（材料学专业论文）聚丙烯纤维增强的水泥基、有机无机复合道路声学材料.pdf

摘要 公路建设的高速发展，促进了社会的发展与繁荣，但交通噪声所引发的 社会问题也只趋严重。由于用于吸声降噪的材料要求同时具有良好的吸声性 能、耐久性以及环保性，使得许多吸声原材料不能被广泛应用。 为实现我国公路交通网络稳步、健康、可持续发展，完善公路交通环境 治理，解决公路噪声污染。通过对各类吸声原材料与吸声结构的吸声机理分 析，选择阻燃性能良好、具有较好吸声性能的膨胀珍珠岩体系或聚氨酯体系 作为吸声材料体系；探索各种吸声材料的制备工艺与最佳材料组成。应用空 腔共振、薄板共振、吸声尖劈等多种吸声结构及其作用机理，对多孔性吸声 材料进行处理和加工；探索材料显微结构、宏观结构及声学结构对材料吸声 性能的综合影响。 材料制备中，采用低碱水泥作为膨胀珍珠岩基体的粘结剂，利用其低碱、 早强、初期水化热放热速率大等特点，来提高材料的耐久性、加快模具周转 以及产生发气剂发挥作用的条件。采用聚丙烯纤维增加制品的抗折、抗压强 度。利用发气技术形成多孔吸声材料所需要的孔形及合理性的显微结构。通 过对水次比、珍珠岩含量、发气剂以及振动时间等因素的控制与协调，使材 料内部形成具有相互连通、分布均匀的微细孔，以期提高多孔性吸声材料的 吸声性能。 通过配比合理、性能适当的粘结剂浆体，利用真空注入技术，实现粘结 剂浆体对聚氨酯基体的包覆与固化，得到性能较好的聚氨酯吸声材料。采用 驻波管法测试了材料的吸声性能，结果表明，珍珠岩系列吸声材料的平均吸 声系数为0 5 5 ，降噪系数为o 5 1 ：聚氨酯系列吸声材料的平均吸声系数为 o 6 4 ，降噪系数为o 6 3 。模拟使用条件，考察了材料厚度和背后空腔对吸声 性能的影响，综合考虑使用的经济性与现实性，确定了材料厚度和背后空腔 的大，j 、分另0 为8 c m 平5 c m 。 关键词：吸声吸声结构聚氨酯膨胀珍珠岩多孔性吸声材料 i a b s t r a c t t h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o na c c e l e r a t es o c i a l d e v e l o p m e n ta n dp r o s p e r i t y b u tt h es o c i a lp r o b l e m sl e db yt r a f f i cn o i s ea r em o r e s e r i o u st h a nb e f o r e s o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l sr e q u e s t e de x c e l l e n tp r o p e r t i e s s u c ha sb e t t e rc h a r a c t e r i s t i co fs o u n da b s o r b i n g d u r a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nl i m i tt h e i ra p p l i c a t i o no fm a n yk i n d so fs o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l s i no r d e rt oa c h i e v es t a b i l i t y , h e a l t ha n dc o n t i n u a ld e v e l o p m e n to fh i g h w a y t r a f f i cn e t si no u rc o u n t r y ，p e r f e c te n v i r o n m e n tp r o t e s ta n ds o l v en o i s ep o l l u t i o n o fh i g h w a y , b ya n a l y z i n gs o u n da b s o r b i n gm e c h a n i s mo fa l lk i n d so fs o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e ，c h o o s ee x p a n d e dp e r l i t eo rp o l y u r e t h a n e m a t e r i a l sw h i c hh a v eb e t t e rs o u n da b s o r b i n gp e r f o r m a n c ea ss o u n da b s o r b i n g s y s t e m ；e x p l o r ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e sa n dt h eb e s tm a t e r i a lc o m p o s i n go fa l l k i n d so fs