城市軌道交通聲屏障用塑料板材的選擇與測(cè)試方法

王春敏

(沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料集團(tuán)公司，北京 100022)

1 概述

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市軌道交通越來越多的出現(xiàn)在各大中心城市,軌道交通給市民出行帶來便利的同時(shí),隨之而來的交通噪聲問題也引起廣泛重視。軌道交通,特別是高架段所產(chǎn)生的噪聲直接向周圍環(huán)境輻射,對(duì)人們生活環(huán)境的干擾極大,已經(jīng)成為影響城市生活質(zhì)量的重要問題之一。

聲屏障作為防治噪聲的重要手段之一,已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外廣泛采用。按照用途、結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、聲學(xué)原理的不同,聲屏障可以分為很多種類,最常見的是雙側(cè)直板式聲屏障,常見于橋梁兩側(cè),用于降低橋梁兩側(cè)居民生活區(qū)、學(xué)校或辦公區(qū)的噪聲等級(jí)。該類聲屏障具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)安裝方便,平面隔聲效果良好等優(yōu)點(diǎn)。但由于高速運(yùn)行列車所產(chǎn)生的噪聲被雙側(cè)平行聲屏障反射疊加,區(qū)域內(nèi)的聲壓級(jí)別反而可能有所提高,因此對(duì)于其兩側(cè)的高層建筑物,雙側(cè)直板式聲屏障的降噪效果往往并不理想。針對(duì)該問題,在聲屏障設(shè)計(jì)上往往通過采用加裝內(nèi)側(cè)吸音結(jié)構(gòu),改變聲屏障與地面角度,采用全封閉式或半封閉式聲屏障設(shè)計(jì)等來予以解決。其中全(半)封閉聲屏障是指在區(qū)段上安裝封閉隧道形或頂端內(nèi)彎弧形隔聲結(jié)構(gòu),將列車行駛時(shí)產(chǎn)生的噪聲及反射噪聲隔離在聲屏障內(nèi),進(jìn)而提高聲屏障的隔聲效果?？紤]到聲屏障容易阻擋駕駛員視線,造成乘客空間壓抑感,多數(shù)全(半)封閉聲屏障選用透明材料。

透明聲屏障一般采用夾膠玻璃或有機(jī)類塑料板材作為主要制作材料。實(shí)際項(xiàng)目中選材主要依據(jù)降低噪聲要求的插入損失、現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件及其他要求決定,包括自然環(huán)境、周圍景觀、經(jīng)濟(jì)能力、防火、防雨、防老化、防炫目、防塵、安裝施工等要求。

2 透明聲屏障用塑料板材的特性

現(xiàn)代透明聲屏障用塑料板材可以采用聚碳酸酯(PC),亞克力(PMMA)、聚氯乙稀(PVC)、玻纖增強(qiáng)復(fù)合樹酯(FRP)等加工制作。其中PC和PMMA由于強(qiáng)度、透光性能及耐候性能方面的優(yōu)勢(shì)占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)份額。

聚碳酸酯板材分為中空多層結(jié)構(gòu)板和實(shí)心板2種,都是將塑料粒子投入擠出機(jī)高溫熔化,然后通過不同模具連續(xù)加工生產(chǎn)而成。中空多層結(jié)構(gòu)板材,在我國(guó)已得到大量的應(yīng)用,但由于中空多層結(jié)構(gòu)板材的單位面密度較低,其隔聲性能相對(duì)有限,因而在需要有較大插入損失的降噪環(huán)境中應(yīng)用受到局限。同時(shí),中空多層板材的視覺通透性受板材內(nèi)縱向加強(qiáng)筋影響,一般不甚理想,因而該種材料多用于受經(jīng)濟(jì)能力限制,對(duì)降噪要求不高,對(duì)周圍視覺景觀要求不太高的區(qū)域。實(shí)心板,也稱耐力板,在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于聲屏障的實(shí)例很多。其主要特點(diǎn)是強(qiáng)度好,阻燃性能好,高低溫使用范圍廣,抗沖擊性能優(yōu)異,可有效防止撞擊造成板材破碎飛濺所帶來的二次損傷效應(yīng)。由于聚碳酸酯材料本身熱變形溫度很高,在陽光曝曬等高溫條件下板材本身可保持原有的強(qiáng)度和變形模量,因此不易扭曲變形。但聚碳酸酯板材耐候性相對(duì)較差,長(zhǎng)期風(fēng)吹、日曬雨淋后,材料容易變黃發(fā)脆,透光率會(huì)明顯下降,因此針對(duì)聲屏障應(yīng)用,必須對(duì)板材進(jìn)行防紫外線處理。

