計(jì)算，潤濕陶粒的水計(jì)入配料的水量中）及纖維，攪拌90～180 s，加入適量的發(fā)泡劑（H2O2）.再攪拌20～30 s 后，倒入已在內(nèi)表面均勻涂上脫模劑（機(jī)油）的直徑為98 mm、高為50 mm 的圓柱形模具中，砂漿注模后在振動(dòng)機(jī)上振動(dòng)30 s，夯實(shí)后放在通風(fēng)處養(yǎng)護(hù)1 d，脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)14 d，即為制得的試塊（圖1）.表1 是一組采用了5種單粒級(jí)的陶粒制備的試塊材料的配料表.

圖1 試塊制備的工藝流程圖Fig.1 Preparation processing flow chart of test block

表1 吸聲試塊材料的配料表Tab.1 The formula of the sound absorption test block material

吸聲性能表征：采用L 型駐波管吸聲系數(shù)測(cè)定儀，根據(jù)GBJ 188—1985《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻孔率測(cè)量規(guī)范》，測(cè)量材料各個(gè)頻段吸聲系數(shù).樣品直徑為96 mm，長度不小于50 mm，測(cè)量頻率為60～1 600 Hz.

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥用量對(duì)材料吸聲性能影響

水泥用量與陶?；炷敛牧献罱K性能密切相關(guān).表2 列出了水泥用量對(duì)吸聲性能的影響，由表2 可知，A～D 試塊，隨著水泥用量的增大，其孔隙率有所減小，抗壓強(qiáng)度及密度有所增大，平均吸聲系數(shù)有所增大，在550～650 Hz 時(shí)出現(xiàn)最大吸收峰，峰值為0.45～0.73.D 試塊峰值最高，C 試塊次之，A 試塊峰值最低.B 試塊在100 Hz 有第2 峰，峰值為0.26（圖2）.隨著水泥用量增加，吸聲能力逐漸提升后下降（表2）.這是因?yàn)樵噳K孔隙率略有減小，但孔隙曲折程度增加，孔隙更為復(fù)雜，因而吸聲系數(shù)增大，同時(shí)抗壓強(qiáng)度隨之增加，但水泥用量過多時(shí)，會(huì)堵塞孔隙，降低吸聲性能.

表2 水泥用量對(duì)試塊吸聲性能的影響Tab.2 Influence of cement content on sound absorption performance of test block

圖2 不同水泥用量試塊的頻率-吸聲系數(shù)曲線Fig.2 Frequency-absorption coefficient curves of different cement content test blocks

2.2 骨料粒徑對(duì)材料吸聲性能的影響

骨料（頁巖陶粒）粒徑變化對(duì)材料的吸聲能力有較大的影響（表3）.試塊分別在200 Hz 和1 250 Hz時(shí)吸聲系數(shù)較低，在500～650 Hz 區(qū)段吸聲系數(shù)達(dá)到峰值，其吸聲系數(shù)值達(dá)0.6～0.85.試塊5 吸收峰值最高，試塊4 較低.試塊3 峰值往低頻（500 Hz）方向偏移（圖3）.從整體上看，試塊5 吸聲性能較好，試塊2次之，試塊4 吸聲性能較差.采用單粒徑陶粒制備的試塊，其孔隙率較大，孔隙曲折程度較低，孔隙多為連通大孔，表現(xiàn)在試塊的吸收峰較少，且吸聲峰僅出現(xiàn)在單一頻段中，平均吸聲系數(shù)也較低，因而整體吸聲效果較差.隨著陶粒粒徑增大，內(nèi)部孔隙會(huì)有所增大，前后貫通，且在大粒徑骨料中，分布有較多的均勻性閉口氣孔，因此采用較大粒徑制作的試塊在中低頻段整體的吸聲性能有所提升.

表3 陶粒粒徑對(duì)試塊吸聲性能的影響Tab.3 Influence of ceramsite size on sound absorption performance of test block

圖3 不同骨料粒徑試塊的頻率-吸聲系數(shù)曲線Fig.3 Frequency-absorption coefficient curves of different aggregate size test blocks

2.3 纖維摻量對(duì)材料吸聲性能的影響

纖維摻量也會(huì)影響材料的吸聲性能.按表1 中試塊4 的配合比，固定水泥用量為179 g，依次增加纖維摻量（表4），所得試塊在600 Hz 附近均有最大吸收峰，峰值約為0.6.摻入纖維量較多的C2、C3 試塊平均吸聲系數(shù)較未摻纖維或摻入纖維量少的C、C1 試塊均有所提高，更重要的是，這兩個(gè)試塊在1 600 Hz 附近又開始出現(xiàn)新峰值（圖4）.總體上說，添加纖維的試塊整體吸聲性能優(yōu)于未添加纖維的試塊，但添加纖維過多，對(duì)吸聲性能的提高有所減緩，C3 試塊的吸聲性能，反而略遜于C2 試塊.