o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l ；u t i l i z em u l t i s t r u c t u r ei n c l u d i n gc a v i t y r e s o n a n c es o u n da b s o r b e gp l yr e s o n a n c es o u n da b s o r b e ra n dw e d g es o u n d a b s o r b e ra n dt h e i rs o u n da b s o r b i n gm e c h a n i s m ，t r e a ta n dp r o c e s sp o r o u ss o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a l ；e x p l o r es t r u c t u r es u c ha sm i c r o s t m c t u r e ，m a c r o s t r u c t u r ea n d a c o u s t i c ss t r u c t u r et oi n t e g r a t i v ei n f l u e n c i n go fs o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l s p e r f o r m a n c e i nt h ec o u r s eo fm a t e r i a lp r e p a r a t i o n ，t h eb i n d i n gm a t e r i a li sl o wa l k a l i c e m e n t ，s o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o wa l k a l i ，e a r l i e rs t r e n g t ha n dh i g hr a t i oo f h y d r a t i o nh e a td i s s i p a t i o na tt h eb e g i n n i n ga r em a d eu s eo fe n h a n c i n gt h e d u r a b i l i t y , a c c e l e r a t et h ec i r c l eo fp a t t e mt u r n o v e ra n dp r o d u c i n gc o n d i t i o n si n f a v o ro fg a sf o r m e re x e r t i n gf u n c t i o n ，t h ep o l y p r o p y l e n ef i b e ri su s e dt o e n h a n c et h eb e n d i n gs t r e n g t ha n dc o m p r e s ss t r e n g t h t h es h a p eo fh o l ea n d r e a s o n a b l em i c r o s t r u c t u r ew h i c ha r en e e d e di ns o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l sa r e f o r m e db yt h eg a sf o r m e rt e c h n i q u e s t h em i c r o h o l e sw i t hm u t u a lc o n n e c t i v i t y a n dd i s t r i b u t i n g u n i f o r m i t y a r ef o r m e di nt h em a t e r i a lb y c o n t r o l l i n ga n d c o r r e s p o n d i n gw a t e r - c e m e n tr a t i o ，t h ec o n t e n to fe x p a n d e dp e r l i t e ，t h ec o n t e n to f f f g a sf o r m e ra n dl i b r a t i o nt i m e t h em i c r o h o l ec ani n c r e a s et h es o u n da b s o r b i n g p e r f o r m a n c e t h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fp o l y u r e t h a n es o u n da b s o r b i n gm a t e r i a lw a s g a i n e d b yc o n f e c t i n gs u i t a b l eb i n