（材料学专业论文）混凝土吸声隔音砌块的制备研究.pdf

摘要 摘要 随着公路交通事业的迅速发展，特别是高速公路建设的快速发展带来了日益严重的 噪音污染，噪声的存在严重影响了居住区及市区的生活环境，给城市生态环境带来极大的 负面影响。本文所研制的混凝土吸声隔音砌块，是一种新型的混凝土功能砌块，相对其它 吸声降噪材料，它具有更好的耐久性，同时又具有较好的吸声降噪效果。 本文主要针对混凝土吸声隔音砌块基体多孔混凝土的配合比设计、强度、抗冻性及吸 声性能等方面进行了探讨和研究。在基本力学性能方面，本文研究了多孔混凝士在不同水 胶比，不同集料级配，不同设计空隙率时的强度变化规律，同时也研究了多孔混凝土在掺 加矿物掺合料或聚合物改性荆时，其强度随着外掺料掺量的变化规律。在吸声性能方面， 本论文初步探讨了多孔混凝土在不同空隙率，不同集料级配、不同试件厚度以及人工孔隙 的条件下，其不同频率的吸声系数变化规律和综合平均吸声系数变化规律。综合考虑多孔 混凝土的强度和吸声两方面的因素，总结出了制各混凝土吸声隔音砌块的多孔混凝土优良 配合比设计方案。在进行混凝土吸声隔音砌块的制各时，设计空隙率的范围为2 0 2 5 ， 掺加矿物掺合料的情况下，水胶比范围为0 2 4 - 0 2 8 ，掺加聚合物乳液时，水胶比范围为 0 2 4 - 0 2 7 ，粗集料的最大粒径不得超过1 6 r a m 。在这一条件下制备的多孔混凝土能够保证 2 0 m p a 以上的强度，同时又具有0 3 以上的平均吸声系数。 同时本论文还根据多孔混凝土的声学特性和共振吸声结构的声学原理，设计了4 组不 同结构的混凝土吸声隔音砌块。最后总结本论文的研究内容编写了混凝土吸声隔音砌块的 生产工艺规程。 关键词：多孔混凝土，砌块，立方体抗压强度，弯盐抗折强度，4 空隙率、吸声系数 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to fh i g hw a y s ， t h en o i s ep o l l u t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ew o l 跎t h en o i s ed a m a g e st h eh a b i t a t i o n a n dd o w n t o w ne n v i r o n m e n tb a d l y ，a n dm a k e st h el i v i n ge n v i r o n m e n to fc i t i e sh a r d l y t h en o i s ea b s o r p t i o na n ds o u n d p r o o fc o n c r e t eb l o c kw h i c hh a sb e e ns t u d i e di nt h e p a p e ri san e wc o n c r e t eb l o c k ，i th a sb e t t e rd u m b i l i t ya n dg o o dn o i s ea b s o r p t i o n a b i l i t yc o m p a r ew i t ht h ee n m n l o nc o n c r e t eb l o c k t h es t r e n g t h ，m i xp r o p o r t i o n s ，f r o s tr e s i s t a n c ea n ds o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e so f p o r o u s c o n c r e t eh a v eb e e ns t u d i e da b u n d a n t l yi nt h ep a p e r t h ec h a n g eo f c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t hw i t hd i f f e r e n tw b ，d i f f e r e n ts i z e so f a g g r e g a t e ，d i f f e r e n tt a r g e tv o i dr a t i oo nt h eb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a v eb e e n s t u d i e d w h i l et h ec h a n g eo fc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t hw i t hs i l i c a f u m ea n df l ya s ha l s oh a v eb e e ns t u d i e d f o rt h es o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e s ，t h e i n f l u e n c eo ft a r g e tv o