陶粒吸收声音的材料制作工艺及其力学性能的实验研究

  。考虑到地铁隧道环境需 要,要求吸收声音的材料应具有耐久,防水,耐火,耐腐蚀等性能,吸声性能符合地铁内 的噪声特性,并有充足的强度和抵抗气流冲击的性能。目前,水泥基多孔吸声材 料已成为国内外相关领域的重要研究对象。我国的水泥基多孔吸收声音的材料技术仍处于 研究状态,相应的吸声产品应用较少,其原因集中在制作工艺的不成熟导致产品性 能不稳定,强度和耐久性方面达不到工程应用要求。 本文为解决上述问题,以陶粒作为轻集料,高标号水泥作为胶凝材料,辅以纤 维和外加剂进行复合,对减水剂掺法,防水剂使用

  、陶粒预处理、搅拌、压制 与养护等工艺进行分析优化,制作出一种水泥基多孔吸收声音的材料,并通过混响室法和 驻波管法检测其吸声性能。通过单因素试验和正交试验,研究分析材料配比 对吸声 材料力学性能的影响。对轨道道床吸声板进行初步设计,从吸收声音的材料的厚度、背后 空腔和尖劈吸声结构个参数的取值,结构组成和安装固定等方面进行前瞻性的设 计,为实际工程提供参考数据。 研究结果表明:陶粒的预处理、外加剂的掺法、搅拌、压制和养护等制作工艺 是影响材料各方面性能的重要因素,制作工艺的优化和控制是材料良好性能的保 证。在本实验条件下制作出的陶粒吸收声音的材料进行混响室法试验,在六个中心频率下 的平均吸声系数为.,降噪系数达到.,达到吸声性能的优秀水平。分析配合 比对材料力学性能的影响,各因素对材料抗压强度的影响的主次顺序为:水灰比 减水剂掺量聚酯纤维掺量,水灰比和减水剂掺量对材料抗压强度有显著影响,聚 酯纤维对材料抗压强度的影响不显著。在本实验条件下,水灰比为.,减水剂掺 量为.%,聚酯纤维掺量为.%.%,结合优化后的制作工艺,天抗压强度达 到. ,驻波管法测试的平均吸声系数达到.。抗压强度与抗折强度基本成 正比关系,建议在工程应用中陶粒吸收声音的材料的弹性模量以疋计算。 关键词:陶粒吸声材料;制作流程与工艺;吸声系数;力学性能;轨道道床吸声板 ,, ., , , . ,. ? ,. , . 弱 , , , , ,, . . ., ,, , . , , ,,, , .....,: .: , , ..%, 舶 .,.%~.%,. . ,,. .; ; : ; ; 目录 摘要.??.. 录??..? 第章绪论.. .选题背景及意义.. .多孔吸声材料的吸声原理及评价方法 ..多孔材料的吸声机理和特性?。 ..吸声性能的评价方法.国内外吸声材料的研究现状?。 ..国外的研究及应用现状? ..国内的研究及应用现状. .陶粒多孑吸声材料??。 ..陶粒多孔吸声材料的性能特征. ..主要问题和有待研究的内容?。 .本文的主要研究内容?. 第章陶粒吸声材料的制作工艺研究。 .概垂苤??.??. .试验原材料..陶粒。 ..才泥。 ..纤隹??.?. ..外加齐??. ..水?. .配合比初步设计??。 .工艺的控制因素??。 ..用水量? ..才泥用量. ..密度和孔隙率?. .制作工艺分析? ..外加剂使用方法??。 ..陶粒的预处理工艺..搅拌工艺??。 ..压制工艺 ..材料的养护.试验陶粒吸声板的制作 ..试验参数 ..模具设计 ..试验制作

  。 .本章小结. 第章陶粒吸声材料的吸声性能检测与验证 .概垂萎... .驻波管法的测试试验.. ..驻波管法的测试原理? ..驻波管法的试验过程。 .混晌室法的测试试验。 ..混响室法的测试原理? ..混响室法的试验过程? .试验结果及分析. ..混响室法试验结果及分析?。 ..混晌室法与驻波管法试验结果对比分析?。 .本章小结 第章陶粒吸声材料的力学性能研究 .概述? .强度试验 ..抗压强度试验?. ..抗折强度试验??...? ..弹性模量试验? .试验结果分析.. ..强度试验试块的破坏形态?.. ..抗压强度的单因素试验分析?.....抗压强度的正交试验分析..抗折强度 分析?. ..弹性模量分析。 ,本章小结??...?. 第章陶粒吸声板的工程应用设计?.. .概苤? .道床吸声板的设计参数 ..吸声板厚度..背后空腔??。 ..吸声尖劈. ..参数计算??。 .道床吸声板的组成设计 .道床吸声板的安装固定?...? .本章小结...??. 第章结论与展望.结论? .展望? 参考文献? 桂林理工大学硕士学位论文 第章绪论 .选题背景及意义 近年来,随着我国经济的发展,城市化进程的加快,我国城市的交通已经面临 着前所未有的压力,为缓解城市交通压力,城市高架道路、地铁与城市轻轨的发展 将有效地缓解我国城市交通的拥堵问题。地铁作为未来城市发展的现代化城市轨道 交通工具,符合我国为解决城市人口及汽车急剧增加而造成城市交通拥堵和大气污 染问题的战略规划。然而,高速运行地铁机车发出的噪音和振动在隧道封闭的环境 中反复回响难以消失,过量的噪声对乘客的身体健康造成相当大的影响。通过分析 发现,轨道列车产生的噪声有受电弓噪声、轮轨噪声和动力系统噪声等,其中 最主 要噪声来源是轮轨噪声。轮轨噪声是由于车轮经过钢轨,钢轨接缝处表面的不平顺 和其他损伤,导致运行的机车与钢轨运行发生撞击声、滚动声和摩擦声。 