d i n gs l u r r ya n du s i n gt oi n j e c t i o nt e c h n o l o g yi n t h ev a c u u n lt oa c h i e v e b i n d i n gs l u r r y c o v e ra n ds o l i d i f y a p p r o p r i a t e l y p o l y u r e t h a n e t h ep e r f o r m a n c eo fs o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l sw a st e s t e db yt h e m e t h o do f s t a t i o n a r yw a v ec a n n u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea v e r a g es o u n d a b s o r b i n gc o e f f i c i e n t sa r eo 5 5 、o 6 4a n dt h er e d u c i n gn o i s ec o e f f i c i e n t sa r e 0 51 、o 6 3i nt h ee x p a n d e dp e r l i t es o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l sa n dp o l y u r e t h a n e s o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l s ，r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c i n go fs o u n da b s o r b i n g p e r f o r m a n c ew a ss t u d i e dt h r o u g ht h i c k n e s sa n dt h em a t e r i a l s b a c kc a v i t yu n d e r t h ec o n d i t i o no fs i m u l a t i n gr e a l i v y c o n s i d e r e di n t e g r a t e l ye c o n o m ya n dr e a l i t y , t h i c k n e s sa n dt h es i z em a t e r i a l s b a c kc a v i t ya r e8 c m 、5 c m ，r e s p e c t i v e l y ， k e yw o r d s ：s o u n da b s o r p t i o n ，s o u n da b s o r b e gp o l y u r e t h a n e ，e x p a n d e dp e r l i t e ，p o r o u s s o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l j 1 1 此页若属实。请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：脚日规山西珥 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签 注：请将 日期盘堑：z 1 2 武汉理t 人学7 1 贞【论文 第1 章前言 环境问题是当代人类普遍关注的全球性问题。随着现代工业生产的迅速 发粘，对环境污染实施有效控制已变得越来越重要和紧迫；人类的可持续发 展成为2 l 世纪国际关注的焦点1 1 1 。而噪声污染、水污染和大气污染是破坏 环境的主要因素，被认为是当今世界的三大污染1 2j 。随着工业、农业、交通 运输事业的迅速发展，噪声污染f l 趋严重，它对人们身心健康的危害，同益 为人们所认识和关注，并且越是在人口密集、经济发达的大中城市，噪声污 染的程度越加严重，成为环境治理过程中倍受关注的热点问题。 1 1 交通环境噪声 噪声被定义为使人感到烦躁不安，影响人们的f 常工作和健康的声音。 从- i i , 理学观点出发，噪声的定义是：凡是人们不需要的声音，称为噪声。从 物理学观点来看，噪声是由许多不同频率和强度的声波，无规则的杂乱无章 组合而成。其危害是多方面的，噪声对人们正常生活和工作造成极大干扰， 它可以使人听力衰退；引起多种疾病；降低劳动生产率：噪声对仪器设备的 使用也会有严重影响，强噪声会使机械结构因声疲劳而断裂酿成事故；使建 筑物遭受破坏，如墙壁开裂、屋顶掀起、烟囱倒塌等。如飞机发动机噪声产 生的“声疲劳”现象可以使铆钉松动、机件断裂等，最终会导致飞行事故【3 j 。 伴随着现代工业文明飞速发展而产生的越来越严重的噪声，已经开始对人类 生活产生破坏。 道路交通运输是环境噪声主要的污染源之一，影响面积最广，时间最长。 