另一種常用于制作聲屏障的透明塑料板材為亞克力(PMMA)板,其生產(chǎn)工藝一般有2種,一種是澆筑法,即將MMA單體、反應(yīng)引發(fā)劑、合成添加劑等液體注入成型模具,然后在指定的溫度和壓力條件下讓單體聚合反應(yīng)完成,最后形成所需的板材。另一種是擠出成型法,和上述聚碳酸酯板材成型類似,也是由PMMA塑料粒子在高溫?cái)D出機(jī)中熔化,通過模具擠出板材,然后冷卻定型而成。一般而言澆筑法生產(chǎn)的板材厚度較大,板材內(nèi)各向應(yīng)力比較平均,受熱/冷后材料各向膨脹/收縮比較均一。而擠出成型法生產(chǎn)受模具及定型設(shè)備能力的影響,厚度一般不大于25 mm(國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的厚度一般不大于15 mm),板材內(nèi)各向應(yīng)力控制受工藝及設(shè)備影響有較大差別,導(dǎo)致安裝受熱膨脹變形可能性也較大。同時(shí)澆筑法生產(chǎn)的亞克力板材其內(nèi)部高分子平均分子量和交聯(lián)程度都比擠出法大許多,因而熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性也相對(duì)較佳。亞克力學(xué)名為聚甲基丙烯酸甲酯,具有優(yōu)異的透光性能和耐候性能,板材表面硬度及光澤度比一般PC要高。但亞克力材料的耐溫性能較差,高溫下彎曲模量及彈性模量下降很快,材料易變形。亞克力常溫耐沖擊性能較PC差很多(僅為PC的1/30),破碎時(shí)容易飛濺。材料為易燃材料,需要對(duì)材料進(jìn)行改性或?qū)ψ罱K聲屏障設(shè)施進(jìn)行額外防火處理等。

3 透明聲屏障用塑料板材測(cè)試方法與應(yīng)用原則

3.1 聲學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

全封閉或半封閉聲屏障多采用塑料板材或塑料板材與玻璃相結(jié)合的形式。在這種設(shè)計(jì)中,聲屏障兩側(cè)直立面可以采用夾膠玻璃板或厚透明塑料板,而上端弧形封閉面或半封閉面一般采用透明塑料板。這是由于塑料板材容易彎曲成型,同時(shí)塑料比重同玻璃相比僅為后者不到二分之一,因而方便整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝。依據(jù)《建筑聲學(xué)檢驗(yàn)：氣載聲和沖擊聲的隔絕》(ISO717/DIN52210)的隔聲效果檢測(cè)表明,聚碳酸酯板材與玻璃相比,在8～12 mm厚度具有相近的隔聲效果,在12 mm以上厚度同玻璃相比具有更佳的隔聲表現(xiàn)。4 mm PC板材隔聲效果為27 dB左右,而12 mm時(shí)隔聲效果為35 dB。PMMA隔聲效果同玻璃或PC相比較差,在15 mm時(shí)的隔聲效果為30 dB。

