鐵路微孔吸聲材料聲屏障的研究與應(yīng)用

岳鵬，張潤斌，楊毅，付麗，胡晉

（1.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司 機械環(huán)境設(shè)計院，天津 300308；2.中鐵電氣工業(yè)有限公司 江西環(huán)保分公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

鐵路網(wǎng)的日趨完善給人們交通出行帶來了極大的便利，但噪聲污染對鐵路沿線居民的工作、生活造成了一定影響，利用聲屏障對鐵路噪聲進行隔離吸收是防治噪聲污染的主要措施之一[1]。聲屏障的材料構(gòu)成對吸聲型聲屏障的隔音效果和使用壽命有重要影響[2]，火山巖作為一種天然材料，有吸音隔音、吸熱儲熱、吸水防滑、耐酸堿等功能，而且抗風化、耐氣候、經(jīng)久耐用[3]。本次研究利用火山巖為基本原料，通過添加525水泥和摻合劑，采用機械常溫壓制成型以制備火山巖微孔吸聲材料并應(yīng)用于鐵路聲屏障，測定其性能并在運營線上測試其吸聲效果，以期為鐵路聲屏障的研究和應(yīng)用提供參考。

1 實驗概述

1.1 實驗材料

火山巖、525水泥、摻合劑。

1.2 實驗方法

實驗中首先將火山巖按不同粒度篩分，經(jīng)配比配料后再添加525水泥和摻合劑，采用機械壓制成型，自然冷卻24 h后，制備出不同厚度的火山巖微孔吸聲材料樣塊，工藝流程如圖1所示。火山巖可以均勻分布在樣塊表面及內(nèi)部，形成特定角形系數(shù)的微粒聚合體，微粒之間形成了大量相互連通的微小孔隙，樣塊成品如圖2所示。

圖1 樣塊制備工藝流程

圖2 樣塊成品

采用混響室法測試不同樣塊的吸聲性能[4]，實驗采用的不同樣塊規(guī)格如表1所示。

表1 樣塊規(guī)格

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 火山巖粒徑對吸聲材料吸聲性能的影響

選取3種同等厚度(53 mm)不同粒徑火山巖配比的樣塊(1#樣塊1～2 mm、2#樣塊3～4 mm、3#樣塊5 mm以上)測試其在不同頻率下的吸聲性能，測試結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，各粒徑火山巖樣塊吸聲系數(shù)最大值出現(xiàn)在500～800 Hz之間，并隨著頻率的增大，吸聲系數(shù)在經(jīng)歷略微下降后，在1 000～1 500 Hz左右達到穩(wěn)定并不再隨頻率的增加而顯著變化。這表明火山巖微孔吸聲材料是一種對中高頻噪聲有較好吸聲性能的吸聲材料，這是由于火山巖微粒之間有大量相互連通的微小孔隙，形成了多孔結(jié)構(gòu)，聲波在多孔材料內(nèi)部由于空氣粘滯性、摩擦、振動等將聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗掉[5]。

圖3 火山巖粒徑對吸聲材料吸聲性能的影響

從火山巖的不同粒徑來看，粗粒徑(5 mm以上)火山巖樣塊在各頻率的吸聲系數(shù)明顯低于細粒徑(1～2 mm)和中粗粒徑(3～4 mm)樣塊的吸聲系數(shù)，而細粒徑與中粗粒徑樣塊的吸聲系數(shù)相差不大，最終測得的降噪系數(shù)(細粒徑0.50、中粗粒徑0.45、粗粒徑0.30)表明火山巖粒徑越小降噪系數(shù)越大。這是由于更小粒徑火山巖制成的吸聲材料孔隙更小，增加了材料的孔隙率和比表面積，使聲波在透入吸聲材料時與顆?？紫侗砻娼佑|的機會增多，并且在多孔材料中的流阻增大，進而增加了消耗的聲能[6]。

