陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產品的研究與展望

劉俊榮+張緹+梁耀龍+劉宇

摘 要：通過對聲屏障研究技術的國內外發展現狀、利用陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產品的研究等方面的分析，簡要的論述了陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產品的技術現狀與發展動態，并提出了思考建議和目標。

關鍵詞：陶瓷廢渣；吸隔聲屏障

1 引言

隨著中國經濟的高速發展，城市化進程的不斷加快，城市與城市之間、城市內部建立起了快捷的交通路線網，這些高速公路、城市道路等在建造時難免要穿過人口集中的居住區，所產生的交通噪聲給道路附近居民的工作、生活、學習帶來了一定的干擾。近年來，城市交通呈一體化發展趨勢，交通噪聲也更加嚴峻，嚴重影響城市生活質量。道路交通產生的噪聲超標情況嚴重，交通噪聲污染投訴呈快速增長趨勢。全國的環境監測結果表明：約有17%的城市道路交通噪聲屬中度污染、49%的城市噪聲屬輕度污染。根據現有的工業發展水平和已有城市規劃布局，用建立聲屏障的方法來治理交通噪聲是一種主要手段，日本城市中高速公路聲屏障設置率高達80%；香港公路修建了占總里程5%的聲屏障，目前國外發達國家的經驗證明了聲屏障的有益效果。

聲屏障是指在聲源與接受者之間，插入一個有足夠面密度的密實材料板或墻，從而使聲波有一個顯著的附加衰減量，這種“障礙物”就是聲屏障。聲波在空氣中傳播，碰到聲屏障時將產生反射、透射和衍射等現象。聲屏障的作用是阻止直達聲的傳播，隔離透射聲，并使衍射聲有足夠的衰減，聲屏障后面形成的“聲影區”內的噪聲有明顯的下降，最終達到降低噪聲的目的。

在城市道路聲屏障中，擴散反射型和吸聲共振型是兩種基本聲學結構[1]。根據國內外城市道路聲屏障的發展經驗，擴散反射型聲屏障（隔聲屏障）在材料使用上的發展趨勢是質輕、隔聲性能好、強度高、易安裝且施工工業化程度高的材料；吸聲共振型聲屏障（吸聲屏障）優點在于聲學元件構造精細、美觀、結構自重輕、吸聲性能好而占用的建筑空間較小；它將是未來城市道路聲屏障的發展方向。

目前國內用于交通聲屏障的吸聲材料主要包括金屬聲屏障、混凝土聲屏障、PC聲屏障、玻璃鋼聲屏障、無機纖維類聲屏障及多孔陶瓷聲屏障等。金屬聲屏障、PC聲屏障及玻璃鋼聲屏障普遍存在的問題是成本高，老化性能差；使用混凝土聲屏障材料又存在增加道路施工成本，不利于交通安全的問題；超細玻璃棉、礦棉等無機纖維類材料通常強度較低，性脆易斷，吸塵易污損，粉塵化后易飛揚造成二次污染，特別是吸水受潮后吸聲性能大大減弱；而多孔陶瓷材料具有良好的聲學性能、力學性能、耐候性、防火性等特點，制成的吸聲元件在中低頻具有良好的吸聲性能。并且具有重量輕、易于安裝維護，特別適宜在高溫、潮濕的環境下使用。

陶瓷磚生產過程的后期冷加工廢渣目前的推廣應用有限，近十年來，國內積存陶瓷廢渣已有2000萬噸以上，且每年仍以數百萬噸的排渣量遞增，陶瓷廢渣用廢物處理方式作為工程填料等利用方法比較單一，大量堆積的陶瓷廢料擠占土地，嚴重破壞生態環境，對水資源和土壤等環境造成了嚴重污染。

