鐵路金屬聲屏障吸聲用巖棉性能研究

董大為，李鵬，水春雨，洪蔚，劉爍，馬愛英

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

為了解決高速鐵路運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲污染，鐵路沿線采用了金屬聲屏障系統(tǒng)，而吸聲材料是影響聲屏障降噪效果的重要因素，也是聲屏障系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。鐵路金屬聲屏障需要在野外長(zhǎng)期使用，面臨風(fēng)吹雨淋及較大的列車風(fēng)荷載，除了考慮吸聲材料的吸聲效果，吸聲材料的耐候性能也尤為重要。為了聲屏障結(jié)構(gòu)安全并保證吸聲材料持續(xù)發(fā)揮降噪作用，有必要對(duì)聲屏障吸聲用巖棉進(jìn)行耐水性能及抗吹風(fēng)性能試驗(yàn)研究。

1 吸聲材料的吸聲原理及特點(diǎn)

吸聲性能好的材料一般為輕質(zhì)、疏松、多孔結(jié)構(gòu)，從構(gòu)造特征上分析，多孔吸聲材料孔隙率較高，材料內(nèi)部筋絡(luò)總表面積大，由外到內(nèi)具有大量互相貫通的微孔和間隙，微孔向外敞開，使聲波易于進(jìn)入微孔而被吸收，具有很高的隔聲降噪作用，在聲學(xué)工程中應(yīng)用廣泛。

多孔吸聲材料內(nèi)部具有彼此互相貫通的細(xì)微孔隙，通過表面與外界接通，當(dāng)聲波入射到多孔材料表面時(shí)，入射聲能的一部分被表面反射，另一部分透入材料內(nèi)部向前傳播。在材料內(nèi)部傳播過程中[1]，聲波振動(dòng)引起微孔內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)，空氣與固體筋絡(luò)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成與孔壁的摩擦，聲波受到來自筋璧附近氣體的粘滯阻力，使相當(dāng)一部分聲能不斷轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從而使聲波衰減。此外，空氣絕熱壓縮時(shí)，空氣與孔壁間還會(huì)發(fā)生熱交換，也能使聲能衰減。

多孔吸聲材料主要包括纖維材料和泡沫材料，無機(jī)纖維材料因其具有良好的吸聲性能，以及容重小、可壓縮、不燃、不易老化、價(jià)格低廉等特性，成為聲屏障吸聲材料的首選，其中又以巖棉應(yīng)用居多。

2 巖棉主要性能研究

巖棉的性能主要體現(xiàn)在外觀、抗拉強(qiáng)度、柔性和脆性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐水性能等方面，這些性能主要由酸度系數(shù)決定。酸度系數(shù)對(duì)巖棉纖維方向抗拉強(qiáng)度影響大，即酸度系數(shù)越高，巖棉抗拉抗剪切強(qiáng)度越高[2]。此外，酸度系數(shù)直接影響巖棉的熱穩(wěn)定性和耐水性能，酸度系數(shù)越低，巖棉受熱后體積保留率越低，巖棉萎縮明顯。為了保證巖棉的上述性能，《建筑外墻外保溫用巖棉制品》(GB/T 25975—2018)[3]中將酸度系數(shù)調(diào)整為“應(yīng)不小于1.8”。

由于巖棉制品呈纖維狀，可能因長(zhǎng)期的列車風(fēng)影響產(chǎn)生損壞，為滿足聲屏障的吸聲效果及25年壽命的要求，需要考察巖棉抗風(fēng)吹性能并對(duì)巖棉采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。為此，主要針對(duì)巖棉耐水性能和抗吹風(fēng)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.1 耐水性能試驗(yàn)

符合《建筑外墻外保溫用巖棉制品》(GB/T 25975—2018)的巖棉可以完全滿足鐵路金屬聲屏障在其應(yīng)用環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。但是，在對(duì)現(xiàn)行鐵路金屬聲屏障調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，存在吸聲材料坍塌現(xiàn)象。究其原因，主要是用酸度系數(shù)較低的礦渣棉代替了巖棉。礦渣棉雖然與巖棉同屬于礦物棉，但由于原料成分不同，酸度系數(shù)也有很大差別，礦渣棉酸度系數(shù)＜1.5，一般都在1.3左右，巖棉酸度系數(shù)≥1.6，導(dǎo)致兩者的耐水性能相差很大。通過淋水及振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)不同酸度系數(shù)的巖棉和礦渣棉進(jìn)行了耐水性能分析。

2.1.1 試驗(yàn)過程及方法

采用不同酸度系數(shù)的巖棉(酸度系數(shù)分別為1.86、1.94和1.95)和礦渣棉(酸度系數(shù)分別為1.31和1.34)，共5個(gè)試驗(yàn)樣本進(jìn)行淋水及振動(dòng)試驗(yàn)。

首先，選取規(guī)格為300 mm×100 mm的5個(gè)試驗(yàn)樣本置于傾斜角度為45°的透水板上淋水，如圖1所示。噴淋器流量為1 L/min，與樣本距離約為150 mm，淋水時(shí)間為24 h。淋水結(jié)束后，將5個(gè)樣本分別切割成規(guī)格為100 mm×100 mm的3塊小樣，固定于振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)振動(dòng)頻率5 Hz，振動(dòng)時(shí)間50 h。

圖1巖棉與礦渣棉淋水試驗(yàn)