2.2 厚度對吸聲材料吸聲性能的影響

選取4種同等粒徑(細粒徑1～2 mm)不同厚度樣塊(4#樣塊34 mm、1#樣塊53 mm、5#樣塊140 mm、6#樣塊210 mm)測試其在不同頻率下的吸聲性能，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，火山巖微孔吸聲材料的吸聲性能在低頻(800 Hz以下)隨厚度的增加而增大，但在中高頻(2 000～4 000 Hz)材料吸聲系數(shù)隨厚度的增加有所不同，53 mm以下厚度樣塊的吸聲系數(shù)趨近一致(約0.62)，140 mm以上樣塊吸聲系數(shù)趨近一致(0.79)。測得降噪系數(shù)34 mm樣塊0.45、53 mm樣塊0.50、140 mm樣塊0.75、210 mm樣塊0.80，表明火山巖材料厚度越大降噪系數(shù)越大。同時測試結(jié)果表明，材料越厚，厚度增加對提高隔聲系數(shù)的效果并不明顯。

圖4 厚度對吸聲材料吸聲性能的影響

由于厚度直接關(guān)系到吸聲材料的制作成本，吸聲材料并非越厚越好。高速鐵路噪聲聲源主要頻譜范圍為500～5 000 Hz，為寬頻噪聲[7]。采用140 mm厚度的火山巖微孔吸聲材料的吸聲性能不僅可以較好覆蓋這一頻率范圍(吸聲系數(shù)均在0.67以上，見圖3)，還能夠減少吸聲材料的制作成本。

2.3 聲屏障結(jié)構(gòu)及測試

2.3.1 聲屏障應(yīng)用參數(shù)選取

根據(jù)以上實驗結(jié)果并結(jié)合鐵路聲屏障設(shè)計和實際情況，鐵路聲屏障用火山巖微孔吸聲材料的相關(guān)應(yīng)用參數(shù)選取如下。

（1）粒徑配比。采用5 mm以下粒徑火山巖可以在保證吸聲性能的基礎(chǔ)上，增加對火山巖的利用率，減少研磨篩分量，具有更好的環(huán)境效益和技術(shù)經(jīng)濟性。

（2）厚度。采用140 mm厚度的火山巖微孔吸聲材料為鐵路聲屏障，可以在保證較好吸聲效果的同時減少制作成本。

（3）尺寸。采用3 960 mm×500 mm×140 mm(長×寬×厚)為樣塊尺寸，便于生產(chǎn)、運輸及安裝。

2.3.2 吸隔聲性能

采用混響室法測定樣塊的吸聲性能，采用隔聲室測定樣塊的隔聲性能，結(jié)果如圖5所示。

圖5 火山巖微孔吸聲材料的吸隔聲性能

經(jīng)計算，此火山巖微孔吸聲材料的降噪系數(shù)為0.8，計權(quán)隔聲量為35 dB，符合《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)對隔聲量不應(yīng)小于30 dB、降噪系數(shù)不應(yīng)小于0.70的要求。樣塊吸隔聲性能與《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)對聲屏障聲學(xué)構(gòu)件性能要求的對比如表2所示。根據(jù)表2，火山巖微孔吸聲材料吸隔聲性能能夠滿足規(guī)范要求。此外，在高速鐵路噪聲源分布的主要頻譜范圍500～5 000 Hz內(nèi)，火山巖微孔吸聲材料的吸聲系數(shù)在0.64以上，隔聲量在32 dB以上，利用火山巖制作的吸聲型聲屏障對高速鐵路噪聲聲源有良好的吸隔聲效果，對鐵路噪聲具有較好的針對性。

表2 火山巖微孔吸聲材料吸隔聲性能與規(guī)范要求比較

2.3.3 結(jié)構(gòu)性能

鐵路聲屏障材料除需滿足一定的吸隔聲性能外，還需要有一定的結(jié)構(gòu)強度，以適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場運行條件和氣候條件。采用《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)等規(guī)范規(guī)定方法對火山巖微孔吸聲材料聲屏障的結(jié)構(gòu)性能進行了檢測和評估，結(jié)果如表3所示。

表3 火山巖微孔吸聲材料的結(jié)構(gòu)性能

火山巖微孔吸聲材料的結(jié)構(gòu)性能測試結(jié)果均符合規(guī)范要求，具有優(yōu)良的抗沖擊、抗風壓、抗彎曲斷裂荷載、防火、抗疲勞、抗壓及抗凍性能，能夠適應(yīng)鐵路運營線路復(fù)雜的運行條件。此外，火山巖微孔吸聲材料屬于無機材料，具有優(yōu)良的抗酸堿性及耐候性，在復(fù)雜氣候條件下長期使用不會發(fā)生粉化等不良影響，能夠在保證吸聲性能的前提下長期使用[5]，并且由于火山巖微孔吸聲材料的主要成分火山巖為自然形成，在生產(chǎn)過程中添加的水泥和摻合劑也均為無機物，在材料報廢時可直接填埋或重復(fù)利用而無二次污染，應(yīng)用范圍廣泛。

3 實際工程應(yīng)用效果

3.1 工程概況

某Ⅰ級雙線電氣化鐵路現(xiàn)有行車速度140～160 km/h。本次測試，聲屏障位于路堤段正線右側(cè)，距軌道中心線4.0 m，聲屏障長300 m，高3.0 m，聲屏障采用火山巖微孔吸聲材料吸聲板，該段聲屏障所對應(yīng)的敏感保護目標為農(nóng)村居民區(qū)，測試聲屏障橫斷面如圖6所示。

圖6 測試聲屏障橫斷(單位：m)

3.2 測量方法

（1）測量儀器。AWA6228+多功能聲級計、AWA6221B聲校準器。所用儀器均經(jīng)計量部門檢定并在檢定有效期內(nèi)。

（2）布點。根據(jù)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范》(HJ/T 90—2004)及《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》(GB 12525—90)，在聲屏障中心、距離軌道中心30 m處設(shè)1個降噪效果監(jiān)測點，同時在聲屏障保護區(qū)域外、距離軌道中心30 m處設(shè)1個鐵路噪聲監(jiān)測點。聲級計距道床平面1.2 m，水平設(shè)置，收聲筒指向軌道。

（3）測量。測量時氣候狀況良好，晴朗無風，聲級計在加裝風球的情況下進行監(jiān)測。測量開始時間為春季某日上午10:00，持續(xù)90 min。測點與軌道間的地面覆蓋主要為灌木及草地，背景噪聲為54.1 dB。聲屏障現(xiàn)場情況如圖7所示。

圖7 火山巖微孔吸聲材料聲屏障現(xiàn)場

3.3 測試結(jié)果

在測量過程中共有4列旅客列車及4列貨物列車經(jīng)過，測試過程中無突發(fā)非鐵路噪聲源干擾，監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

表4 聲屏障降噪效果監(jiān)測結(jié)果 dB(A)

從表4監(jiān)測結(jié)果可以看出，距離鐵路軌道中心線30 m處，在聲屏障保護范圍外與聲屏障保護范圍內(nèi)的等效聲級分別為68.1 dB(A)和61.5 dB(A)，可降低噪聲6.6 dB(A)。降噪效果與國內(nèi)高速鐵路直立式聲屏障的實際降噪范圍3～8 dB(A)相比[8-9]，處于較好水平。

4 結(jié)論

（1）以火山巖為輕骨料、525水泥作為粘結(jié)劑在常溫下制備的火山巖微孔吸聲材料樣塊，粒徑越小則降噪系數(shù)越大。

（2）火山巖微孔吸聲材料樣塊厚度越大降噪系數(shù)越大。同時，材料越厚，材料厚度增加對提高隔聲系數(shù)的效果不明顯。

（3）在高速鐵路噪聲源分布的主要頻譜500～5 000 Hz范圍內(nèi)，火山巖微孔吸聲材料的吸聲系數(shù)在0.64以上，隔聲量在32 dB以上。利用火山巖制成的吸聲型聲屏障對高速鐵路噪聲有良好的吸隔聲效果，對鐵路噪聲具有較好的針對性。

（4）火山巖微孔吸聲材料的結(jié)構(gòu)性能測試結(jié)果均符合規(guī)范要求，具有優(yōu)良的抗沖擊、抗風壓、抗彎曲斷裂荷載、防火、抗疲勞、抗壓及抗凍性能，能夠適應(yīng)鐵路運營線路復(fù)雜的運行條件。