2 聲屏障研究技術的國內外發展現狀

聲屏障研究在國外起步較早，美國20世紀70年代開始修建公路沿線聲屏障，發展速度很快，至2006年底，全美已建成的公路聲屏障約5000km。日本聲屏障的修建始于20世紀60～70年代，在20世紀70年代中期有了較大發展，至2006年底已建成約1600km公路聲屏障，日本城市高速道路的隔聲屏障設置率已達到80%，東京的首都高速公路兩側有一半設置了隔聲屏障。法國、英國、德國、澳大利亞、丹麥等也大力發展聲屏障技術來控制城市道路交通噪聲的污染。

據《2012年公路水路交通運輸行業發展統計公報》，2012年末全國公路總里程達423.75萬公里，比2011年末增加13.11萬公里。公路密度為44.14公里/百平方公里，提高1.37公里/百平方公里。而至2012年底，全國已建成的公路聲屏障長度僅為1670km，與發達國家相比差距太大。隨著我國經濟快速、可持續發展和保護生態環境力度的不斷加強，治理公路交通噪聲的聲屏障工程量會逐步增長，而且空間很大。

在聲屏障材料方面，美國20世紀70年代修建聲屏障的材料50%以上是混凝土砌塊或板材，80年代起開始大量采用吸聲類聲屏障。吸聲類聲屏障的材料主要有輕集料混凝土砌塊，砌塊具有良好的物理力學性能和耐久性，優化設計混凝土砌塊的原料組成、配比和結構，可顯著提高其吸聲性能。這種方式成本較低，可以顯著改善道路兩側的噪聲，因此在高速公路聲屏障的建設中得到廣泛應用。其他類似還有板材、面層覆蓋輕集料的普通混凝土板、刨花板背襯混凝土板、帶穿孔面層的鋼板、面層為各類輕質材料（玻璃纖維、礦渣棉、石棉等）的塑鋼板等。我國高速公路目前常用路網聲屏障品種有鋼化玻璃聲屏障、陶瓷板材聲屏障、水泥木屑吸聲板、微穿孔板吸聲屏障、聚酯隔聲板、彩鋼板等。

袁衛寧等人[2]采用雙側共振腔吸聲磚建造的隔聲屏障對實際降噪效果的研究。共振腔吸聲磚是具有吸聲和隔聲雙重功能的混凝土砌塊，吸聲面開有豎槽，與內部空腔連通形成共振腔。這種構造的聲屏障構造簡單，施工方便，造價低。經實際工程監測表明，其降噪量可以達到13dB以上。王武祥等人也對建筑砌塊應用于隔聲屏障進行了詳細研究，介紹了吸聲隔聲砌塊、超輕陶粒砌塊、單元式吸聲砌塊、爐渣砌塊、吸聲裝飾砌塊等不同類型的砌塊。實際應用效果表明，這種隔聲屏障的降噪效果達到10dB以上。這些砌塊還可以結合道路綠化，在建好的聲屏障上種植綠色植物，不僅可以降低道路兩旁的噪聲水平，還可以形成綠化景觀，對高速公路來說是一種可取的選擇。

楊滿宏等人[3]研究了關于彩鋼復合板隔聲屏障在道路聲屏障特別是城市道路聲屏障中的應用。彩鋼復合板是以巖棉、聚苯板、聚氨酯等為芯材的彩鋼夾芯板。具有較高的剪切強度，具有一定的韌性，能很好地抵抗重復荷載，具有較好的防火性能。50mm厚度的彩鋼復合板的計權隔聲量可以達到32dB，完全可以滿足較高降噪量要求時的隔聲性能。彩鋼復合板具有剛度大、彈性好及不易積灰等優點；同時結構形式靈活，外觀美觀，便于加工和安裝施工、維護容易，因此在道路特別是高架橋等位置的反射型聲屏障得到廣泛應用。但彩鋼復合板芯材存在環保問題，在耐候性、壽命等方面不盡如人意。