据统计，道路噪声占所有环境噪声的4 4 【4 l ，城市受交通噪声影响的区域占 全市范围的3 0 7 0 。有8 0 的城市噪声超过7 0 d b ( a ) ，有些超过8 0 d b ( a ) 。部分城市中，白天有7 0 、夜间有6 1 的人反映干扰生活和工作的 主要原因是交通噪声，可见交通噪声污染的严重程度。 虽然我国目前机动车拥有量比发达国家少1 2 个数量级，但城市交通 武汉理t 人学伺ij 论义 噪声污染程度却远超过发达国家。国外自2 0 世纪3 0 年代就丌始了对道路交 通噪声的研究，6 0 年代已经采取了大量实用性防治措施并取得成效。不少 国家的城市道路交通噪声已低于6 5 d b 5 】。 在我国，城市交通干道两侧噪声级( l 。) 可达6 5 7 5 d b ( a ) ，汽车鸣 笛较多的地方可超过8 0 d b ( a ) l l o 】。一方面交通干道噪声级高，另一方面 在交通干道两侧修建了大量住宅及办公楼，其中不少是受噪声干扰严重的高 层建筑，全国城镇人口约有1 6 居住在交通干道两侧，更多的人白天工作在 交通噪声环境的范围内。近年来，我国高速公路和城市高架道路建设发展很 快，城市机动车数量急剧增加，车辆噪声问题更趋严重。 目前，我国一些大城市正在修建或拟建城市轻轨交通设施，噪声是其急 待解决的难题之一【6 】。 1 2 噪声控制 在所有的城市噪声中，人们已经注意通过工厂外迁、限制施工和呼吁社 会提高防噪意识等措施来避免和降低工厂噪声、施工噪声以及社会生活噪 声，而对于城市最大噪声污染源的交通噪声，到目前为止仍缺乏行之有效的 办法来加以控制【”。 噪声污染是一种物理性污染，它的特点是局部性的和无后效应的。声源 停止辐射，噪声污染就消失了。对噪声的防治措施主要是控制声源的输出和 声源的传播途径以及对接收者进行保护。 1 2 1 控制声源 声源控制是噪声控制中最根本和最有效的手段，也是近年束最受重视的 问题，研究各种声源的发生机理、控制和降低噪声的发生是根本性措施。目 前在声源的控制上主要采用两种办法：一是改进设备结构，提高加工和装配 质量，以降低声源的辐射声功率；二是利用声波的吸收、反射、干涉等特性， 采取吸声、隔声、隔振措施以及使用消声器等【8 】。 这种方式降噪效果比较明显，一般可以降低声级1 0 3 0 d b ，它是针对 武汉型t 人学坝 论义 固定声源降噪的根本措施。对于产生交通噪声的不固定声源，这种方式就显 得有些局限性。 1 2 2 控制声源的传播途径 ( 1 ) 声在传播中的能量是随着距离的增加丽衰减的，因此使声源远离人群， 可以达到一定的降噪作用。 f 2 ) 噪声辐射一般具有指向性，处在与声源距离相等而方向不同的地方，接 收到的声音强度也不同。低频的指向性很差，随着频率的增高，指向 性增强。因此，控制噪声的传播方向( 包括改变声源的发射方向) 是 降低高频噪声的有效措施。 ( 3 ) 建立隔声屏障或利用天然屏障( 土坡、山丘或建筑) 来阻挡噪声的传播。 ( 4 ) 采用吸声材料或吸声结构，将传播中的声能吸收消耗。 ( 5 ) 在城市建设中，合理设计防噪规划。 1 2 3 保护接受者 对接受者的保护也是一个重要手段，是环境保护的目标。接收者可以是 人，也可以是灵敏的设备( 如电子显微镜、激光器、灵敏仪器等) 。工人可 以佩带护耳器、或在隔声间操作等加以保护；仪器设备可以采取个省、隔振 设计等手段加以保护。 1 3 环境中的吸声、隔声与降噪 1 3 1 吸声与隔声的区别与联系 吸声与隔声的主要区别是f 9 】：( 1 ) 吸声与隔声在降低噪声的机理上是完 全不同的：吸声是利用吸声材料或吸声结构的作用减弱声反射，降低混响声 实现降噪的；而隔声则是利用隔声材料对声波起阻挡作用，减弱声透射，获 得降噪效果的。( 2 ) 吸声措施与隔声措施的着眼点不同。吸声的目的是减少 反射声来降低噪声级，反射声越小，表明吸声效果越好；而隔声的目的是降 武汉理t 大学顺l 论文 低透过墙体的声音，声越小，则隔声效果越好。( 3 ) 吸声与隔声所用的材料 不同。吸声材料多是一些多孔、疏松的轻材料；而隔声则用重而密实的材料， 如钢板、铅板、砖墙、混凝土板等。吸声与隔声有本质的区别，但在噪声控 制中，它们又是紧密联系在一起的。例如，用3 m m 厚的钢板制作隔声罩， 材料隔声量为3 0 d b 。若罩内不考虑吸声，罩的隔声量仅有9 d b 。若罩内衬 上吸声材料( 萨0 6 ) ，实际隔声量可提高到2 7 d b 。这是由于罩内不作吸声 处理时，声源发出的噪声在罩内可以多次反射，大大增加了罩内的声能密度， 因而使隔声罩的实际隔声量下降。由此可以说明，隔声与吸声的合理综合应 用，能收到良好的降噪效果【l m 。 1 3 2 吸声材料与隔声材料 能够吸收较高声能材料或结构称作吸声材料或吸声结构。利用吸声材料 和吸声结构吸收声能以降低室内噪声的办法称为吸声降噪。吸声处理一般可 使室内噪声降低约3 5 d b ，使混响声很严重的车间降噪约6 1 0 d b 。材料 或结构对声音的作用可以分为透声的、吸声的和隔声( 反射) 的，材料一般 同时具有各种作用，只是作用程度不同。吸声作用较强的材料或结构称为吸 声材料( 结构) ，而隔声作用较强的材料称为隔声材料。