CN101244920A - 道路声屏障用水泥基吸声材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

道路声屏障用水泥基吸声材料及其制备方法是一种可用于机场、高速铁路、高速公路、城市高架桥、地铁及轻轨的声屏障材料，各组分及其质量百分比为：硅酸盐水泥15.4～62.3％，矿物掺合料0.1～15.7％，轻质多孔集料18.9～79.9％，发泡剂0.013～0.078％，减水剂0.1～0.7％，纤维0.4～2.6％。本发明具有吸声系数大、强度高、抗冲击性能好、耐久性优良、防火、防潮、防腐和自清洁功能等优点，同时其原材料来源广泛、制备加工方便、适于大规模生产、成本低廉、环境友好、装饰性良好。

Description

道路声屏障用水泥基吸声材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种新型的水泥基多孔吸声材料，具体的讲，涉及用于机场、高速铁路、高速公路、城市高架桥、地铁及轻轨的吸声型声屏障材料。主要用于交通和航空领域。
背景技术
随着我国经济的迅猛发展、城市化进程的快速推进，近几年来，机场、高速铁路、高速公路、地铁、城市高架道路和城市轻轨建设发展很快，城市机动车数量急剧增加，交通噪声污染日益恶化，已成为继大气污染、水污染和固体废弃物污染之后影响人民生活最严重、最广泛的第四大污染，治理噪声污染已成为急待解决的问题。目前，在各种防治交通污染的措施中，设置具有吸音性能的声屏障是一种行之有效的方法。但是目前使用的声屏障材料使用效果不理想，主要表现为吸声材料的吸声效率不高(特别是中低频段)、吸声性能不稳定、强度低以及材料在野外的耐久性不高、制作工艺复杂、成本很高等。目前，我国正在建设中的高速铁路工程在通过城市时大多设计了隔声屏障结构；另外，我国许多大城市在建或拟建的城市高架和轻轨项目中也设计使用隔声屏障，可以预见在未来几十年内将有几千公里的隔声屏障工程需要建设。因此，研制出一种具有高效吸声、高耐久性和低成本的新型道路隔声屏专用吸声材料具有重要的意义和显著的工程应用价值，应用开发前景十分广阔。
过去，用作隔声屏的传统吸声材料多为含麻、棉、木、玻璃棉、矿棉等有机或无机纤维材料。这类材料虽具有良好的吸声特性，但纤维材料本身比较疏松、性脆、强度低，在施工和使用过程中易折断散落，形成粉尘，污染环境；且材料防水性能差，遭受雨淋后吸声性能急剧降低，环境适应性差、耐久性低。水泥基多孔吸声材料由于其吸声性能较好、制备加工方便、耐久性高、对环境无污染、成本低廉等优点，已成为吸声降噪用的主要材料，将其用于道路交通的各种声屏障工程，成为减少交通噪声污染的重要途径之一。随着我国高速铁路、高速公路、城市高架桥、地铁及轻轨的迅速发展，急需高效、经济、耐用的吸声材料，水泥基无纤维吸声材料将以优秀的环境适应能力占据我国广大的市场，应用前景十分广阔。
经对现有的文献检索发现，武汉理工大学的黄学辉，尚福亮在《武汉理工大学学报》第25卷，2003，P 27-30撰文《公路隧道降噪用吸声材料的研制》，该文在实验室内研制了一种水泥基膨胀珍珠岩多孔吸声材料，但是其研制的水泥基膨胀珍珠岩多孔吸声材料，吸声系数小、强度低、耐久性差，在高速列车产生的高速脉冲风压反复疲劳作用下快速失效，通常情况下，不到1年就需全别更换一次，造成严重的经济损失；另外，受多孔材料本身的限制，水泥基膨胀珍珠岩多孔吸声材料的中低频段吸声效率较低(吸声系数为0.1-0.2)，且吸声性能不稳定；还有，未经憎水处理的水泥基膨胀珍珠岩多孔吸声材料防水性能差、耐候性低，在野外使用过程中受风吹、雨淋、碳化、紫外线照射等作用吸声效果和强度很快退化。上述诸多缺点严重限制了水泥基多孔吸声材料在交通领域大规模广泛应用。因此，运用材料学原理，优选水泥基多孔材料的组成、优化成型与养护工艺，精心设计微孔结构，并采用纤维与纤维网片混杂增强增韧技术，同时结合声学理论中的吸声尖劈、空腔共振、薄膜共振等原理设计多孔材料的吸声结构构造，将材料与结构有机结合起来，研发出新型高效、高强、高耐久的水泥基多孔吸声材料，具有重要的理论意义和显著的工程应用价值，前景十分广阔。
