当前，城市噪音问题越来越突出，人们在不同场合需要用到各种不同的吸声材料。其中，陶粒吸声材料作为常见的吸声材料，常用来降低城市噪声污染，具有良好的吸声性能，且成本较低，易于生产加工，并绿色环保，适合推广应用。国内外许多科研机构与高校都对陶粒吸声材料展开了研究。张春[1]对绿色环保水泥基陶粒吸声材料进行研究，以水泥为胶凝材料，陶粒为轻骨料，对吸声材料的配合比进行设计并完成材料制备，通过测试吸声材料声学、力学等性能，详细分析了材料的吸声系数、抗压强度、抗折强度等性能的影响因素;李青、酆磊等人[2]对新型多孔水泥基陶粒吸声材料的性能进行研究，以黏土质陶粒和普通硅酸盐水泥为主要材料，通过改变陶粒的类型，制备不同的吸声材料，并进行声学测试，得到颗粒级配、压缩比、空腔等多种因素对材料吸声性能的影响。国内有许多学者对不同胶凝材料的陶粒吸声材料进行过研究，目前常见的主要胶凝材料有水泥、混凝土等，但鲜有以石膏为主要胶凝材料的研究。石膏本身造价低、防潮、防火，易于塑形，可结合建筑设计做出美观的造型，且石膏硬化后孔隙率更高，因此材料的吸声性能更佳。故尝试以石膏为胶凝材料，制备出一种新型石膏基陶粒吸声材料。研究主要分为三个部分：吸声材料的制备及性能测试;吸声材料的声学性能分析;吸声材料的力学性能分析。改变大、小陶粒比例，设计7组不同的石膏基陶粒吸声材料配合比并进行材料制备，通过声学材料测试系统和力学试验机，分别对材料的声学性能和力学性能进行测试，详细分析了干密度对材料抗压强度和抗折强度的影响，颗粒级配、材料试件厚度、空腔厚度等因素对材料吸声系数的影响。
1试验部分
1.1试验原料该试验的制备以不同粒径的陶粒为轻骨料，脱硫石膏和铝酸盐水泥为胶凝材料，并辅以减水剂、缓凝剂、增稠剂、聚丙烯纤维及染色剂等外加材料，混合搅拌而成。通过改变不同粒径陶粒的用量，制得7组性能不同的石膏基陶粒吸声材料。石膏基陶粒吸声材料的原材料基准配合比及其变量小陶粒的百分比变化见表1。水泥选用型号为CA80的嘉耐铝酸盐水泥，其主要技术指标见表2。脱硫石膏的化学成分及其百分比见表3。其中，陶粒选用圆型页岩陶粒，按粒径可分为小陶粒和大陶粒，小陶粒堆积密度为445.7kg·m-3，粒径为1～8mm;大陶粒堆积密度为360.4kg·m-3，粒径为5～15mm。增稠剂为羟丙基甲基纤维素(HPMC)，缓凝剂为蛋白类石膏缓凝剂，减水剂为三聚氰胺高效减水剂1.2制备工艺本研究吸声材料的制作主要在重庆大学建筑城规学院声学实验室进行，试验仪器包括搅拌器、160mmx160mmx40mm的三联模、3组不同厚度圆柱体铁模具等。石膏基陶粒吸声材料的具体制备工艺如图1所示。1.3测试方法1.3.1干表观密度测试根据规范要求，将制得的试件放入烘箱烘烤，每半小时取出测定一次质量，当试件质量变化趋于稳定时，记录试件质量，并用游标卡尺测定试件长、宽、高。1.3.2力学性能测试试验采用力学试验机，根据《建筑石膏GB/T9776—2008》，分别对石膏基陶粒吸声材料的抗压强度和抗折强度进行测试。操作主要流程为设备调试、安装式样、式样加压、记录数据等步骤。1.3.3声学性能测试试验采用丹麦BK声学材料测试系统4206-T，并配备有计算机测试系统软件PULSELapshop，根据GB/T18696.2—2002，对石膏基陶粒吸声材料进行吸声系数测试。操作流程主要分为设备调试、安装式样、调节空腔大小、吸声系数测试等步骤。
2结果与讨论
