全固廢多孔吸聲材料的制備及性能研究

李旭華

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

隨著經濟的發展，城市化進程的加快，噪聲已經成為當今世界三大污染源之一，噪聲污染問題越來越嚴重，引起了各國政府的高度重視。2018年實施的《中華人民共和國環境保護稅法》不僅對固廢的征稅進行了嚴格的要求，也要求噪聲按照超過GB 3096—2008《聲環境質量標準》和GB 22337—2008《社會生活環境噪聲》的分貝數來進行征稅。廢棄物的合理處置以及噪聲的控制已經成為制約部分企業發展的重要瓶頸，采用多孔吸聲材料是控制噪聲的有效手段[1-3]。常用的多孔吸聲材料包括有機高分子吸聲材料、金屬多孔吸聲材料、無機非金屬多孔吸聲材料，有機高分子吸聲材料通常密度較小、吸聲性能相對優異，如有機纖維材料及泡沫塑料等，但其防火、防潮性能差[4]；金屬多孔吸聲材料力學性能優異、耐候性及耐高溫性能好，如金屬纖維、泡沫鋁等，但成本相對較高[2，5-6]；無機非金屬多孔吸聲材料的防火性能優異，性價比相對較高，但是無機纖維材料如巖棉、礦棉等材料存在性脆易斷、不易降解、易產生粉塵，泡沫陶瓷和泡沫玻璃等材料均要經過高溫燒結工藝，導致能耗相對較高[4，7-8]。因此開發低成本、制備過程溫和、綠色的多孔吸聲材料才符合當今社會的需求。

本研究以粉煤灰、脫硫石膏、電石渣為主要原料，通過鋁粉化學發泡耦合機械造孔法制備高效吸聲材料。探討了發泡劑摻量、試樣厚度、機械穿孔開孔率、機械穿孔孔徑、機械穿孔孔深、空腔距離對多孔材料吸聲性能的影響規律，以期為全固廢多孔吸聲材料的工業化生產提供參考。

1 實驗

1.1 實驗原料與儀器設備

粉煤灰、脫硫石膏：取自太原鋼鐵集團有限公司粉煤灰綜合利用公司煤粉爐粉煤灰；電石渣：取自長治市某粉煤灰綜合利用公司；發泡劑：市售鋁粉，銀灰色松散顆粒狀。粉煤灰、電石渣和脫硫石膏的主要化學成分見表1。

表1 粉煤灰、電石渣和脫硫石膏的主要化學成分 %

天平：北京賽多斯儀器公司，BS214D；分散機：上海環境工程技術公司，FS-400；養護箱：紹興市虞道城墟鑫科儀儀器設備廠；水泥壓蒸釜：天津市港源試驗儀器廠，YZF-2C。

1.2 制備方法

所有原料使用前粉磨均過400目篩（粒徑小于37μm）。利用天平稱量粉煤灰3640 g、電石渣1760 g、脫硫石膏40 g進行干料混合；按照鋁粉與水的質量比為1∶6配制鋁粉液，所采用的水為去離子水，若水質堿性過高，則可能導致部分鋁粉提前發生反應產生氣體；為保持相同的水灰比（0.49），每組實驗所加入的水量均要減去鋁粉液中所加入的水量。邊攪拌邊緩慢加入干料制備漿體，攪拌速度為1200 r/min，攪拌時間為5 min；制備漿體結束后調整攪拌速度為1500 r/min，向漿體中加入鋁粉液（鋁粉摻量分別為干料質量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%），攪拌20 s后將發泡漿體迅速倒入預先準備好的模具內完成注漿（抗壓強度模具為邊長100 mm的立方體，吸聲系數模具為直徑30、100 mm的圓柱體），然后置于養護箱中，在50～60℃條件下靜停發泡2 h，之后取出拆模，轉移至水泥壓蒸釜中蒸養，溫度為180℃，養護時間為5 h，養護完成后按照不同的設計要求分別對材料進行造孔并進行性能測試。

1.3 吸聲性能測試

試塊的吸聲系數（SAC）按照GBJ88—85《駐波管法吸聲系數與聲阻孔率測量規范》進行測試；樣品直徑分別為30mm與100 mm，直徑30 mm樣品用來測高頻（1000～6300 Hz）的吸聲系數，直徑100 mm樣品用來測試低頻（80～1600 Hz）的吸聲系數。通常用降噪系數（NRC）來評價材料的吸聲性能，NRC為250、500、1000、2000 Hz四個倍頻帶SAC的算數平均值。一般情況下，0＜NRC＜1，NRC越大，則吸聲性能越好[9]。駐波管法吸聲系數測定儀的結構示意如圖1所示。

