水泥基吸音降噪材料在交通工程的研究應(yīng)用

朱萬(wàn)旭，黃歆彧，周紅梅

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.桂林理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 前 言

隨著高架道路、地鐵輕軌、高速公路、鐵路的運(yùn)營(yíng)與飛速發(fā)展，交通噪聲污染問(wèn)題亟待解決。在治理噪聲污染的諸多措施之中，采用新型環(huán)保材料進(jìn)行吸音降噪處理是一種有效可行的方法[1]。由于人們生活水平不斷提高，民眾對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高。為了建設(shè)更加安靜生活環(huán)境，滿足人們對(duì)美好生活的需求，水泥基吸音降噪材料的研究不能停留于口，更應(yīng)實(shí)踐于手。

陶粒屬于多孔吸音材料，用陶粒做骨料制備的混凝土具有持久耐久、耐腐蝕、阻燃等性質(zhì)，同時(shí)能保持多孔吸音材料的基本特性[2]。以水泥為膠凝材料，以陶粒為骨料，運(yùn)用特殊工藝使水泥漿體形成連通孔隙，能夠進(jìn)一步發(fā)揮陶粒作為多孔吸音材料的優(yōu)良吸音特性。實(shí)踐證明，研制地鐵軌道吸音板是一種理想的地鐵與隧道消音降噪措施，能夠解決交通工程中噪聲治理的難題。

1 吸音材料的技術(shù)研究

1.1 設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

根據(jù)水泥基吸音板技術(shù)要求，單元板采用水泥基吸音材料成型后應(yīng)滿足以下條件：以陶粒、水泥等無(wú)機(jī)材料為主要成分制成，降噪系數(shù)≥0.80，28 d抗壓強(qiáng)度≥8.0 MPa，28 d抗折強(qiáng)度≥2.0 MPa，密度≤1 200 kg/m3，環(huán)保無(wú)毒，不燃燒，燃燒性能等級(jí)為A1級(jí)；結(jié)構(gòu)耐腐蝕，耐高溫，不導(dǎo)電以及抗凍融性好；經(jīng)久耐用，遇水沖刷或潮濕應(yīng)不降低其降噪效果，攪拌均勻，顏色一致。因此，水泥基吸音降噪材料的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想如下。

1)為滿足吸音材料的降噪效果及質(zhì)量要求，水泥基骨料應(yīng)采用孔結(jié)構(gòu)可控、圓度粒級(jí)以及力學(xué)性能達(dá)到所需技術(shù)要求的優(yōu)質(zhì)陶粒。

2)水泥基吸音材料由水泥、陶粒、纖維、外加劑以及水等材料按設(shè)計(jì)配合比組成[3]，攪拌均勻后預(yù)留余量進(jìn)行壓制，不同模具能夠壓制成不同結(jié)構(gòu)型式的試件，測(cè)量其吸聲系數(shù)需達(dá)到國(guó)家I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，力學(xué)性能等需滿足相關(guān)性能指標(biāo)要求。

1.2 配合比研究設(shè)計(jì)

早期階段，根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計(jì)初始配合比，通過(guò)駐波管法測(cè)試篩選原材料、調(diào)整配合比；當(dāng)達(dá)到理想吸聲系數(shù)并能在各頻率段上基本保持一致后，再進(jìn)行計(jì)算修正，進(jìn)行二次調(diào)整，最后材料達(dá)到最優(yōu)吸聲性能。配合比設(shè)計(jì)參數(shù)控制如下。

陶粒級(jí)配：骨料級(jí)配直接影響著吸音材料的孔隙結(jié)構(gòu)，間斷級(jí)配能使陶粒骨料堆積形成較好的孔結(jié)構(gòu)，具有大量的孔隙，能夠滿足吸音降噪材料的使用條件[4]。

粒度：經(jīng)過(guò)調(diào)研試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用8 mm以下粒徑陶粒制成的陶粒混凝土吸音板具有較好的吸音降噪效果[5]，最終確定陶粒骨料粒徑范圍是0～8 mm，分為三種粒級(jí)：陶粒A(0～3 mm)、陶粒B(3～5 mm)和陶粒C(5～8 mm)。

水灰比：水泥基吸音降噪材料的特殊使用功能決定了其水灰比與普通混凝土相比存在巨大差異，吸音降噪材料的成型除了需要滿足水泥的最小需水量、陶粒的吸水率的要求，還應(yīng)當(dāng)盡量減小用水量，以滿足孔隙率、強(qiáng)度及耐久性要求。因此，吸音降噪材料的水灰比控制十分關(guān)鍵，直接影響著材料的吸音降噪性能。