i dr a d o ，t h es i z e so fa g g r e g a t ea n dt h et h i c k n e s so fp o r o u s c o n c r e t et os o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n da r i t h m e t i cm e a no ft h ea b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t sh a v eb e e ns t u d i e dt o o t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s tr a n g eo f t a r g e tv o i dr a t i oi s2 0 - 2 5 ，a n dt h eb e s tr a n g eo fw bi s0 2 4 0 2 4w h e ns i l i c af u m e a n df l ya s ha r ea d d e dt op o r o u sc o n c r e t e b u tw h e np o l y m e rm o d i f i e ra r ea d d e dt o p o r o u sc o n c r e t e t h eb e s tr a n g eo fw bi s0 2 4 0 2 7 t h el a r g e s ts i z eo fa g g r e g a t ei s 1 0 m m t h ep o r o u sc o n c r e t ew h i c hm a d ew i t ht h e s ec o n d i t i o n sc a ng e t2 0 m p a s t r e n g t ha n dt h ea r i t h m e t i cm e a no ft h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t so fi ti sl a r g e rt h a n0 3 t h e r ea l e4g r o u p sn o i s ea b s o r p t i o na n ds o u n d p r o o fc o n c r e t eb l o c kh a v eb e e n d e s i g n e db a s e do na c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i co fp o r o u sc o n c r e t ei nt h ep a p e r a tl a s tt h e t e c h n i cr e g u l a t i o n sh a v eb e e nd e s i g n e d k e yw o r d s ：p o r o u sc o n c r e t e ；b l o c k ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；f l e x u r a ls t r e n g t h ；t a r g e t v o i dr a t i o ；s o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 改革开放2 0 多年来，我国公路交通事业发生了历史性的巨变。目前，公路交通已不再 是制约国民经济增长的“瓶颈”，而成为拉动国民经济发展的主要力量。近几年来，我国的 公路交通事业发展更为迅速，特别是高速公路的建设，速度惊人。1 9 9 5 年全国公路总里程 为1 2 5 7 0 万k m ，到2 0 0 5 年末已达到1 7 0 9 5 万k m ，同期高速公路从0 2 1 4 7 万k m 发展到 1 6 3 万k m 。根据交通部近期规划的“公路、水路交通发展三阶段战略目标”，到2 0 1 0 年， 全国公路总里程达到1 8 0 万k 。其中高速公路达到3 5 万k 皿，占公路总里程的1 9 ；二级 以上公路达到3 6 万k m ，占公路总里程的2 0 。 在公路交通快速发展的同时，我国汽车拥有量也一直保持快速增长，民用汽车拥有量从 1 0 4 0 万辆急剧增长到1 5 8 0 万辆。因此在公路交通快速发展的同时，也带来了日益严重的噪 音污染“1 。道路交通噪音的存在，严重干扰了城镇居民的正常生活。噪音的危害主要表现在 以下几个方面”：噪声对听力的损伤：大量的调查研究表明，人们长期在强噪声环境下工 作，会使耳内听觉组织受到损伤，造成耳聋。国际标准化组织规定，听力损失用5 0 0h z ， 1 0 0 0h z ，2 0 0 0h z 三个频率上的听力损失的平均值来表示。听力损失在1 5 d b 以下属正常， 1 5 2 0 d b 属于接近正常，2 5 4 0 d b 属轻度耳聋，4 0 6 5 d b 属中度耳聋，6 5 d b 以上属重度耳 聋。一般将噪声性耳聋指平均听力损失超过2 5 d b 。