表4 纖維摻入量對(duì)試塊吸聲性能的影響Tab.4 Influence of fiber content on sound absorption performance of test blocks

圖4 不同纖維摻量試塊的頻率-吸聲系數(shù)曲線Fig.4 Frequency-absorption coefficient curves of different fiber content test blocks

聚丙烯纖維在材料中使各孔隙相互連通，形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，同時(shí)聲波傳入時(shí)，使纖維發(fā)生反復(fù)振動(dòng)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能.故其可使材料的吸收峰略微偏移，且可稍微加大吸收峰寬度、增大吸收峰面積；過多纖維會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，堵塞孔隙，使得材料吸聲性能略微下降.聚丙烯纖維摻量為2%，可能是一個(gè)理想的摻加量（表4）.

2.4 發(fā)泡劑對(duì)材料吸聲性能的影響

發(fā)泡劑添加量直接影響了材料的孔隙率，進(jìn)而也影響了材料吸聲性能.采用表1 中試塊4 的配合比（水泥用量為179 g，10～13 mm 粒徑的陶粒25 g，水60 g 以及相應(yīng)的助劑），添加不同量的發(fā)泡劑（H2O2），制備了編號(hào)為C4～C6 的試塊（表5），測(cè)量了其吸聲性能（圖5）.由圖5 可知，各試塊在600 Hz 附近都有最大吸收峰，峰值約為0.65～0.75，其中C5 試塊的吸收峰值最高，C6 次之，C4 最低.但C4 試塊除了有峰值為0.45 的主吸收峰外，還在100 Hz 及300 Hz 附近有小的吸收峰，其值分別約為0.15、0.3（圖5），由此可知，其吸聲性能有所提高.

圖5 不同發(fā)泡劑摻加量試塊的頻率-吸聲系數(shù)曲線Fig.5 Frequency-absorption coefficient curves of samples with different dosage of foaming agent

表5 不同發(fā)泡劑摻入量對(duì)試塊吸聲性能的影響Tab.5 Influence of different dosage of foaming agent on sound absorption performance of test blocks

制備試塊時(shí)，加入適量的發(fā)泡劑（H2O2），可顯著增加材料內(nèi)部連通孔隙，并使孔隙分布均勻、大小均勻，從而提高材料吸聲性能.但H2O2過多，會(huì)使得材料穿孔過多，孔隙率過高，開口孔較多，聲波不能在材料內(nèi)部反復(fù)傳播，使得材料吸聲性能略微下降.如同在試塊制備時(shí)添加短切纖維類似，發(fā)泡劑的加入也有一個(gè)最優(yōu)的量.

2.5 背腔對(duì)材料吸聲性能的影響

對(duì)表1 中的5 個(gè)試塊各增加一個(gè)50 mm 厚的背腔，將“試塊+背腔”當(dāng)成一個(gè)樣品來測(cè)量其吸聲性能.“試塊1+背腔”記為1（5），其中1 表示樣號(hào)，見表1；樣號(hào)后的“（5）”表示加了50 mm 的背腔，其余類推.圖6 為“試塊+背腔”樣品的頻率-吸聲系數(shù)曲線，由圖6 可知，各試塊增加了50 mm 的背腔后，其吸聲系數(shù)有所提高，吸聲峰的位置也有所偏移，分別在300～400 Hz、1 300～1 600 Hz 內(nèi)出現(xiàn)了最大吸收峰，峰值分別達(dá)到了0.5～0.7、0.7～0.9.在高頻段1 300 Hz之后，可見到吸聲系數(shù)在不斷提高，但卻沒有形成一個(gè)完整的峰，說明高頻時(shí)吸聲效果有顯著提高.試塊1 號(hào)和2 號(hào)在1 000～1 500 Hz 吸聲系數(shù)略高于其他試塊；3 號(hào)試塊波動(dòng)較為明顯；4 號(hào)試塊300 Hz 峰值最低，1 600 Hz 峰值最高；5 號(hào)試塊與3 號(hào)試塊趨勢(shì)相同，在1 600 Hz 稍低.

圖6 “試塊+背腔”樣品的頻率-吸聲系數(shù)曲線Fig.6 Frequency-absorption coefficient curve of“block+back chamber”samples

在試塊上增加背腔，相當(dāng)于增加了試塊的厚度，出現(xiàn)了吸聲峰值相對(duì)于原試塊來說，既向低頻偏移，也向高頻段峰值移動(dòng)，從而產(chǎn)生了兩個(gè)峰值，使試塊的整體吸聲性能高于原試塊.背腔的加入并不能改變材料整體的吸聲性能，但卻能使得材料的吸聲能力在各個(gè)頻段上發(fā)生偏移，從而使材料吸聲性能有所改善.

