彩钢复合板公路声屏障材料室内声学性能研究

彩钢复合板公路声屏障材料室内声学性能研究
杨满宏刘书套
(交通部公路科学研究所)
摘要本文通过对彩钢复合板公路声屏障材料吸隔声性能和构筑方法的研究，指出彩钢复合板材料具有良好的隔声性能，其材料制成的吸声构件在公路交通噪声能量集中的40.0～800Hz频段具有良好吸声性能，该材料更适于在高架桥上建造声屏障时使用。

关键词彩钢复合板声屏障室内声学性能
一、引言
当前在世界各国，环境问题已成为制约经济与社会发展的重要问题，因而必须探索经济与环境协调发展的途径。

公路建设在完成其运输任务的同时，应最大限度地降低其对生态环境及沿线居民和教学环境造成的有害影响，这是保持公路建设与环境保护协调发展的重要途径之一。

近年来，随着我国许多高速公路建成通车，交通噪声扰民问题日趋严重，全国相当数量的国道交通干线两侧环境噪声昼间超过70dB(A)，夜间超过55dB(A)，过高的昼夜间环境噪声对公路沿线居民和学校等声环境敏感区域正常的工作、学习和生活产生了一定影响。

经初步估计，我国有3390万人受到不同程度公路交通噪声地影响，其中2700万人生活在昼间高于70dB(A)、夜间高于55dB(A)公路交通噪声严重污染的环境中，因此研究公路交通噪声污染的治理技术已势在必行。

修建声屏障，是防治公路交通噪声污染的有效途径之一，对此国内外已形成共识。

我国作为发展中国家，生产力水平和经济状况要求我们尽可能用较少的钱从事尽可能多的工作，所以如何控制公路沿线带状污染，特别是控制公路交通噪声污染，仍然存在一定技术经济问题。

彩钢复合板具有结构形式灵活，式样多，美观，自重轻，隔声性能好，安装简便、快速等优点。

开展彩钢复合板公路声屏障材料室内声学性能研究，将为今后设计建造轻质、美观、施工简便的彩钢复合板公路声屏障提供试验室声学基础数据。

二、研究目的
"七五"和"八五"期间的一大批二级以上公路建设均产生了良好的经济和社会效益，促进了公路建设事业的持续稳定发展，也开创了公路建设的新局面。

二级以上公路由于车流量大，车速高，且夜间交通量占有相当比重，致使公路交通噪声较高，污染范围广，受影响公众抱怨情绪日增，从而使公路交通噪声已越来越受到人们普遍关注，成为不可忽视的应该解决的一个公路建设项目环境污染问题。

现已建成的二级以上公路如贵(阳)黄(果树)公路、陕西省的西(安)三(原)一级公路、福建省的福厦高速公路、山西省的太旧高速公路等路段的交通噪声分别对沿线一定区域内居民的正常生活和学校等声环境敏感区的教学和工作生活产生了较大的噪声污染影响，现已分别考虑采取一定的声环境保护措施。

从现在起到今后几十年是我国公路运输大发展和走向现代化的时期，我们将面临着大规模的公路建设和汽车运输对环境的种种影响问题，同时随着我国经济的不断发展，人们环境保护意识的不断提高，公路沿线居民对生活环境质量要求会越来越高，进而发展为人们对治理公路交通噪声污染的呼声也会越来越强。

1996年10月29日颁布的《中华人民共和国环境噪声污染防治法》第五章第三十六条指出，建设经过已有的噪声敏感建筑物集中区的高速公路，有可能造成环境噪声污染
的，应当设置声屏障或者采取其他有效的控制环境噪声污染的措施。

常见公路声屏障构成材质一般为砼、钢筋砼、合金材料及其他一些有机和无机材料等许多种。

而对高架路、公路桥和设置空间较小且美观要求较高的公路两侧设置声屏障而言，选择自重轻、美观、隔声性能良好且易于安装维护的公路声屏障是公路交通噪声防治技术的一个重要研究课题。

开展彩钢复合板公路声屏障材料室内声学性能研究，为开发声学性能良好、轻质、施工简便快速，易于维护的公路声屏障有重要的实用价值。

三、彩钢复合板材料情况及材料其他性能
1．彩钢复合板品种及规格
彩钢复合板是以岩棉、聚苯板、聚氨脂等为芯材的彩钢夹芯板。

彩板是指由保护性和装饰性有机涂料或薄膜连续涂覆于钢或铝表面制成的预涂层冶金制品，它主要由金属基板、化学转化膜和有机涂层三部分组成。

彩钢板是以冷轧钢板或电镀锌钢板或热镀锌板为基板经过表面处理后，涂上有机涂料经烘烤而制成。

彩色钢板为厚度0.6mm或0.5mm国产彩色镀锌钢板，涂锌量381g/m∧2，涂层厚度5～25μm。

芯材使用较为广泛的岩棉板，其主要性能如下：容重100～150kg/m∧3，导热系数(W/m∧2 k)0．032～0．040，工作温度-268～700℃，纤维软化温度900～1000℃，彩钢复合板的刚度是靠粘结剂把彩板和结构岩棉或其他芯材牢靠地粘合在一起的。

