新型多孔水泥基陶粒吸声材料的性能分析

新型多孔水泥基陶粒吸声材料的性能分析
李青;酆磊;朱万旭;周红梅
【摘要】A new type of porous cement based ceramic material was developed by using clay aggregate and 42.5 grade Portland cement as main raw materials and adding some auxiliary materials.Through the research,it is found that the particle size distribution,compression
ratio,cavity,surface morphology,and different installation methods have a certain influence on the sound absorption performance of the material.When the size range of 0.5 ～2.5 mm particles,the noise reduction effect of 100～1 800 Hz is better;when the material compression ratio is 1.3,100 ～1 800 Hz sound absorption effect is better,the noise reduction coefficient 0.55;the back of the material reservation 50 mm back cavity,low frequency sound absorption properties of materials is improved;at the surface and the material to make the exposure on the sound field in the area increased,on acoustic has more fully absorption.%以黏土质陶粒和42.5级普通硅酸盐水泥作为主要原料,添加一定的辅助材料,研制出一种新型多孔水泥基陶粒吸声材料.经过研究发现:颗粒级配、压缩比、空腔、表面形态、不同安装方法等对该材料吸声性能都有一定的影响.0.5～2.5 mm粒径范围的陶粒,对100～1 800 Hz的降噪效果较好;材料压缩比为1.3时,对100～1 800 Hz的吸声效果较好,其降噪系数为0.55;该材料后面预留50 mm背腔,低频吸声性能得到有效提高;表面处理过的材料,其暴露于声场中的面积增大,对声波具有更充分的吸收.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2017(017)001
【总页数】5页(P103-107)
【关键词】黏土质陶粒;吸声材料;性能测试;降噪
【作者】李青;酆磊;朱万旭;周红梅
【作者单位】广西科技大学土木建筑工程学院,柳州545006;广西科技大学土木建
筑工程学院,柳州545006;广西科技大学土木建筑工程学院,柳州545006;广西岩土
力学与工程重点实验室;桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林541004;广西科技
大学土木建筑工程学院,柳州545006
【正文语种】中文
【中图分类】TU522.09
随着我国经济的快速发展，城市化进程的加快，环境污染日益严重地影响着人类的生活，噪声污染、水污染和大气污染已成为当今世界污染的三大主要问题[1]。

由
于噪声污染感觉直接、影响广，已经成为影响人民生活最严重、最广泛的突出问题。

噪声污染对城市居民的健康带来很大的危害，表现为影响人的身心健康，破坏城市环境。

噪声污染问题的日益突出，越来越受到政府和科技工作者的重视，吸声降噪材料不断被研发出来。

早期的吸声材料主要是棉、麻、毛毡等天然纤维质有机材料，该材料防火、防潮以及防腐性能差。

随后，出现了无机多孔材料，如玻璃棉、矿渣棉和岩棉等，该材料容易折断形成粉尘散逸而污染环境。

而后出现的泡沫金属、金属纤维等多孔性金属吸声材料，其成本高，工艺条件不易控制[2]。

如此种种的不足促
使人们更加积极探寻物优价廉的吸声材料。

黏土质陶粒不仅造价低廉，而且具有质
轻、耐腐蚀、耐火等特点，其内部结构特征呈细密蜂窝状微孔，非常适合作为吸声材料。

以黏土质陶粒为骨料，42.5级普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，加以一定的
辅助材料，研制出一种新型多孔水泥基陶粒吸声材料。

