當(dāng)前，城市噪音問題越來越突出，人們在不同場合需要用到各種不同的吸聲材料。其中，陶粒吸聲材料作為常見的吸聲材料，常用來降低城市噪聲污染，具有良好的吸聲性能，且成本較低，易于生產(chǎn)加工，并綠色環(huán)保，適合推廣應(yīng)用。國內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)與高校都對陶粒吸聲材料展開了研究。張春[1]對綠色環(huán)保水泥基陶粒吸聲材料進(jìn)行研究，以水泥為膠凝材料，陶粒為輕骨料，對吸聲材料的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)并完成材料制備，通過測試吸聲材料聲學(xué)、力學(xué)等性能，詳細(xì)分析了材料的吸聲系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等性能的影響因素;李青、酆磊等人[2]對新型多孔水泥基陶粒吸聲材料的性能進(jìn)行研究，以黏土質(zhì)陶粒和普通硅酸鹽水泥為主要材料，通過改變陶粒的類型，制備不同的吸聲材料，并進(jìn)行聲學(xué)測試，得到顆粒級配、壓縮比、空腔等多種因素對材料吸聲性能的影響。國內(nèi)有許多學(xué)者對不同膠凝材料的陶粒吸聲材料進(jìn)行過研究，目前常見的主要膠凝材料有水泥、混凝土等，但鮮有以石膏為主要膠凝材料的研究。石膏本身造價(jià)低、防潮、防火，易于塑形，可結(jié)合建筑設(shè)計(jì)做出美觀的造型，且石膏硬化后孔隙率更高，因此材料的吸聲性能更佳。故嘗試以石膏為膠凝材料，制備出一種新型石膏基陶粒吸聲材料。研究主要分為三個部分：吸聲材料的制備及性能測試;吸聲材料的聲學(xué)性能分析;吸聲材料的力學(xué)性能分析。改變大、小陶粒比例，設(shè)計(jì)7組不同的石膏基陶粒吸聲材料配合比并進(jìn)行材料制備，通過聲學(xué)材料測試系統(tǒng)和力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，分別對材料的聲學(xué)性能和力學(xué)性能進(jìn)行測試，詳細(xì)分析了干密度對材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，顆粒級配、材料試件厚度、空腔厚度等因素對材料吸聲系數(shù)的影響。