吸声材料与隔声材 料不同，它要将声音能量吸收而不是阻断声波的传递，因此一般为轻质、具 有丌口的多孔性材料；隔声材料则多为坚硬、密实的重质材料，如钢板、混 凝等 1 。声音可分为由于空气的振动而传播的空气声和由于固体的撞击 或振动而传播的固体声。对于空气声的隔音应选用不易振动的材料，即密实、 沉重的( 如粘土砖、混凝土等) 材料。对固体声最有效的隔音措施是结构处 理，即在构件之间加设弹性衬垫如软木，矿棉毡等，以隔断声波的传递。交 通噪声中既有鸣笛、发动机运转、轮胎摩擦地面等产生的空气声，也有各种 金属、地面等相互撞击的固体声，因此对交通噪声的防治措施通常采用复合 材料 2 _ 8 1 。 1 3 3 噪声的评价和标准 噪声评价目的是为了有效提出适合人对噪声反应的主观评价量，同时也 武汉理= r ：大学碳r 。论文 是评判吸声降噪效果的手段。由于噪声变化特性的差异以及人对噪声主观反 应的复杂性，使得对噪声评价较为复杂。在噪声的客观物理量中，可以精确 地计算和测量出噪声的声压、频率、相位、速度等参量，但人对这些量的感 应程度非线性。于是，针对不同声源特性、不同声源影响区类及范围、各种 非声学量影响以及被噪声污染个体的差异性，产生了许多噪声评价方法，仅 国际电工协会公布的通用方法就多达几十种。 1 3 3 1 噪声的物理量度 声音传递是一种波动，所以用频率、周期、相位、波长与声速等物理量 来描述声波的特征。而声音的计量即声音大小是通过声功率级、声强级和声 压级来描述的，其定义分别为【1 】： 三。：2 0 l g 卫 ( d b ) ； p o l ，= 1 0 1 9 ( d b ) ； 1 0 驴e 熹， 式中：l p 、l 卜l r 声压级、声强级、声功率级，d b ( 分贝) ； p 、i 、w 某点的声压、声强、声功率。n m 2 、w m 2 ； p o 、i o 、w o 参考声压、声强、声功率，分别为： 2 1 0 。5 n m 2 、1 0 1 2 w m 2 、1 0 1 2 w m 2 。 声压为有、无声波情况下传播介质的压强变化量；在声场某点指定方向 的声强，定义为在单位时间内垂直于流经该点指定方向的单位面积的平均能 量；声功率是指声波辐射传输的或接受的功率。 声学上用“级”的概念，将两个声压的平方或两个声强之比并取其以1 0 为底的对数，然后用它的1 1 0 来描述声音大小。这样定义主要因为以下原 因：在自然界中，声音强度变化的幅值范围很大，轻微的树叶飘动的声功率 约1 0 4 w ，大型火箭发动机辐射的声功率约为1 0 9 w ，两者相差1 0 垤倍。即 使在日常生活中，听觉感受的声强也差1 0 ”倍之多。要对变化如此巨大的声 音进行量度，用线性标度很不方便。经生理研究表明，人的听觉灵敏度与受 声波刺激量之间的关系也不是线性，而是接近对数的关系。因此，上述声音 计量方式就显得较为合理了 5 - 8 。 1 3 3 2 噪声的主观评价采用的基本声学量 ( 1 ) 响度与响度级：响度级为正常听力判断的纯音与1 0 0 0 h z 的声压 级，单位为方；响度是听觉判断声音轻响程度的主观标度，它是正常听觉判 断一个声音响度级为4 0 方的参考声强的倍数，单位为宋) 。根据它可以把声 音排列成由轻到响的序列，2 宋为1 宋的2 倍响，3 宋为l 宋的3 倍晌，等 等。 ( 2 ) 等响曲线：等响曲线是与1 0 0 0 h z 各个响度级的纯音听起来一样 晌的一族曲线，族中每条曲线上各点的声压级和频率均不相同，但主观感觉 的响度相同； ( 3 ) 声级与声级计：声级又称计权声压级，是衡量噪声强弱的主观评 价量。人耳对声音的各个频率响应随频率而异，而声学仪器为保持测量到的 声音不失真，整个放大系统都是线性的，测得结果都是客观声压级分贝值。 为使测量结果能接近人耳对各个频率响应的灵敏度特性，在仪器内设置成计 权网络的特殊电路，使接受到的声音的各个频率声压级经网络的计权后符合 等响特性。一般有a 、b 、c 、d 四种网络，设置了a 网络的测量仪器称为 声级计( a ) ，其测量结果称为a 计声级，记为d b ( a ) ，其它类推为d b ( b ) 、 d b ( c ) 、d b ( d ) 。其中a 计权的频率响应与入耳对宽范围的声音的灵敏度 相当适应，广泛应用于对工业、交通、生活等环境噪声的计量。 表述一种声音还要考虑其频谱和声源指向性p j 。 1 3 3 3 噪声评价标准 人们对于噪声的主观感觉与噪声的响度、噪声的频率、噪声随时间的变 化有关。目前因评价量和评价方法很多，因此各国相应的评价标准也就很多， 下面主要叙述我国的一些评价标准。我国的一些评价标准主要有：我国现已 颁布有关噪声的法律及标准有：1 9 9 7 年3 月1 日起施行的中华人民共和 6 武汉理t 夫学坝l ：论文 国环境噪声污染防治法( g b 3 0 9 6 _ - 9 3 ) ，城市区域环境噪声标准 ( g b l 4 9 6 7 9 ) ，机动车噪声测量方法( g b t 1 4 6 2 3 9 3 ) ，城市区域环境 噪声测试方法( g b j l l 8 8 8 ) ，民用建筑隔声规范( g b j 8 7 - - 8 5 ) ，工业 企业噪声控制设计规范( g b j l 2 3 4 8 9 0 ) ，工业企业厂界噪声标准 ( g b l 2 5 2 3 - - 9 0 ) ，建筑施工场界噪声限值( g b l 2 5 2 5 - - 9 0 ) ，铁路边界噪 声限值及其测量方法( g b 9 6 6 0 8 0 ) ，机场周围飞机噪声环境标准和卫 生部与劳动部联合颁布的工业企业噪声卫生标准( 试行草案) 、机动车 辆允许噪声标准等。 