在这种情况下，人与人相互间进行1 5 m 外的正常交谈会有困难，句子的可懂度下降1 3 ，句子加单音节词的混合可懂度降低3 8 。 大量的统计资料表明，噪声级在8 0 d b 以下，方能保证人长期工作不致耳聋。衡量听力损失 的量是听力阈级。听力阈级是耳朵可以觉察到的纯音声压级。它与频率有关，可用专用的听 力计测量。阈级越高，说明听力损失越大。 噪声对睡眠的干扰：睡眠对人体是极其重要的，它能使人们新陈代谢得到调节，人的大 脑通过睡眠得到休息，消除体力和脑力疲劳。人的睡眠一般以朦胧一半睡一熟睡一沉睡等几 个阶段为一个周期。每个周期大约9 0 分钟，周而复始。年龄越大，半睡状态增加，熟睡状 态缩短。连续噪音可以加快熟睡到半睡的回转，会使人多梦，熟睡的状态缩短。一般来说， 4 0d b 的连续噪声可使1 0 的入睡眠受影响，7 0d b 可使5 0 的入受影响。 噪声对人体的生理影响：噪声除了损伤人耳的听力外，对人体的生理机能也会引起不良 反应，长期暴露在噪声环境中，会使人体的健康水平下降，诱发各种慢性疾病。例如，噪音 会引起人体的紧张反应，使肾上腺素分泌增加，引起心率加快，血压升高。噪声也会引发消 化系统方面的疾病。有关调查报道，在某些吵闹的工业行业中，消化性溃疡的发病率比低噪 声条件下要高5 倍。通过人和动物实验都表明，在8 0d b 环境下，肠蠕动减少3 7 ，随之而 来的是胀气和肠胃不适。当外加噪声消失后，肠蠕动由于过量的补偿，节奏加快，幅度增加， 结果引起消化不良。在神经系统方面，噪声会造成失眠、疲劳、头晕及记忆力衰退，诱发神 经衰弱症。 东南大学硕士学位论文 噪声对语言交谈和通讯联络的干扰：通常情况下，人们相对交谈距离l m 时，平均声级 大约是6 5d b 。但是环境噪声会掩蔽语言声，使语言清晰度降低。噪声级比语言声级低很多 时，对交谈没有影响，噪声级与语言声级相当时，正常交谈受到干扰。噪声级高于语言声级 1 0d b 时，谈话声就会被完全掩蔽。当噪声级大于9 0d b 时，即使大声叫喊也难以进行正常 交谈。在噪声环境下，发话人会不自觉地提高发话声级或缩短谈话者之间的距离。通常，噪 声每提高1 0 d b 。发话声级约提高7d b ，发话人极易疲劳或声嘶力竭。由于噪音造成的疲劳 会使相关人员难以集中精力，从而使工作效率降低，这对脑力劳动者尤为明显。 现在人1 3 的增长和城市的迅速膨胀使得许多高速交通系统不得不穿过城市居民的高密 度活动区，高分贝、近距离、长时间的噪声严重超出了城市区域环境噪声标准的要求，干扰 了周边工作单位或居民的正常生活，因此道路交通噪音问题亟待解决。我国于1 9 8 2 年颁布 了城市区域环境噪声标准，1 9 9 3 年对该标准作了修订，重新颁布了g b 3 0 9 6 - 1 9 9 3 城市 区域环境噪声标准，标准值如表1 1 所示 表1 1 城市区域环境噪声标准值等效声级k d 8 ( a ) 】 1 2 多孔混凝土与交通噪音控制 道路交通通常带来的环境问题的处理要求是综合性的，纵观世界各国，为解决道路交通 带来的环境问题，目前采取的主要措施有以下几种： ( i ) 设置声屏障以及在道路两侧设置绿化带降低噪声 声屏障是位于声源与受声点之间的具有足够面密度的声遮挡结构，利用声源两侧局部地区建 造的有限长声屏障可使声源的运行噪声在传播过程中有一显著的附加衰减，从而减弱接收者 所在的一定区域内的噪声影响，以改善周围环境的声环境质量。这样的设施就称为声屏障。 声屏障的作用是阻挡直达声的传播，隔离透射声，使绕射声有足够的衰减。声屏障的优点是 节约土地降噪比较明显。特别对于城市道路的老城区来说，道路规划己经无法更改，住宅 区的建筑也早已成形。对于这种情况，用声屏障降噪是一种首选方案。由于可采用拼凑式， 故有可拆换等优点。 2 第一章绪论 广义来讲，声屏障可以分为声障墙和防噪堤，防噪堤一般用于路堑或有挖方地区，公 路的土方不必运走直接用作防噪堤，在土堤上植被形成景观，但在我国华东地区高速公路多 采用高路堤，不适合此类型方式。声障屏的另一种方式为声障墙，这又可分为吸声式和反 射式两种，吸声式主要采用多孔材料来降低噪声，陕西西三( 西安三原) 一级公路，贵州 贵黄( 贵州一黄果树) 一级汽车专用公路均有试验研究，据测试，降噪效果到1 0 r i b ( a ) ；反 射式声障墙主要是对噪声声波的传播进行漫反射，降低保护区域噪声。声障墙的优点是节约 土地，降噪比较明显。由于采用拼装式，故有可拆换的优点。局限是：声障墙使行车有压 抑及单调的感觉，造价较高，比如使用透明材料，又易发生眩目和反光现象，同时还需要经 常清洗。目前。声屏障己发展成多种多样的，主要结构设计有直立式、全封闭式、半封闭式 等：外形设计有f 型声屏障、隧道式声屏障、箭头型屏障、丫型屏障、球型屏障、扇型屏障、 八角型屏障等“。 ( 2 ) 修建低噪声路面，减小轮胎与路面接触噪声 对于中小型汽车，随着行驶速度的提高，轮胎噪声在汽车产生的噪声中的比例越来越 大，一般说来，当车速超过5 0 k m h 时，轮胎与路面接触产生的噪声，就成为交通噪声的主 要组成部分。 因此，直接修建低噪声路面就很有意义。所谓低噪声路面，也称多孔隙沥青路面，又 称为透水( 或排水) 沥青路面。