囤靜華等人[4]介紹了珍珠巖聲屏障在高速公路上的應用，對珍珠巖聲屏障進行了研究，并設計了珍珠巖聲屏障，收到了良好的降噪效果。通過實際工程應用表明，珍珠巖聲屏障具有較好的吸聲性能，是較好的高速公路聲屏障材料。珍珠巖通過以水泥、天然礦物質加上其它化學材料經特殊處理后，攪拌，制模成型，可以作為聲屏障隔聲吸聲材料，平均降噪系數NRC0.85左右，符合道路聲屏障聲學要求；應用安裝簡單，可預制或現場成型；但主要缺點是：自重較大，在低頻段吸聲性能較差，目前在香港地區應用較多，在內地應用較少。

國外的加拿大Cymat鋁業公司和日本Shinko Wire公司采用泡沫鋁和纖維鋁制備聲屏障產品，避免了普通的鋼材質聲屏障容易遭受腐蝕的問題。經性能測試表明，這種泡沫鋁板具有較好的降噪系數，空腔為100mm時的降噪系數達到0.6以上，用于戶外隔聲屏障是良好的吸聲材料。但不足之處在于其成本太高,無法在我國大量推廣使用。另外,金屬結構的隔聲屏單元連接也較困難,且容易產生噪聲泄漏。

3 利用陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產品的研究與展望

目前國內用于道路聲屏障的吸聲材料主要是細玻璃棉、礦棉等無機纖維類材料。但超細玻璃棉類吸聲材料通常強度較低，脆性易斷，吸塵易污損，粉塵化后易飛揚造成二次污染，特別是吸水受潮后吸聲性能大大減弱。近年來從對采用纖維類材料做吸聲材料道路屏障的檢修來看，由于長期處于大流量交通流振動和風壓影響下，纖維材料的脆性斷裂和粉塵化使原來的勻質結構不復存在，道路聲屏障未能有效起到吸聲降噪作用。由于存在上述缺點，以及出于對環境保護的要求，需要更有效更環保的吸聲材料代替。新型吸聲材料泡沫陶瓷在國外道路聲屏障建設中得到應用，取得了非常好的降噪效果。泡沫陶瓷具有良好的吸聲性能，并且具有重量輕、易于安裝維護等優點，特別適合在高溫、潮濕的環境下使用。厚50mm泡沫陶瓷材料和后留10cm空腔、厚50mm的泡沫陶瓷，分別對中心頻率為600Hz和中心頻率為250Hz的聲頻具有較好的吸聲效果，此時吸聲系數最高，而這正是道路交通噪聲的主要頻段。

以拋光磚廢料為發泡劑可制備大量的封閉孔，添加合適的外加劑可改變孔隙結構，使封閉孔相互連通構成多孔吸聲材料。其吸聲原理如下：材料表面有大量連通孔，當聲波入射到多孔材料表面，一部分產生反射或散射，一部分則沿著氣孔進入材料內部繼續傳播。聲波在材料內部的縫隙和連通氣孔中傳播時，導致聲波衰減。首先是聲波導致的空氣運動，氣孔中空氣受壓縮時溫度升高，稀疏時溫度降低；緊靠孔壁的空氣運動較慢，相對遠離孔壁的空氣運動較快，從而產生黏滯阻力和磨擦作用；其次是材料的熱傳導效應。這兩種作用同時導致一部分聲能轉變為熱能而產生衰減，從而起到吸聲作用。

多孔吸聲材料的吸聲頻譜特性是，吸聲系數隨頻率的增大而增大，由低頻向高頻逐步升高，期間有不同程度的起伏，起伏幅度都在高頻位趨緩，其頻率特征曲線如圖1所示。

以陶瓷原料和固體廢棄物為主要原料，通過成型、干燥和燒成等工藝可制備出高吸聲系數的陶瓷吸隔聲屏障產品。這種陶瓷吸隔聲屏障產品是一種剛性開孔型吸聲陶瓷，具有強度高、裝飾性好、不燃、耐老化等優點。

4 結語

對陶瓷工業廢渣進行綜合利用，通過材料及結構設計，開發具有良好吸聲和隔聲性能的多孔陶瓷聲屏障產品，可以解決陶瓷固體廢棄物的資源綜合利用和環境噪聲污染問題。產品既可使用于公路及軌道交通等特定環境，降低環境噪音污染，又可廣泛應用于建筑裝修、高架橋、隧道等基礎建設工程，社會經濟效益顯著。

參考文獻

[1] 楊滿宏. 擴散反射型與吸聲共振型公路聲屏障[J]. 公路，1996（5）.