孔隙率：水泥基吸音降噪材料的孔隙率是直接反映水泥基吸音材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況的重要指標(biāo)，也是材料吸聲性能重要參考因素[6]。目標(biāo)孔隙率是配合比設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，能夠直觀反映出材料預(yù)設(shè)的孔隙情況。若目標(biāo)孔隙率設(shè)定過(guò)高，則會(huì)影響到材料的強(qiáng)度及耐久性；若目標(biāo)孔隙率設(shè)定過(guò)低，則無(wú)法達(dá)到吸音降噪材料的吸聲性能要求。為了滿足材料使用要求的同時(shí)兼顧優(yōu)化材料吸聲性能，預(yù)先設(shè)定目標(biāo)孔隙率為20%、25%、30%，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果微調(diào)，找出最佳孔隙率。

主要配合比設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 物理力學(xué)性能測(cè)定

1.3.1 吸聲性能的測(cè)定

根據(jù)試驗(yàn)研究需要，采用駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試儀檢測(cè)吸音板等吸音降噪材料的吸聲系數(shù)，吸聲系數(shù)試驗(yàn)用測(cè)試設(shè)備如圖1所示。

圖1 AWA6128型駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試儀

除駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試儀之外，還需配備混響室這一工程用檢驗(yàn)設(shè)備，建成使用中的混響室如圖2所示。根據(jù)《聲學(xué)混響室吸聲吸聲測(cè)量》(GB/T 20247—2006)、《建筑吸聲產(chǎn)品的吸聲性能分級(jí)》(GB/T 16731—1997)[7-8]進(jìn)行混響室吸聲測(cè)量，結(jié)果表明，城市軌道吸音板的降噪系數(shù)NRC值為0.8，吸聲性能等級(jí)為I級(jí)。

圖2 建成使用中的混響室

1.3.2 力學(xué)性能的測(cè)定

根據(jù)實(shí)際工程的具體要求，參照規(guī)范《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)法》(GB/T 17671—1999)[9]將抗壓強(qiáng)度試件尺寸大小取為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；抗折強(qiáng)度試件尺寸大小取為40 mm×40 mm×160 mm，并形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《HCM吸音板》。

經(jīng)過(guò)多組試驗(yàn)及檢驗(yàn)，吸音板試件的抗壓強(qiáng)度平均值為11.8 MPa，抗折強(qiáng)度平均值為3.3 MPa。抗壓強(qiáng)度能穩(wěn)定保持在8 MPa以上，抗折強(qiáng)度保持在2 MPa以上。因此，城市軌道吸音板的力學(xué)性能是穩(wěn)定的、安全的。

1.3.3 耐久性能的測(cè)定

經(jīng)過(guò)測(cè)試，城市軌道吸音板不導(dǎo)電，且結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性；經(jīng)過(guò)200次凍融試驗(yàn)，吸音板的質(zhì)量損失率僅為3.4%，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)5%的規(guī)定值；動(dòng)彈性模量為82.4%，滿足大于60%的標(biāo)準(zhǔn)要求；抗蝕系數(shù)達(dá)到83.3%，高于標(biāo)準(zhǔn)要求的75%，耐腐蝕性能優(yōu)異。

2 吸音材料的工程應(yīng)用

2.1 吸音板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸音板應(yīng)達(dá)到結(jié)構(gòu)安全、可實(shí)施性好等要求，在充分發(fā)揮吸音板的降噪功能的前提下，發(fā)揮人行通道、水溝蓋板的功能。吸音板的外形與鋪裝要滿足建筑限界與車輛限界要求，同時(shí)保證行車安全。一方面，吸音板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理利用噪聲控制原理，充分發(fā)揮多孔材料的吸聲性能，最大限度提高降噪水平。另一方面，吸音板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)滿足作為人行通道的要求。針對(duì)國(guó)內(nèi)不同地鐵軌道尺寸，設(shè)計(jì)出不同的吸音板外形結(jié)構(gòu)和規(guī)格尺寸，并制定了相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)和塑料空腔模具。其中一種設(shè)計(jì)合理的吸音板外形，如圖3所示。

圖3 吸音板三維模型

為保障吸音板的工作安全性，還要進(jìn)行安全性理論分析。根據(jù)吸音板結(jié)構(gòu)型式，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件ANSYS，建立相應(yīng)三維模型；完成模型網(wǎng)格劃分與均布荷載的施加后，進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，城市軌道吸音板在實(shí)際使用狀態(tài)下施加均布荷載后，拉、壓應(yīng)力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸音板試件本身的強(qiáng)度值，吸音板產(chǎn)生的位移量非常小。因此，城市軌道吸音板能安全穩(wěn)定地適用于更多城市軌道交通工程。。