它是在普通的沥青路面或水泥混凝土路面或其他路面结构层 上铺筑一层具有很高孔隙率的沥青稳定碎石混合料，其孔隙率通常在1 5 一2 5 ，有的甚至 高达3 0 。根据表面厚度、使用时间、使用条件及养护状况的不同，与普通沥青混凝土路 面相比，此种路面可降低道路噪声3 8 d b ( a ) 。 此外，减少或消灭噪声源的措施，还应包括改进汽车的设计，减少或限制载重汽车进入 噪声控制区域、禁鸣喇叭等。在我国，提高大功率发动机工作性能，改进汽车的整体设计， 降低工作噪声，这一系列问题正在越来越受到政府和汽车生产厂的重视。 目前发达国家在穿越居民区的公路、铁路两侧以及机场周围较多采用了隔声屏障，对隔 声屏障所采用吸声材料的吸声系数要求越来越高”1 一般隔声屏的结构为混凝土基板与吸声 材料复合。混凝土基板具有很强的声音反射能力，但吸声自力较差。音波大部分被反射，根 据声波的传播原理，被反射的声波可以绕过隔声屏到达其背后对保护区产生影响。采用隔声 能力强的混凝土板与高效吸声材料复合的方法可以达到很强的吸声效果，其复合作用超过两 者单独作用的算术相加，可以将声波大幅度地吸收，从而降低声压级，最终达到降噪作用”“ 随着交通噪声污染的日趋严重和对其治理认识的不断提高，隔声屏障开始在国内受到重视， 在一些城市的交通枢纽区域可以见到各式各样的隔声墙。比如在北京地铁新四惠东站、上海 高架桥和一些城市的铁路、公路交叉口等处都能见到由不同材料和结构组成的隔声屏障。但 是，这些隔声屏障在隔声效果、生产成本、耐久性或性能稳定性等方面还有待进一步改进。 一些隔声墙采用带有缝隙的金属板与矿棉组成复合式吸声结构，在防治噪声污染的同时又产 3 东南大学硕士学位论文 生了空气环境污染的隐患。因为矿棉含有对人体有害的物质，在野外长期干、湿、冷、热及 风吹日晒的老化作用下会加快释放有害气体。矿棉容易因吸湿等原因向下沉降，隔声墙上部 因失去与矿棉的复合吸声作用而严重降低吸声效果。同时，起保护和复合吸声作用的金属面 板的维护费用较高。上海高架桥上采用的隔声墙在一年后经过测试，降噪幅度从原来的8 d b 左右下降到3 d b 左右，几乎失去了使用的意义”1 。 因此，研究一种具有较高吸声性能、能够保持长期使用耐久性能和吸声耐久性能并且成 本相对低廉的新型吸声材料具有重要意义。当前，对一般公路而言，许多国家从投资少及易 维护方面考虑多用普通混凝土和轻质混凝土建造吸声和不吸声式屏障。由于混凝土的密实 性，这些混凝土的声屏障具有良好的隔声效果，但吸声效果差，大部分声波被反射回道路， 造成行车者的噪音负担，并且混凝土隔音墙色彩灰暗单调，极易引起视觉疲劳。多孔混凝土 由于表面和内部含有彼此贯通的大量空隙，当声波入射到表面时，一部分被反射，一部分则 透入到内部向前传播。在传播过程中，引起空隙中的空气运动，与形成孔壁的固体筋络发生 摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声缆转变为热能两消耗掉。声波在刚性壁反射后，经过 材料内部回到表面，一部分声波透回到空气中，一部分又反射回材料内部，如此反复，直到 平衡，可以吸收声能。如果将多孔混凝土应用到路面降噪或高速公路声屏障当中，借助它的 吸声性能不失为一种改善城市声环境，提高生活质量的方法。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 一些发达国家从2 0 世纪6 0 年代末就开始了声屏障的研究和应用。国外对穿过市区和居住 区的高速公路、铁路、高架桥等交通干线的两侧多以设置声屏障来降低交通噪声对环境的影 响，实现了其它降噪手段所不能代替的效果。美、日、法等国早在6 0 年代就已开展了声屏障 理论的研究，并实施了许多具体工程。据统计，美国联邦公路局1 9 7 9 年列入计划或正在建设 的道路声屏障为t 4 0 0 公里，截止，1 9 8 1 年，己建造3 3 0 0 公里，其中许多工程由私人开发建 造，费用高达1 1 0 0 万元日本至1 9 9 0 年全部道路的声屏障总长度已达1 5 7 3 公里，其中高速公 路上的声屏障为1 3 7 公里。许多发达国家如日本、英国、法国等，声屏障早在1 9 7 3 年就己形 成工业产品，每年的建造量达几万平方米。法国还在1 9 8 8 年由政府部门组织举办了适用于 各种场所使用的声屏障比赛。道路声屏障在发达国家己被普遍采用，而且实施标准，工程造 价及其与道路景观的协调均较完善。 目前发达国家对吸声材料和隔声屏障的应用技术已经比较成熟，不但在生产、制作和安 装等方面已经形成规模化，而且充分利用各种吸声结构设计出吸声性能很高的隔声墙，配合 对隔声墙色彩及形状的艺术化设计。使各式各样的隔声屏障成为道路沿线靓丽的风景线“”。 例如，芬兰p c ee n g i n e e r i n gl t d2 0 0 0 ，最新的产品在六个频率下的吸声系数分别达到0 4 4 。 0 7 8 ，0 8 4 ，0 9 7 ，0 8 8 和0 9 1 ，平均达到0 8 ，是目前世界上耐久性最高，最为先进的声 屏障。近年来，国外道路声屏障技术不断发展，总的来说有如下趋势： 4 第一章绪论 1 、注重道路声屏障与景观协调设计 许多国家在道路声屏障建造中，除要求满足声学要求外还特别注重声屏障的造型与色彩 设计，还可以因地制宜建造透明声屏障。