　　1試驗(yàn)部分

　　1.1試驗(yàn)原料該試驗(yàn)的制備以不同粒徑的陶粒為輕骨料，脫硫石膏和鋁酸鹽水泥為膠凝材料，并輔以減水劑、緩凝劑、增稠劑、聚丙烯纖維及染色劑等外加材料，混合攪拌而成。通過改變不同粒徑陶粒的用量，制得7組性能不同的石膏基陶粒吸聲材料。石膏基陶粒吸聲材料的原材料基準(zhǔn)配合比及其變量小陶粒的百分比變化見表1。水泥選用型號為CA80的嘉耐鋁酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。脫硫石膏的化學(xué)成分及其百分比見表3。其中，陶粒選用圓型頁巖陶粒，按粒徑可分為小陶粒和大陶粒，小陶粒堆積密度為445.7kg·m-3，粒徑為1～8mm;大陶粒堆積密度為360.4kg·m-3，粒徑為5～15mm。增稠劑為羥丙基甲基纖維素(HPMC)，緩凝劑為蛋白類石膏緩凝劑，減水劑為三聚氰胺高效減水劑1.2制備工藝本研究吸聲材料的制作主要在重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)儀器包括攪拌器、160mmx160mmx40mm的三聯(lián)模、3組不同厚度圓柱體鐵模具等。石膏基陶粒吸聲材料的具體制備工藝如圖1所示。1.3測試方法1.3.1干表觀密度測試根據(jù)規(guī)范要求，將制得的試件放入烘箱烘烤，每半小時取出測定一次質(zhì)量，當(dāng)試件質(zhì)量變化趨于穩(wěn)定時，記錄試件質(zhì)量，并用游標(biāo)卡尺測定試件長、寬、高。1.3.2力學(xué)性能測試試驗(yàn)采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)《建筑石膏GB/T9776—2008》，分別對石膏基陶粒吸聲材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試。操作主要流程為設(shè)備調(diào)試、安裝式樣、式樣加壓、記錄數(shù)據(jù)等步驟。1.3.3聲學(xué)性能測試試驗(yàn)采用丹麥BK聲學(xué)材料測試系統(tǒng)4206-T，并配備有計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)軟件PULSELapshop，根據(jù)GB/T18696.2—2002，對石膏基陶粒吸聲材料進(jìn)行吸聲系數(shù)測試。操作流程主要分為設(shè)備調(diào)試、安裝式樣、調(diào)節(jié)空腔大小、吸聲系數(shù)測試等步驟。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1石膏基陶粒干表觀密度基于上述試驗(yàn)方案制得7組石膏基陶粒試件，經(jīng)過烘干后測得的材料干表觀密度如表4所示。分析數(shù)據(jù)可知，該試驗(yàn)小陶粒用量大，隨著小陶粒質(zhì)量百分比的降低，試件的干密度先上升再下降。在小陶粒質(zhì)量百分比從70%下降到60%以前，試件干密度逐漸增加，超過800kg/m3;在小陶粒質(zhì)量百分比從60%下降到53%時，試件干密度隨之下降，達(dá)到578kg/m3。這是由于大、小陶粒的堆積存在一個最密堆積比例，適當(dāng)增加小陶粒的用量，減少大陶粒的比例，可以使試件密度上升;在保證其他外加劑質(zhì)量不變的前提下，當(dāng)小陶粒比例為60%時，大小陶粒堆積最密實(shí)，材料密度最大;在小陶粒比例從50%增加到60%的過程中，材料密度隨之增加;當(dāng)小陶粒密度超過60%時，材料密度隨之降低。根據(jù)法國Furnas的最大密實(shí)度理論，單粒徑圓形顆粒體系內(nèi)部的填充性并不好，而不同粒徑顆粒混合時，由于較小顆粒填充于較大顆粒之間，可大幅度降低膠凝體系的孔隙率。因此，在試驗(yàn)中，通過在大陶粒(平均粒徑為5～15mm)中加入小陶粒(平均粒徑為1～8mm)，提高材料的密實(shí)度，可以得到干密度較高的膠凝材料體系。張春等的試驗(yàn)也已經(jīng)印證了這一點(diǎn)[1]。2.2石膏基陶粒力學(xué)性能研究基于上述試驗(yàn)方案所制得的7組石膏基陶粒試件的抗折、抗壓試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。分析數(shù)據(jù)可知，隨著材料密度的增加，試件的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度整體呈上升趨勢。當(dāng)材料密度從468kg/m3增加到620kg/m3，試件材料抗折強(qiáng)度提高了281%，抗壓強(qiáng)度提高了161%;當(dāng)材料密度從620kg/m3增加到862kg/m3，試件材料抗折強(qiáng)度提高了30%，抗壓強(qiáng)度提高了14%。這說明材料密度是影響其抗折強(qiáng)度的重要因素，據(jù)張春等的研究[1]，材料密度增大時，材料內(nèi)部填充相對密實(shí)，承受的極限壓應(yīng)力也越大。因此材料密度越高，試件的抗折、抗壓強(qiáng)度就越高。而當(dāng)密度超過693kg/m3時，材料的強(qiáng)度提高較為平穩(wěn)緩和。這是由于此時骨料強(qiáng)度限制了材料力學(xué)性能的提高。