1 3 4 室内的吸声、隔声与降噪 1 3 4 1 室内吸声与降噪 在房间里的人听到的不只是由声源发出的直达声，还包括大量经过各个 界面多次反射形成的混响声。在直达声与混响声的共同作用下，当离开声源 的距离大于混晌半径( 又称临界距离，以声源为中心，直达声等于反射声的 圆半径，在室内，距声源距离小于混响半径时，直达声占主要成分，大于混 响半径时，反射声占主要成分。) 时接收点上的声压级要比室外同一距离处 高出1 0 1 5 d b 。这时若在房间上下及四周布置吸声材料或吸声结构，可使 混响声减弱，只昕到直达声，那种被噪声“包围”的感觉将明显减弱。这种利 用吸声原理降低噪声的方法称为“吸声降噪”。 1 3 4 2 声屏障的声衰减 声屏障是使声波在传播途径中受到阻挡，在特定区域内达到降低声音作 用的一种设施，例如围墙、山坡以及专门设置的声屏障等。声屏障两侧的声 压级由于声屏障而引起的差值称为声插入损失，也称为屏障的声衰减。声屏 障的薄与厚对其保护区内的降噪作用不同。 ( 1 ) 薄屏障：声波在传播过程中，遇到长与高都比声波波长大得多的坚 实薄屏障时，一部分声能被反射，一部分声能绕过屏障传播，但在屏障背后 形成“声影区”，声音在这区域内有一定的降低，这一区域的大小和降低声音 的程度，随着声波波长增大减小。薄屏障对点声源和不相干线声源( 如道路 7 武汉理t 人学坝l j 论史 上密集车辆产生的声源) 造成的插入损失可以按照菲涅耳公式计算得到： l i l - 1 0 1 9 l ( 3 + 1 0 n ) ： 其中，n = 2 9 , 式中：l i r 插入损失( 声屏障的声衰减) ： n 菲涅耳数； a 声波波长，m ； 8 一声源经声屏障边缘到接收点的最短距离减去声源到接收点的 直线距离，m ； 上式的计算结果有时会很大，但实践证明最大限值为2 4 d b 。 ( 2 ) 厚屏障：当屏障厚度大 于或相当于声波波长时，例如 长排建筑物或土堤等，均可视 为厚屏障。厚屏障插入损失的尸球 计算公式较为复杂，通常按照 图1 1 所示方法近似估算，从 声源和接收点各向屏障边沿 顶点引直线相交于o ，以o 点 为顶点的薄屏障的插入损失 便是等效于相应的厚屏障插入损失。 接收点 图卜1 厚屏障衰减值的估算方法 当0 9 0 。时，其结果误差较大 1 1 - 5 5 j 。 1 4 吸声材料和声屏障的国内外发展现状和研究意义 尽管交通噪声对环境及人的健康产生严重的影响，而且，这种影响已经 被越来越多的人所认识，但是在大量的工程实践中，配套的降噪措施并没有 跟上。例如，我国数于公里的隧道中，只有极少数考虑了降噪措施，而绝大 多数隧道都没有进行降噪处理。究其原因，主要在于目前缺乏经济有效的符 合我国国情的能够为广大业主接受的吸声材料和降噪系统，以及相应的施工 技术。 纵观国内外在交通噪声治理方面的状况，当前国内外在公路上所采用的 主要降噪措施为声学屏障降噪，而采用吸声材料吸收和消耗声音的措施尚不 多见【1 3 l 。当前国内外某些特殊场合所使用的吸声材料由于高昂的价格或者 r 武汉理t 人学懒l j 论义 性价比达不到要求而难以得到大面积的使用。 采用吸声材料消耗一部分噪声，也是降低噪声污染的项重要措施。目 前广泛采用的吸声材料包括有机发泡吸声材料和无机多孔吸声材料，以及相 关的吸声结构。常用的吸声材料有泡沫玻璃、泡沫陶瓷、橡胶型泡沫吸声 材料、聚合物岩棉复合泡沫吸声材料等 1 4 - 15 l 。这些材料价格昂贵，其单位 成本通常在1 0 0 0 元m 2 以上，或者有的吸声材料的效果、耐久性或性能稳定 性等方面还有待进一步改进。比如，有的用吸声材料做的隔声墙采用带缝铁 板复合矿棉组成，在防治噪声污染的同时又产生了污染环境的隐患，因为矿 棉在野外长期于、湿、冷、热及风吹日晒的老化作用下会逐渐释放有害物质。 随着时间的推移，一旦矿棉向下沉降，隔声墙上部的空箱结构会严重降低吸 声效果。同时，外部起保护和复合吸声作用的铁箱也需要较高的维护费用。 例如，上海高架桥上采用的隔声墙在一年后经过测试，降噪作用从原来的 8 d b 左右下降到3 d b 左右，几乎失去了使用的意义【”】。因此，这些都使这 样的吸声材料根本无法大面积推广应用。 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、制作和安装等方面己经形成规模化，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 i ”。例如，芬兰p c ee n g i n e e r i n g l t d2 0 0 0 年最新的产品在六个频率下的吸声系数分别达到0 4 4 、o 7 8 、o 8 4 、 0 9 7 、o 8 8 和0 9 1 ，平均达到0 8 。 