为了解决城市轨道交通的发展引起的噪声污染问题,各国在机车和轨道结构设 计中采取了许多技术措施】【射,但是降噪效果不明显。目前,国内外对于城市轨道 交通的降噪措施趋向于在轨道沿线铺设轨道道床吸声板。轨道道床吸声板采用高性 能吸声材料,并利用声学上的吸声尖劈、空腔共振技术制成。但是,由于地铁处于 特殊的地下隧道环境,对吸声材料的要求较高:材料应具有足够的耐久程度,防水, 耐火,耐腐蚀,吸声性能符合地铁内的噪声特性,并具有足够的强度和抵抗气流冲 击的性能。因此,普通的吸声材料无法胜任地铁的特殊环境。 为研制满足上述要求的吸声材料,水泥基多孔吸声材料应运而生。水泥基多孔 吸声材料以水泥作为胶凝材料,陶粒、膨胀珍珠岩及矿渣等作为轻集料,通过混合、 搅拌、压制及养护等工艺制作而成。研究发现,水泥基多孔吸声材料具有良 好的吸 声性能,并具备良好的防水性能、耐火性能、耐久性能和耐腐蚀性能。同时其自重 轻、材料成本低并具有一定的强度,适合作为铁路沿线的露天环境或者隧道环境下 的吸声材料。轨道道床吸声板需要放置在轨道的轨枕或整体道床表面,能够直接对 轮轨噪声进行吸收,其距离轨道非常接近。出于安全性的考虑,对材料的各方面的 性能提出了更高的要求。 对于水泥基多孔吸声材料的研制,国外发达国家己经有比较成熟的技术并进行 了工程应用,其降噪效果比较理想。现阶段,水泥基多孔吸声产品几乎被国外公司 所垄断,原材料成分和制作工艺均对外保密且价格昂贵。我国的水泥基多孔吸声材 料技术仍处于研究状态,相应产吸声产品还比较少,实际工程应用实例更是鲜有报 道,其原因集中在制作工艺的不成熟导致产品性能不稳定,强度和耐久性方面达不桂林理工大学硕上学位论文 到工程应用要求。因此,水泥基多孔吸声材料的研究工作必须继续努力开展,进一 步提高材料各方面的技术储备,积累制作工艺经验,为我国的大力推广轨道交通道 床吸声板提供实验数据和理论支撑,研制具有我国自有的知识产权的水泥基多孔吸 声材料,对于我国现阶段的城市轨道交通的发展建设具有重大意义。 .多孔吸声材料的吸声原理及评价方法 ..多孔材料的吸声机理和特性 多孔吸声材料内部中具有大量微小的孔隙或间隙,孔隙分布均匀,孔隙之间彼 此相互连通并且直通外部表面,声波射入材料表面,一部分被反射,另一部分进入 连通的孔隙中向材料内部继续传播。在传播过程中,引起孔隙内部空气的运动,空 气与孔壁间固体筋络发生摩擦,由于粘滞性和热传导效应,声能被不断转化为热能 而消耗掉。声波传播至材料背部刚性壁面被反射,通过传播回到材料表面,一部分 声波透射到空气中,另一部分再次反射到材料内部中传播,声波通过如此反复传播, 使声能不断被转换耗散,直至平衡,由此多孔吸声材料才能“吸收”部分声能,起 到吸声降噪效果。另外,高频声波的振动频率快,能够带动孔隙内部空气质点 更快 的运动,热能转化效率更高,这使得多孔吸声材料对高频声波的“吸收更好,高 频吸声性能良好?儿利。 因此,从多孔吸声材料的吸声机理我们可知,多孔吸声材料最关键的特性是材 料内部中具有大量微小的孔隙或间隙,孑隙之间相互连通,且孔隙大量分部于材料 内部,并能够连通材料表面,这样才能具有良好的吸声性能。一些材料虽然具有大 量孔隙,但如果彼此不能连通或孔隙封闭,声波无法通过敞开的微孔进入材料内部 传播,这样是无法起到吸声作用的,所以,同时满足上述特性的材料才能称作为多 孔吸声材料。 多孔吸声材料的吸声特性为随着声波频率的增大,吸声系数逐渐增大,从低频 率向高频率逐步提高,当某一频率出现吸声系数的峰值后,曲线有不同程度的起伏, 起伏程度随着频率的提高逐渐趋缓嘲嘲,吸声特性曲线如图.所示。 桂林理人学硕上学位论文 ? ? ? 譬, ~ 图.多孔吸声材料吸声特性曲线 图中嘶为峰值吸声系数 毛为吸声系数下限频率 为高频吸声系数 为第一振频率 %为第一谷值吸声系数 为第一共振频率 /为吸声系数下限 ..吸声性能的评价方法 根据吸声原理解释吸声系数的含义,吸声系数是指声波在物体表面反射时, 其 能量被吸收的百分率。吸声材料和吸声结构的吸声性能好坏,主要通过其吸 声系数 的高低来表示。吸声系数通常用符号口来表示,即入射总声能和被反射的声 能 的差值与入射总声能之比。即 . ?/ 式中,为吸声系数;为被反射的声能;为入射总声能。 由公式.可知,仅的数值在到之间。当仅为时,表示入射的声能全部 被反射,吸收材料没有起到吸声的作用;当为时,表示入射的声能被吸声材料 完全吸收,而没有反射出的声能。仅值越大,吸声性能就越好,吸声系数永远 小于 或等于。 吸声系数的数值与声波的入射频率有关,同一吸声材料,对于不同的声波频率, 等个中心 吸声系数不同。工程上一般取、、、、、 频率下的平均吸声系数,来表示某一材料或结构的吸声性能。有时,同样使用降 噪系数粗略衡量材料的吸声性能。降噪系数:频率、、、 下吸声系数的算术平均值。 吸声系数仅的数值与声波的入射角度有关,同一吸声材料由于入射角度对吸声 系数有较大的影响,不同的入射角其吸声系数不同。 通常规定了三种不同的吸声系数,其分别为:垂直入射吸声系数、斜入射吸声 系数和无规入射吸声系数。垂直入射吸声系数通过驻波管法测定,多用于材料吸声 桂林理工大学硕士学位论文 特性的鉴定和研究,用%表示。斜入射吸声系数测定平面声波沿一定的入射角射向 材料表面,其应用不多,用%表示。无规入射吸声系数通过混响室法测定,在扩散 声场中,各种入射角的声波等概率地射入材料表面,用%表示心劓。 通常当吸声系数仅?.时,材料才能被称为吸声材料。而仅?.的材料就是 理想的吸声材料。 .国内外吸声材料的研究现状 ..国外的研究及应用现状 发达国家对交通噪声污染问题非常重视,对于交通用吸声材料和隔声屏障的应 用技术到开展较早。一些发达国家在上世纪年代就对公路用声学屏障技术开展 了研究,到、年代已在声学屏障的设计和