根據(jù)Zhang[3]“控制高強(qiáng)輕骨料材料強(qiáng)度的主要因素是骨料強(qiáng)度”以及Bremner[4]、Yang[5]“輕骨料強(qiáng)度是高強(qiáng)輕質(zhì)材料強(qiáng)度的控制因素”的結(jié)論，因?yàn)樵撛囼?yàn)所采用的骨料圓型頁巖陶粒強(qiáng)度較低，所以即使通過改變大小陶粒配比增大密度，也難以進(jìn)一步提高材料抗折、抗壓強(qiáng)度。2.3石膏基陶粒吸聲材料的吸聲性能研究2.3.1顆粒級配對吸聲性能的影響控制水膠比(0.65)、材料厚度(50mm)及背后空腔(0mm)不變，改變大小陶粒的顆粒級配，測定7組石膏基陶粒吸聲材料試樣的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，不同組別試塊吸聲性能有差異，但吸聲曲線趨勢相似，對于低頻、高頻吸聲性能較差，隨著小陶粒質(zhì)量百分比的改變，吸聲峰值頻率在630～800Hz變化，對峰值頻率的吸聲系數(shù)在0.36～0.95變化。其中，①—⑤組試件在630Hz時，吸聲系數(shù)出現(xiàn)峰值，第①組吸聲系數(shù)最高，為0.69;④組吸聲系數(shù)最低，為0.36;⑥、⑦兩組試件在800Hz時，吸聲系數(shù)出現(xiàn)峰值，其中⑥組為0.80;⑦組為0.95。可以看出，當(dāng)小陶粒質(zhì)量百分比較高時，吸聲系數(shù)在較低頻段出現(xiàn)峰值;當(dāng)小陶粒質(zhì)量百分比較低時，吸聲系數(shù)在較高頻段出現(xiàn)峰值;當(dāng)小陶粒質(zhì)量百分比為60%時，對峰值頻率的吸聲系數(shù)最低。這是因?yàn)樵诓煌�的顆粒級配下，材料中的密實(shí)度不同，孔隙大小不同，所以材料試塊會形成不同的流阻，導(dǎo)致吸聲效果不同[6]。在第④組中，小陶粒質(zhì)量百分比為60%，此時材料的密度最大，接近最緊密堆積狀態(tài)，形成的孔徑最為細(xì)小，聲波很難入射，所以吸聲性能最差。而在第①、⑥、⑦組中，陶粒堆積不密實(shí)，材料形成的孔徑較大，聲波入射后，發(fā)生非彈性碰撞的機(jī)率大，可以與孔隙壁發(fā)生充分摩擦。經(jīng)過多次折射與反射之后，聲能大大損失，因此平均吸聲系數(shù)比第④組更好。2.3.2材料試件厚度對吸聲性能的影響控制水膠比、顆粒級配及背后空腔(0mm)不變，改變試件厚度，測定七組石膏基陶粒吸聲材料的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖5—圖7所示。由圖5可知，隨著材料厚度的增加，材料吸聲的吸聲峰值頻率向低頻段移動。在第③試件組中，20mm厚度試樣的吸聲峰值頻率大于1600Hz，30mm厚度試樣的吸聲峰值頻率在1250Hz左右，而50mm厚度試樣的吸聲峰值頻率則低至800Hz。對比圖4、圖6以及圖7，可以看到所有組別的變化有著相同的趨勢：當(dāng)試塊厚度為20mm時，吸聲峰值頻率大于1600Hz;當(dāng)試塊厚度為30mm時，吸聲峰值頻率在1000～1250Hz左右;當(dāng)試件厚度為50mm時，吸聲峰值頻率在630～800Hz左右。根據(jù)多孔材料吸聲原理的瑞利模型可知，增加材料的厚度可以增加材料的聲阻抗，因此，厚度對吸聲性能的影響比較大[7]。因?yàn)楦哳l聲波主要在材料的表面被吸收，而低頻聲波的吸收發(fā)生在材料內(nèi)部，當(dāng)材料厚度增加時，低頻阻抗增加，引起低頻聲在透過該種材料時與孔隙壁發(fā)生非彈性碰撞的次數(shù)變多，低頻聲損失加大，從而使得材料的吸聲峰值頻率隨著厚度增加明顯向低頻移動，但同時對高頻聲波的吸收則沒有明顯的影響。2.3.3空腔厚度對吸聲性能的影響控制水膠比、顆粒級配及材料厚度(20mm)不變，將空腔厚度分別調(diào)整為0mm、10mm、20mm、30mm、40mm以及50mm，測定7組石膏基陶粒吸聲材料的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖8所示。材料的吸聲峰值頻率隨著空腔厚度的變大逐漸向低頻段移動。當(dāng)沒有空腔時，吸聲峰值頻率大于1600Hz;當(dāng)空腔為10mm時，吸聲峰值頻率在630Hz左右;當(dāng)空腔為50mm時，吸聲峰值頻率在315Hz左右。以上現(xiàn)象是因?yàn)樾纬闪丝涨还舱窠Y(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波的頻率與共振吸聲結(jié)構(gòu)的自振頻率一致時，發(fā)生共振，聲波激發(fā)共振吸聲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，并使振幅達(dá)到最大，從而消耗聲能，達(dá)到吸聲的目的。劉鵬輝等的試驗(yàn)證實(shí)[7]，材料與剛性壁之間設(shè)置空腔可以使陶粒制品在中低頻段大幅度地提高吸聲系數(shù)，作用相當(dāng)于增加多孔材料的厚度，因此對吸聲性能有很大影響，而且比較經(jīng)濟(jì)[8]。在實(shí)際工程中，常通過采用改變空腔厚度的方法來改變吸聲材料的頻率特性。在該試驗(yàn)中，材料的吸聲峰值頻率隨著空腔厚度的變大逐漸向低頻段轉(zhuǎn)移，同樣驗(yàn)證了空腔厚度對吸聲材料頻率特性的顯著影響。