[2] 袁衛寧，董小林，張玉芬. 高速公路共振腔吸聲磚聲屏障降噪

效果[J]. 交通運輸工程學報，2007（2）.

[3] 楊滿宏，劉書套. 彩鋼復合板公路聲屏障材料聲學性能研究[J].

噪聲與振動控制，1999（5）.

[4] 囤靜華，周 洲. 珍珠巖聲屏障在高速公路上的應用[J]. 上海船

舶運輸科學研究所學報. 2006（12）.

佛山市院市合作項目，項目編號2010YS018；佛山市三水區科技計劃項目，三科2010[8]號；粵港關鍵領域重點突破項目佛山專項，項目編號2010Z52102

3 利用陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產品的研究與展望

目前國內用于道路聲屏障的吸聲材料主要是細玻璃棉、礦棉等無機纖維類材料。但超細玻璃棉類吸聲材料通常強度較低，脆性易斷，吸塵易污損，粉塵化后易飛揚造成二次污染，特別是吸水受潮后吸聲性能大大減弱。近年來從對采用纖維類材料做吸聲材料道路屏障的檢修來看，由于長期處于大流量交通流振動和風壓影響下，纖維材料的脆性斷裂和粉塵化使原來的勻質結構不復存在，道路聲屏障未能有效起到吸聲降噪作用。由于存在上述缺點，以及出于對環境保護的要求，需要更有效更環保的吸聲材料代替。新型吸聲材料泡沫陶瓷在國外道路聲屏障建設中得到應用，取得了非常好的降噪效果。泡沫陶瓷具有良好的吸聲性能，并且具有重量輕、易于安裝維護等優點，特別適合在高溫、潮濕的環境下使用。厚50mm泡沫陶瓷材料和后留10cm空腔、厚50mm的泡沫陶瓷，分別對中心頻率為600Hz和中心頻率為250Hz的聲頻具有較好的吸聲效果，此時吸聲系數最高，而這正是道路交通噪聲的主要頻段。

以拋光磚廢料為發泡劑可制備大量的封閉孔，添加合適的外加劑可改變孔隙結構，使封閉孔相互連通構成多孔吸聲材料。其吸聲原理如下：材料表面有大量連通孔，當聲波入射到多孔材料表面，一部分產生反射或散射，一部分則沿著氣孔進入材料內部繼續傳播。聲波在材料內部的縫隙和連通氣孔中傳播時，導致聲波衰減。首先是聲波導致的空氣運動，氣孔中空氣受壓縮時溫度升高，稀疏時溫度降低；緊靠孔壁的空氣運動較慢，相對遠離孔壁的空氣運動較快，從而產生黏滯阻力和磨擦作用；其次是材料的熱傳導效應。這兩種作用同時導致一部分聲能轉變為熱能而產生衰減，從而起到吸聲作用。

多孔吸聲材料的吸聲頻譜特性是，吸聲系數隨頻率的增大而增大，由低頻向高頻逐步升高，期間有不同程度的起伏，起伏幅度都在高頻位趨緩，其頻率特征曲線如圖1所示。

以陶瓷原料和固體廢棄物為主要原料，通過成型、干燥和燒成等工藝可制備出高吸聲系數的陶瓷吸隔聲屏障產品。這種陶瓷吸隔聲屏障產品是一種剛性開孔型吸聲陶瓷，具有強度高、裝飾性好、不燃、耐老化等優點。

4 結語

對陶瓷工業廢渣進行綜合利用，通過材料及結構設計，開發具有良好吸聲和隔聲性能的多孔陶瓷聲屏障產品，可以解決陶瓷固體廢棄物的資源綜合利用和環境噪聲污染問題。產品既可使用于公路及軌道交通等特定環境，降低環境噪音污染，又可廣泛應用于建筑裝修、高架橋、隧道等基礎建設工程，社會經濟效益顯著。

參考文獻

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效果[J]. 交通運輸工程學報，2007（2）.