发明内容：
技术问题：本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足和缺陷，运用材料学原理和无机发泡技术，
技术方案：首先对多孔材料中的水泥基体的组成和孔结构精心设计，通过矿物掺合料(粉煤灰、矿渣、硅灰、煤矸石等)、减水剂、发泡剂、憎水剂、纤维等关键组分，充分发挥不同矿物掺合料之间的化学活性互补、减水剂的减水增强、发泡剂的引气、憎水剂的防水、纤维的增强增韧阻裂功效，制备出轻质、高强、高耐久、较高吸声系数的水泥基体；然后，利用多孔介质吸声原理和材料复合理论，将经过憎水处理的多孔集料(膨胀珍珠岩、陶砂、陶粒等单一体或混合体)加入到上述经过优化的水泥基体中，通过微调胶结材与多孔集料间的比例、水胶比、发泡剂用量、压缩比等关键参数，采用半干料模压成型工艺制备出具有良好吸声效果的多孔材料；同时，在水泥基吸声材料拌合过程中加入适量纤维，并在模压成型时在上、下表面分别放置两层纤维网片，以提高吸声材料的抗折强度和抗冲击性能。在此基础上，综合运用声学理论中的吸声尖劈、空腔共振、薄膜共振等原理，利用表面模压刻槽技术、无机发泡技术和表面喷涂技术，设计与加工水泥基多孔吸声材料的外观形貌、内部空腔结构、表面薄膜。将多孔材料与吸声结构有机结合起来，最终研发出新型高效、高强、高耐久的水泥基多孔吸声材料。
本发明综合采用多孔吸声技术、纤维与纤维网片增强技术、无机发泡技术、表面模压刻槽技术和表面喷涂技术相结合的途径实现水泥基吸收材料的吸声系数大、强度高、抗冲击性能好、耐久性优良的特性。水泥基吸声材料由八大组分组成，其比例为：
硅酸盐水泥                15.4～62.3％
矿物掺合料                0.1～15.7％
轻质多孔集料              18.9～79.9％
发泡剂                    0.013～0.078％
减水剂                    0.1～0.7％
纤维                      0.4～2.6％
1、矿物掺合料：主要为粉煤灰、矿渣、硅灰、煤矸石、偏高岭土等水泥混凝土常用矿物掺合料，主要控制其细度，要求比表面积≥300m2/kg。
2、轻质多孔集料：主要为陶粒、陶砂、膨胀珍珠岩、橡胶颗粒及其混合物。对于膨胀珍珠岩，要求颗粒细度≤3mm、表观密度≤300kg/m3；对于陶砂，要求颗粒细度≤5mm、表观密度≤1400kg/m3；；对于陶粒，要求5mm≤颗粒细度≤25mm、表观密度≤600kg/m3；；对于橡胶颗粒，要求颗粒细度≤5mm。
3、发泡剂：松香树脂类或皂甙类发泡剂，要求单位质量发泡剂的发泡量ml/g＞500、发泡倍数，倍＞20、发泡高度，mm＞300、泡沫稳定性，h≥2。
4、减水剂：萘系、三聚氰胺类、聚羧酸盐类、改性木质类高效减水剂，要求减水率≥15％。
5、憎水剂：硬脂酸类或有机硅树脂类憎水剂，要求其吸水率≤20％。
6、纤维：玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈等无机或有机纤维，要求纤维长度在5-30mm。
按配方比例称取所需的硅酸盐水泥、矿物掺合料、轻质多孔集料和纤维干料物质，干搅1分钟，使它们均匀地混合在一起；然后按配方比例称取发泡剂、减水剂和水，将其在容器中混合均匀；将配制好的水剂缓慢加入到混合均匀的干料中，在搅拌机中搅拌成半干料状物质；之后，在压模内放置一片纤维网片，将半干料状物质放入，然后将另外一片纤维网片放在表面，之后放上带有刻槽的压板，打开压力机进行模压成型；在成型好的水泥基吸声材料板的表面盖一层塑料薄膜以阻止水分的蒸发，24h后将其放到温度为20℃、相对湿度为95％的养护室内养护7天，之后进行干燥处理，用切割机切成规定尺寸的产品；最后，将有机硅憎水剂在切割好的产品表面进行喷涂并晾干，在表面1-5mm成膜。
