水泥基吸音降噪材料在交通工程研究

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摘要：为解决交通噪声治理难题，研究水泥基吸音降噪材料的配合比设计，介绍材料物理力学性能测定方法，讨论城市轨道交通吸音板的结构型式设计。实践表明，城市轨道交通吸音板力学性能良好，28d抗压强度≥8MPa，28d抗折强度≥2MPa；同时，降噪系数达到国家吸声性能等级I级标准。联系实际工程运用，总结城市轨道交通吸音板的生产工艺流程及施工工法。

关键词：水泥基材料；吸音降噪；交通工程

0前言

随着高架道路、地铁轻轨、高速公路、铁路的运营与飞速发展，交通噪声污染问题亟待解决。在治理噪声污染的诸多措施之中，采用新型环保材料进行吸音降噪处理是一种有效可行的方法［1］。由于人们生活水平不断提高，民众对生活质量的要求越来越高。为了建设更加安静生活环境，满足人们对美好生活的需求，水泥基吸音降噪材料的研究不能停留于口，更应实践于手。陶粒属于多孔吸音材料，用陶粒做骨料制备的混凝土具有持久耐久、耐腐蚀、阻燃等性质，同时能保持多孔吸音材料的基本特性［2］。以水泥为胶凝材料，以陶粒为骨料，运用特殊工艺使水泥浆体形成连通孔隙，能够进一步发挥陶粒作为多孔吸音材料的优良吸音特性。实践证明，研制地铁轨道吸音板是一种理想的地铁与隧道消音降噪措施，能够解决交通工程中噪声治理的难题。

1吸音材料的技术研究

1．1设计指导思想

根据水泥基吸音板技术要求，单元板采用水泥基吸音材料成型后应满足以下条件：以陶粒、水泥等无机材料为主要成分制成，降噪系数≥0．80，28d抗压强度≥8．0MPa，28d抗折强度≥2．0MPa，密度≤1200kg／m3，环保无毒，不燃烧，燃烧性能等级为A1级；结构耐腐蚀，耐高温，不导电以及抗冻融性好；经久耐用，遇水冲刷或潮湿应不降低其降噪效果，搅拌均匀，颜色一致。因此，水泥基吸音降噪材料的设计指导思想如下。1）为满足吸音材料的降噪效果及质量要求，水泥基骨料应采用孔结构可控、圆度粒级以及力学性能达到所需技术要求的优质陶粒。2）水泥基吸音材料由水泥、陶粒、纤维、外加剂以及水等材料按设计配合比组成［3］，搅拌均匀后预留余量进行压制，不同模具能够压制成不同结构型式的试件，测量其吸声系数需达到国家I级标准，力学性能等需满足相关性能指标要求。

1．2配合比研究设计

早期阶段，根据技术要求设计初始配合比，通过驻波管法测试筛选原材料、调整配合比；当达到理想吸声系数并能在各频率段上基本保持一致后，再进行计算修正，进行二次调整，最后材料达到最优吸声性能。配合比设计参数控制如下。陶粒级配：骨料级配直接影响着吸音材料的孔隙结构，间断级配能使陶粒骨料堆积形成较好的孔结构，具有大量的孔隙，能够满足吸音降噪材料的使用条件［4］。粒度：经过调研试验，发现使用8mm以下粒径陶粒制成的陶粒混凝土吸音板具有较好的吸音降噪效果［5］，最终确定陶粒骨料粒径范围是0～8mm，分为三种粒级：陶粒A（0～3mm）、陶粒B（3～5mm）和陶粒C（5～8mm）。水灰比：水泥基吸音降噪材料的特殊使用功能决定了其水灰比与普通混凝土相比存在巨大差异，吸音降噪材料的成型除了需要满足水泥的最小需水量、陶粒的吸水率的要求，还应当尽量减小用水量，以满足孔隙率、强度及耐久性要求。因此，吸音降噪材料的水灰比控制十分关键，直接影响着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内部结构情况的重要指标，也是材料吸声性能重要参考因素［6］。目标孔隙率是配合比设计中的重要参数，能够直观反映出材料预设的孔隙情况。若目标孔隙率设定过高，则会影响到材料的强度及耐久性；若目标孔隙率设定过低，则无法达到吸音降噪材料的吸声性能要求。为了满足材料使用要求的同时兼顾优化材料吸声性能，预先设定目标孔隙率为20％、25％、30％，最后根据试验结果微调，找出最佳孔隙率。主要配合比设计参数如表1所示。

1．3物理力学性能测定

1．3．1吸声性能的测定。根据试验研究需要，采用驻波管吸声系数测试仪检测吸音板等吸音降噪材料的吸声系数，吸声系数试验用测试设备1。除驻波管吸声系数测试仪之外，还需配备混响室这一工程用检验设备，建成使用中的混响室如图2所示。根据《声学混响室吸声吸声测量》（GB／T20247—2006）、《建筑吸声产品的吸声性能分级》（GB／T16731—1997）［7－8］进行混响室吸声测量，结果表明，城市轨道吸音板的降噪系数NRC值为0．8，吸声性能等级为I级。1．3．2力学性能的测定根据实际工程的具体要求，参照规范《水泥胶砂强度检验法》（GB／T17671—1999）［9］将抗压强度试件尺寸大小取为70．7mm×70．7mm×70．7mm；抗折强度试件尺寸大小取为40mm×40mm×160mm，并形成了企业标准《HCM吸音板》。经过多组试验及检验，吸音板试件的抗压强度平均值为11．8MPa，抗折强度平均值为3．3MPa。抗压强度能稳定保持在8MPa以上，抗折强度保持在2MPa以上。因此，城市轨道吸音板的力学性能是稳定的、安全的。1．3．3耐久性能的测定经过测试，城市轨道吸音板不导电，且结构无腐蚀性；经过200次冻融试验，吸音板的质量损失率仅为3．4％，远小于标准5％的规定值；动弹性模量为82．4％，满足大于60％的标准要求；抗蚀系数达到83．3％，高于标准要求的75％，耐腐蚀性能优异。

