全固廢多孔吸聲材料的制備及性能研究

李旭華

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，噪聲已經(jīng)成為當(dāng)今世界三大污染源之一，噪聲污染問題越來越嚴(yán)重，引起了各國政府的高度重視。2018年實(shí)施的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》不僅對固廢的征稅進(jìn)行了嚴(yán)格的要求，也要求噪聲按照超過GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和GB 22337—2008《社會生活環(huán)境噪聲》的分貝數(shù)來進(jìn)行征稅。廢棄物的合理處置以及噪聲的控制已經(jīng)成為制約部分企業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，采用多孔吸聲材料是控制噪聲的有效手段[1-3]。常用的多孔吸聲材料包括有機(jī)高分子吸聲材料、金屬多孔吸聲材料、無機(jī)非金屬多孔吸聲材料，有機(jī)高分子吸聲材料通常密度較小、吸聲性能相對優(yōu)異，如有機(jī)纖維材料及泡沫塑料等，但其防火、防潮性能差[4]；金屬多孔吸聲材料力學(xué)性能優(yōu)異、耐候性及耐高溫性能好，如金屬纖維、泡沫鋁等，但成本相對較高[2，5-6]；無機(jī)非金屬多孔吸聲材料的防火性能優(yōu)異，性價比相對較高，但是無機(jī)纖維材料如巖棉、礦棉等材料存在性脆易斷、不易降解、易產(chǎn)生粉塵，泡沫陶瓷和泡沫玻璃等材料均要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)工藝，導(dǎo)致能耗相對較高[4，7-8]。因此開發(fā)低成本、制備過程溫和、綠色的多孔吸聲材料才符合當(dāng)今社會的需求。

本研究以粉煤灰、脫硫石膏、電石渣為主要原料，通過鋁粉化學(xué)發(fā)泡耦合機(jī)械造孔法制備高效吸聲材料。探討了發(fā)泡劑摻量、試樣厚度、機(jī)械穿孔開孔率、機(jī)械穿孔孔徑、機(jī)械穿孔孔深、空腔距離對多孔材料吸聲性能的影響規(guī)律，以期為全固廢多孔吸聲材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器設(shè)備

粉煤灰、脫硫石膏：取自太原鋼鐵集團(tuán)有限公司粉煤灰綜合利用公司煤粉爐粉煤灰；電石渣：取自長治市某粉煤灰綜合利用公司；發(fā)泡劑：市售鋁粉，銀灰色松散顆粒狀。粉煤灰、電石渣和脫硫石膏的主要化學(xué)成分見表1。

表1 粉煤灰、電石渣和脫硫石膏的主要化學(xué)成分 %

天平：北京賽多斯儀器公司，BS214D；分散機(jī)：上海環(huán)境工程技術(shù)公司，F(xiàn)S-400；養(yǎng)護(hù)箱：紹興市虞道城墟鑫科儀儀器設(shè)備廠；水泥壓蒸釜：天津市港源試驗(yàn)儀器廠，YZF-2C。

1.2 制備方法

所有原料使用前粉磨均過400目篩（粒徑小于37μm）。利用天平稱量粉煤灰3640 g、電石渣1760 g、脫硫石膏40 g進(jìn)行干料混合；按照鋁粉與水的質(zhì)量比為1∶6配制鋁粉液，所采用的水為去離子水，若水質(zhì)堿性過高，則可能導(dǎo)致部分鋁粉提前發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體；為保持相同的水灰比（0.49），每組實(shí)驗(yàn)所加入的水量均要減去鋁粉液中所加入的水量。邊攪拌邊緩慢加入干料制備漿體，攪拌速度為1200 r/min，攪拌時間為5 min；制備漿體結(jié)束后調(diào)整攪拌速度為1500 r/min，向漿體中加入鋁粉液（鋁粉摻量分別為干料質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%），攪拌20 s后將發(fā)泡漿體迅速倒入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具內(nèi)完成注漿（抗壓強(qiáng)度模具為邊長100 mm的立方體，吸聲系數(shù)模具為直徑30、100 mm的圓柱體），然后置于養(yǎng)護(hù)箱中，在50～60℃條件下靜停發(fā)泡2 h，之后取出拆模，轉(zhuǎn)移至水泥壓蒸釜中蒸養(yǎng)，溫度為180℃，養(yǎng)護(hù)時間為5 h，養(yǎng)護(hù)完成后按照不同的設(shè)計(jì)要求分別對材料進(jìn)行造孔并進(jìn)行性能測試。