目前在许多国家已有各式各样新颖美观的声屏障屹 立于道路两侧。 2 、多用低成本材料建造道路声屏障 道路声屏障从构成材质上可分为：土、木质、钢筋混凝土、金属、吸声材料的混合物等 几类，对于一般公路而言，许多国家从少投资及易维护考虑，多用普通混凝土、粘土砖和轻 质混凝土等建造吸声或反射式声屏障，但在城市道路声屏障多采用占地面积小、能与周围环 境相吻合的金属声屏障。 3 、声屏障构造形式的有效性 由于道路交通噪声的增大，对道路声屏障的降噪量提出了更高的要求，传统的扩散反射 型声屏障由于其降噪量小，同时重量较大，不适合在城区和高架路上的应用，故应用范围受 到限制。而吸声共振型声屏障由于其自重轻、吸声量大等原因，因此得到广泛的应用。另外， 为有效降低顶端绕射声的传播，在顶部的结构形式上有很多的研究，比如t 形、y 形等等。 4 、平行道路声屏障设计研究 所谓平行道路声屏障是指道路两侧均设置与路面垂直的障板，用以阻挡车辆噪声向路两 旁社区的辐射。由于道路交通噪声在声屏障之间多次反射，从而引起平行道路声屏障的插入 损失较同种情况下的单侧声屏障有所降低。平行道路声屏障多用于在城市住宅集中区，因此 这类道路声屏障的研究对于解决大城市的道路交通扰民具有一定的意义。但是这些声屏障虽 然造型美观，吸声效果良好，却价格昂贵，耐久性不高。而加气混凝土、泡沫混凝土、多孔 混凝土内部都含有封闭及相互贯通的孔隙。具有一定的吸声作用，而且是一种成本低廉，耐 久性好的材料，因此已有不少学者对其吸声性能进行了研究u 卜。 道路声屏障设计是一种多目标多约束的工程技术问题，它们在布置、形式、材料、结构、 构造以及外观装饰等方面的选择都必须满足局部景观的需要，同时还要保证经济性、实用性 及耐用性。道路声屏障会产生压抑感和廊道效应，这种效应的强度与行驶速度和屏障距行驶 车辆的距离，声屏障的赢度、色彩以及形状有关。声屏障的存在对人( 驾驶员、乘客和当地 的居民) 的影响主要通过视觉来实现，孤立的和裸露的道路声屏障的视觉影响强度比经特殊 处理的与局部自然环境相协调的声屏障要大得多。这些影响主要包括产生眩光、影响驾驶员 得视距和道路线形判断、影响驾驶员对道路交通标志得识读、遮挡行人和居民的视线等。声 屏障设计除了要克服上述的负面影响外，还必须满足必要的抗破坏性能。 1 3 2 国内研究现状 国内对于声屏障的研究和多孔混凝土吸声性能的研究起步较晚，我国在上世纪8 0 年代 末，交通部才在贵黄公路上第一次应用声屏障来降低道路的噪声，t 9 9 2 年贵州省贵阳一黄 果树高速公路贵州工学院路段上安装了百米的试验性声屏障，这是我国将声屏障应用于道路 5 东南大学硕士学位论文 上作为降噪措施的先例。1 9 9 3 年在陕西省西一三一级公路罗李小学段修建了国内第二座公路 声屏障。此后，上海的内环线、成都路高架桥、杨浦大桥沿线1 3 个区段约几十公里的道路均 已设置了声屏障：北京西三环路局部路段安装了长3 1 5 米、高2 6 米的声屏障。广州内环线路 也先后设置了声屏障。另外，浙江省杭州上塘高架路声屏障工程也于2 0 0 0 年先后竣工，国内 其他一些城市也相继建造了一些公路或铁路声屏障1 ，因此声屏障工程作为缓解交通噪声的 措施虽未在在国内得到广泛的应用，但目前已有不少学者对此进行研究，取得了可喜的成果： ( 1 ) 张新华“”等人对广一深1 6 0 k m h 准高速铁路桥梁声屏障的声学设计预测了声屏障对准高 速列车运行时声级的降低情况，得出的结果是声屏障对降低该地区的环境噪声有十分明显的 作用i ( 2 ) 上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室蒋伟康等。1 现场测量、实验的基础上， 研究了轻轨交通噪声的频率特征，分析总结了目前常见声屏障的优缺点，研制了两种阻抗复 合型声屏障，由于其独特的结构设计，声屏障有能够防止雨尘侵害的优点，混响室测试表明， 在轻轨交通噪声的主要频率范围1 0 0 - 4 0 0 0 h z 内，有出色的吸声性能，吸声屏障是治理城市轻 轨交通噪声的一利良好的手段： ( 3 ) 毛东兴“”等应用微穿孔理论，提出了以微穿孔板共振吸声结构为基础的带顶部吸声柱体 的新型吸声隔声屏障，对其声学性能进行了细致的研究，并将这种新型声屏障应用于城市高 架道路工程中，现场测量表明，其降噪效果在7 d b ( ) 以上： ( 4 ) 宫本贤、董建昆”等探讨了工业噪声污染中采用声屏障隔声以及城市轨道交通声屏障 的设计方法、声屏障隔声量的计算公式和声屏障的隔声效果，并对不同形式的声屏障的降噪 效果进行了测试。 ( 4 ) 王波1 余海燕“1 等人利用多孔材料的吸声理论对水泥基吸声材料的声学性能进行了 进行了研究，也有人研制出吸声性能和耐久性能都很高的吸声材料开孔泡沫玻璃，其六个频 率下的平均吸声系数可以达到0 6 8 左右，尤其是它能在 0 0 - 2 5 0 h z 之间的低频段达) u o 3 以上 的吸声系数，而且容重不大，强度较高。这种吸声材科的缺点是制作工艺复杂、成本较高， 每平方米生产成本超过2 0 0 元。 总结国内外声屏障的发展现状，可以看出，建造声屏障的材料种类较多，并且对应的构 造形式多变，即使同一釉材料也可以有不同的构造形式，两同一种构造形式又可以用不同的 材料构成。