2.1石膏基陶粒干表观密度基于上述试验方案制得7组石膏基陶粒试件，经过烘干后测得的材料干表观密度如表4所示。分析数据可知，该试验小陶粒用量大，随着小陶粒质量百分比的降低，试件的干密度先上升再下降。在小陶粒质量百分比从70%下降到60%以前，试件干密度逐渐增加，超过800kg/m3;在小陶粒质量百分比从60%下降到53%时，试件干密度随之下降，达到578kg/m3。这是由于大、小陶粒的堆积存在一个最密堆积比例，适当增加小陶粒的用量，减少大陶粒的比例，可以使试件密度上升;在保证其他外加剂质量不变的前提下，当小陶粒比例为60%时，大小陶粒堆积最密实，材料密度最大;在小陶粒比例从50%增加到60%的过程中，材料密度随之增加;当小陶粒密度超过60%时，材料密度随之降低。根据法国Furnas的最大密实度理论，单粒径圆形颗粒体系内部的填充性并不好，而不同粒径颗粒混合时，由于较小颗粒填充于较大颗粒之间，可大幅度降低胶凝体系的孔隙率。因此，在试验中，通过在大陶粒(平均粒径为5～15mm)中加入小陶粒(平均粒径为1～8mm)，提高材料的密实度，可以得到干密度较高的胶凝材料体系。张春等的试验也已经印证了这一点[1]。2.2石膏基陶粒力学性能研究基于上述试验方案所制得的7组石膏基陶粒试件的抗折、抗压试验结果如图2和图3所示。分析数据可知，随着材料密度的增加，试件的抗折强度、抗压强度整体呈上升趋势。当材料密度从468kg/m3增加到620kg/m3，试件材料抗折强度提高了281%，抗压强度提高了161%;当材料密度从620kg/m3增加到862kg/m3，试件材料抗折强度提高了30%，抗压强度提高了14%。这说明材料密度是影响其抗折强度的重要因素，据张春等的研究[1]，材料密度增大时，材料内部填充相对密实，承受的极限压应力也越大。因此材料密度越高，试件的抗折、抗压强度就越高。而当密度超过693kg/m3时，材料的强度提高较为平稳缓和。这是由于此时骨料强度限制了材料力学性能的提高。根据Zhang[3]“控制高强轻骨料材料强度的主要因素是骨料强度”以及Bremner[4]、Yang[5]“轻骨料强度是高强轻质材料强度的控制因素”的结论，因为该试验所采用的骨料圆型页岩陶粒强度较低，所以即使通过改变大小陶粒配比增大密度，也难以进一步提高材料抗折、抗压强度。2.3石膏基陶粒吸声材料的吸声性能研究2.3.1颗粒级配对吸声性能的影响控制水胶比(0.65)、材料厚度(50mm)及背后空腔(0mm)不变，改变大小陶粒的颗粒级配，测定7组石膏基陶粒吸声材料试样的吸声系数，结果如图4所示。由图4可知，不同组别试块吸声性能有差异，但吸声曲线趋势相似，对于低频、高频吸声性能较差，随着小陶粒质量百分比的改变，吸声峰值频率在630～800Hz变化，对峰值频率的吸声系数在0.36～0.95变化。其中，①—⑤组试件在630Hz时，吸声系数出现峰值，第①组吸声系数最高，为0.69;④组吸声系数最低，为0.36;⑥、⑦两组试件在800Hz时，吸声系数出现峰值，其中⑥组为0.80;⑦组为0.95。可以看出，当小陶粒质量百分比较高时，吸声系数在较低频段出现峰值;当小陶粒质量百分比较低时，吸声系数在较高频段出现峰值;当小陶粒质量百分比为60%时，对峰值频率的吸声系数最低。这是因为在不同的颗粒级配下，材料中的密实度不同，孔隙大小不同，所以材料试块会形成不同的流阻，导致吸声效果不同[6]。在第④组中，小陶粒质量百分比为60%，此时材料的密度最大，接近最紧密堆积状态，形成的孔径最为细小，声波很难入射，所以吸声性能最差。而在第①、⑥、⑦组中，陶粒堆积不密实，材料形成的孔径较大，声波入射后，发生非弹性碰撞的机率大，可以与孔隙壁发生充分摩擦。经过多次折射与反射之后，声能大大损失，因此平均吸声系数比第④组更好。2.3.2材料试件厚度对吸声性能的影响控制水胶比、颗粒级配及背后空腔(0mm)不变，改变试件厚度，测定七组石膏基陶粒吸声材料的吸声系数，结果如图5—图7所示。由图5可知，随着材料厚度的增加，材料吸声的吸声峰值频率向低频段移动。在第③试件组中，20mm厚度试样的吸声峰值频率大于1600Hz，30mm厚度试样的吸声峰值频率在1250Hz左右，而50mm厚度试样的吸声峰值频率则低至800Hz。