现在，国内已经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o 6 8 左右，尤其是它能 在1 0 0 2 5 0 h z 之间的低频段达到0 3 以上的吸声系数，而且容重不大，强 度较高。这种吸声材料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i l “。虽然吸声和降噪性能都很好，但总的来晚，价格都很昂 贵，根据中国的国情，这些材料在我国还不能充分的被利用。 因此，研究一种具有耐久性能和吸声性能较高且成本相对低廉的新型吸 声材料具有重要意义。 武汉理t 大学坝l 论文 第2 章吸声原材料的选择及吸声材料的制备 本研究对主要原材料的选择原则从两个方面考虑：一是对吸声系数高的 原材料进行改性，作防水、耐腐蚀、增强等处理以提高耐久性并进一步改善 吸声效果。二是对耐久性好而吸声能力稍弱的原材料进行改性，提高其吸声 性能而尽量减少其耐久性的损失。另外，对原材料的选择还要兼顾原材料取 得的便利性和成本因素。 根据各类材料对于不同频率声波的吸声特性，可以知道多孔性吸声材料 最适合吸声降噪的声学要求。综合以上对材料选择的原则，本研究最终选择 了膨胀珍珠岩和聚氨酯作为主要原材料。 膨胀珍珠岩作为无机材料，可以和水泥较好地结合，所得制品的耐腐蚀、 耐风化等耐久性能较高。因为膨胀珍珠岩成本低廉、原料易得，所以选择它 作为主要原材料也比较实用。 2 1 膨胀珍珠岩及其制品的物理性能 将珍珠岩粉碎，在电加热温度1 1 5 0 。c 1 2 5 0 。c 下煅烧，玻璃质渐软， 内部所含水份变为高压水蒸汽向外扩散。当玻璃质膨胀到最大程度时，急剧 冷却，从而获得一种轻质、表面闭孑l 、球形的膨胀珍珠岩。其容重，8 0 1 5 0 k g m 3 ；导热系数是o 0 5 2 w ( mk ) ；吸水率是4 0 8 4 。 本实验所用膨胀珍珠岩颗粒料的物性和化学成分见下表2 1 和表2 - 2 。 表2 - 1 膨胀珍珠岩物理性质 松装密度含水 颗粒级配 颜色 1 2 5 m m 以06 ( k g m3 ) 率( ) l2 5 r a m 03 06 m m03 m m 以下 灰白 7 0 8 03 53 354 751 0 58 5 武汉埋丁人学坝i 论文 表2 - 2 膨胀珍珠岩化学成分( ) 烧矢 成分s i 0 2a 1 2 0 3f c 2 0 3 c a o k 2 0n a 2 0h 2 0 量 含量 7 2 7 71 0 1 507 l207 18d 53 424 602 - 05 膨胀珍珠岩本身的强度很低，当它作为保温材料时一般不考虑其强度问 题，并且因为其在使用时通常有包裹层而不考虑耐久性问题。但用作吸声材 料时，由于其位于公共场合，因此需要一定的抗冲击能力和尽可能高的耐久 性，亦即要求尽可能高的强度【l ”。 珍珠岩经高温膨胀后，形成的密网状多孔材料具有很强的吸水性。兀a 列宾捷尔认为，在固体材料内部，都存在一个微细裂纹网，因而相应地存在 一个庞大的内比表面积，如果材料的孔隙为液体所饱和，则液体以吸附膜的 形式渗入微裂缝的空间，并产生双向压力。这时，还伴随着固体内表面的表 面能降低，其降低值为： a o - 2 盯s o 一盯s s2 式中：o s 口一固相“s ”和真空0 之间的表面能； 6 s 广固相“s ”与介质吸附层“2 ”之间的表面能。 双向应力的大小随a 的增大而增大，当微裂缝的宽度等于吸附剂双分 子层的厚度时，吸附薄膜的移动就终止。双向应力在材料内部产生拉应力， 导致材料强度降低。 尽管膨胀珍珠岩具有很强的吸水性，但由于其微孑l 效应使其在内部受到 压力时能够表现出很强的弹性，因而使它拥有良好的抗冻融特性【l 。这也 是膨胀珍珠岩制品区别于其它水泥制品一个优点。 2 2 外加剂 混凝土、砂浆或净浆的很大一部分性能可通过引入外加剂得到改变，能 够更好地满足各类工程及其特殊要求，主要作用有几下几点【2 0 1 ：( 1 ) 能改善 施工条件、减轻体力劳动强度、有利于机械化作业，这对保证并提高混凝土 等的工程质量很有好处；( 2 ) 能减少养护时间、或缩短预制构件厂的蒸养时 战汉理t 人学坝i 论义 间；也可以使工地提早拆除模板、加速模板周转，因此，掺用外加剂可以加 快施工进度，提高建设速度；( 3 ) 能提高或改善混凝土的质量。有些外加剂 掺入到混凝土中后，可以提高混凝土的强度，增加混凝土的耐久性、密实性、 抗冻性及抗渗性，并可改善混凝土的干燥收缩及徐变性能；( 4 1 在采取一定 的工艺措施以后，掺加外加剂能适当的节约水泥而不致对混凝土质量有不利 的影响；( 5 ) 掺用j i , d n 剂在一定程度上可以节省能源。节约了水泥本身就是 节省能源：增加了混凝土拌合物的和易性，使捣固、抹平等工序易于进行， 也必会使能耗减少等；因此，掺用外加剂后，对能源的节约将能起到相当大 的作用。 2 2 1 引气剂的作用机理与种类 引气剂是一种能使混凝土或砂浆及水泥净浆中产生细小、均匀分布的， 而且硬化后能保留微气泡的p i , d h 齐0 。在混凝土或砂浆中加入引气剂后，它能 使混凝土或砂浆的某些方面性能有明显的提高，能使它们的使用寿命大大延 长。