  工艺已进行深入研究和大量实 践,积累了丰富的经验。早在上世纪年代,发达国家已经开始了轨道用吸声材料的研发,并开始进行了工程应用研究盯瑚瑚。国外学者 , 和 町以普通硅酸盐水泥、轻骨料和混凝土废集料为原料,研制了一种环保 的道路用多孔吸声材料,分析了骨料含量、骨料粒径、孔隙率对吸声性能的影响, 同时分析了孔隙率和骨料含量对材料吸声性能的影响。近年来,发达国家对吸声材 料和隔声屏障的研制与应用已经趋于成熟,在设计、制作和安装等方面己经形成产 业化,对声屏障的设计甚至考虑到环境的美化处理,他们已经在城市交通主干线大 量采用声屏障降噪措施,芬兰 的最新吸声产品的平均吸声系数 已经高达.。 ..国内的研究及应用现状 近年来,国内多所高校与研究机构已经先后开展了水泥基吸声材料的研究工 作。华南理工大学的学者曾令可、张守梅、王慧订等,以陶粒、膨胀珍珠岩为主要 骨料,明矾石膨胀水泥作为胶凝材料,研制了一种轻质多孔吸声材料,并分析了原 料配合比对吸声材料吸声性能和抗压强度的影响。 武汉理工大学的学者与香港新光国际有限公司习【如合作,以膨胀珍珠岩为主要 原材料,研制了一种道路隔声屏专用吸声材料,分析了吸声尖劈结构空腔共振、薄 膜共振等吸声结构对吸声性能的影响。 广州建材企业集团有限公司的刘莲香与华南理工大学的曾令可、侯来广等合 作,以轻质陶粒和珍珠岩为主要骨料,明矾石膨胀水泥作为胶凝材料、粉煤灰作为 拌合料,并配以防水剂和造孔剂,采用普通混凝土的成型工艺,研制出一种新型无 挂林理工大学硕士学位论文 纤维多孔吸音材料,并分析了材料的密度、厚度及内部孔结构等因素对这种材料吸 声性能的影响。 铁道科学研究院铁道建筑研究所的仲新华和谢永江引,对水泥基吸声材料的制 成工艺、吸声性能以及力学性能进行了研究,并对材料的耐火性能、抗冻性和憎水 性进行检测。 国内对铁路用吸声材料的研制目前尚处于初步阶段,还没有自主研发的吸声材 料应用于实际工程,国内的轨道用吸声板基本采用国外进口的产品。香港的噪音条 例是世界最严格的条例之一,香港西铁采用了最好的降噪措施,其采用的吸声产品 是利用从美国进口的技术进行构筑的,而且原材料成分保密,轨道道床吸声板施工 技术完全掌握在外国人手中。其价格昂贵,进口材料无法在我国大面积推广。上海 和广州也在其高架道路和高架轻轨沿线铺设了声屏障,其工程规模不断扩大,但其 降噪效果不佳,维护费用也较高。因此,吸声产品要在实际工程应用中得到推广, 还需要进行大量的基础研究工作。 .陶粒多孔吸声材料 ..陶粒多孔吸声材料的性能特征 陶粒作为一种原材料丰富、生产简单、生产能耗低、价格低廉的环保材料,自 身具有密度低、孔隙率大、筒压强度高,并且软化系数高等优点。利用陶粒的优点 制成的陶粒多孔吸声材料,具有质量轻、吸声性能良好、强度较高的特点,具有广 阔的应用空间副。 陶粒多孔吸声材料属于水泥基多孔吸声材料,其保持了水泥基多孔吸声材料的 基本特性,以水泥作为胶凝材料,以陶粒作为基本骨料,利用水泥的可塑性,运用 特殊的制作工艺使水泥胶体在硬化过程中形成无数微小孔或间隙,并且使孔隙能够 连通在一起,这些连通的空隙提供了材料良好的吸声性能。 陶粒多孔吸声材料不仅具有良好的吸声性能,并且具备良好的抗冻性、耐高温 并阻燃、耐久性能和耐腐蚀性能。同时其自重轻、材料成本低并具有一定的强度, 适合作为铁路沿线的露天环境或者隧道环境下的吸声材料,具有广阔的应用前景。 本文以后将陶粒多孔吸声材料简称为陶粒吸声材料。 ..主要问题和有待研究的内容 随着技术的发展,陶粒吸声材料在我国的发展空间将越来越广阔,陶粒吸声材 料的研究也不断地深入。在陶粒吸声材料的研究应用中,仍然存在的一些问题,为桂林理工大学硕上学位论文 了使陶粒吸声材料能更好地推广应用,其研究的深度和广度仍需进一步加大。有待 深入研究和完善的主要有以下几个方面: 虽然陶粒吸声材料具有良好的吸声性能,但材料的强度普遍偏低,为满 足正常的使用要求,材料强度的研究还有待深入。 由于对陶粒、水泥、掺合料的搅拌和成型及养护条件要求较严,因此只 适宜预制生产,不能现场浇筑,陶粒吸声材料的大规模生产的制作工艺还不成熟, 阻碍了陶粒吸声材料在我国的推广。 目前,对于陶粒吸声材料的工作性能研究还相对较少,比如材料的耐久 性能、抗冻性能、抗火性能和抗震性能等。 利用陶粒吸声材料制备轨道道床吸声板的工程应用比较少,吸声板的设 计有待研究,其铺设安装方法还需完善。 .本文的主要研究内容 针对陶粒吸声材料在研究应用中存在的问题,本文旨在通过吸声材料的实际制 作过程,分析研究制作工艺,寻求能够大规模稳定生产吸声材料的工艺条件, 并通 过混响室法和驻波管法检测其吸声系数。