有益效果：与国内外同类技术相比，该项成果具有以下特色：研发的新型水泥基吸声材料将多孔材料与吸声构造有机结合，并运用纤维与纤维网片增强增韧技术，制备出轻质、高强、高耐久和低成本新型高效吸声材料。另外，新型水泥基吸声材料采用粉煤灰、矿渣和硅灰等工业废渣取代大量水泥，利用轻质陶砂、膨胀珍珠岩、陶粒等绿色建材作为多孔集料，这些原料利用工业废料制成的，不仅成本低廉，而且具有显著环保效益。国内外尚无此类产品，各项性能指标均达到或超过国外同类产品，技术经济效益明显。
附图说明
图1为水泥基吸声材料的组成结构示意图
具体实施方式
结合本发明内容提供以下实施例：
水泥基吸声材料是由硅酸盐水泥、矿物掺合料、轻质多孔集料、发泡剂、减水剂、憎水剂、纤维和水按一定比例混合均匀并通过模压而成，根据应用需要，通过调整发明配方，可以获得所需要的性能。
本发明的制备方法和工艺是：(1)按配方比例称取所需的硅酸盐水泥、矿物掺合料、轻质多孔集料和纤维等干料物质，干搅1分钟，使它们均匀地混合在一起；(2)然后按配方比例称取发泡剂、减水剂和水，将其在容器中混合均匀；(3)将配制好的水剂缓慢加入到混合均匀的干料中，在搅拌机中慢搅3分钟，之后采用高剪切模式高速搅拌1分钟，形成半干料状物质；(4)在压模内放置一片纤维网片，将半干料状物质放入，然后将另外一片纤维网片放在表面，之后放上带有刻槽的压板，打开压力机依据压缩比(未加压前试件的原高度/压缩后试件的高度)进行模压成型；(5)在成型好的水泥基吸声材料板的表面盖一层塑料薄膜以阻止水分的蒸发，24h后将其放到温度为20℃、相对湿度为95％的养护室内养护7天，之后进行干燥处理，用切割机切成规定尺寸的产品；(6)将有机硅憎水剂在切割好的产品表面进行喷涂并晾干，在表面1-5mm成膜，使之具有良好的防水和自清洁功效。
实施例1：
硅酸盐水泥                20.3
粉煤灰                    5.0％
陶粒                      34.8％
砂                        39.2％
发泡剂                    0.013％
减水剂                    0.10％
纤维                      0.46％
上述组分按前述工艺制备得到水泥基吸声材料，测得其性能如下：抗压强度(7天)12.5MPa，平均吸声系数0.37，密度1194Kg/m3
实施例2：
硅酸盐水泥                29.3％
粉煤灰                    7.3％
陶粒                      50.2％
膨胀珍珠岩                11.9％
发泡剂                    0.019％
减水剂                    0.15％
纤维                      0.89％
上述组分按前述工艺制备得到水泥基吸声材料，测得其性能如下：抗压强度(7天)6.2MPa，平均吸声系数0.48，密度680Kg/m3
实施例3：
硅酸盐水泥                45.0％
矿渣                      0.1％
陶粒                      53.6％
发泡剂                    0.02％
减水剂                    0.18％
纤维                      1.0％
上述组分按前述工艺制备得到水泥基吸声材料，测得其性能如下：抗压强度(7天)3.2MPa，平均吸声系数0.50，密度554Kg/m3
实施例4：
硅酸盐水泥                15.4％
粉煤灰                    3.8％
陶砂                      79.9％
发泡剂                    0.016％
减水剂                    0.13％
纤维                      0.54％
上述组分按前述工艺制备得到水泥基吸声材料，测得其性能如下：抗压强度(7天)7.4MPa，平均吸声系数0.62，密度971Kg/m3
实施例5：
硅酸盐水泥                15.8％
粉煤灰                    4.3％
