多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究.pdf

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多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究1 多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究2 多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究3 多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究4 多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究5
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第22卷第3期2014年6月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol22lll3Jun.2014多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究朱洪波1,张浩立2,柳献2,李晨1(1.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海201804;2.同济大学土木工程学院,上海200092)摘要:水泥-聚苯颗粒材料被广泛用作外墙外保温材料,通过特殊制备工艺可形成多孔性结构,从而同时具备吸声功能,改善建筑环境.以水泥为胶凝材料,以聚苯颗粒为骨料,以聚丙烯纤维和可再分散乳胶粉为增韧材料,采用半干料压缩工艺成型制备吸声材料,分析了水泥用量和蒸汽养护对材料吸声性能的影响.结果表明:水泥掺量越高,在高频段的吸声系数越低,但水泥掺量过低对低频声的吸收不利;蒸汽养护使材料表面形成了空腔共振吸声结构,对提高一定频率下的吸声性有利,根据理论计算了空腔共振吸声结构提高吸声性的频率范围,结果与实测结果一致,分析认为通过调整聚苯颗粒粒径可实现在相对较宽频率范围的高效吸声;纤维提高了抗折强度,可在保障强度的前提下降低水泥用量以提高吸声性.关键词:水泥;聚苯颗粒;空腔共振吸声结构;半干料压缩成型;蒸汽养护中图分类号:TU528文献标志码:A文章编号:1005-0299(2014)03-0023-05ResearchontheacousticperformanceofporousmaterialswithpolystyreneandcementZHUHongbo1,ZHANGHaoli2,LIUXian2,LIChen1(1.KeyLaboratoryofAdvancedCivilEngineeringMaterialsofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Cementpolystyreneparticlematerialsarewidelyusedforexteriorinsulationmaterials,whichcanformporousstructurethroughspecialpreparationandexhibitssoundabsorbabilityatthesametime.Soitcanimprovethebuildingenvironment.Thesoundabsorptionmaterialismadebycompressionundercertaincompressionratioat⁃semidrystate,usingcementascementingmaterials,polystyrenegrainasaggregate,polypropylenefiberandEVAlatexasflexuralreinforcedmaterials.Theeffectofamountofcementandsteamcuringonthesoundabsorptioncoefficientofthismaterialisanalyzed.Thetestingresultsshowthatthemoretheamountofcement,thelowerthesoundabsorptioncoefficientathighfrequency.Tooloweramountofcementdecreasesthesoundabsorptioncoefficientatlowfrequency.Withthehelpofsteamcuring,resonantcavitystructureformsandthesoundabsorptioncoefficientsatsomefrequenciesincrease.Baseontheory,thefrequencyrangeraisedbycavitystructureiscalculated,andtheresultsaresimilartothatfromactualtesting.Thispapersuggeststhatthesoundabsorptioncoefficientatmorefrequenciescanbeadvancebyadjustingthediameterofpolystyrenegrain.Thepolypropylenefibercanenhancetheflexuralstrength.Thereforeitisfavorableforsoundabsorbabilitybyusingfibersandlowercement.Keywords⁃:cement;polystyrenegrain;cavityresonanceabsorber;semidrystatecompressionmolding;steamcuring收稿日期:2012-12-03.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51302189);上海市科委重点项目(0231203200);光华同济土木学院基金资助.作者简介:朱洪波(1965-),男,副教授.通信作者:张浩立⁃,Email:zhhaoliwill@126.com.多孔性材料在建筑和工业领域被广泛用作吸声材料.国内学者H.Luo等[1]利用发泡技术制备出轻质多孔性镁基吸声材料;S.Liu等[2]利用JCA模型来优化纤维多孔性吸声材料的结构设计,从而获得更好的吸声性能;李文芳等[3]采用轻质陶粒和水泥制备出一种防火型多孔陶粒混凝土吸声材料;俞悟周等[4]研究了电解多孔铁镍薄板结构的吸声性能;张波等[5]研究了烧结金属纤维多孔材料的高温吸声性能.水泥基类吸声材料由于具有更好的耐老化性能而适用于室外环境中,朱洪波等[6-7]采用水泥与膨胀珍珠岩为主要材料制备出符合ASTMC423-84A标准要求的高效、高耐久性吸声材料,并且其成本较低.国外报道T.Hung等[8]采用高岭土与矿渣粉以∶73的质量比制备多孔性泡沫吸声材料;M.A.Navacerrada等[9]利用渗透性研究多孔性泡沫铝的吸声性能;J.W.Kim等[10]则认为通过电阻参数可以很好地表征多孔性材料的吸声性;D.Oliva与V.Hongisto[11]开发了一种简化方法可以提高采用阻抗方法测试吸声系数的精度;M.Frías等[12]采用石油焦炭开发了多孔性水泥基吸声材料;H.K.Kim和H.K.Lee[13-14]通过调整水泥流动性和骨料的粒径及品种,同时采用双层复合结构设计来制备多孔混凝土,获得了吸声系数最高接近1、并且在400Hz以上频段最低大于0.6的吸声材料.本文使用水泥、聚苯颗粒、聚丙烯纤维和可再分散乳胶粉,并采用半干料压缩工艺成型制备吸声材料,通过蒸汽养护形成空腔共振吸声结构,研究了材料的微孔特征、吸声性能并与理论计算对比分析.1实验1.1原材料1)水泥:52.5P·II,执行标准《通用硅酸盐水泥—》(GB1752007),江南小野田水泥有限公司生产.2)轻质骨料:原生聚苯乙烯泡沫颗粒,颗粒直径为1~3mm,执行标准《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统—》(JG1582004).3)增强纤维:市售聚丙烯纤维,平均长度为9mm,抗拉强度大于500MPa,断裂伸长率为15%~25%,弹性模量大于3800MPa.4)乙烯-乙酸乙烯可再分散乳胶粉:6021E型,北京天维宝晨化学品有限公司生产.1.2试样制备实验配合比见表1.先将水泥、聚丙乙烯纤维、乳胶粉在搅拌锅内充分均匀搅拌,然后加水继续充分搅拌,最后加入聚苯颗粒并充分搅拌,得到半干料,采用压缩工艺按照75%的压缩比分别制备Φ18.6cm×(6±0.2)cm的圆柱吸声系数测试样和4cm×4cm×16cm棱柱体抗折、抗压测试样.表1Z形型材材料性能参数序号水泥掺量/g轻骨料/cm3纤维/g乳胶粉/g水灰比130015280.35240015280.353400152840.35440015284120.35550015280.326500152840.32750015284120.32860015280.30压缩成型后立即拆模,分别在自然环境下养护28d和在℃100的沸煮箱中蒸汽养护8h.