1.3 吸聲性能測試

試塊的吸聲系數(shù)（SAC）按照GBJ88—85《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻孔率測量規(guī)范》進(jìn)行測試；樣品直徑分別為30mm與100 mm，直徑30 mm樣品用來測高頻（1000～6300 Hz）的吸聲系數(shù)，直徑100 mm樣品用來測試低頻（80～1600 Hz）的吸聲系數(shù)。通常用降噪系數(shù)（NRC）來評價材料的吸聲性能，NRC為250、500、1000、2000 Hz四個倍頻帶SAC的算數(shù)平均值。一般情況下，0＜NRC＜1，NRC越大，則吸聲性能越好[9]。駐波管法吸聲系數(shù)測定儀的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 吸聲系數(shù)測定儀結(jié)構(gòu)示意

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁粉摻量對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

利用鋁粉在堿性體系中與氫氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)生氫氣來制備多孔吸聲材料。鋁粉摻量的變化會使材料的密度發(fā)生改變[10-11]。一般而言，密度越小，則孔隙率越高，聲波則更容易進(jìn)入材料并且更容易在材料中被耗散掉，當(dāng)聲波傳到材料表面時，由惠更斯原理可知，聲波的振動帶動相鄰質(zhì)點(diǎn)的振動，相鄰的質(zhì)點(diǎn)又將振動傳遞給與它相鄰的質(zhì)點(diǎn)，如此這樣聲波在多孔介質(zhì)中傳播下去，振動的空氣會與孔壁發(fā)生摩擦作用，使得聲能快速轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲波衰減，達(dá)到吸聲降噪的目的[1，12]。

多孔材料的厚度為4 cm，不同鋁粉摻量時材料的吸聲系數(shù)見圖2，降噪系數(shù)、密度和抗壓強(qiáng)度見表2。

圖2 不同鋁粉摻量時材料的吸聲系數(shù)

表2 不同鋁粉摻量時材料的降噪系數(shù)、密度和抗壓強(qiáng)度

由圖2和表2可以看出：

（1）隨鋁粉摻量的增加，材料的NRC先增大后減小，當(dāng)鋁粉摻量為0.4%時，NRC最大，為0.363，與摻量為0.1%時相比增幅接近2倍；但隨著鋁粉摻量進(jìn)一步增加至0.5%，NRC降至0.343。

（2）隨鋁粉摻量的增加，材料的密度先減小后稍有增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。密度和抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)了與吸聲性能大致相似的變化規(guī)律，表明材料的密度是吸聲性能及力學(xué)性能的重要影響因素。密度的降低導(dǎo)致孔隙率的升高，使得孔隙通道變多并且更加復(fù)雜，當(dāng)聲波進(jìn)入孔隙后，聲波發(fā)生多次碰撞的可能性也就大大增加，同時與孔壁的接觸面積也隨之增加，由于摩擦及空氣粘滯阻力等使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散的速率大大增加，因此呈現(xiàn)出吸聲性能的提升。從化學(xué)反應(yīng)的角度來看，鋁粉摻量越大，其產(chǎn)氣量越高，導(dǎo)致材料的密度降低；但鋁粉摻量過高時，不僅會導(dǎo)致產(chǎn)氣量過大，還會導(dǎo)致產(chǎn)氣速率過快，遠(yuǎn)超過膠凝材料的凝結(jié)速率，凝結(jié)速率與產(chǎn)氣速率的不匹配則會使得體系出現(xiàn)塌模現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)中鋁粉摻量為0.5%時出現(xiàn)了塌?，F(xiàn)象，因此導(dǎo)致材料的密度相對于0.4%時略有提升，吸聲性能變差。