3.2 光學(xué)性能

塑料板材光學(xué)性能一般測(cè)量如下指標(biāo)：透光率,霧度及黃度。透光率及霧度的測(cè)試一般依據(jù)《透明塑料板材霧度和透光率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法》(ASTM D1003)予以檢測(cè)。而黃度的測(cè)量則依據(jù)《塑料黃度指數(shù)》(ASTM D1925)計(jì)算或測(cè)量而來。對(duì)高品質(zhì)原材料生產(chǎn)出來的板材進(jìn)行檢測(cè),PC板的透光率依賴厚度而不同,一般6 mm板材在84%～88%。亞克力板材的透光率為86%～90%。兩種板材的霧度基本相同,但對(duì)于某些沖擊改性亞克力板材,由于所添加的沖擊改性劑影響,其霧度會(huì)有所升高。而對(duì)上述指標(biāo)而言,真正有意義的測(cè)量及評(píng)價(jià)是在板材使用中受風(fēng)吹、雨淋、曝曬后的變化值。該內(nèi)容將在老化性能測(cè)量中予以詳述。

3.3 耐沖擊性能

由于聲屏障使用中不可避免的會(huì)受到石子、砂土等的沖擊,因而優(yōu)異的耐沖擊性能無疑可以提高聲屏障的使用壽命,降低維護(hù)及保養(yǎng)成本。更重要的是,當(dāng)飛濺物撞擊聲屏障上時(shí),具有優(yōu)異抗沖性能的透明材料不會(huì)破碎或者四處飛濺,從而避免造成對(duì)周邊行人或建筑物的損傷。目前對(duì)沖擊性能的測(cè)試有很多方法,例如ISO6603 Flexed Plate I MPact或者ISO180 Izod以及ISO179 Charpy沖擊等方法。但從實(shí)際聲屏障應(yīng)用的角度分析,上述測(cè)試方法均有其局限性,或者是測(cè)試樣條尺寸過小,測(cè)試條件過于理想化,或者是沖擊強(qiáng)度不夠,不能模擬實(shí)際使用環(huán)境等等。因此國(guó)外常用《 加工工具安全性-小型數(shù)控機(jī)床或加工中心》(EN12415)中所用的測(cè)試方法,模擬物品在中高速條件下飛濺撞擊保護(hù)屏障,來判斷沖擊對(duì)透明材料的損傷結(jié)果。測(cè)試結(jié)果標(biāo)明,12 mm厚的Lexan聚碳酸酯板材可以承受2.5 kg重物以225 km/h的速度所攜帶的沖擊能量而不破碎。當(dāng)以缺口沖擊方式進(jìn)行測(cè)試時(shí),Lexan PC板材表現(xiàn)為韌性斷裂,而玻璃和亞克力板材則為脆性斷裂。同時(shí)Lexan板材在很寬的溫度范圍(-30～120 ℃)均能保持較高的沖擊強(qiáng)度。

3.4 耐磨損/刮傷性能

聲屏障應(yīng)用環(huán)境一般比較惡劣,表面容易被污染,為保證聲屏障的美觀性,需要定期的清潔和保養(yǎng)。塑料板材的清潔一般采用高壓水沖。清洗過程中水流或板材表面附著的砂礫可能對(duì)材料造成損傷。因此,高等級(jí)聲屏障一般采用表面硬化處理技術(shù)增加耐磨損性或直接在生產(chǎn)中把板材表面輥壓出一定的紋理,從而降低刮痕造成的視覺影響。后一種處理方式一般僅限于對(duì)視覺通透性要求不高的場(chǎng)合。耐刮擦測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)依照《透明塑料材料表面耐磨損性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》(ASTM D1044)或(ISO 3537)進(jìn)行。霧度增加值測(cè)試表明：PC板材或PMMA板材的差異依賴于制造板材的原材料以及工藝。一般而言,澆筑法生產(chǎn)的PMMA板材具有相對(duì)較好的表現(xiàn),而PC在初始階段霧度增加比較明顯,之后,PC或PMMA不同材料的霧度增加值差異則很小。因此,如果從增加耐磨損/刮傷性能的角度來考慮,PC或PMMA板材應(yīng)當(dāng)進(jìn)行表面硬化處理,來提高其清潔性能、美觀性及使用壽命。