一般来说，公路声屏障壁体的材料归纳起来可分为砌块型、板型、生物型等三种 基本类型，板型还可以进一步分为混凝土类重型板、轻型复合板和竹板、木条板等编成的简 易板等。 但对于多孔混凝土来讲。制作成砌块型比较能够满足技术及经济合理性，而且具有强度 高，耐久性好，防腐安全等功能。砌块的形状可以根据声屏障的需要制作。在进行砌块类型 壁体的设计或选型时，根据“因地制宣。就地取材”的原则，合理选择技术，经济的砌块。 6 第一章绪论 目前砌块墙体一般有单j 非砌块砌筑，砌筑时根据受力和强度的需要，选择合理的砌筑技术。 1 4 研究目的、意义及研究内容 1 4 1 研究目的 随着近年来城市轨道交通和高等级公路的加速建设，各类道路声屏障也得到日益广泛的 普及，逐渐成为环保行业的工程热点之一。但道路声屏障设计是一种多目标多约束的工程技 术问题，它们在布置、形式、材料、结构、构造以及外观装饰等方面的选择都必须满足局部 景观的需要，同时还要保证经济性、实用性及耐用性。目前所使用的道路声屏障色彩单调， 会让行车者产生压抑感和癣道效应，这种效应的强度与行驶速度和屏障距行驶车辆的距离， 声屏障的高度、色彩以及形状有关。声屏障的存在对人【驾驶员、乘客和当地的居民) 的影 响主要通过视觉来实现，孤立的和裸露的道路声屏障的视觉影响强度比经特殊处理的与局部 自然环境相协调的声屏障要大得多。这些影响主要包括产生眩光、影响驾驶员得视距和道路 线形判断、影响驾驶员对道路交通标志得识读、遮挡行人和居民的视线等。声屏障设计除了 要克服上述的负面影响外，还必须满足必要的抗破坏性能。随着道路声屏障工程的大量建设， 越来越多的问题随之而来，例如不少声屏障的降噪作用和实际效果也参差不齐，部分声屏障 建造费用很高但降噪效果却不明显，声屏障的设计、制造、降噪效果的评价指标及降嗓效果 的预测、实地测量等环节还不够规范等问题。 国内现有的吸声材料和声屏障技术，大多是引进国外的吸声材料来建造声屏障，且大多 是隔声式反射式声屏障技术，如l k 卡布隆玻璃板，透明聚酸酯板等，致使声屏障工程造价 昂贵，施工复杂。事实上国外发达国家除部分市区用高档反射式声屏障外，大部分地方还 是用无机材料做的吸声式声屏障。长期的研究表明，有效的降低道路交通噪声，最有效的方 法就是用吸声式声屏障。全吸声式声屏障所选用的吸声要求选用的吸声材料轻质、高强、耐 候性强，我国至今暂没有令人满意的、物美价廉的声屏障技术，主要就是在于轻质、吸声与 强度、价格、施工性上不能得到很好的统一。目前市场上的吸声材料制品主要以岩棉、玻璃 棉制品为主，而这些材料不耐候居多，与墙体结合难，只有外包硬质保护层( 如金属板) 才 能在露天使用，并且此类材料易泄漏出纤维粉尘和有机残留物，对环境造成污染。而一些铝 质类、陶瓷类、合成树脂类多孔材料耐候的吸声材料，由于烧结原因，成孔困难、工艺复杂、 造价太高，无法实际得到应用。 因此为了解决现有的高速公路声屏障成本高不能大量使用，耐久性能差，使用周期短， 和制作工艺复杂等问题，本文研究的目的为： ( 1 ) 致力于研制适用于高速公路声屏障的具有吸声和隔声功能的生态环保型功能性混凝土 砌块： ( 2 ) 为混凝土砌块生产企业的发展寻找新的增长点，增加产品品种，提高市场竞争能力。 ( 3 ) 探讨生态环保型功能性混凝土吸声隔音砌块的材科配制，生产工艺，及施工技术等相 关问题。 7 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 设计研制造型别致、色彩与周围环境相协调的生态混凝土砌块声屏障。 1 4 2 研究意义 混凝土吸声隔音砌块与传统的混凝土空心砌块相比，具有与外部空气相连通的多孔构 造，因而具有良好的吸声降噪作用。采用具有吸声和隔声功能的生态混凝土砌块建筑声屏障 是当前降低和减少交通噪声污染的有效方法。目前，国际上如法国、日本等发达国家治理交 通噪声多采用了隔声屏障或吸声屏障等来降低噪声污染。隔声屏障主要用于噪声干扰大的道 路两旁的入类活动区及自然保护区，可有效减少或阻挡噪声的传播。但要减少声场内的噪声， 如公路隧道、地铁内的噪声，则要用吸声屏障。传统的做法是在隔声墙体邻近高噪声的一侧 布置吸声构造。这样造成投资大、施工复杂、工期长。目前在国外，一种既能隔声又能吸声 的墙体材料已广泛应用于高噪声设各、隧道、地铁、高速公路的声屏障工程。因此本文对混 凝土吸声隔音砌块的研制，不但降低了道路交通所产生的噪音，而且解决了传统声屏障材料 的纤维粉尘等对环境的污染，同时提高了声屏障的使用寿命，降低了社会投资成本。 1 4 3 研究的内容 针对目前研究中存在的问题，本文主要从以下几个方面进行了研究： 1 混凝土吸声隔音砌块基体多孔混凝土的制备原料，配合比设计的研究 2 多孔混凝土基本力学性能的研究，在这一研究中。包括了以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 空隙率对多i l 混凝土立方体抗压强度和弯曲抗折强度的影响规律。 ( 2 ) 粗集料缓配对多孔混凝土立方体抗压强度和弯曲抗折强度的影响规律。 ( 3 ) 水灰比对多孔混凝土立方体抗压强度和弯曲抗折强度的影响规律。 ( 4 ) 粉煤灰、硅灰等活性矿物掺合料以及聚合物水泥改性剂等对多孔混凝土立方体抗压强 度和弯曲抗折强度的影响规律。 