所选用粘结剂不仅要有较高的粘结强度，同时还要具有耐候性、耐潮性、耐湿性和阻燃性。

公路声屏障在实际工作中，其基本构件按不同的声学性能可分为隔声型和吸声型两种。

对彩钢复合板材料声屏障而言，根据其材料的物理性能和材质特点，也可加工成上述两种类型声学构件。

根据彩钢复合板材料的生产工艺特点，彩钢复合板的常见规格如表1所示。

材料自重如表2所示。

彩钢复合板常见规格表1
彩钢复合板自重(按0.6mm厚彩色板计算) 表2
2 彩钢复合板的力学、防火、防潮性能
(1)彩钢复合板的力学性能
彩钢复合板具有较高的剪切强度，具有一定的韧性，能很好地抵抗重复荷载。

彩钢复合板材料的力学性能如表3所示。

彩钢复合板的力学性能表3
注：本表为彩钢复合板最大支承间距(米)，按最大挠度小于1/250计。

(2)彩钢复合板的防火性能
彩钢复合板中的芯材岩棉、聚苯板等为绝热材料，属不可燃物质，其耐热性能较高，尤其是岩棉制品其耐火性能远远超过聚苯和聚氨脂两种夹芯板。

最常使用的岩棉夹芯板耐火极限为 2小时，此时结构仍具有绝热性和完整性。

所以彩钢复合板材料具有良好的防火性能。

(3)彩钢复合板的防潮性
由于结构岩棉、聚苯板等纤维排列密集，同时密封材料性能可靠，常用配件齐备，再加上先进的复合工艺，因此彩钢复合板防潮性能好。

根据国外有关资料报道，彩钢岩棉夹芯板在高湿工业厂房用过5年后，再测其岩棉含湿量仍同原岩棉含湿量一样，所以彩钢复合板可用于在露天环境下建造声屏障。

四、彩钢复合板公路声屏障材料隔声性能研究
在声源与接收点之间，插入一个有足够面密度的密实材料的板或墙，能使声波有一个显著的附加衰减，这样的"障碍物"称为声屏障。

声波传播过程中遇到屏障时，一部分被反射，一部分被吸收，还有一部分被透射和绕射。

声屏障通常有一层密实材料制成的隔声层，其目的是要保证透射声比绕射声低得多。

当声屏障的隔声量超过该频率的降噪量10dB(A)以上时，则隔声屏的透射声能对隔声屏的降噪量影响可忽略不计。

如要求声屏障降噪量
10dB(A)，则隔声屏障的隔声量20dB(A)以上即可。

这样在理论分析和实用设计时对通过的透射声能可忽略不计，只考虑屏障边缘绕射作用就行了。

彩钢复合板隔声型声学元件根据材质特点、加工工艺、材料外形等可制造成平板和扩散型多种。

扩散型声屏障的优点在于声屏障表面不形成镜面反射，因扩散作用的存在其行车道声能分布较均，在双面声屏障存在或声屏障对面有反射面存在时，能有效的使声能扩散。

彩钢复合板扩散型声学单元目前根据其材料特点和加工工艺，其材料表面外形可加工成波瓦型、拱型和锯齿型多种。

为有效的降低行车道区域内的混响声，最有效的方法就是开发吸声型声学构件。

根据本材料自身复合特点，彩钢复合板材料声屏障吸声型声学构件可加工成百页窗式、穿孔式、微穿孔式和开槽孔式等若干种吸声型声学单元，为弄清隔声型彩钢复合板基本构件的隔声性能，本研究选取较小厚度的彩钢复合板材料(50mm厚)地行隔声性能测试。

1 彩钢复合板空气声隔声量
根据隔声量声学试验对材料的要求，本研究将加工好的50mm厚的平板彩钢复合板，委托中国建筑科学研究院建筑物理研究所对该材料空气声隔声量按照GBJ-84检测，根据检测报告，其材料1/3倍频程隔声量(dB)如表4所示检测设备为B&k4418型建筑声学分析仪。

彩钢复合板(厚50mm)1/3倍频程隔声量(dB) 表4
吸声彩钢复合板(厚50mm)1/3倍频程隔声量(dB) 表5
吸声彩钢复合板(厚50mm)吸声系
数表6
2 吸声型彩钢复合板空气隔声量
根据本研究加工成的彩钢复合板吸声型声学构件，中国建筑科学研究院建筑物理研究所对50mm厚彩钢复合板单面0．6mm厚的彩色钢板上开长方形槽孔(试件面积4．5m，上开5×40(mm) 槽孔，计48条)，按照GBJ75-84检测，其材料1/3倍频程隔声量(dB)如表5所示(检测设备为B& k4418型建筑声学分析仪)。