在吸声材料达到预期吸声性能后,研究分 析材料配比对材料力学性能的影响。通过对制作工艺和力学性能系统的研究,为实 际工程应用提供参考依据。掌握制作工艺和材料配比对陶粒多孔吸声材料力学性能 的影响规律,寻求在保持材料良好吸声性能的前提下进一步提高构件强度的方法。 具体研究内容包括: 根据吸声材料的各种性能和使用环境要求,选用密度低、孔隙率大、耐 久性好、耐火性好并具有较好吸声性能的原材料作为吸声材料体系的基本材料。 对陶粒吸声材料的制作工艺进行系统性研究,研究其制作工艺的普遍性 和特殊性,分析制作工艺对材料吸声性能和力学性能的影响。 优化陶粒吸声材料的制作工艺,并通过混响室法和驻波管法检测其吸声 性能,便于指导陶粒系列吸声产品的制作,为实际工程应用提供参考依据。 通过单因素试验和正交试验,研究分析材料配比对吸声材料力学性能的 影响,找到通过优化配比获得理想强度的方法。 对陶粒吸声板的工程应用做前期研究设计,为实际工程打下基础。 桂林理工大学硕士学位论文 第章陶粒吸声材料的制作工艺研究 .概述 陶粒吸声材料材料属于水泥基多孔吸声材料,其制作工艺主要与胶结材料有 关,并受到水泥强度与用量、陶粒的强度、水泥与陶粒的粘结工艺、用水量以及养 护工艺等影响。考虑到陶粒吸声产品松散的混合料流动性差,密实度低,需要采用 压制成型工艺。通过对模具中的混合料施加一定的压力,使原本松散的混合料在挤 压提供的材料颗粒相互间的作用力下黏结成型,并通过适合的养护工艺使水泥硬 化,以达到足够的强度。压制工艺需要保证吸声材料获得工程需要的强度和理想的 密实度,同时获得工程设计的产品结构形状。 在陶粒吸声材料的制作工程中,通过对制作工艺的优化,寻求稳定的大规模生 产吸声材料的工艺条件,并通过混响室法测试其吸声性能,为实际工程设计提供较 为可靠的依据。 本试验试件的制作是在桂林理工大学建筑工程检测与试验重点实验室结构大 厅完成的。 .试验原材料 本研究对主要原材料的选择原则是: 具有良好的吸声性能,尤其是对中低频声波的吸收要优良,同时满足强度 要求。 制造容易,成本较为低廉,并就地取材便利。 有较好的耐久性能、耐火性能和耐腐蚀性能,并能适应室外各种环境。 ..陶粒 试验采用轻质陶粒作为轻集料,陶粒的原料是工业废渣或矿物废料、各种污泥、 陶瓷厂的废料,掺入少量的粘合剂、附加剂和添加剂等,通过混合、造粒成球状、 经高温煅烧等制作而成的圆球型人造轻骨料。其主要化学成分见于表.,主要技 术性能见于表.。 桂林理工大学硕士学位论文 堆积密度// 容重/, 筒压强度/ 吸水率/%蝴/ ? ?. ?. 陶粒作为一种生产简单、价格低廉的轻集料,自身具有优异的性能:密度低、 孔隙率大、筒压强度高,并且软化系数高、抗冻性、耐冲击、和抗震性良好、抗碱 集料反应性优异、无辐射等特点。特别由于其质量轻和吸声隔热性能良好,加工简 单、稳定性好,非常适合作为吸声材料的轻骨料,并起到减少产品容重和增加 材料 强度的作用。其在地铁、高铁等交通吸声降噪的应用广泛,前景非常广阔。不仅如 此,陶粒在建筑领域的应用也非常广泛,例如,陶粒可以制备陶粒空心砌砖、素陶 粒混凝土、钢筋陶粒混凝土、预应力陶粒混凝土,还可以制作保温隔墙砖、护堤植 草砖、地面砖、民用砖瓦、高层民用住宅承重或填充墙砖等。陶粒能够废物利用, 属于可循环使用的绿色环保建筑材料。 ..水泥 本次试验采用标号为.级的普通硅酸盐水泥。其主要化学成分是硅酸三钙 ?、硅酸二钙?、铝酸三钙?和铝酸四钙等。其主要技术性能见表.。 表.水泥的主要技术性能 吸声材料以普通硅酸盐水泥作为胶凝材料,陶粒吸声材料的强度主要是由水泥 强度、陶粒强度、水泥与陶粒之间的粘结力共同决定的,水泥是最为重要的水硬性 无机胶凝材料,加水搅拌成浆体后能在空气或水中硬化发展强度,其强度发展对材 料的力学性能着决定性作用。水泥的加入能够将陶粒胶结在一起,硬化后不但强度 较高满足复合吸声材料的使用要求,而且其内部可以形成大量的孔隙,提高材料的 吸声性能。桂林理工大学硕士学位论文 ..纤维 聚酯纤维是以聚对苯二甲酸与乙二醇酯缩聚而成的饱和聚酯,再通过特 殊工艺加工而成的。聚酯纤维是目前最好的聚合纤维,其化学性能稳定、强度高、 耐久、耐高温在?下不会变形、收缩、软化,在。下仍能保持韧性。主要性 能指标见于表.。 表.聚酯纤维的主要性能指标 一般而言,在复合材料中掺入纤维能够提高材料的综合性能,掺入适量的聚酯 纤维能够起到提高陶粒吸声材料的吸声性能和力学性能。 将聚酯纤维掺入陶粒吸声材料,当声波进入材料内部时纤维发生振动,尤其是。 较高频率的振动,这些分散的纤维特有的弹性变形能够消耗较大的声能,而对于较 低频率的振动,其振动幅度较小,纤维材料对低频声波的吸声效果不明显。 另一方面,掺入聚酯纤维同样可以作为提高陶粒吸声材料力学性能的一个重要 手段。这些乱向分散的短聚酯纤维在复合材料中能够起到桥联和加筋的作用,阻碍 材料内部微裂缝的扩展和宏观裂缝的产生,提高材料的抗裂性能,从而使材料的抗 压强度和抗折强度等力学性能有显著提高,同时改善吸声材料的抗疲劳、抗冲击以 及韧性、耐久性。 聚酯纤维的掺入改变了陶粒吸声材料的配比原则。