通过这一研究，为混凝土吸声隔音砌块基体多孔混凝土的空隙率，水胶比及掺合料等的选择 提供了参考。 3 对多孔混凝土的吸声性能进行研究，在这一研究中包括了以下研究内容： ( 1 ) 空隙率对多孔混凝土吸声系数的影响。 ( 2 ) 粗集料级配对多孔混凝土吸声系数的影响。 ( 3 ) 多孔混凝土的厚度等诸多因素对多孔混凝土吸声系数的影响。 4 基于结构吸声理论和隔声理论，对混凝土吸声隔音砌块的外观造型进行设计。 5 对混凝土吸声隔音砌块的制各技术及主要工艺参数迸行总结，编写生产工艺规程。 8 第二章原材料、试验方法及配合比设计 第二章原材料、试验方法及配合比设计 2 1 试验原材料及其基本性能 2 1 1 水泥 本研究使用水泥为江南水泥厂生产的金宁羊牌p i l 4 2 5 硅酸盐水泥。水泥的化学成分 和物理力学指标如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 水泥化学成分( w t ) i ) l o ( l o s so f fi g n i t i o n ) ：烧失量，下同。 表2 2 水泥物理力学性能 密度( g c d )比表面积( 岔k g )凝结时同抽i n )抗折强度( m p a )抗压强度( 胛曲 初凝终凝3 d2 8 d3 d2 8 d p i l 4 2 5 3 1 03 7 5 1 1 5 1 7 05 0 8 7 2 8 05 3 5 2 1 2 粗集料 南京泉水采石场生产的石灰岩碎石，含泥量( 包括含粉量) 0 ，9 ，针、片状含量按重 量计为6 2 3 ，压碎值2 8 9 9 6 ，其他物理性能如表2 3 所示。 表2 。3 碎石物理性能 2 l3 外加刺 江苏省博特新材料有限公司产j m b 型萘系高效减水剂，粉剂，主要成分b 一萘磺 酸亚甲基高聚物，减水率达到2 0 以上。 2 1 4 粉煤灰 南京熟电厂生产的低钙i 级粉煤灰( f ) ，化学成分如表2 4 所示。密度为2 0 4 9 c m 3 ，需 水量比0 9 5 ，细度“5 p m 筛筛余6 ) 。 2 1 5 硅灰 9 东南大学硕士学位论文 2 1 6 聚合物 水天牌n y s 水泥改性荆丙烯酸脂共聚乳液，简称丙乳，南京永丰化工有限责任公 司生产，主要性能指标如表2 5 所示。 表2 5n y s 水泥改性剂丙烯酸脂共聚乳液技术指标 2 i 7 拌合水 普通自来水。 2 2 试验方法 2 2 1 试件成型及养护 ( 1 ) 试件制备 按配合比称量好原材料，先将外加剂溶于水中，然后与水泥混合搅拌成水泥浆体，随 后加入粗集科搅拌9 0 s 。成型时，先振动3 0 s ，随后放在压力机上静压成型，压力3 v i p a 。 ( 2 ) 试件尺寸 用于测定立方体抗压强度的试件尺寸为1 0 0 m m x1 0 0 n x1 0 0 m m ，用于测定抗折强度的 试件尺寸为1 0 0 m m x1 0 0 m m x 4 0 0 m m ，用于测定吸声系数的试件尺寸为0 9 8 m m x 6 0 m m 。 ( 3 ) 试件养护 试验中采用了两种养护方法，对于没有掺加聚合物的试件，放入标准养护室养护，养 护湿度为2 0 + 3 c ，相对湿度9 5 ；对于掺加了聚合物的试件，先标养3 天，然后再放入恒 温恒湿室养护，恒温温度2 3 ，相对湿度6 5 。 2 z 2 性能测试方法 ( 1 ) 立方体抗压强度 第二章原材料，试验方法及配合比设计 龄期前l 2 天将试件从养护地点取出，如果受压面不平整则用水泥浆对受压面进行 抹面处理，这是为了保证混凝土试件在试验时的承压面面积不致于有大的偏差。抹面后将试 件放回标养室继续养护。试件养护至龄期时取出擦拭干净，测量尺寸并检查外观。 采用n y l 一2 0 0 0 d 型压力试验机进行测试。试件安放在试验机下压板上试件的中心与 试验机下压叛中心对准试件的承压面应与成型时的顶面垂直。以0 3 0 5 m p a 的加荷速度 连续均匀加荷，当试件接近破坏而开始迅速变形时。应停止调整试验机油门，直至试件破坏， 然后记录下破坏荷载p ( 1 ( n ) 。混凝土立方体极限抗压强度按下式计算： p 正= - - - x 1 0 0 0 ( 2 1 ) 式中：正一立方体极限抗压强度，h p a ( 精确至0 1 h p a ) ； 卜破坏荷载，i ( n ； h 件承压面积，咖2 。 ( 2 ) 抗折强度 试件从养护地点取出放在支座上，承压面选择试件成型时的侧面，采用液压万能压力 机，缓缓加一初荷载，约l k n ，停机检查支座等各接缝处有无空隙( 必要时加金属垫片) ，确 保试件不扭动。以0 0 2 0 0 5 m p a 的加荷速度连续均匀地加荷，试件接近破坏时，停止调整 试验机油门直至试件破坏，记下破坏荷载p ( k n ) 及破坏位置。 由于采用l o o m m xl o o m a 4 0 0 m m 非标准试件。取得的强度值还应乘以尺寸换算系数 0 8 5 。根据咀上原则，将原计算公式改写成下式来计算弯曲抗折强度： f ：罢1 0 0 0 0 8 5 ：黑x 1 0 0 0 x 0 8 5 ：0 2 5 5 p ( 22 ) “肋21 0 0 x 1 0 0 2 式中：z 试件的抗折强度，m p a ( 精确至0 1 m v a ) p 一破坏荷载，k n ； ，一支座间距，i o n ； b 试件截面尺寸，； h 试件高度，口。 ( 3 ) 空隙率 本试验所制各的混凝土是由粗骨科、混合材、水泥、化学添加剂和水等拌制而成的一 种多孔混凝土。它不含细骨料，由表面包裹着一层水泥浆的粗骨料相互粘结而形成。因此它 的孔隙结构不同于普通密实混凝土，它含有均匀连续分布的宏观孔穴，因此为了区别于普通 混凝土的“孔隙”，将多孔混凝土中的孔穴结构称为“空隙”。 多孔混凝土中的空隙有三种：第一种是封闭的空隙；第二种是开口但不连续的空隙， 我们称其为“布袋型”空隙；第三种是贯穿混凝土连续有效的空隙，它的存在是多孔混凝土 东南大学硕士学位论文 吸声性能的重要保证。 空隙率测试方法参考日本多孔混凝土空隙率测试方法( 草案) 1 2 6 1 测试方法如下： 首先测量试件外形尺寸，计算出试件的外形体积，将试件浸泡在水中使其饱水后称量它 在水中的重量研；取出试件空干多余的水并擦干表面，按定时间间隔称量质量，质量不 再变化时所得到的数值记为试件在空气中的质量鹏。多孔混凝土的连续空隙率p 按2 3 式 计算： p ：1 - w 2 - w 1 1 0 0 ( 2 3 ) l7 0 研究中测定的是不包括封闭空隙和“布袋型”空隙的空隙率，具体测试步骤如下 将试件放入1 0 5 士5 的烘箱中，烘干至恒重，取出试件放在干燥器里冷却至室温，用直 尺测量试件尺寸，计算试件体积， 在静力水天平上，将一金属丝筒全部浸入水中，挂在电子秤上，称量金属丝简在水中的 视重n l t ，然后将试件放在该金属丝筒中，使试件全部浸入水中，并保持水面高度不变。排 除气泡后，测试试件和金属丝筒在水中的总视重m 2 ： 取出试件，称量试件在饱和面干时的质量i l b 按下式计算试件的空隙率p ( 精确到1 ) ： p ：f 1 一竺二f 竺二竺! 1 0 0 l j ( 2 4 ) ( 4 ) 吸声性 多孔材料的吸声性能可用它的吸声系数来表示。材料的吸声系数是指被吸收的声能与 入射的声能之比。以。表示“”如果声音被全部吸收，n = l 。如果部分被吸收，a 1 。测 量材料的吸声系数，一般采用驻波管法和混响室法两种，前者所测量的是法向吸声系数，后 者测量的是无轨入射吸声系数。前者多用于测量多孔材料、多孔板或穿孔薄片结构的吸声特 性，所以本研究采用驻波管法测定试件的吸声系数，测量装置见图2 1 。 驻波管法测试吸声系数的原理如下：在驻波管中传播平面波的频率范围内，声波入射 到管中，在从试件表面反射回来，入射波和反射波叠加后在管中形成驻波。由此形成沿驻波 管长度方向声压极大值与极小值的交替分布。用试件的反射系数r 来表示声压极大值与极小 值，可写成： 。= l + l r i ( 2 5 ) 第二章原材料、试验方法及配台比设计 p 。= l - i t l 图2 1 驻波管测量装置 根据吸声系数的定义吸声系数与反射稀疏的关系可写成： a o = 1 一盯 ( 2 6 ) ( 2 7 ) s = 蹦 眨s ， 吸声系数可用驻波比表示为： ：j 乓 ( 2 9 ) 2 丽 2 9 因此只要确定声压极大值和极小值的比值，即可计算出吸声系数。如果实际测得的是声 压级的极大值和极小值，计两者之差为k ，则根据声压和声压级之问的关系，可由如下公 式计算吸声系数： ：兰型! ! ：= ：； ( 2 ，l o ) 铲丽 心1 0 参照国家标准g b j 8 8 8 5 驻波管法吸声系数与声阻抗测量规范中的有关规定，采用 j t z b 驻波管测试系统来测定试件的吸声系数。测试系统含有驻波管+ 频率分析仅+ 音频信号 发生器等设备，音频信号发生器带动扬声器，在驻波管内辐射平面声波，遇到试验样品后，形成 1 3 东南大学硕士学位论文 反射波，并和入射波叠加成驻波，利用可移动的话筒探管测量出驻波声压级的极大值和极小 值，将测得的极大值和极小值输入测试系统所附带的计算软件。就可计算出试样的吸声系数 和生成特性曲线。在实验过程中，试样与驻波管内壁之间的缝隙需用凡士林或黄油密封。试 验根据驻波管的量程确定测试频率按1 3 倍频程取值，即1 6 0 hz ，2 0 0 hz ，2 5 0 hz ，3 1 5 h g ，4 0 0 hz ，5 0 0 hz ，6 3 0 hz ，8 0 0 hz ，1 0 0 0 hz ，1 2 5 0 hz ，1 6 0 0 hz ，2 0 0 0 hz 。 详细的测试方法如下1 7 5 1 ： 下试件筒，按试件厚度，将活塞推入相应的距离，试件周边涂凡士林或黄油密封，推入 试件筒，将试件与活塞紧密结合。 首先打开信号源电源。 逆时针调节功率放大器输出旋钮到最小( 电压输出显示约0 伏) ，打开功率放大器电源。 如以上正常调节后，按下信号源输出2 k h z 按键( 红指示灯亮) ，调节频率输出为2 0 0 f i z ( 如需要测量更低的频率，则调节频率输出为所测值) 。 调节频谱分析仪，使声级计为c 计权档，测量范围到最高档，测试速度为f 档。打开电 源。待机三分钟左右，调节滤波器到 3 倍频程档，中心频率同信号发生器一致。开始测量。 测量时将小车移到左端，缓慢向右移动，找到第一个最小值，记录；