除了陶粒本身的空隙率多之外，陶粒颗粒互相之间堆积产生大量微空隙，从而使其具备优良的吸声降噪性能。

1.1 原材料
黏土质陶粒：粒径范围为0.5～8 mm，起骨架作用，陶粒的主要技术指标如表1
所示，黏土质陶粒如图1所示。

水泥：选用柳州鱼峰水泥集团生产的42.5级普通硅酸盐水泥。

主要技术指标见表2。

其他成分：自来水、防水剂、减水剂等。

1.2 试验制备
首先将陶粒、水泥等原材料按比例混合，加入搅拌机中，使其搅拌均匀，搅拌5 min左右，然后掺入适量防水剂的水溶液，使得原料黏结。

准备底面直径为100 mm，高度为100～150 mm的圆形铁模具，并在圆柱型模具内表面均匀涂抹机油，以帮助成型后脱模。

脱模24 h之后，放入养护箱养护28 d后进行测试。

陶
粒试块如图2所示。

1.3 测试方法
试验采用杭州爱宏仪器有限公司生产的AWA6128型驻波管吸声系数测试系统测
试垂直入射的吸声系数，根据《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》进行测试。

图3是AWA6128型驻波管吸声系数测试系统的示意图。

多孔吸声材料的结构特征是材料内部存在许多互相连通的微孔或间隙,而且孔隙较
细小，并在多孔吸声材料内部呈均匀分布。

其吸声机理是当入射声波辐射到材料的表面时，一部分声波能量在材料表面经过反射，返回到空气介质中，另一部分声波能量则透射进入到材料内部向前传播，在能量传播过程中,引起材料孔隙中的空气
产生运动，与形成孔壁的固体孔筋或孔壁发生摩擦作用，由于空气中黏滞性和热传导效应,将声波能量转变为热能被耗散掉。

声波在刚性壁面反射后，经过材料回到表面时，一部分声波透射到空气中，一部分又经过反射回到材料的内部，声波通过这种反反复复地传播，使声波能量不断地被转换耗散，如此反复循环，直到平衡，由此使材料吸收部分声波能量。

如图4所示。

吸声材料的吸收声能Eα和入射声能Ei的比值，即入射声能与反射声能Er的差值和入射声能Ei之比称为吸声系数，通常用α表示，即：。

吸声系数是评定吸声效果的主要指标，一般情况下0﹤α﹤1，若α越大，则吸声性能越好。

3.1 颗粒级配对材料吸声性能的影响
试验筛选了0.5～1.5 mm、1.5～2.5 mm、2.5～4 mm、4～8 mm四种范围的粒径制作四个试块a、b、c、d，四个试块的体积及原料比例相同，其密度分别为1 048.8 kg/m3、1 036.6 kg/m3、1 029.6 kg/m3、1 025.1 kg/m3，试块的密度控制在1 030 kg/m3左右，密度相差范围不是很大，即密度对吸声系数的影响可忽略不计。

由图5可知，a、b试块的吸声曲线趋势相似，从较低频开始吸声系数就较高，分别达到了0.39和0.4，在1 800 Hz时吸声系数达到最大，分别为0.62、0.64。

试块a的吸声系数在频段100～315 Hz时比试块b略低，但此后频率的增大其吸声系数都比试块b高。

c、d试块的吸声曲线趋势大致相同，从低频开始吸声系数较低，在100 Hz分别只有0.17和0.19。

频率的逐渐增大，在400 Hz出现第一个较高的峰值，c试块峰值高达0.8，远大于a、b试块吸声系数的最大值，d试块的第一个峰值为0.63，接近于a、b试块的最大值。

显然，随着频率的变化，c、d试块的吸声曲线出现不同程度起伏。

综上所述，0.5～2.5 mm粒径陶粒制作的吸声材料孔隙对整个频段都有较好吸收
效果，降噪系数较高。

2.5～8 mm粒径陶粒制作的吸声材料孔径会对某些频率有
很好的吸收效果，但大部分频段吸声系数很低，整体分析后降噪系数也较低。

3.2 压缩比对材料吸声性能的影响
半干料压缩前后的高度比H1/H2为压缩比。

适当的压缩比才能形成高效吸声的孔结构。

分别对压缩比为1.3、1.4、1.5进行试验。

由图6可以看出，当压缩比从1.3增加到1.5时，吸声曲线在100～1 800 Hz频段大幅降低，由较大的峰值吸
声系数降到峰值较平缓曲线。

压缩比1.5的试块这段频率下的吸声系数比压缩比1.4的试块分别降低了0.27、0.44、0.4、0.24、0.11、0.14、0.3、0.14，数值相差超过了0.1。