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噪聲與振動控制，1999（5）.

[4] 囤靜華，周 洲. 珍珠巖聲屏障在高速公路上的應用[J]. 上海船

舶運輸科學研究所學報. 2006（12）.

佛山市院市合作項目，項目編號2010YS018；佛山市三水區科技計劃項目，三科2010[8]號；粵港關鍵領域重點突破項目佛山專項，項目編號2010Z52102

3 利用陶瓷廢渣制備吸隔聲屏障產品的研究與展望

目前國內用于道路聲屏障的吸聲材料主要是細玻璃棉、礦棉等無機纖維類材料。但超細玻璃棉類吸聲材料通常強度較低，脆性易斷，吸塵易污損，粉塵化后易飛揚造成二次污染，特別是吸水受潮后吸聲性能大大減弱。近年來從對采用纖維類材料做吸聲材料道路屏障的檢修來看，由于長期處于大流量交通流振動和風壓影響下，纖維材料的脆性斷裂和粉塵化使原來的勻質結構不復存在，道路聲屏障未能有效起到吸聲降噪作用。由于存在上述缺點，以及出于對環境保護的要求，需要更有效更環保的吸聲材料代替。新型吸聲材料泡沫陶瓷在國外道路聲屏障建設中得到應用，取得了非常好的降噪效果。泡沫陶瓷具有良好的吸聲性能，并且具有重量輕、易于安裝維護等優點，特別適合在高溫、潮濕的環境下使用。厚50mm泡沫陶瓷材料和后留10cm空腔、厚50mm的泡沫陶瓷，分別對中心頻率為600Hz和中心頻率為250Hz的聲頻具有較好的吸聲效果，此時吸聲系數最高，而這正是道路交通噪聲的主要頻段。

以拋光磚廢料為發泡劑可制備大量的封閉孔，添加合適的外加劑可改變孔隙結構，使封閉孔相互連通構成多孔吸聲材料。其吸聲原理如下：材料表面有大量連通孔，當聲波入射到多孔材料表面，一部分產生反射或散射，一部分則沿著氣孔進入材料內部繼續傳播。聲波在材料內部的縫隙和連通氣孔中傳播時，導致聲波衰減。首先是聲波導致的空氣運動，氣孔中空氣受壓縮時溫度升高，稀疏時溫度降低；緊靠孔壁的空氣運動較慢，相對遠離孔壁的空氣運動較快，從而產生黏滯阻力和磨擦作用；其次是材料的熱傳導效應。這兩種作用同時導致一部分聲能轉變為熱能而產生衰減，從而起到吸聲作用。

多孔吸聲材料的吸聲頻譜特性是，吸聲系數隨頻率的增大而增大，由低頻向高頻逐步升高，期間有不同程度的起伏，起伏幅度都在高頻位趨緩，其頻率特征曲線如圖1所示。

以陶瓷原料和固體廢棄物為主要原料，通過成型、干燥和燒成等工藝可制備出高吸聲系數的陶瓷吸隔聲屏障產品。這種陶瓷吸隔聲屏障產品是一種剛性開孔型吸聲陶瓷，具有強度高、裝飾性好、不燃、耐老化等優點。

4 結語

對陶瓷工業廢渣進行綜合利用，通過材料及結構設計，開發具有良好吸聲和隔聲性能的多孔陶瓷聲屏障產品，可以解決陶瓷固體廢棄物的資源綜合利用和環境噪聲污染問題。產品既可使用于公路及軌道交通等特定環境，降低環境噪音污染，又可廣泛應用于建筑裝修、高架橋、隧道等基礎建設工程，社會經濟效益顯著。

參考文獻

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佛山市院市合作項目，項目編號2010YS018；佛山市三水區科技計劃項目，三科2010[8]號；粵港關鍵領域重點突破項目佛山專項，項目編號2010Z52102