陶粒吸声材料中聚酯纤维的 掺量与水泥用量存在着某种对应关系,当拌合料中的水泥用量不变时,若聚酯纤维 掺量过低,不能有效地提高材料的强度,而掺量过大则由于聚酯纤维不能完全分散 开来,被水泥浆充分胶裹,使陶粒吸声材料的粘结力急剧下降,纤维的工作性大幅 下降,不能充分发挥聚酯纤维的增强作用,最终达不到有效提高吸声材料强度的目 的。所以,适量的聚酯纤维掺量,必须要有一定量的水泥用量与之对应,才能充分 发挥聚酯纤维的增强作用,有效地提高吸声材料的强度。对于陶粒吸声材料,多少 是适量的聚酯纤维掺量,需要通过试验进一步确定。 ..外加剂 。..减水剂 桂林理工大学硕士学位论文 减水剂为市售的常用减水剂,属于高性能减水剂,其基本性能指标见表.。 表.减水剂的主要性能指标 陶粒吸声材料出于吸声性能的考虑,存在大量的连通气孔,需要采用较低水灰 比和水泥用量,使得材料在制作过程中,其拌合料干硬而松散,其和易性不佳,成 型后强度较低不能满足正常使用要求,使其可塑性降低。因此,试验考虑通过掺入 减水剂的方式,以减小水灰比,减少用水量,从而改善吸声材料的强度、拌合料的 和易性和可塑性。 在材料的和易性和水泥用量不变的情况下,减水剂能够减少拌合料的用水量, 从而提高材料的早期强度和最终强度;或在水泥用量和水灰比不变的情况下,减水 剂有利于水泥水化速度和材料的强度的发展。当拌合料的和易性不理想时,掺入 减水剂可以使和易性得到改善。当拌合物的用水量不变时,减水剂可以使稠度增大, 提高流动性和匀质性,减少泌水和离析、改善拌合物的黏聚性。 高效减水剂能够改善吸声材料拌合料和易性的作用机理町主要表现为:分 散作用:水泥与水拌合接触后,由于水泥颗粒分子之间的较强引力作用,水泥浆体 聚集形成絮凝状结构。絮凝状结构使一部分拌合水被包裹在水泥颗粒之中,无法自 由流动和起到润滑作用,从而无法改善拌合料的流动性。加入高效减水剂后,高效 减水剂可以吸附于水泥颗粒表面,并形成双电层,能够起到静电排斥作用,使水泥 颗粒分子分散开来,破坏絮凝状结构,释放了被包裹的拌合水。从而改善了拌合料 的流动性。润滑作用:高效减水剂中的亲水基极性很强,能够吸附在水泥颗粒 的表面,能与水分子形成稳定的水膜,这层水膜使水泥颗粒间距增大,导致颗粒间 引力的降低,另外水膜可以起到润滑作用,有效降低水泥颗粒间的内阻力,使颗粒 易于滑动,从而使拌合料的流动性进一步提高。 ...防水剂 本实验使用的高浓缩强效防水剂,其主要成分为甲基硅氧烷【】。组 成的有机硅防水剂。 有机硅防水剂为无色或淡黄色碱性水溶液,无毒,非挥发性,易和二氧化碳作 用形成的高分子网状硅树脂膜,结膜后具有优良的防水性能,其耐酸碱,耐污染, 耐风化,对钢筋无腐蚀作用,并具有膨胀效果,可以弥补砂浆和混凝土的收缩等特 性,同时其成本低,施工方便。 桂林理工大学硕士学位论文 ..水 试验用水采用自来水,其用途分为净用水指不包括陶粒预湿处理用水的拌和 用水量和附加水指陶粒预湿处理所用的水,与之对应,净水灰比指净用水 量与水泥用量之比和总水灰比指总用水量与水泥用量之比。在之后的配比设 计中,用水量指的是净用水量,而水灰比指的就是净水灰比。 .配合比初步设计 配合比初步设计的目的: 通过配合比设计,得到符合性能要求的陶粒吸声材料。其基本性能是良 好的吸声性能,以及足够的强度、密度和拌合料的和易性。 在满足上述性能要求的前提下,考虑成本的因素,经济合理地选用材料。 材料的配合比设计是指各种原材料之间用量的分配比例,配合比是影响材料各 方面性能的关键因素。陶粒吸声材料是由多种原材料混合而成的复合材料,其组成、 结构和性能与普通混凝土有较大区别,因此陶粒吸声材料的配合比设计还应考虑的 吸水特性、孔隙率的控制和材料的密度等因素。 另外,在陶粒吸声材料的配合比设计时,还应注意对制作工艺的影响,满足制 作条件的要求。制作过程中,拌合料的和易性是最关键的因素。和易性是保证新拌 复合材料的可操作性,其包括流动性表示流动的难易程度、黏聚性表示不致 发生分层和离析现象和保水性不致产生严重泌水现象。陶粒吸声材料的和易 性受用水量、水泥用量、骨料的级配、外加剂等因素影响。 本实验的陶粒吸声材料初步配合比见表.所示。 表.陶粒吸声材料配合此.% 其中,陶粒最大粒径为,各粒径比例均匀配置,其中粒径.占%, 粒径.. 占%,粒径.. 占%。 根据我国的行业规范《普通混凝土配合比设计规程》钉,本次试 验配合比属于水灰比小于.的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土,其用水量 无法从标准方法中得出,需通过具体试验确定。由于陶粒吸声材料水灰比远小于., 其拌合料千硬而松散,和易性不佳,所以其和易性以坍落度试验为标准已不再合适, 需要通过试验确定。桂林理工大学硕士学位论文 .工艺的控制因素 ..用水量 用水量是影响拌合料和易性的最主要的因素。对于适当的用水量,材料拌合料的 和易性随用水量的增加而提高,采用相同的材料用量,用水量不变,配合比的 变化 对和易性的影响不明显。可以认为,当一定的材料用量,用水量不变意味拌合料的 和易性不变。通过实验确定了材料的用水量,符合所需的和易性,不同配合比的吸 声材料达到之前确定的用水量时,可以得到接近实验的和易性。