通过计算可知，压缩比为1.3、1.4、1.5时，其相应的降噪系数为0.55、0.49、0.35。

这是由于压缩比的增加，材料就越密实，引起流阻[6]增大，
从而空气透气量减少，造成吸声系数下降。

所以，对该多孔吸音材料而言，压缩比为1.3时，其吸声降噪效果较好。

3.3 空腔对材料吸声性能的影响
由图7可以看出，背腔逐渐增大，低频吸声性能逐渐提高。

吸声曲线在400 Hz频段，预留30 mm背腔吸声系数达到最大，其峰值为0.74。

吸声曲线在500 Hz频段，预留10 mm背腔和50 mm背腔吸声系数达到峰值，分别为0.77和0.7。

其中，材料后面预留50 mm背腔，低频吸声性能得到有效提高，但平均吸声系数并没有得到提高。

其原因是：声阻抗决定吸声材料的吸声系数。

声阻抗又包含两部分：声阻和声抗。

声阻决定材料的损耗吸声，其不受频率影响，而声抗则和频率呈函数关系，影响到材料的频率特性。

若声阻和声抗的比值小，则频率选择性弱；反之，若比值较大，选择性强。

该材料在低频时，频率的选择性决定于材料的弹性，故增加空腔和加大材料的厚度，可以改进低频吸收；而材料的内部结构并没有改变，所以其平均吸声系数并没有提高。

在实际工程中，通过改变吸声材料背腔来控制材料
厚度，从而改变吸声材料的频率特性，这是相当有价值的。

3.4 表面形态对材料吸声性能的影响
吸声材料的表面结构形态不同时，会对其吸声性能产生不同的影响作用。

对试块进行表面开槽和表面开孔处理，然后通过驻波管测试其吸声效果，与表面未处理的吸声材料进行比较，测试结果如图8所示。

吸声曲线在500 Hz频段，达到最大峰值，分别为0.92、0.91、0.9。

在1 000 Hz 频段，为吸声曲线波谷值，分别为0.62、0.57、0.52。

表面开槽试块与表面未处
理试块吸声系数平均值相比提高了0.15。

表面开孔处理后的试块，其整体吸声性
能与未处理试块比较有了一定的提高。

这种对吸声性能提高的作用是由于接触面积增大造成的，因为开槽型和开孔型结构与表面未处理相比较，处理过的表面增加了有效吸声表面面积，使材料暴露于声场中的面积增大，对声波具有更加充分的吸收。

所以，要使材料的吸音性能得到一定提高，必须充分考虑吸声试块的表面形态。

3.5 不同安装方法对材料吸声性能的影响
工程实际应用中，安装吸声制品时即要牢靠不影响美观，又要保证吸声性能。

胶黏剂能将异质的材料连接在一起，且固化后具有足够强度。

采用强力胶粘结接触面，应用于安装中操作方便、经济实惠。

厚度为110 mm的吸声试块，密度为1 025.2 kg/m3，通过驻波管测试其中一面的吸声系数，然后将未测试的那面粘胶。

仍旧测试刚才测试过的那一面，比较这两次吸声系数的不同。

图9是粘胶与未粘
胶试块的吸声系数图，两条曲线相差微小。

粘胶后吸声系数在100～315 Hz频率段时分别为0.29、0.44、0.67，比未粘胶的试块分别略低0.02、0.04、0.05。

在400～800 Hz频率段时分别为0.93、0.87、0.64、0.5，比未粘胶的试块分别略高0.01、0.08、0.07、0.02。

在1 000～2 000 Hz频段时两种情况相差分别为0.03、0、0.05、0.04。

两种情况在整个测试频段中的吸声系数相差不超过0.04，说明粘胶不会对吸声性能有较大影响。

图10为混响室法和驻波管法吸声系数对比曲线，新型多孔水泥基陶粒吸声材料在120 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、1 800 Hz、4 000 Hz中心频率下的平均吸声系数达到0.72。