3 彩钢复合板隔声性能测试结果分析
对隔、吸声彩钢复合板空气声隔声量测试表明：
(1)在开槽孔和不开槽孔两种情况下，彩钢复合板的计权隔声量无差别，其计权隔声量均为3 2dB，表明此两种声学元件能满足声屏障降噪量小于20dB时对材料隔声量的要求。

(2)从单个1/3倍频程隔声量分析，不开槽孔的彩钢复合板中低频隔声性能较好。

开槽孔的吸声彩钢复合板中高频隔声性能较好。

在中频声范围内用该材料加工的两种隔吸声构件，其材料隔声量差别不大。

五、彩钢复合板吸声构件的吸声性能研究
1 材料的吸声系数
长期的研究表明，吸声型声屏障材料具有较好的吸声性能，其对公路行车线区域的声环境有一定的改善作用，所以吸声型声学构件在公路声屏障中有着广泛的应用前景。

本研究为弄清吸声型彩钢复合板吸声构件的吸声性能，委托中国建筑科学院建筑物理研究所对材料吸声性能进行测试，建研院物理所按照GBJ47-83《混响室法吸声系数测量规范》，使用丹麦B&K公司生产的4417型建筑声学分析仪及配件在混响室测其材料混响室法吸声系数(试件面积：10m∧2，单面0．6mm厚的彩色钢板开孔率0．2%，内填50mm厚岩棉)。

根据测试报告，其构件1/3 倍频程混响室法吸声系数如表6。

2 测试结果分析
对开孔率为0．2%的彩钢复合板吸声性能测试表明，彩钢复合板制成的吸声构件，其材料在各频率均具有较好的吸声性能。

测试结果进一步显示吸声彩钢复合板在400～800Hz频段上其吸声系数均大于0．85，表明本材料对中频声吸收效果更佳。

因公路交通噪声主要为中低频声音，其能量分布在500Hz附近，所以本材料良好的吸声性能对降低公路交通噪声较为有利。

因此用彩钢复合板制成的声屏障吸声构件，在具体公路声屏障建设使用中能有效地降低在双侧屏障存在时，因声反射对行车道区域声环境所产生的污染。

六、彩钢复合板材料公路声屏障构筑方法研究
彩钢复合板具有耐腐蚀、体轻、强度高、刚度大、弹性好和不易积灰等优点，同时其结构形式灵活，式样多，美观易于安装等。

结合彩钢复合板的材质特点及其在公路声屏障中的应用，同时综合考虑我国目前的施工水平及其他一些因素，经反复推敲、仔细研究其材料声屏障构造方式可如下：
该材料公路声屏障可以H型钢立柱为骨架，以不同声学构件的复合板为基本构件。

两板之间可用自攻钉、记水抽芯铆钉等连接，各连接处密封一般选用密封垫圈和密封膏。

密封膏采用丙烯酸、聚硫、硅酮或其他密封膏等。

封边板和包角板及其他配件均可采用与彩钢复合板面层相同的镀锌彩色钢板，声学元件与钢柱之间可选用弹性钢垫片柔性连接。

1 彩钢复合板的质量控制
为保证工程质量，要求彩钢复合板：(1)板面平整，无明显凹凸手感。

(2)表面清洁，色泽均匀，无粘胶、污物。

(3)彩色钢板表面不露划痕。

(4)钢板四周与芯材必须粘结牢固，无开胶现象，板内部开胶面积不大于总面积的2%。

2 彩钢复合板公路声屏障施工注意事项
(1)安装时，板与板之间必须挤紧使接封严密后，方可固定。

(2)搭接处，用抽芯铆钉将两面板联接，钉距小于或等于350mm。

(3)凡涂密封膏防水之处，均应清洗干净，不得有浮灰、油垢等污物。

每天作业完成后，应将板面遗留的钻钉、铆钉等杂物清除干净，以免某些铁器遇水生锈，在板上留下污点，工程完成后更应彻底清扫一遍，使排水畅通。

3 彩钢复合板的储存和运输
(1)短期露天堆放应采取必要的防水措施，底部垫木高度不小于150mm，垫木间距不大于 500mm。

(2)堆放时按板长短分类堆放，堆放场地应排水通畅，不得有积水。

长期储存应放在室内。

汽车及集装箱运输时，以捆扎包装为宜。

七、结语
综上所述可得出如下结论：
1 彩钢复合板材料具有良好的隔声性能，能满足声屏障降噪量为20dB时
对材料隔声性能的要求。

2 彩钢复合板吸声构件在公路交通噪声能量集中400～800Hz具有良好的吸声性能，在两侧设置声屏障和声屏障对面具有强反射体时，吸声构件能很好的吸收因反射而产生的混响声，使屏障所在的行车道区域声环境质量能得到有效的改善。

因其良好的吸声性能，彩钢复合板吸声构件能在我国的公路声屏障建设中得到一定的应用。

3 彩钢复合板材料具有自重轻、美观、材料工厂化生产程度高、施工快速、维护容易等优点。

上述材料特点进一步表明该材料更适用于在高架桥上设置声屏障时使用。

4 彩钢复合板公路声屏障其他配套材料齐备，其生产施工机械化程度高。