而考虑到陶粒吸声 材料的吸声性能的要求,采用较低水灰比、减水剂地掺入,导致在材料的强度增长 期用水量的偏少,拌合料干硬松散。 用水量是陶粒吸声材料获得理想的孔隙结构和稳定强度的影响因素蝴,与水泥 水化反应的净用水量指不包括陶粒预湿处理的拌和用水量直接影响了胶凝材料 的产生与发展。陶粒是一种多孔的吸水材料,其吸水率较高,其在制作搅拌过程中 会吸入部分拌合水,致使拌合料的水量不足,水泥水化不充分,凝胶体的孔隙量不 足,致使无法获得理想的连通孔隙。因此,在制作流程与工艺的设计中,对陶粒进行预湿 处理,通过预湿减少陶粒制作成型过程中吸水,保证有足够的水量与水泥反应;同 时在养护阶段,陶粒空隙内的水分能够起到维持材料内部相对湿度的作用,这种作 用称为陶粒的“自养护”。进行预湿处理的用水量称为附加水量指陶粒预湿处 理的拌和用水量,通过陶粒的吸水率计算确定。因此,将制作过程中的实际用水 量称为总用水量,总用水量通过下式洲计算: . ‰,%。仉。 式中,为每立方米吸收声音的材料的总用水量;帅为每立方米吸声材料的 净用水量;为每立方米吸声材料的附加水量。 ..水泥用量 对于陶粒吸声材料,水泥用量与孔隙率的关系是材料吸声性能和抗压强度最重 要的影响因素,而直接测定孔隙率是不现实的,因而无法得到陶粒吸声材料强度的 精确计算模型。因此,只能通过研究对抗压强度有间接影响的因素,分别从对这些 因素的研究中找到能够为工程实际应用有用的规律。 陶粒吸声产品的强度主要是由水泥强度、陶粒强度、水泥与陶粒之间的粘结力 共同决定的,因此,水泥作为主要胶结材料,其水泥用量起着决定性作用,直 接影 响到材料的强度及各种性能。一方面,当水泥用量过大,吸声产品的容重就越大,桂林理工大学硕士学位论文 孔隙率越小。当超过一定限值时,水泥浆体将会堵塞吸声产品内部孑隙,影响吸声 产品的吸声性能。另一方面,当水泥用量过小,吸声产品的强度不足,难以形成稳 定的结构形状,吸声产品的边缘受到碰撞也容易出现破坏,影响吸声产品的安装和 使用;同时,也影响孔结剂发挥其正常作用,最终依然会影响吸声产品的吸声性能 【剀 在其他条件不变的情况下,水泥用量的增加会使材料的和易性得到改善,但过 多水泥用量可能导致拌合料过于黏稠。因此,陶粒吸声材料的水泥用量是偏少的, 配得干涩的拌合料,水泥用量的偏少同样是导致拌合物比较松散的直接原因之一。 因此,需要通过工艺技术,提高其黏聚性。 ..密度和孔隙率 吸声材料的孔隙率是影响材料吸声性能的重要因素。实际工程中,孔隙率和流 阻的直接测定是不现实的,通过调整材料的密度容重来加以控制。密度表示吸 声材料单位体积质量,它能够直接反应材料的特征孔隙率。密度对材料的吸声性能 和力学性能有很大的影响。一般而言,多孔吸声材料的密度的越大,材料的孔隙率 越小,材料的比流阻就越大。当厚度不变时,增加密度,可以使低频和中频的吸声 系数提高,但效果比增加材料厚度要差;而密度的增加,密实程度增加,可以使材 料的强度提高。当密度过大时,可能导致材料过于密实,会使空气流阻增大,使材 料的吸声系数下降。因此,吸声材料的密度存在一个最佳值,这个值能够在保证吸 声性能的同时,兼顾一定的强度】【:?。 .制作工艺分析 陶粒吸声材料的制作工艺与普通混凝土相比既有共同性,又存在一定的特殊 性。由于陶粒的密度小,吸水率大,在陶粒吸声材料的搅拌、成型、养护等制作过 程中,如果操作不当,很容易造成材料的各方面性能发生变化。陶粒吸声材料对制 作工艺中各制作环节的变化较为敏感,所以对制作工艺的优化和控制是材料 质量的 保证。试验按照国家行业标准们对陶粒吸声材料来制作流程与工艺的系统研究。 ..外加剂使用方法 ...减水剂掺入法 将高效减水剂掺入方法分为三种叫,分别为先掺法、同掺法和后掺法,结合具 体如下: 桂林理工大学硕士学位论文 减水剂先掺法,即减水剂干粉、水泥和骨料干拌均匀后,加水搅拌。 减水剂同掺法,即减水剂干粉和拌合水混合配制成减水剂溶液,先将水 泥与骨料干拌均匀后,再将减水剂溶液掺入干拌料搅拌。 减水剂后掺法,即减水剂干粉与部分拌合水混合配制成减水剂溶液,水 泥与骨料干拌均匀后,加入部分水搅拌,搅拌数分钟后,将减水剂溶液掺入之前的 水泥浆体中搅拌。 陶粒是一种多孔结构骨料,陶粒内部的孔隙在材料的搅拌过程中容易将混合有 减水剂的溶液吸附,降低减水剂的作用效果。鉴于陶粒多孔结构的特殊性,应避免 陶粒与减水剂过早地接触,因此,陶粒吸声材料当中的减水剂掺法宜采用后掺法。 文献九测研究发现,后掺法的减水效果更加明显,可减少减水剂用量。此外,对陶 粒进行预湿处理一点程度上能够防止减水剂被陶粒吸附。试验具体的减水剂掺入过 程为:对陶粒进行预湿处理;掺入水泥和其他拌合料;加入部分水搅 拌;后将剩余水和外加剂混合溶液掺入。 ...材料的防水处理 多孔吸声材料为保证材料良好的吸声性能,其内部存在着大量内外相互连通的 孔隙。当周围环境存在液态水的时候,环境水会进入吸声材料的孔隙当中,材料的 吸声性能会受到影响而降低,并且材料内部存在环境水对材料的力学性能也是不利 的。因此,吸声材料需要进行防水处理,降低环境水对材料的影响。