对比图4、图6以及图7，可以看到所有组别的变化有着相同的趋势：当试块厚度为20mm时，吸声峰值频率大于1600Hz;当试块厚度为30mm时，吸声峰值频率在1000～1250Hz左右;当试件厚度为50mm时，吸声峰值频率在630～800Hz左右。根据多孔材料吸声原理的瑞利模型可知，增加材料的厚度可以增加材料的声阻抗，因此，厚度对吸声性能的影响比较大[7]。因为高频声波主要在材料的表面被吸收，而低频声波的吸收发生在材料内部，当材料厚度增加时，低频阻抗增加，引起低频声在透过该种材料时与孔隙壁发生非弹性碰撞的次数变多，低频声损失加大，从而使得材料的吸声峰值频率随着厚度增加明显向低频移动，但同时对高频声波的吸收则没有明显的影响。2.3.3空腔厚度对吸声性能的影响控制水胶比、颗粒级配及材料厚度(20mm)不变，将空腔厚度分别调整为0mm、10mm、20mm、30mm、40mm以及50mm，测定7组石膏基陶粒吸声材料的吸声系数，结果如图8所示。材料的吸声峰值频率随着空腔厚度的变大逐渐向低频段移动。当没有空腔时，吸声峰值频率大于1600Hz;当空腔为10mm时，吸声峰值频率在630Hz左右;当空腔为50mm时，吸声峰值频率在315Hz左右。以上现象是因为形成了空腔共振结构，当声波的频率与共振吸声结构的自振频率一致时，发生共振，声波激发共振吸声结构产生振动，并使振幅达到最大，从而消耗声能，达到吸声的目的。刘鹏辉等的试验证实[7]，材料与刚性壁之间设置空腔可以使陶粒制品在中低频段大幅度地提高吸声系数，作用相当于增加多孔材料的厚度，因此对吸声性能有很大影响，而且比较经济[8]。在实际工程中，常通过采用改变空腔厚度的方法来改变吸声材料的频率特性。在该试验中，材料的吸声峰值频率随着空腔厚度的变大逐渐向低频段转移，同样验证了空腔厚度对吸声材料频率特性的显著影响。
3结语
本研究以轻质陶粒、石膏、水泥为主要原料，辅以增稠剂、缓凝剂、减水剂、染色剂等外加剂，采用一般石膏成型方法制成多孔吸声材料，并进行关于声学与力学性能的测试与分析，得到的结论如下：(1)颗粒级配对材料力学性能、声学性能有显著影响。在给定基准配合比的前提下，当小陶粒质量百分比为60%时，材料的干表观密度最大，为862kg/m3，材料堆积最为密实，材料的抗压、抗折强度最高，分别为2.8MPa和0.8MPa。当小陶粒质量百分比在50%时，材料的吸声系数达到峰值，对声波频率为800Hz的声音吸声系数为0.95;(2)材料厚度会影响材料的吸声性能。在给定配合比和材料背后空腔厚度的条件下，当材料厚度从20mm增加到50mm，材料吸声频率峰值移动到630～800Hz。随着材料厚度的增加，石膏基陶粒吸声材料的吸声峰值频率向低频段移动;(3)空腔厚度会影响材料吸声的频率特性。在给定配合比和材料厚度的条件下，随着空腔厚度增加到50mm，材料吸声频率的峰值移动到315Hz，空腔厚度的增加使石膏基陶粒吸声材料的吸声峰值频率向低频段大幅度移动;(4)制成的石膏基陶粒多孔吸声材料自重轻、成本低、外形美观、吸声性能良好，可用作室内装饰材料，吸声降噪，建设友好生活环境。但所制材料强度较低，具有一定的局限性，可在材料配比上进行优化改良，制得强度更高的石膏基陶粒吸声材料。
参考文献：
[1]张春.绿色环保水泥基陶粒吸音材料的研究[D].柳州：广西科技大学，2015.
[2]李青，酆磊，朱万旭，等.新型多孔水泥基陶粒吸声材料的性能分析[J].科学技术与工程，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.
《石膏基陶粒吸声材料性能研究》来源：《重庆建筑》，作者：王妍蒙 陈怡冰 杨斯捷 刘俊超 谢辉