　　3結(jié)語

　　本研究以輕質(zhì)陶粒、石膏、水泥為主要原料，輔以增稠劑、緩凝劑、減水劑、染色劑等外加劑，采用一般石膏成型方法制成多孔吸聲材料，并進(jìn)行關(guān)于聲學(xué)與力學(xué)性能的測試與分析，得到的結(jié)論如下：(1)顆粒級配對材料力學(xué)性能、聲學(xué)性能有顯著影響。在給定基準(zhǔn)配合比的前提下，當(dāng)小陶粒質(zhì)量百分比為60%時，材料的干表觀密度最大，為862kg/m3，材料堆積最為密實(shí)，材料的抗壓、抗折強(qiáng)度最高，分別為2.8MPa和0.8MPa。當(dāng)小陶粒質(zhì)量百分比在50%時，材料的吸聲系數(shù)達(dá)到峰值，對聲波頻率為800Hz的聲音吸聲系數(shù)為0.95;(2)材料厚度會影響材料的吸聲性能。在給定配合比和材料背后空腔厚度的條件下，當(dāng)材料厚度從20mm增加到50mm，材料吸聲頻率峰值移動到630～800Hz。隨著材料厚度的增加，石膏基陶粒吸聲材料的吸聲峰值頻率向低頻段移動;(3)空腔厚度會影響材料吸聲的頻率特性。在給定配合比和材料厚度的條件下，隨著空腔厚度增加到50mm，材料吸聲頻率的峰值移動到315Hz，空腔厚度的增加使石膏基陶粒吸聲材料的吸聲峰值頻率向低頻段大幅度移動;(4)制成的石膏基陶粒多孔吸聲材料自重輕、成本低、外形美觀、吸聲性能良好，可用作室內(nèi)裝飾材料，吸聲降噪，建設(shè)友好生活環(huán)境。但所制材料強(qiáng)度較低，具有一定的局限性，可在材料配比上進(jìn)行優(yōu)化改良，制得強(qiáng)度更高的石膏基陶粒吸聲材料。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]張春.綠色環(huán)保水泥基陶粒吸音材料的研究[D].柳州：廣西科技大學(xué)，2015.

　　[2]李青，酆磊，朱萬旭，等.新型多孔水泥基陶粒吸聲材料的性能分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017(1)：103-107.

　　[3]ZhangMH,GjorvOddE.Mechanicalofhigh-strengthlightweightaggregates[J].ACIMaterialJournal，1991(3)：240-247.

　　[4]BermnerTW,HolmTA.Elasticcompatibilityandthebe-haviourofconcrete[J].ACIMaterialJournal，1986(2)：244-250.

　　[5]YangCC,HuangR.A.Two-phasemodelforpredictingthecomprehensivestrengthofconcrete[J].CementandConcreteResearch，1996(10)：1567-1577.

　　《石膏基陶粒吸聲材料性能研究》來源：《重慶建筑》，作者：王妍蒙 陳怡冰 楊斯捷 劉俊超 謝輝