圖1 吸聲系數測定儀結構示意

2 結果與討論

2.1 鋁粉摻量對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

利用鋁粉在堿性體系中與氫氧化鈣反應產生氫氣來制備多孔吸聲材料。鋁粉摻量的變化會使材料的密度發生改變[10-11]。一般而言，密度越小，則孔隙率越高，聲波則更容易進入材料并且更容易在材料中被耗散掉，當聲波傳到材料表面時，由惠更斯原理可知，聲波的振動帶動相鄰質點的振動，相鄰的質點又將振動傳遞給與它相鄰的質點，如此這樣聲波在多孔介質中傳播下去，振動的空氣會與孔壁發生摩擦作用，使得聲能快速轉化為熱能，從而使聲波衰減，達到吸聲降噪的目的[1，12]。

多孔材料的厚度為4 cm，不同鋁粉摻量時材料的吸聲系數見圖2，降噪系數、密度和抗壓強度見表2。

圖2 不同鋁粉摻量時材料的吸聲系數

表2 不同鋁粉摻量時材料的降噪系數、密度和抗壓強度

由圖2和表2可以看出：

（1）隨鋁粉摻量的增加，材料的NRC先增大后減小，當鋁粉摻量為0.4%時，NRC最大，為0.363，與摻量為0.1%時相比增幅接近2倍；但隨著鋁粉摻量進一步增加至0.5%，NRC降至0.343。

（2）隨鋁粉摻量的增加，材料的密度先減小后稍有增大，抗壓強度逐漸降低。密度和抗壓強度也呈現了與吸聲性能大致相似的變化規律，表明材料的密度是吸聲性能及力學性能的重要影響因素。密度的降低導致孔隙率的升高，使得孔隙通道變多并且更加復雜，當聲波進入孔隙后，聲波發生多次碰撞的可能性也就大大增加，同時與孔壁的接觸面積也隨之增加，由于摩擦及空氣粘滯阻力等使相當一部分聲能轉化為熱能而被耗散的速率大大增加，因此呈現出吸聲性能的提升。從化學反應的角度來看，鋁粉摻量越大，其產氣量越高，導致材料的密度降低；但鋁粉摻量過高時，不僅會導致產氣量過大，還會導致產氣速率過快，遠超過膠凝材料的凝結速率，凝結速率與產氣速率的不匹配則會使得體系出現塌模現象。本實驗中鋁粉摻量為0.5%時出現了塌模現象，因此導致材料的密度相對于0.4%時略有提升，吸聲性能變差。

多孔材料的吸聲性能不僅和孔隙率相關還和材料孔壁的粗糙度相關[13]，鋁粉摻量為0.4%時，多孔材料水化28d的SEM照片見圖3。

圖3 全固廢多孔吸聲材料的SEM照片

由圖3可以看出，材料的內壁有豐富的葉片狀水化產物，增加了孔壁與孔內空氣的摩擦，加快了聲能到熱能的轉化速率，因此增強了材料的吸聲性能，使得全固廢多孔材料具有制備高性能吸聲材料的潛在優勢。

2.2 機械造孔深度對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

為了增強多孔吸聲材料的吸收聲能，減少其反射聲能，對多孔材料進行二次機械造孔，造孔前后試塊對比如圖4所示。選取鋁粉摻量為0.4%，多孔材料厚度為4 cm，造孔率（造孔平面面積與材料原平面面積比）為5%，造孔孔徑為3 mm（采用直徑為3 mm的鉆頭），造孔深度分別為0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 cm時材料的吸聲系數見圖5，降噪系數見表3。

圖4 全固廢多孔吸聲材料造孔前后對比

圖5 不同造孔深度時材料的吸聲系數

表3 不同造孔深度時材料的降噪系數

由圖5和表3可見，造孔深度分別為0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 cm時，對應的第一吸聲峰的位置分別為4000、2500、1250、1000、800Hz，表明隨著造孔深度的增加，材料的吸聲峰向低頻方向移動，有利于低頻噪聲的吸收，并且這些頻率下對應的吸聲系數均達到0.8以上，有些甚至超過0.9，表明通過改變造孔深度可以實現低頻噪聲的高效控制。隨著造孔深度從0.8 cm增加至4.0cm（通孔）時，材料的降噪系數從0.364增大至0.532，增幅達到46.2%，機械造孔深度越深，材料的吸聲性能越好。

2.3 造孔孔徑對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

當造孔率一致時，除了造孔深度，造孔孔徑也是可能影響吸聲性能的重要因素之一。選取鋁粉摻量為0.4%、多孔材料厚度為4 cm、造孔率為5%、造孔深度為4.0 cm、造孔孔徑分別為1、2、3、4、5 mm時材料的吸聲系數見圖6，降噪系數見表4。其中基準試樣為未造孔處理的多孔材料。不同造孔孔徑下的造孔個數計算如式（1）所示：