通常防水处理 方法有防水砂浆法、喷涂法和掺入法,具体如下: 防水砂浆法按机硅防水剂:水:水泥:砂的比例控制在:.:.::. 均匀混合配制成防水砂浆,将防水砂浆涂抹到材料表面,在第一层初凝时涂抹第二 层,常温养护小时。 喷涂法是将有机硅防水剂与水按:的比例混合稀释后,用喷雾器或排 刷在吸声材料表面,防水剂渗入其表面层的空隙中,在表面生成封闭的憎水层。在 喷涂第一遍未干时进行第二遍喷涂,连续喷涂三遍,中间不能间歇。喷涂后, 常温 养护小时。 掺入法是将防水剂掺入到吸声材料的制作搅拌过程,与水泥砂浆充分混 合,在内部形成憎水层。将有机硅防水剂溶液用量控制在水泥用量的%,先将 有机硅防水剂与水混合均匀,在制作搅拌过程中,与水泥充分混合,在内部形成憎 水层。 在多次的试验总结出,防水砂浆法抗渗性良好,但在吸声材料表面涂抹的砂浆 会将材料表面连通的空隙堵塞,降低吸声材料的吸声性能,此方法不适用于吸声材 料的防水处理。喷涂法在吸声材料的表面形成了良好的由憎水材料组成的憎水性薄 桂林理工大学硕士学位论文 膜,将材料与环境水隔开。当薄膜的厚度较薄时,薄膜对声波“进入’’材料的影响 是不大的,当薄膜较厚时,薄膜会因为堵塞吸声材料的孔隙,阻碍声波“进入”吸 声材料被吸收,并最终导致材料吸声性能的降低。所以,喷涂法的工艺难度在于保 持憎水层的厚度适当,控制喷涂防水剂用量。相对于喷涂法来说,掺入法的工艺就 简单很多,只需按计算比例掺入防水剂,防水剂完全与水泥浆体混合均匀,憎水性 薄膜均匀,对材料吸声性能的影响不明显。因此,本实验采用的是掺入法对陶粒吸 声材料进行防水处理。 ..陶粒的预处理工艺 在相关文献九中,对陶粒吸声材料的搅拌前,都倾向于对陶粒进行预湿处理, 所谓陶粒的预湿就是在陶粒使用前要洒水或浸泡,让陶粒充分吸水,处于水饱和状 态。通过预湿处理,可以降低陶粒在搅拌过程中吸水作用,避免陶粒吸入过量的水 导致陶粒破碎,并致使拌合料的水量不足,水泥水化不充分,凝胶体的孔隙量不足, 无法产生理想的连通的孔隙。因此,陶粒的预湿处理起到改善吸声材料的和易性的 作用,同时适当含水的陶粒,对陶粒产品的养护也是有好处的。 文献叮研究发现,陶粒的预湿处理对材料具有自养护的作用,在养护过程中, 水泥的水化反应及表面的蒸发作用,导致材料内部的湿度不断降低,当陶粒周围的 凝胶材料中相对湿度低于陶粒时,陶粒内部的水分将向凝胶材料转移,陶粒的含水 率越高,可供转移的水分越多,对水泥浆体的补偿作用越大,一段时间内维持 材料 内部较高的相对湿度,提高水化反应程度,保证水泥强度的发展。因此,由于预湿 陶粒的这种“蓄水池”的影响,对陶粒吸声材料养护起到一定积极作用,对吸声材 料的力学性能和耐久性能都有明显作用。 但是,预湿处理也会带来一定的负面作用,比如增加了吸声材料的密度,降低 吸声材料的抗冻性等。所以,为避免预湿处理的负面作用,应选择适当的预处理工 艺,其最重要的是确定预湿方法和预湿时间。寻常的预湿处理方法有以下几种,分 别为:真空饱水法、浸泡法、连续喷淋法和热差预湿法蚴。试验采用连续喷淋法对 陶粒预湿处理。按照规范啪规定,一般采用陶粒的吸水率作为陶粒预湿处理用 水量的依据。 因此,通常将陶粒预湿处理的用水量作为附加水量,计算陶粒的预湿处理 所用的附加水量需根据陶粒的吸水率确定,具体计算公式如下: . ‰%?绥 式中, 为每立方米吸声材料的附加水量;。为每立方米吸声材料的 陶粒用量:为陶粒的吸水率。桂林理工人学硕士学位论文 另外,陶粒在搅拌前的含水量与陶粒的保存环境的湿度有关,不同的批次的陶 粒或不同的保存环境都会影响到陶粒的自然含水量。自然含水量过多会使陶粒预湿 的水分过多,导致陶粒破裂和拌合料的水灰比过大,影响材料的性能发展。所以, 计算附加水量时,应扣除陶粒的自然含水量。 陶粒的预湿会对陶粒吸声材料抗冻性能造成影响,较低环境温度下陶粒吸水可 能造成陶粒的破裂,因此陶粒的预处理工艺应该结合环境因素和制作技术。当制作 温度适宜或较高时,可适当延长预处理时间,增加陶粒的水饱和度;而环境温度较 低或冬季时,应适当减少预处理时间,降低陶粒的水饱和度。 ..搅拌工艺 陶粒吸声材料作为轻骨料混凝土,采用强制式搅拌机搅拌。试验采用北京世纪 诚达公司生产的强制式搅拌机,其最大容量为升,转速为/。 ...搅拌顺序 在陶粒吸声产品的制作工艺中,最重要的的工艺就是搅拌工艺。其中加水方式、 搅拌速度和搅拌时间直接影响拌合料的和易性和均匀性,并最终影响产品的 吸声性 能和力学性能引。 通过研究分析,搅拌工艺能够分为几种搅拌工艺嘲伽嘲。具体如下: 按计算好的材料配合的称量各种类原材料后,先将水泥、减水剂和纤维 进行干料搅拌混合后,掺入称量好的水再搅拌,搅拌得均匀混合的水泥浆体后,再 掺入称量好的陶粒进行搅拌,待搅拌得到半干松散状态的混合料后,导入模具中进 行成型加工,并正常养护,具体见图.。 图.第一种搅拌顺序 按计算好的材料配合的称量各种类原材料后,先将陶粒、水泥、减水剂 桂林理工大学硕士学位论文 和纤维进行干料搅拌混合后,直接将所有称量好的水掺入再搅拌,待搅拌得到半干 松散状态的混合料后,导入模具中进行成型加工,并正常养护,具体见图.。 图.