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

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

為了解決高速鐵路運行產生的噪聲污染，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)的關鍵技術之一。鐵路金屬聲屏障需要在野外長期使用，面臨風吹雨淋及較大的列車風荷載，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。為了聲屏障結構安全并保證吸聲材料持續(xù)發(fā)揮降噪作用，有必要對聲屏障吸聲用巖棉進行耐水性能及抗吹風性能試驗研究。

1 吸聲材料的吸聲原理及特點

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

多孔吸聲材料內部具有彼此互相貫通的細微孔隙，通過表面與外界接通，當聲波入射到多孔材料表面時，入射聲能的一部分被表面反射，另一部分透入材料內部向前傳播。在材料內部傳播過程中[1]，聲波振動引起微孔內的空氣運動，空氣與固體筋絡之間產生相對運動，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，使相當一部分聲能不斷轉化為內能，從而使聲波衰減。此外，空氣絕熱壓縮時，空氣與孔壁間還會發(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、抗拉強度、柔性和脆性、化學穩(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)對巖棉纖維方向抗拉強度影響大，即酸度系數(shù)越高，巖棉抗拉抗剪切強度越高[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)調整為“應不小于1.8”。

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

2.1 耐水性能試驗

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用環(huán)境下長期運行的要求。但是，在對現(xiàn)行鐵路金屬聲屏障調研過程中發(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，導致兩者的耐水性能相差很大。通過淋水及振動試驗對不同酸度系數(shù)的巖棉和礦渣棉進行了耐水性能分析。

2.1.1 試驗過程及方法

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個試驗樣本進行淋水及振動試驗。

首先，選取規(guī)格為300 mm×100 mm的5個試驗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，淋水時間為24 h。淋水結束后，將5個樣本分別切割成規(guī)格為100 mm×100 mm的3塊小樣，固定于振動實驗臺上進行振動試驗，試驗振動頻率5 Hz，振動時間50 h。

圖1巖棉與礦渣棉淋水試驗

2.1.2 試驗結果分析

試驗結束后，檢測樣本尺寸的變化并計算體積保留率。圖2至圖6為不同酸度系數(shù)的巖棉、礦渣棉樣本振動試驗前后體積變化情況，圖7為試驗樣本酸度系數(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的巖棉試驗樣本在淋水、振動后體積基本不發(fā)生改變；由圖5、圖6可知，酸度系數(shù)為1.34和1.31的礦渣棉試驗樣本在淋水振動后坍塌嚴重。由圖7可知，酸度系數(shù)為1.86、1.94和1.95的巖棉試驗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，酸度系數(shù)≥1.8時，巖棉樣品體積保留率＞90%。

圖2酸度系數(shù)為1.95的巖棉振動試驗前后體積變化

圖3酸度系數(shù)為1.94的巖棉振動試驗前后體積變化

圖4酸度系數(shù)為1.86的巖棉振動試驗前后體積變化

圖5酸度系數(shù)為1.34的礦渣棉振動試驗前后體積變化

圖6酸度系數(shù)為1.31的礦渣棉振動試驗前后體積變化

圖7試驗樣本酸度系數(shù)與體積保留率變化曲線

由試驗結果分析可知，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，應選擇酸度系數(shù)大于1.8的巖棉，同時加強對聲屏障原材料和質量的監(jiān)管，杜絕以次充好現(xiàn)象。

2.2 抗吹風性能試驗

當列車運行速度為350 km/h時，3.3 m高金屬聲屏障結構動力響應系數(shù)為2.11[4]，列車脈動風壓值≤0.9 kN/m2，列車風荷載通過聲屏障開孔面板對巖棉產生影響。為提高巖棉抵抗列車脈動力和抗氣流沖刷的能力，對巖棉采取了一定的防護措施，巖棉內置加強筋后，包裹無堿憎水玻璃纖維布或聚丙烯憎水無紡布，并在巖棉聲源側采用金屬網防護。這些護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吹性能。

2.2.1 試驗過程及方法

抗吹風性能試驗采用酸度系數(shù)為1.8、規(guī)格為476 mm×407 mm×50 mm、采取了防護措施的巖棉。離心風機電壓220V，功率1.1 kW，轉速2 800 r/min，風量2 250 m3/h，風壓940 Pa。利用離心風機對防護巖棉樣品連續(xù)吹風，風壓為900 Pa，巖棉實際風壓接觸面積為100 mm×130 mm，吹風時間為12 d。試驗結束后觀察巖棉表面纖維是否有凹坑、松動或坍塌，是否出現(xiàn)傷痕、污跡和破損現(xiàn)象。

2.2.2 試驗結果分析

試驗結束后，去除巖棉樣品表面防護進行觀察，試驗前后對比如圖8所示。從圖8中可以看出，試驗后巖棉表面纖維未出現(xiàn)凹坑、松動或坍塌，也未出現(xiàn)傷痕、污跡和破損現(xiàn)象。巖棉的防護措施可以有效提高巖棉的抗風吹性能，延長巖棉使用壽命。在滿足酸度系數(shù)要求的前提下，長期的列車風荷載不會對巖棉產生損壞。

3 結論

（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。在工程應用中，應加強對聲屏障原材料的監(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）巖棉內置加強筋、表面采用無紡布包裹及金屬鋁網防護的措施，可以提高巖棉抗風吹性能，進一步提高巖棉的耐候性能，延長巖棉使用壽命，保證聲屏障工程質量。

圖8巖棉吹風試驗前后對比