式中：N——造孔個數；

X——造孔率；

r——造孔半徑，mm；

R——試樣半徑，mm。

圖6 不同造孔孔徑時材料的吸聲系數

表4 不同造孔孔徑時材料的降噪系數

由圖6和表4可見，隨著造孔孔徑從1mm增大到5mm，材料的降噪系數沒有發生明顯的變化，表明從宏觀上看，造孔孔徑并不是多孔材料吸聲性能的重要影響因素。但對其低頻段吸聲系數進行分析發現，隨著造孔孔徑的增大，多孔材料的低頻吸聲系數的峰值升高，當孔徑為4、5 mm時，1000 Hz對應的吸聲系數均達到0.98，表明對該頻率下的噪聲具有很強的吸收能力，因此也可以通過造孔孔徑的調節實現不同用途吸聲材料的制備。

當車輛在城市道路中行駛速度為40～95 km/h時，對應的噪聲等效頻率為470～1000 Hz；車輛在高速公路行駛的車速一般在100～120 km/h，噪聲等效頻率為650～900 Hz；對于鐵路，噪聲等效頻率與列車運行速度成正相關，普通鐵路的噪聲等效頻率為400～800 Hz，高速鐵路的噪聲等效頻率為1000～2000 Hz。從圖6可以看出，機械造孔后全固廢多孔吸聲材料在這些頻率段內均具有良好的吸聲性能，因此，本材料可適用于解決城市道路、高速路和鐵路的噪聲污染問題。

2.4 空腔對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

2.4.1 空腔對不造孔試塊吸聲性能的影響

假設多孔材料的后背是剛性壁面，材料與壁面之間的距離，稱為空腔的深度，有時簡稱為空腔，增加一定距離的空腔，可以改善對低頻噪聲的吸聲性能，相當于增加多孔材料的厚度，且更加經濟實用[12]。由于空腔對材料的高頻吸聲性能沒有明顯的影響，故僅考察了80～1250Hz內吸聲性能隨空腔深度的變化規律。選取鋁粉摻量為0.4%、多孔材料厚度為4 cm，空腔分別為0、1、2、3、4 cm時材料的吸聲特性曲線見圖7。

圖7 吸聲系數與空腔的關系（不造孔試塊）

由圖7可以看出，設置了空腔后，材料在80～500 Hz內的吸聲性能有明顯的提升，表明空腔對改善低頻噪聲的吸聲性能具有明顯的作用，進一步發現，隨著空腔深度的增加，材料的吸聲峰向低頻移動，且峰值更高。對于吸聲峰的移動，主要是由于，對于多孔材料，背后空腔深度的增加等同于材料本身厚度的增加，由于厚度增加使吸聲峰值向低頻偏移，高頻聲波主要在材料的表面被吸收，低頻聲波的吸收在材料的內部[14]。

2.4.2 空腔對造孔試塊吸聲性能的影響

選取鋁粉摻量為0.4%、多孔材料厚度為4 cm、造孔率為5%、造孔深度為4.0 cm、造孔孔徑為3 mm，空腔分別為0、1、2、3、4 cm時材料的吸聲特性曲線見圖8。

圖8 吸聲系數與空腔的關系（造孔試塊）

由圖8可見，隨著空腔深度的增加，材料的吸聲峰向低頻方向移動，且最高吸聲系數接近于1，表明空腔對造孔吸聲材料的低頻吸聲性能提升作用更明顯。這是由于，穿孔吸聲結構的共振頻率受到聲速、穿孔率、穿孔有效長度和空腔深度等多種因素的影響，當聲速和穿孔率、穿孔有效長度不變時，隨背后空腔深度的增加，吸聲峰向低頻方向移動。其中對于多孔材料是否造孔后設置空腔還有本質的區別，造的每個通孔與背后空腔組成了亥姆霍茲共振器，均勻打孔后，就形成了多個并聯的亥姆霍茲共振器，因此不僅存在多孔吸聲機制，更重要的是共振吸聲機制加強了低頻吸聲性能的提升[15]。

3 結論

利用粉煤灰、脫硫石膏、電石渣的復配，通過鋁粉化學發泡耦合機械造孔法可以制備出全固廢高效吸聲材料，不僅具有豐富的孔結構，而且材料內壁上豐富的葉片狀水化產物極大地增加了孔壁與孔內空氣的摩擦，加快了聲能到熱能的轉化速率，增強了材料的吸聲性能。

（1）隨著鋁粉摻量的增加，材料的降噪系數先增大后減小，當鋁粉摻量為0.4%時，多孔材料的降噪系數達到0.363，鋁粉摻量對吸聲性能的影響主要體現在密度以及孔隙率的改變。

（2）機械造孔對材料的吸聲性能具有明顯的改善作用，當造孔深度為4 cm（通孔）時，降噪系數達到0.532；隨著造孔孔徑的增大，材料在1000 Hz附近的吸聲系數達到0.98。

（3）造孔后設置空腔，相當于增加了材料的有效厚度，會形成亥姆霍茲共振器，不僅存在多孔吸聲，而且存在共振吸聲，二者協同作用提高了材料的低頻吸聲性能。