第二种搅拌顺序 按计算好的材料配合的称量各种类原材料后,先对陶粒进行预湿处理, 再将湿润的陶粒、水泥、减水剂和纤维搅拌混合,掺入称量好的水再搅拌,待搅拌 得到半干松散状态的混合料后,导入模具中进行成型加工,并正常养护,具体见图 .。 图.第三种揽拌顺序 经过反复多次的试验,可以看出不种的搅拌工艺对用水量的影响较大,在同样 配合比下,用水量的不同,直接改变了水灰比,过大或者过小的水灰比,会使拌合 料的过湿或者过干,并最终影响产品的吸声性能和力学性能。通过分析,主要可能 是因为其骨料一陶粒造成的,与普通的骨料不同,陶粒内部存在大量的孔隙,具有 很大的吸水率,在搅拌过程中,部分水被陶粒吸入到孔隙内而未与水泥混合搅拌, 桂林理工人学硕上学位论文 影响了水灰比。 第一种工艺是优先将水与水泥混合成水泥浆体,然后在将陶粒掺入搅拌,这样 避免了陶粒吸水,能够很好地控制用水量。但是不利于陶粒在水泥浆体中的混合, 需要较长时间的搅拌均匀,工艺较复杂。第二种工艺比较容易操作,但陶粒吸水容 易导致将外加剂吸附,进而影响外加剂的作用效果。第三种工艺对陶粒进行预湿处 理,降低其在搅拌过程中的吸水,避免对外加剂被陶粒吸附,降低外加剂的作 用效 果,而且加水能够灵活控制,在搅拌的过程中可以根据具体情况逐步加水,控制用 水量和水灰比。 本实验采用第三种搅拌工艺。当需要掺入的纤维量较大时,采用部分纤维与水 混合,提高纤维的分散性,避免纤维在搅拌工程中出现聚团,然后将骨料与辅助材 料进行干搅拌,根据搅拌速度和搅拌时间,充分拌匀后,逐步加入混合了部分纤维 的水,待搅拌得到半干松散状态的混合料后,导入模具中加工成型,养护、脱模、 测试其性能。 ...搅拌时间 搅拌时间应在拌合物达到良好的和易性和均匀性的同时,尽量的缩短时间,以 求提高制作效率和经济性。在搅拌过程中发现,当搅拌时间较短时,拌合物无法搅 拌均匀,而当搅拌时间过长时,容易使陶粒破碎现象发生,进而会影响硬化后陶粒 吸声产品的性能。因此,陶粒吸声材料应采用搅拌速度较快的强制式搅拌机进行搅 拌,并且需要严格控制搅拌时间。多次试验的经验表明,陶粒吸声材料的搅拌时间 应该比普通混凝土稍长,约为分钟。 ..压制工艺 ..压制工艺对材料的作用 陶粒吸声材料作为水泥基多孔吸声材料,产生大量连通的空隙是吸声性能的保 证,而水化合物起到粘结作用并提供一定的强度。新拌混合料较为干硬松散,流动 性很低。如果采用自然浇筑,无法形成一个完整的结构,强度也无法达到基本要求。 因此,需要通过外部作用力使其黏聚在一起。 压制工艺是使陶粒吸声产品最终成型和提高性能的重要环节。一方面,陶粒吸 声材料在搅拌均匀后成半干松散状态,其黏聚性低,密实程度无法达到要求,需要 在施加一定的压力下压制成型。本试验的压制工艺是通过设计封闭的模具,将搅 拌均匀的混合倒入模具内,对封闭的模具施加压力,挤压材料。另一方面,压制工 艺能够控制材料的密实程度和空气流阻,得到理想的吸声性能和强度的吸声材料。挂林理工大学硕士学位论文 ...压缩此对材料性能的影响 在压制过程中,需要控制压缩程度,因此,引入一个与材料的密实程度相关的 系数称为压缩比九。这里把压缩比定义为特殊模具中松散拌合料的厚度与压 制成型 后的试件的厚度之比。为了研究压缩比对材料的吸声系数与抗住压力的强度有明显 影响, 试验通过对相同配合比下,不同的压缩比条件下的试块进行抗压强度试验和 吸声系 数试验。 本次试验在材料配合比条件不变的情况下,对压缩比分别为.、.、.、 .的陶粒吸收声音的材料试块进行驻波管法吸声系数测试和立方体抗压强度测试。 具体的制作步骤如下: 按照.、.、.、.的相对比例计算等体积的材料用量并称量。 按相同搅拌工艺分别对种比例的材料进行搅拌。 将搅拌好的拌合料倒入相同的模具中,按照对应压缩比分别为.、.、 .、.的压制成型的等体积试块。 在相同的条件下养护并脱模。 对试块其进行吸声系数测试和抗压强度测试,结果示于表.、图.和图.。 表.不同压缩比陶粒吸收声音的材料的抗压强度 . . . 奠. . 鬟 睇. 薹、驾瞩幽罐 . . . 】. 压缩比 压缩比 图.压缩比对吸声系数的影响 图.压缩比对抗压强度的影响 通过数据分析,随着压缩比由.逐步增加到.的过程中,材料的吸声系数 桂林理大学硕士学位论文 逐步较小,而密度增大,抗压强度逐步提高。在压缩比...范围内,吸声系数 降低不明显,而强度提高明显,密度在‖左右。而随着压缩比由.逐步 提高,材料的吸声系数出现较大幅度的下降,而密度与强度基本呈线性提高。 可以 看出,当压缩增加时,材料密度提高,孔隙率降低,其吸声系数减小,而强度提 高, 反之亦然。吸声系数与压缩比成反比关系,而抗压强度与压缩比成正比关系。 因此, 应该寻找一个最佳压缩比,在尽量保证吸声性能的前提下,提高抗压强度。综 合分 析压缩比对吸声性能和抗压强度的影响,选择压缩比为.比较适合,此时的吸声 系数较高,而抗压强度合适,密度控制‖范围。 ..材料的养护 陶粒吸声材料的现场养护是制作流程与工艺中的重要环节,需要引起足够的重视,材 料正确的养护是材料的质量的保证。材料的养护是指材料拌合物浇筑入模后的时 间、温度和湿度条件的

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