干容重测试采用棱柱体试样,在其养护结束后放于℃60烘箱中烘干24h.吸声试样的制备和蒸汽养护过程如图1.(a)压制(b)蒸汽养护图1试样制作过程1.3吸声系数测试按照—GBJ8885、采用驻波管法,分别在125、250、500、1000、2000及4000Hz六个频率下测试驻波管吸声系数.2结果与分析2.1力学性能干容重和2种养护试样的强度测试结果见表2.·42·材料科学与工艺第22卷表2容重与强度序号容重/(g·cm-3)抗压强度/MPa抗折强度/MPa自然养护蒸汽养护自然养护蒸汽养护10.3300.650.610.500.4920.4560.980.940.610.6330.4321.301.340.960.8940.4571.241.371.381.4150.5672.212.171.801.7460.5292.382.402.501.9770.5232.482.512.122.1780.6482.452.491.631.55从表2可以看出,随着水泥用量的增加,材料试件的容重单调上升.因为水泥对聚苯颗粒的粘结作用,所以,随着水泥用量提高,除了水泥掺量最高(600g)的试样外,材料的抗压、抗折能力都有提升.加入纤维后,抗折强度明显提升,对抗压强度增加较少,显示出纤维的增韧作用.进一步复加乳胶粉后,低水泥掺量的抗折强度继续提高而高水泥掺量的抗折强度略有降低,抗压强度变化不大.这是因为,乳胶粉可在水化水泥及聚苯颗粒间形成聚合物膜,从而在一定程度上增加材料的韧性;当基体强度较高时,则由于聚合物膜的增韧作用有限而无法体现出来,反而可能因其对水泥颗粒的包裹作用降低水化程度,使抗折强度产生一定波动.对比试样在2种养护条件下的强度,可以看出,蒸汽养护对抗压、抗折强度的影响不大.不过从测试过程中的观察可以看到,引起蒸养试块的初始变形压力较低,这是因为蒸养使试样表面的聚苯颗粒破口,试样的表面强度显著较低.由于降低水泥用量可以增加孔隙率,从而提高材料的吸声吸能,但其结果会减小材料的力学性能,所以,通过加入短纤维可以有效解决这一问题.力学测试中发现,在压力机加载初期,试件首先发生一定变形而不完全破坏,这是因为聚苯颗粒具有一定的弹性,显示其与普通水泥制品的刚性结构不同.反映在抗折强度上,其测试值相对于抗压强度来说偏高,即抗折/抗压比较高.这是因为,相对于抗压测试中通过一定面积(4cm×4cm)加压的形式,抗折测试通过圆轴(Φ1cm×4cm)所施加的压力能够在试件断裂前发生更大的变形,变形后的施压圆轴下部陷入试件中,最后的断裂压力实际上是通过圆轴的弧面作用于试件上,所以,得到的断裂压力就比较高.当水泥掺量增加较多(600g)时,材料结构更多依赖于硬化水泥的刚性支撑,弹性降低,材料在加载破坏前的变形减少,于是反映出抗折强度测试值反而大幅度下降,而抗压强度也没有继续增加.2.2吸声性能选择表1中分别经自然养护和蒸汽养护的试样1、2、5、8,测试其在不同频率下的驻波管吸声系数,结果如图2、图3所示.从图2可见:在自然养护条件下,除水泥掺量为300g的1号试样吸声系数表现异常外,其他3种水泥掺量试样的吸声频谱曲线较为接近;1号试样在1000Hz以下频段的吸声系数低于其他3种,而在1000Hz时的吸声系数大幅度提高,在2000~4000Hz的高频段与其他试样的吸声系数接近;在250Hz以下,各试样的吸声系数接近并都较低;到500Hz时,除1号外的3种试样显示出第1次吸声系数峰值,随后降低并在2000Hz出现第2次峰值.多孔性材料一般具有2个共振吸声频率[6],在这2个频率附近,吸声性较强,可以看出,该材料体系的第1共振频率为500Hz左右,第2共振频率大约在2000Hz.1.00.80.60.40.201528125250500100020004000吸声系数频率/Hz图2自然养护下的吸声系数1.00.80.60.40.201528125250500100020004000吸声系数频率/Hz图3蒸汽养护下的吸声系数·52·第3期朱洪波,等:多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究图3显示的各试样经蒸汽养护后的吸声系数变化规律与图2一致,但在500Hz以上频率,各试样的吸声系数值明显变化,能够明显分辨出各试样的吸声系数差异.除试样1外,反映出的总体规律是,水泥掺量越高,其吸声系数越低.这是由多孔性材料的吸声原理决定的,当声波入射到表面,部分声波通过孔隙进入到材料内部并与孔壁相互摩擦,摩擦将声能转化为热能消散,产生吸声作用.