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)束后，檢測(cè)樣本尺寸的變化并計(jì)算體積保留率。圖2至圖6為不同酸度系數(shù)的巖棉、礦渣棉樣本振動(dòng)試驗(yàn)前后體積變化情況，圖7為試驗(yàn)樣本酸度系數(shù)與體積保留率變化曲線。

由圖2、圖3和圖4可知，酸度系數(shù)為1.95、1.94和1.86的巖棉試驗(yàn)樣本在淋水、振動(dòng)后體積基本不發(fā)生改變；由圖5、圖6可知，酸度系數(shù)為1.34和1.31的礦渣棉試驗(yàn)樣本在淋水振動(dòng)后坍塌嚴(yán)重。由圖7可知，酸度系數(shù)為1.86、1.94和1.95的巖棉試驗(yàn)樣本的體積保留率分別為96%、102%和107%，酸度系數(shù)越高，耐水性能越強(qiáng)，酸度系數(shù)≥1.8時(shí)，巖棉樣品體積保留率＞90%。

圖2酸度系數(shù)為1.95的巖棉振動(dòng)試驗(yàn)前后體積變化

圖3酸度系數(shù)為1.94的巖棉振動(dòng)試驗(yàn)前后體積變化

圖4酸度系數(shù)為1.86的巖棉振動(dòng)試驗(yàn)前后體積變化

圖5酸度系數(shù)為1.34的礦渣棉振動(dòng)試驗(yàn)前后體積變化

圖6酸度系數(shù)為1.31的礦渣棉振動(dòng)試驗(yàn)前后體積變化

圖7試驗(yàn)樣本酸度系數(shù)與體積保留率變化曲線

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，礦渣棉耐水性能明顯低于巖棉，并且?guī)r棉酸度系數(shù)越高、耐水性能越好。因此，在選擇聲屏障用吸聲材料時(shí)，應(yīng)選擇酸度系數(shù)大于1.8的巖棉，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)聲屏障原材料和質(zhì)量的監(jiān)管，杜絕以次充好現(xiàn)象。

2.2 抗吹風(fēng)性能試驗(yàn)

當(dāng)列車運(yùn)行速度為350 km/h時(shí)，3.3 m高金屬聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)為2.11[4]，列車脈動(dòng)風(fēng)壓值≤0.9 kN/m2，列車風(fēng)荷載通過聲屏障開孔面板對(duì)巖棉產(chǎn)生影響。為提高巖棉抵抗列車脈動(dòng)力和抗氣流沖刷的能力，對(duì)巖棉采取了一定的防護(hù)措施，巖棉內(nèi)置加強(qiáng)筋后，包裹無堿憎水玻璃纖維布或聚丙烯憎水無紡布，并在巖棉聲源側(cè)采用金屬網(wǎng)防護(hù)。這些護(hù)面材料因穿孔率高幾乎不影響巖棉的吸聲性能，可以大幅提高巖棉的抗風(fēng)吹性能。

2.2.1 試驗(yàn)過程及方法

抗吹風(fēng)性能試驗(yàn)采用酸度系數(shù)為1.8、規(guī)格為476 mm×407 mm×50 mm、采取了防護(hù)措施的巖棉。離心風(fēng)機(jī)電壓220V，功率1.1 kW，轉(zhuǎn)速2 800 r/min，風(fēng)量2 250 m3/h，風(fēng)壓940 Pa。利用離心風(fēng)機(jī)對(duì)防護(hù)巖棉樣品連續(xù)吹風(fēng)，風(fēng)壓為900 Pa，巖棉實(shí)際風(fēng)壓接觸面積為100 mm×130 mm，吹風(fēng)時(shí)間為12 d。試驗(yàn)結(jié)束后觀察巖棉表面纖維是否有凹坑、松動(dòng)或坍塌，是否出現(xiàn)傷痕、污跡和破損現(xiàn)象。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)束后，去除巖棉樣品表面防護(hù)進(jìn)行觀察，試驗(yàn)前后對(duì)比如圖8所示。從圖8中可以看出，試驗(yàn)后巖棉表面纖維未出現(xiàn)凹坑、松動(dòng)或坍塌，也未出現(xiàn)傷痕、污跡和破損現(xiàn)象。巖棉的防護(hù)措施可以有效提高巖棉的抗風(fēng)吹性能，延長(zhǎng)巖棉使用壽命。在滿足酸度系數(shù)要求的前提下，長(zhǎng)期的列車風(fēng)荷載不會(huì)對(duì)巖棉產(chǎn)生損壞。

3 結(jié)論

（1）酸度系數(shù)高的巖棉相較于礦渣棉有更好的耐水性能，巖棉酸度系數(shù)越高，其耐水性能越好。在工程應(yīng)用中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)聲屏障原材料的監(jiān)管，選擇酸度系數(shù)＞1.8的巖棉，杜絕礦渣棉代替巖棉的現(xiàn)象。

（2）巖棉內(nèi)置加強(qiáng)筋、表面采用無紡布包裹及金屬鋁網(wǎng)防護(hù)的措施，可以提高巖棉抗風(fēng)吹性能，進(jìn)一步提高巖棉的耐候性能，延長(zhǎng)巖棉使用壽命，保證聲屏障工程質(zhì)量。

圖8巖棉吹風(fēng)試驗(yàn)前后對(duì)比