多孔材料的吸聲性能不僅和孔隙率相關(guān)還和材料孔壁的粗糙度相關(guān)[13]，鋁粉摻量為0.4%時，多孔材料水化28d的SEM照片見圖3。

圖3 全固廢多孔吸聲材料的SEM照片

由圖3可以看出，材料的內(nèi)壁有豐富的葉片狀水化產(chǎn)物，增加了孔壁與孔內(nèi)空氣的摩擦，加快了聲能到熱能的轉(zhuǎn)化速率，因此增強(qiáng)了材料的吸聲性能，使得全固廢多孔材料具有制備高性能吸聲材料的潛在優(yōu)勢。

2.2 機(jī)械造孔深度對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

為了增強(qiáng)多孔吸聲材料的吸收聲能，減少其反射聲能，對多孔材料進(jìn)行二次機(jī)械造孔，造孔前后試塊對比如圖4所示。選取鋁粉摻量為0.4%，多孔材料厚度為4 cm，造孔率（造孔平面面積與材料原平面面積比）為5%，造孔孔徑為3 mm（采用直徑為3 mm的鉆頭），造孔深度分別為0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 cm時材料的吸聲系數(shù)見圖5，降噪系數(shù)見表3。

圖4 全固廢多孔吸聲材料造孔前后對比

圖5 不同造孔深度時材料的吸聲系數(shù)

表3 不同造孔深度時材料的降噪系數(shù)

由圖5和表3可見，造孔深度分別為0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 cm時，對應(yīng)的第一吸聲峰的位置分別為4000、2500、1250、1000、800Hz，表明隨著造孔深度的增加，材料的吸聲峰向低頻方向移動，有利于低頻噪聲的吸收，并且這些頻率下對應(yīng)的吸聲系數(shù)均達(dá)到0.8以上，有些甚至超過0.9，表明通過改變造孔深度可以實(shí)現(xiàn)低頻噪聲的高效控制。隨著造孔深度從0.8 cm增加至4.0cm（通孔）時，材料的降噪系數(shù)從0.364增大至0.532，增幅達(dá)到46.2%，機(jī)械造孔深度越深，材料的吸聲性能越好。

2.3 造孔孔徑對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

當(dāng)造孔率一致時，除了造孔深度，造孔孔徑也是可能影響吸聲性能的重要因素之一。選取鋁粉摻量為0.4%、多孔材料厚度為4 cm、造孔率為5%、造孔深度為4.0 cm、造孔孔徑分別為1、2、3、4、5 mm時材料的吸聲系數(shù)見圖6，降噪系數(shù)見表4。其中基準(zhǔn)試樣為未造孔處理的多孔材料。不同造孔孔徑下的造孔個數(shù)計(jì)算如式（1）所示：

式中：N——造孔個數(shù)；

X——造孔率；

r——造孔半徑，mm；

R——試樣半徑，mm。

圖6 不同造孔孔徑時材料的吸聲系數(shù)

表4 不同造孔孔徑時材料的降噪系數(shù)

由圖6和表4可見，隨著造孔孔徑從1mm增大到5mm，材料的降噪系數(shù)沒有發(fā)生明顯的變化，表明從宏觀上看，造孔孔徑并不是多孔材料吸聲性能的重要影響因素。但對其低頻段吸聲系數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著造孔孔徑的增大，多孔材料的低頻吸聲系數(shù)的峰值升高，當(dāng)孔徑為4、5 mm時，1000 Hz對應(yīng)的吸聲系數(shù)均達(dá)到0.98，表明對該頻率下的噪聲具有很強(qiáng)的吸收能力，因此也可以通過造孔孔徑的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同用途吸聲材料的制備。

當(dāng)車輛在城市道路中行駛速度為40～95 km/h時，對應(yīng)的噪聲等效頻率為470～1000 Hz；車輛在高速公路行駛的車速一般在100～120 km/h，噪聲等效頻率為650～900 Hz；對于鐵路，噪聲等效頻率與列車運(yùn)行速度成正相關(guān)，普通鐵路的噪聲等效頻率為400～800 Hz，高速鐵路的噪聲等效頻率為1000～2000 Hz。從圖6可以看出，機(jī)械造孔后全固廢多孔吸聲材料在這些頻率段內(nèi)均具有良好的吸聲性能，因此，本材料可適用于解決城市道路、高速路和鐵路的噪聲污染問題。