2吸音材料的工程应用

2．1吸音板结构设计

吸音板应达到结构安全、可实施性好等要求，在充分发挥吸音板的降噪功能的前提下，发挥人行通道、水沟盖板的功能。吸音板的外形与铺装要满足建筑限界与车辆限界要求，同时保证行车安全。一方面，吸音板的结构设计要合理利用噪声控制原理，充分发挥多孔材料的吸声性能，最大限度提高降噪水平。另一方面，吸音板的设计强度应满足作为人行通道的要求。针对国内不同地铁轨道尺寸，设计出不同的吸音板外形结构和规格尺寸，并制定了相应的钢结构和塑料空腔模具。其中一种设计合理的吸音板外形，如图3所示。为保障吸音板的工作安全性，还要进行安全性理论分析。根据吸音板结构型式，通过结构分析设计软件ANSYS，建立相应三维模型；完成模型网格划分与均布荷载的施加后，进行相应的结构计算。根据计算结果可知，城市轨道吸音板在实际使用状态下施加均布荷载后，拉、压应力值均远远小于吸音板试件本身的强度值，吸音板产生的位移量非常小。因此，城市轨道吸音板能安全稳定地适用于更多城市轨道交通工程。。

2．2吸音板生产工艺

水泥基吸声降噪材料由水泥、骨料、减水剂以及其他添加剂配制而成，相较于其他降噪材料，需要兼顾吸声性能及力学性能要求。为满足声学与力学等不同领域的性能要求，作者团队从原材料选择、产品结构、生产工艺等方面进行创新、优化、改进，并通过反复试验研究，最终研制出满足高速交通工程的技术要求的城市轨道吸音板。2．2．1预制生产。在预制工厂，根据工程设计图纸尺寸选择模具，并按照以下生产工艺进行生产。①准备工作：包括设备模具的准备、原材料的准备、陶粒筛分、防水预处理等；②根据优化配合比进行原材料的称量计重工作；③对原材料进行混合搅拌；④搅拌均匀后将拌合物装模；⑤振动压模成型；⑥养护试件，必要时进行蒸汽养护；⑦成品检验；⑧包装运输。半自动化生产线如图4所示。2．2．2现场检验。生产过程中，每班组至少须制作一组试块并与现场同条件养护，以检验其抗压强度与抗折强度；同时制作至少1组直径为96mm、高为100mm的试块，用于驻波管法测量吸声系数，折算出吸音板的降噪系数。外观要求表面平整，颜色均匀，无蜂窝，无裂纹，无掉角缺块；尺寸误差应在5mm之内；28d抗压强度应≥8MPa，抗折强度应≥2MPa；降噪系数应≥0．8。只有严格达到以上技术要求，才能为交通工程的吸音降噪效果提供保证。

2．3吸音板施工工艺

2．3．1施工指导思想。水泥基降噪吸音材料的安装工程几乎都是在狭窄、陡峭的地方，特别是城市轨道吸音板，放置在行车轨道的底部，比较适合人工铺装［10］。因此，城市轨道吸音板的施工应遵循的指导思想为：方便、快捷，不会大面积影响其他的工作。同时，施工工艺安全、可靠。148页）2．3．2施工措施经过试验验证，吸音板生产工艺可按以下步骤进行施工，整个施工工程便捷、环保，且不影响其他施工安装。1）将在工厂预制成型的吸音板运输至安装现场，根据不同的规格进行堆放。2）通过轨道平板车或其他工具将所要求规格的吸音板运送至预定铺装点。3）清扫干净所要安装的基础，要求无浮土，无油污。4）定好铺装位置，将吸音板用吊装带吊起预位，将底部粘结板的防护层剥掉。5）按位置铺设在道床上完成安装，如果是使用螺栓固定，就位后直接把螺栓锁紧。6）铺设好的吸音板应牢固平稳，铺设位置需符合技术文件要求。

3结语

水泥基吸声降噪材料涉及不同的专业领域，国内没有可借鉴的成功经验或资料作为参考，产品研发难度很大，需要多方面多角度进行尝试，不断研究、创新。本文主要探讨了水泥基降噪材料配合比的设计；明确了水泥基吸音降噪材料物理力学性能测定方法；研究了城市地铁吸音板的结构设计及安装方法；利用设计科学、使用方便的模具，通过自动化及半自动化生产工艺达成吸音降噪产品的批量生产。解决了交通工程中噪音大、噪声频带宽、降噪措施易失效、费用高等难题，为创造更佳的人居环境奠定了基础。希望以此为基础，在原材料绿色环保、生产环节降低能耗、产品质量与外观等方面，能够进一步攻坚克难，细致完善具体的吸音降噪配套措施，从而提高生产力和市场核心竞争力。

作者:朱万旭 黄歆彧 周红梅 单位:广西科技大学土木建筑工程学院 桂林理工大学土木建筑工程学院