通过计算在250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、1 800 Hz中心频率下的吸声系数算术平均值，得到降噪系数(NRC)为0.82。

根据标准
GB/T16731—1997《建筑吸音产品的吸音性能分级》，新型多孔水泥基陶粒吸声材料吸音性能达到等级Ⅰ。

由图10可知，混响室法和驻波管法测得的吸声系数曲线趋势保持一致，主要频率具有相似发展规律，混响室法所得数据均高于驻波管法测得的吸声系数。

通过对新型多孔水泥基陶粒吸声材料降噪性能的试验研究得出以下结论：
(1) 0.5～2.5 mm粒径陶粒制作的吸声材料，对整个频段都有较好的吸收效果；
2.5～8 mm粒径陶粒制作的吸声材料，对某些频率有很好的吸收效果，但大部分
频段吸声系数很低。

(2) 压缩比从1.3增加到1.5，吸声系数逐渐降低，这是由于随着压缩比的增加，
材料就越密实，引起流阻增大，造成吸声系数下降。

预留50 mm背腔，该材料的低频吸声性能得到有效提高，可以通过改变吸声材料背腔来控制其厚度。

(3)表面处理的试块，其整体吸声性能比未处理试块有一定提高。

这是由于处理过
的表面增加了有效吸声表面面积，使材料暴露于声场中的面积增大，对声波具有更加充分的吸收。

底面粘胶和无粘胶在整个测试频段中的吸声系数相差不超过0.04，说明粘胶不会对吸声性能有较大影响。

(4) 新型多孔水泥基陶粒吸声材料采用驻波管法和混响室法测得的吸声系数曲线趋势保持一致，在6个中心频率下的平均吸声系数达到0.72，降噪系数(NRC)达到0.82，吸音性能达到等级Ⅰ。

【相关文献】
1 周栋梁, 潘志华. 新型水泥基泡沫吸声材料的研制. 噪声与振动控制, 2010; 30(4):58—60 Zhou Dongliang, Pan Zhihua.Research and development of a new type cellular concrete based sound absorption material.Noise and Vibration Control, 2010; 30(4):58—60
2 周曦亚, 凡波. 吸声材料研究的进展. 中国陶瓷, 2004; (05):28—31
Zhou Xiya, Fan Bo.Advances on the research of sound-absorbing materials.Chinese Ceramics,2004；(05):28—31
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Luo Yuping. Study of cement porous materials with fly-ash. Concrete,2000;(09):38—39
4 向建华, 廖日东, 蒲大宇. 基于流阻率的吸声材料声学性能研究. 北京理工大学学报, 2009;
29(11):1018—1022
Xiang Jianhua, Liao Ridong, Pu Dayu. Performance of sound-absorbing material based on flow resistivity. Journal of Beijing Institute of Technology, 2009; 29(11):1018—1022
5 王玉婷, 蒋友新, 李玉香, 等. 水泥基多孔吸声材料的研制. 混凝土, 2008; (9):74—76
Wang Yuting, Jiang Youxin, Li Yuxiang, et al. Investigation on ementbase sound absorption materials. Concrete, 2008; (9): 74—76
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Zhu Hongbo.Study on high sound absorption and durability material.Wuhan：Wuhan Institute of Technology,2003
7 杨建奎. 基于普通水泥制备多孔吸声材料的研究.成都：西南交通大学,2014
Yang Jiankui. Rsesarch of preparation of porours sound-absorbing material based on portland cement. Chengdu：Southwest Jiaotong University,2014。