2.2 吸音板生產(chǎn)工藝

水泥基吸聲降噪材料由水泥、骨料、減水劑以及其他添加劑配制而成，相較于其他降噪材料，需要兼顧吸聲性能及力學(xué)性能要求。為滿足聲學(xué)與力學(xué)等不同領(lǐng)域的性能要求，作者團(tuán)隊(duì)從原材料選擇、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行創(chuàng)新、優(yōu)化、改進(jìn)，并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研究，最終研制出滿足高速交通工程的技術(shù)要求的城市軌道吸音板。

2.2.1 預(yù)制生產(chǎn)

在預(yù)制工廠，根據(jù)工程設(shè)計(jì)圖紙尺寸選擇模具，并按照以下生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

①準(zhǔn)備工作：包括設(shè)備模具的準(zhǔn)備、原材料的準(zhǔn)備、陶粒篩分、防水預(yù)處理等；②根據(jù)優(yōu)化配合比進(jìn)行原材料的稱量計(jì)重工作；③對(duì)原材料進(jìn)行混合攪拌；④攪拌均勻后將拌合物裝模；⑤振動(dòng)壓模成型；⑥養(yǎng)護(hù)試件，必要時(shí)進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)；⑦成品檢驗(yàn)；⑧包裝運(yùn)輸。半自動(dòng)化生產(chǎn)線如圖4所示。

圖4 半自動(dòng)化生產(chǎn)線

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

生產(chǎn)過(guò)程中，每班組至少須制作一組試塊并與現(xiàn)場(chǎng)同條件養(yǎng)護(hù)，以檢驗(yàn)其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度；同時(shí)制作至少1組直徑為96 mm、高為100 mm的試塊，用于駐波管法測(cè)量吸聲系數(shù)，折算出吸音板的降噪系數(shù)。外觀要求表面平整，顏色均勻，無(wú)蜂窩，無(wú)裂紋，無(wú)掉角缺塊；尺寸誤差應(yīng)在5 mm之內(nèi)；28 d抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥8 MPa，抗折強(qiáng)度應(yīng)≥2 MPa；降噪系數(shù)應(yīng)≥0.8。只有嚴(yán)格達(dá)到以上技術(shù)要求，才能為交通工程的吸音降噪效果提供保證。

2.3 吸音板施工工藝

2.3.1 施工指導(dǎo)思想

水泥基降噪吸音材料的安裝工程幾乎都是在狹窄、陡峭的地方，特別是城市軌道吸音板，放置在行車軌道的底部，比較適合人工鋪裝[10]。因此，城市軌道吸音板的施工應(yīng)遵循的指導(dǎo)思想為：方便、快捷，不會(huì)大面積影響其他的工作。同時(shí)，施工工藝安全、可靠。

2.3.2 施工措施

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，吸音板生產(chǎn)工藝可按以下步驟進(jìn)行施工，整個(gè)施工工程便捷、環(huán)保，且不影響其他施工安裝。

1)將在工廠預(yù)制成型的吸音板運(yùn)輸至安裝現(xiàn)場(chǎng),根據(jù)不同的規(guī)格進(jìn)行堆放。

2)通過(guò)軌道平板車或其他工具將所要求規(guī)格的吸音板運(yùn)送至預(yù)定鋪裝點(diǎn)。

3)清掃干凈所要安裝的基礎(chǔ)，要求無(wú)浮土，無(wú)油污。

4)定好鋪裝位置，將吸音板用吊裝帶吊起預(yù)位，將底部粘結(jié)板的防護(hù)層剝掉。

5)按位置鋪設(shè)在道床上完成安裝，如果是使用螺栓固定，就位后直接把螺栓鎖緊。

6)鋪設(shè)好的吸音板應(yīng)牢固平穩(wěn)，鋪設(shè)位置需符合技術(shù)文件要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

水泥基吸聲降噪材料涉及不同的專業(yè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)沒(méi)有可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)或資料作為參考，產(chǎn)品研發(fā)難度很大，需要多方面多角度進(jìn)行嘗試，不斷研究、創(chuàng)新。本文主要探討了水泥基降噪材料配合比的設(shè)計(jì)；明確了水泥基吸音降噪材料物理力學(xué)性能測(cè)定方法；研究了城市地鐵吸音板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝方法；利用設(shè)計(jì)科學(xué)、使用方便的模具，通過(guò)自動(dòng)化及半自動(dòng)化生產(chǎn)工藝達(dá)成吸音降噪產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。解決了交通工程中噪音大、噪聲頻帶寬、降噪措施易失效、費(fèi)用高等難題，為創(chuàng)造更佳的人居環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。希望以此為基礎(chǔ)，在原材料綠色環(huán)保、生產(chǎn)環(huán)節(jié)降低能耗、產(chǎn)品質(zhì)量與外觀等方面，能夠進(jìn)一步攻堅(jiān)克難，細(xì)致完善具體的吸音降噪配套措施，從而提高生產(chǎn)力和市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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