如果水泥掺量过高,则孔隙被堵塞的程度增加,不利于声波入射进入孔隙并与孔壁摩擦,更多的声波被反射,于是吸声性降低.如果水泥掺量过低,则孔隙较大,声波容易直接穿过材料而不与孔壁发生有效摩擦,加上低频声的绕射性强,即其“穿透性”较高,所以水泥掺量较少的1号试样的低频吸声性较低.对比图2与图3可知,蒸汽养护使水泥掺量较低的试样1和试样2在500Hz以上的吸声系数显著提高,分析认为,蒸汽养护在材料表面形成了类似亥姆霍兹共振器的空腔共振吸声结构,该结构通过类似于简谐振动的原理起到吸声作用,即当一定频率的声波入射进入该结构后,将引起空腔口的空气层产生简谐振子的共振,从而转化声能为机械能,振动受到空气阻尼逐渐减弱、消失.蒸汽养护对试样5的吸声系数影响不大,但使水泥掺量较高的试样8对500Hz以上的各频率声吸声系数明显降低,这是因为该试样本来因为水泥堵塞孔隙比较严重,蒸汽养护使其表面聚苯颗粒膨胀爆开,进一步封堵了材料表面孔隙,从而使声波更难进入材料发生摩擦吸收.2.3蒸汽养护对吸声性的影响试样经过蒸养前后的表面结构如图4所示.从图4可以看出,试样经过蒸汽养护后,表面形成了许多致密的开口小孔,这是因为原生聚苯颗粒中残留有膨胀剂,受热膨胀后使颗粒破口,一些由于水泥浆约束而形成的、开口较小的颗粒可以认为是一种空腔共振吸声结构单元.对于空腔共振体系,有自振频率公式[6]f0=c2πSV(t+δ).式中:c为声速,一般取340m/s;S为颈口面积,cm2;V为空腔容积,cm3;t为孔颈深度,cm;δ为开口末端修正量,cm.因为颈部空气两端附近的空气也参加振动,所以要对t加以修正.对于直径为d的圆孔,δ=0.8d.根据图4中的孔隙特征看出,试样的孔隙是由球形聚苯颗粒之间的间隙所形成的,包裹聚苯颗粒的水泥将聚苯颗粒粘结在一起组成多孔性结构.蒸汽养护前的试样表面颗粒均较完整,蒸汽养护后表层聚苯颗粒受热膨胀、破口,形成了空腔共振吸声结构.根据颗粒平均粒径(约2mm),可以计算出上述自振频率公式中的平均空腔体积V=0.00419cm3;将蒸养试样的数码图像放大并进行网格划分,然后逐个测量网格内的聚苯颗粒的开口数量和根据放大图像中的标尺测量开口面积,得到单位面积内的开口数量和开口面积.通过统计计算出聚苯颗粒的平均开口直径为0.10cm,则平均开口面积S=0.00314cm2;孔颈深度(t)可认为是聚苯颗粒的壁厚加上其表面包裹水泥浆的厚度,同样可以通过放大图像测量并经统计计算,得出平均孔颈深度t约为0.01cm;开口修正量也取平均值δ=0.08.于是,按照上述公式计算出该材料的自振频率f0约为1624Hz.即所形成的空腔共振吸声结构主要增加对高频声的吸收,结合2.2小节中的实验结果,蒸养后主要在500~2000Hz的频率内提高吸声性,可以证实理论计算与实际结果基本吻合.(a)蒸汽养护前(b)蒸汽养护后图4蒸汽养护前后试块表面的孔结构由于蒸汽养护可使聚苯泡沫颗粒破口,形成空腔共振吸声结构,而通过调整聚苯颗粒粒径可以得到上述公式中影响共振频率的不同参数,所以,可根据实际需要设计并实现对重点频率噪声的高效吸收,或采用多种粒径级配,实现在相对较宽频率范围的高效吸声.·62·材料科学与工艺第22卷3结论1)水泥用量显著影响吸声性能,水泥用量过低会使孔隙过大,连通性增加,声波直接穿透不能起到吸声作用;过多的水泥用量过高则使孔隙被堵塞,无法形成有效的多孔性吸声结构,影响吸声效果.2)蒸汽养护可以使聚苯颗粒开孔,形成空腔共振吸声结构,显著提高在特定频率下的吸声性,通过调整聚苯颗粒粒径或采用多种颗粒粒径级配,可实现对重点频率噪声的吸收或实现在较宽频率范围内的高效吸声.3)短纤维可以有效地提高水泥基聚苯颗粒材料的抗折强度,从而可以在保障强度的前提下降低容重、增加孔隙率,进而提高吸声性.参考文献:[1]LUOHongjie,ZHANGLi,XUZhengguo,etal.Effectof⁃technologicalparametersonpreparationofMgbasedfoammaterials[J].MaterialsScienceForum,2013,749:356-360.[2]LIUShutian,CHENWenjiong,ZHANGYongcun.Designoptimizationofporousfibrousmaterialformaximizingabsorptionofsoundsundersetfrequencybands[J].AppliedAcoustics,2013,76:319-328.[3]李文芳,骆翔宇,金雪莉.吸声组分对陶粒多孔混凝土性能的影响[J].