3.5 耐候性能

耐候性能是透明聲屏障使用中需要考慮的重要因素之一。塑料材料由于其分子構(gòu)成的特點(diǎn),容易受太陽輻射,尤其是紫外線輻射的影響,從而引發(fā)材料降解,在表面形成微小的銀紋和開裂,而這些銀紋和開裂受雨水、灰塵和化品侵蝕成為進(jìn)一步老化的源頭。影響高分子材料老化的主要因素包括地理位置、海拔、季節(jié)變化、當(dāng)?shù)匚廴境潭鹊?。塑料材料的耐候性能測(cè)試應(yīng)依據(jù)《色漆和清漆模擬氣候及模擬輻射曝曬氙弧燈曝曬》(ISO1134)進(jìn)行。相比之下,PMMA具有非常優(yōu)異的耐老化性能,人工加速老化試驗(yàn)表明,10年后PMMA板材的透光率損失、霧度增加及黃度變化值大約分別為2%、5%及2%(依廠家和材料不同有所差異)。而PC板材只有對(duì)聚碳酸酯原材料嚴(yán)格控制基礎(chǔ)上,結(jié)合表面防UV處理才能保證優(yōu)異的耐老化性能。

3.6 燃燒性能

透明聲屏障在設(shè)計(jì),尤其是采用全封閉或半封閉設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮阻燃及防火的要求。由于在上述設(shè)計(jì)時(shí)聲屏障整體上處于封閉或半封閉狀態(tài),屏障內(nèi)車輛或人員一旦出現(xiàn)危急情況,如果屏障材料沒有良好的阻燃效果,后果將不堪設(shè)想。國(guó)外在聲屏障設(shè)計(jì)過程中,除了對(duì)于超過一定長(zhǎng)度的封閉型聲屏障強(qiáng)制設(shè)置屏體緊急出口,增裝消防設(shè)施等舉措外,對(duì)聲屏障材料的阻燃等級(jí)及測(cè)試方法也作出了明確的規(guī)定。在材料能否自熄滅方面,《塑料材料氧指數(shù)測(cè)試》(ISO4589)或(ASTM D2863)給出了相應(yīng)的依據(jù)。氧指數(shù)是材料能否自熄滅方面的評(píng)定指標(biāo),氧指數(shù)是在規(guī)定條件下,試樣在氧、氮混合氣流中,維持平穩(wěn)燃燒所需的最低氧氣濃度。氧指數(shù)高表示材料不易燃燒,氧指數(shù)低表示材料容易燃燒。測(cè)試表明,Lexan PC板材的氧指數(shù)為25%,而亞克力板材為18%,由于空氣中含有20%左右的氧氣,火焰要在Lexan板材表面?zhèn)鞑?則需要比空氣中濃度更高的氧氣。因而Lexan PC是一種自熄滅材料。而亞克力板材必須進(jìn)行配方方面的調(diào)整來滿足這些防火性能上的要求。

4 結(jié)語

透明塑料材料用于聲屏障在國(guó)外已經(jīng)有多年的應(yīng)用歷史,隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民群眾生活水平的提高,在我國(guó)噪聲控制領(lǐng)域也必將得到廣泛應(yīng)用。在北京地鐵5號(hào)線,昌平線及房山線均已經(jīng)使用LEXAN?EXELL-D作為聲屏障的主要材料,如圖1和圖2所示。項(xiàng)目累積使用面積已超過7萬m2。但考慮到塑料透明材料在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上良莠不齊,檢測(cè)技術(shù)及方法并不為公眾所熟知,因而通過本文的介紹,希望為在我國(guó)噪聲控制技術(shù)領(lǐng)域普及上述材料提供有益借鑒。

圖1 北京地鐵5號(hào)線全封閉聲屏障

圖2 北京地鐵房山線半封閉聲屏障

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