2.4 空腔對全固廢多孔吸聲材料性能的影響

2.4.1 空腔對不造孔試塊吸聲性能的影響

假設(shè)多孔材料的后背是剛性壁面，材料與壁面之間的距離，稱為空腔的深度，有時簡稱為空腔，增加一定距離的空腔，可以改善對低頻噪聲的吸聲性能，相當(dāng)于增加多孔材料的厚度，且更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用[12]。由于空腔對材料的高頻吸聲性能沒有明顯的影響，故僅考察了80～1250Hz內(nèi)吸聲性能隨空腔深度的變化規(guī)律。選取鋁粉摻量為0.4%、多孔材料厚度為4 cm，空腔分別為0、1、2、3、4 cm時材料的吸聲特性曲線見圖7。

圖7 吸聲系數(shù)與空腔的關(guān)系（不造孔試塊）

由圖7可以看出，設(shè)置了空腔后，材料在80～500 Hz內(nèi)的吸聲性能有明顯的提升，表明空腔對改善低頻噪聲的吸聲性能具有明顯的作用，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，隨著空腔深度的增加，材料的吸聲峰向低頻移動，且峰值更高。對于吸聲峰的移動，主要是由于，對于多孔材料，背后空腔深度的增加等同于材料本身厚度的增加，由于厚度增加使吸聲峰值向低頻偏移，高頻聲波主要在材料的表面被吸收，低頻聲波的吸收在材料的內(nèi)部[14]。

2.4.2 空腔對造孔試塊吸聲性能的影響

選取鋁粉摻量為0.4%、多孔材料厚度為4 cm、造孔率為5%、造孔深度為4.0 cm、造孔孔徑為3 mm，空腔分別為0、1、2、3、4 cm時材料的吸聲特性曲線見圖8。

圖8 吸聲系數(shù)與空腔的關(guān)系（造孔試塊）

由圖8可見，隨著空腔深度的增加，材料的吸聲峰向低頻方向移動，且最高吸聲系數(shù)接近于1，表明空腔對造孔吸聲材料的低頻吸聲性能提升作用更明顯。這是由于，穿孔吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率受到聲速、穿孔率、穿孔有效長度和空腔深度等多種因素的影響，當(dāng)聲速和穿孔率、穿孔有效長度不變時，隨背后空腔深度的增加，吸聲峰向低頻方向移動。其中對于多孔材料是否造孔后設(shè)置空腔還有本質(zhì)的區(qū)別，造的每個通孔與背后空腔組成了亥姆霍茲共振器，均勻打孔后，就形成了多個并聯(lián)的亥姆霍茲共振器，因此不僅存在多孔吸聲機(jī)制，更重要的是共振吸聲機(jī)制加強(qiáng)了低頻吸聲性能的提升[15]。

3 結(jié)論

利用粉煤灰、脫硫石膏、電石渣的復(fù)配，通過鋁粉化學(xué)發(fā)泡耦合機(jī)械造孔法可以制備出全固廢高效吸聲材料，不僅具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，而且材料內(nèi)壁上豐富的葉片狀水化產(chǎn)物極大地增加了孔壁與孔內(nèi)空氣的摩擦，加快了聲能到熱能的轉(zhuǎn)化速率，增強(qiáng)了材料的吸聲性能。

（1）隨著鋁粉摻量的增加，材料的降噪系數(shù)先增大后減小，當(dāng)鋁粉摻量為0.4%時，多孔材料的降噪系數(shù)達(dá)到0.363，鋁粉摻量對吸聲性能的影響主要體現(xiàn)在密度以及孔隙率的改變。

（2）機(jī)械造孔對材料的吸聲性能具有明顯的改善作用，當(dāng)造孔深度為4 cm（通孔）時，降噪系數(shù)達(dá)到0.532；隨著造孔孔徑的增大，材料在1000 Hz附近的吸聲系數(shù)達(dá)到0.98。

（3）造孔后設(shè)置空腔，相當(dāng)于增加了材料的有效厚度，會形成亥姆霍茲共振器，不僅存在多孔吸聲，而且存在共振吸聲，二者協(xié)同作用提高了材料的低頻吸聲性能。