建筑材料学报,2013,16(1):70-75.LIWenfang,LUOXiangyu,JINXueli.Effectofacousticcomponentsoncharacteristicsofceramsiteporousconcrete[J].JournalofBuildingMaterials,2013,16(1):70-75.[4]俞悟周,蔺磊,王佐民.电解多孔铁镍薄板结构的吸声性能[J].材料研究学报,2009,23(1):32-37.YUWuzhou,LINLei,WANGZuomin.Acousticabsorptionof⁃porouselectrolyticironnickelpanelwithcavity[J].ChineseJournalofMaterialsResearch,2009,23(1):32-37.[5]张波,陈天宁,冯凯,等.烧结金属纤维多孔材料的高温吸声性能[J].西安交通大学学报,2008,42(11):1327-1331.ZHANGBo,CHENTianning,FENGKai,etal.Soundabsorptionpropertiesofsinteredfibrousmetalsunderhightemperatureconditions[J].Journalof’XianJiaotongUniversity,2008,42(11):1327-1331.[6]朱洪波.高效、高耐久性吸声材料的研究[D].武汉:武汉理工大学,2003.[7]MABaoguo,ZHUHongbo,DONGRongzhen.⁃DevelopmentofhighsoundabsorptionmaterialCEMCOM[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,2002,17(4):5-8.[8]HUNGTucheng,HUANGJongshin,WANGYiwen,etal.Inorganicpolymericfoamasasoundabsorbingandinsulatingmaterial[J].ConstructionandBuildingMaterials,2013,50:328-334.[9]′′NAVACERRADAMA,FERNANDEZP,DIAZC,etal.Thermalandacousticpropertiesofaluminiumfoamsmanufacturedbytheinfiltrationprocess[J].AppliedAcoustics,2013,74(4):496-501.[10]KIMJW,MENDOZAJM.⁃Soundabsorptionperform⁃⁃⁃anceoflayeredmicroperforatedandporoelasticmaterials[J].NoiseControlEngineeringJournal,2013,61(1):100-113.[11]OLIVAD,HONGISTOV.Soundabsorptionofporousmaterials:Accuracyofpredictionmethods[J].AppliedAcoustics,2013,74(12):1473-1479.[12]FRÍASM,JIMÉ⁃NEZMATEOSJM,PFRETZSCHNERJ,etal.Developmentofblendedcementmortarswithacousticpropertiesusingpetroleumcoke[J].⁃ConstructionandBuildingMaterials,2011,25(2):1086-1092.[13]KIMHK,LEEHK.Influenceofcementflowandaggregatetypeonthemechanical⁃andacousticcharacteristicsofporousconcrete[J].AppliedAcoustics,2010,71(7):607-615.[14]KIMHK,LEEHK.Acousticabsorptionmodelingofporousconcreteconsideringthegradationandshapeofaggregatesandvoidratio[J].JournalofSoundandVibration,2010,329(7):866-879.(编辑程利冬)·72·第3期朱洪波,等:多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究
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