2.6 串聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)吸聲材料吸聲性能影響

吸聲材料的結(jié)構(gòu)對(duì)材料整體孔隙分布及孔隙率具有一定影響，從而影響材料的吸聲性能，Kim 等[15]的研究也佐證了這一點(diǎn).按圖7 所示工藝，制備由兩種不同陶粒粒徑試塊構(gòu)成的串聯(lián)樣品，并研究它們的吸聲性能.“試塊1+試塊2”串聯(lián)記為試塊1-2，其余類推.總體上看，串聯(lián)試塊吸收峰數(shù)量有所增加，由“試塊+背腔”樣品的2 個(gè)吸收峰變?yōu)榱? 個(gè)吸收峰（圖8）、吸收峰面積除串聯(lián)試塊2-3 外其他的也得到了明顯增加（圖9），平均吸聲系數(shù)也較與構(gòu)成串聯(lián)試塊的原試塊有較大幅度的提高（圖10）.

圖7 串聯(lián)結(jié)構(gòu)樣品制備工藝示意圖Fig.7 Schematic diagram of series structure

圖8 “試塊+試塊”串聯(lián)結(jié)構(gòu)樣品的頻率-吸聲系數(shù)曲線Fig.8 Frequency-absorption coefficient curve of“test block+test block”serial structure samples

圖9 原試塊與“試塊+試塊”串聯(lián)樣品的吸收峰面積Fig.9 The absorption peak area of the sample with“test block+test block”series samples

圖10 原試塊與“試塊+試塊”串聯(lián)結(jié)構(gòu)樣品的平均吸聲系數(shù)Fig.10 The average sound absorption coefficient of the sample with“test block+test block”series structure

頁巖陶粒混凝土吸聲材料內(nèi)部的粒徑之間微孔孔徑大小單一（圖11）.而單一孔徑僅能吸收其孔徑相應(yīng)的聲波頻率，對(duì)其他的頻率聲波不能有效吸收，僅靠聲波共振消耗掉部分聲能.不同粒徑組合試塊結(jié)構(gòu)如試塊1-5，具備圖11（a）小孔和圖11（c）大孔兩種不同的孔隙，同時(shí)結(jié)合處也有新的孔隙，使整個(gè)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，提高了孔隙率及孔隙彎曲程度，聲波在內(nèi)部孔隙中的運(yùn)動(dòng)路徑更長，從而消耗更多的聲能，吸聲能力得到提高.圖12 為“試塊1+試塊5”串聯(lián)樣品的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)照片.

圖11 試塊1 和試塊5 的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.11 Photo of the internal pore structure of test blocks 1 and 5

圖12 “試塊1+試塊5”串聯(lián)樣品的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.12 Photo of internal pore structure of“test block 1+test block 5”serial sample

具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)試塊的吸收峰面積較大，孔隙曲折程度較復(fù)雜，連通孔隙較多，且孔隙率較高.因而各試塊吸收峰較多，在多數(shù)頻段均有較好的吸聲性能，平均吸聲系數(shù)較高，整體吸聲效果較好（表6）.

表6 原試塊與“試塊+試塊”串聯(lián)樣品的吸聲性能對(duì)比Tab.6 Comparison of acoustic absorption performance between the original test blocks and“test block+test block”series samples

3 結(jié)論

本文研究了頁巖陶粒粒徑、水泥用量、纖維摻量、發(fā)泡劑摻加量等輕骨料混凝土基本組成以及“試塊+背腔”“試塊+試塊”等情況下的吸聲性能，得出如下結(jié)論：

1）原料構(gòu)成對(duì)試塊吸聲性能影響.隨水泥摻量增加，孔隙率有所減小.但孔隙曲折程度增加，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，吸聲系數(shù)增大.聚丙烯纖維可略加大吸收峰寬度和面積；摻量在2%時(shí)，相對(duì)其他摻量有更好的吸聲效果.加入H2O2后，可增加材料連通孔隙，使孔隙分布均勻，從而提高材料吸聲性能.此類因素僅能小幅度提升吸聲性能.

2）“試塊+背腔”“試塊+試塊”對(duì)材料吸聲性能影響.“試塊+背腔”可使吸收峰值相對(duì)于原試塊向低頻偏移，使得原試塊高頻段峰值前移，產(chǎn)生了兩個(gè)峰值，吸聲性能整體優(yōu)于原試塊.“試塊+試塊”的串聯(lián)方式增加了試塊吸收峰數(shù)量、吸收峰面積、峰值，相比原試塊而言整體吸聲性能大幅提高.

由頁巖陶?；炷良捌浯?lián)結(jié)構(gòu)制作的隔聲墻板材料，可廣泛用于工業(yè)廠房、變電站、演播廳、報(bào)告廳等需要安靜的大型公共建筑的場(chǎng)所.