引气剂的主要作用在于它使混凝土在拌和时引入的空气泡能以较稳定的 形式存在，又能使这些泡的直径比较小而且均匀。所谓“泡”就是由液体薄膜 包围着的气体。若某种液体易于呈膜不易破裂，则此液体在搅拌时就会产生 许多泡沫。当将某种表面活性剂溶于液体中，并被吸附于气一液界面上时， 它就形成了比较牢固的液膜，并会使该液体的表面张力下降，从而增强了液 体和空气的接触面，再加上被吸附表面活性剂对液膜的保护作用，这个液膜 就比较牢固，从而使泡不易破灭。当掺加引气剂太少时，其作用太弱，使混 凝土对气候变化及对化学侵蚀的抵抗能力增加不够多，对混凝土耐久性的改 善也比较轻微。掺加的引气剂太多时，则会使混凝土中引入的空气量太大， 使混凝土的强度有过多地降低。国内的引气剂大致有如下几种：( i ) 松香及 热聚物类：( 2 ) 二1 1 z 离子型表面活性剂类；( 3 ) 烷基苯磺酸盐类；( 4 ) 木质素磺酸 盐类；( 5 ) 羧酸及其盐类；( 6 ) 其它具有引气性的减水剂等。 常用引气剂的极性基如表2 3 所示。 表2 - 3 常用引气剂的极性基特性 对水的引对相似分子 极性基泡膜稳定性 力引力 c h2 i ，一c h2 b f ，一c h2 c l 强强不起泡 泡不稳定 一c h 2 0 c h3 ，- c6 h 5 0 c h j ， 一c o o c h 】，一o c h2 。+ l 强弱引起剂溶剂 度低 一c h2 0 h ，- c o o h ，c n ，- c o n h2 ， 泡稳定，引 一c h = n o h ，一c 6 hd o h ， 很强中弱起及溶解度 一c h2 c o o h ，一n h c o n h3 ，- n h c o c h3 中等 泡稳定，引 一c 6 hq s o h ，一s o3 h ，一s od h 极强中弱起剂溶解度 若引气剂溶解度很低，则需要强烈搅拌后才能分散于浆体中。引气剂因 不易溶解而易于在浆体表面随泡沫及水层而排出，或表现为起泡速度慢，延 续时间长而难于控制。引气剂溶解度对泡沫稳定性有较大的影响。一般难溶 性引气剂其泡沫稳定性随分子长度变化的范围较窄，即对分子长度要求比较 严格，但其泡沫寿命较长，韧性较大；易溶性引气剂这个范围较宽，但泡沫 韧性较小。这与难溶引气剂其非极性部分分子量较大有关，因为它在气液 界面形成的吸附层单层厚度大，定向排列时分子间作用力大，使泡沫韧性大， 寿命长。一般溶解度低的引气剂，其泡沫速度慢而持久，泡沫结构致密，泡 径较小、较粘；而溶解度较大的引气剂，其起泡速度快，泡沫结构疏松，泡 径较大且较脆。根据引气剂溶解度以及其分子链长度对泡沫稳定性的影响， 本实验选择松香及热聚物类作为引气剂。 2 2 2 速凝剂 混凝土中水泥水化引气的凝结硬化到给定的强度值时，需要一段较长的 时间。混凝土的脱模、预应力混凝土结构的张拉或放松应力、水泥制品的出 厂等等，都希望能在较短时间内获得较高的强度。为了达到这个目的，通常 武汉理1 - 人学蛔i 论义 采用快硬早强水泥、增加水泥用量、湿热处理或掺加混凝土速凝剂等技术措 施。实践表明，掺用速凝剂是提高混凝土早期强度、缩短养护时间的最有效 方法。凡是掺入到水泥浆体或混凝土中，能加速水泥浆体或混凝士硬化，提 高混凝土强度( 尤其是早期强度) 的外加剂称为速凝剂。速凝剂对混凝土或 水泥浆体凝结时间和强度的影响往往随水泥品种、速凝剂掺量、硬化温度不 同而异。国内常用速凝剂有氯盐( 氯化钙和氯化钠) 、硫酸盐( 硫酸钠和硫 化硫酸钠) 和三乙醇氨( 或三乙醇氨残渣) 。本实验选用硫酸钠作为速凝剂。 硅酸盐水泥的主要成分是硅酸三钙( c 3 s ) 、硅酸二钙( c 2 s ) 、铝酸z 钙( c 3 a ) 及铁铝酸四钙( c 4 a f ) 。水泥的凝结主要是由于c 3 s 、c 2 s 、c 3 a 及c 4 a f 的水 化反应引起的，硬化主要是c 3 s 和c 2 s 的水化所产生。当不掺石膏的纯熟 料水泥与水拌和时由于c 3 a 和c 4 a f 迅速水化生成的水化物的胶体微粒凝聚 和胶化，使水泥急速凝结。这种速凝的水泥在工程中难以使用，通常需要掺 用石膏来调节其凝结时间。水泥中c 3 a 和c 4 a f 与石膏水化反应生成硫酸铝 钙，它覆盖于水泥颗粒表面，它是比水化铝酸钙更加亲水的胶体稳定剂，从 而延长了凝结过程，使凝结时间延缓。掺加适量的石膏( 硫酸钙) 不仅能获 得适当的凝结时间，而且还影响水泥的其他性能( 如强度) 。掺硫酸钠 ( n a 2 s 0 4 ) 可延缓水泥的凝结时间，而在凝结终止后，又加速水泥的硬化。 硫酸钠加入水泥中，与氢氧化钙作用生成高分散性的c a s 0 4 2 h 2 0 n a 2 s 0 4 + c a ( o h ) 2 + 2 h 2 0 - - * c a s 0 4 2 h 2 0 + 2 n a o h 这一反应的进行能加速c 3 s 水化，生成的c a s 0 4 2 h 2 0 比掺入的磨细石 膏分散更大，更易与c 3 a 生成各种复盐晶体，如c 3 s ，h m c 3 a s 1 2 等。 c ，a s ，h + ，晶体的体积增大近二倍，能使水泥石致密，起早强作用。 2 2 3 减水剂的作用机理及其种类 在不影晌混凝土和易性( 或砂浆、净浆流动性) 条件下，使给定的混凝 土