陶砂                      71.2％
膨胀珍珠岩                7.4％
发泡剂                    0.02％
减水剂                    0.16％
纤维                      0.88％
上述组分按前述工艺制备得到水泥基吸声材料，测得其性能如下：抗压强度(7天)11.64MPa，平均吸声系数0.48，密度1268Kg/m3
实施例6：
硅酸盐水泥                62.3％
粉煤灰                    15.7％
膨胀珍珠岩                18.9％
发泡剂                    0.078％
减水剂                    0.62％
纤维                      1.72％
上述组分按前述工艺制备得到水泥基吸声材料，测得其性能如下：(1)压缩比＝1.3时，抗压强度(7天)2.6MPa，平均吸声系数0.72，密度648Kg/m3；(2)压缩比＝1.5时，抗压强度(7天)3.8MPa，平均吸声系数0.60，密度754Kg/m3。
实施例7：
硅酸盐水泥                53.4％
粉煤灰                    13.4％
膨胀珍珠岩                29.3％
发泡剂                    0.067％
减水剂                    0.54％
纤维                      2.59％
上述组分按前述工艺制备得到水泥基吸声材料，测得其性能如下：(1)压缩比＝1.0时，抗压强度(7天)1.8MPa，平均吸声系数0.78，密度425Kg/m3；(2)压缩比＝1.23时，抗压强度(7天)2.9MPa，平均吸声系数0.75，密度473Kg/m3；(3)压缩比＝1.43时，抗压强度(7天)3.3MPa，平均吸声系数0.64，密度530Kg/m3。
实施例8：
硅酸盐水泥                55.46％
粉煤灰                    11.0％
膨胀珍珠岩                30.4％
发泡剂                    0.067％
减水剂                    0.67％
纤维                      1.86％
上述组分按前述工艺制备得到水泥基吸声材料，测得其性能如下：抗压强度(7天)3.4MPa，平均吸声系数0.95，密度446Kg/m3
实施例9：
硅酸盐水泥                57.1％
粉煤灰                    11.5％
膨胀珍珠岩                27.5％
发泡剂                    0.068％
减水剂                    0.68％
纤维                      2.62％
上述组分按前述工艺制备得到水泥基吸声材料，测得其性能如下：抗压强度(7天)4.5MPa，平均吸声系数0.87，密度468Kg/m3

Claims (8)

1、一种道路声屏障用水泥基吸声材料，其特征在于，各组分的质量百分比为：
硅酸盐水泥                    15.4～62.3％
矿物掺合料                    0.1～15.7％
轻质多孔集料                  18.9～79.9％
发泡剂                        0.013～0.078％
减水剂                        0.1～0.7％
纤维                          0.4～2.6％。
2、根据权利要求1所述的道路声屏障用水泥基吸声材料，其特征在于，矿物掺合料是粉煤灰、矿渣、硅灰、煤矸石、偏高岭土中的一种或几种的混合物。
3、根据权利要求1所述的道路声屏障用水泥基吸声材料，其特征在于，轻质多孔集料是陶粒、陶砂、膨胀珍珠岩、橡胶颗粒中的一种或几种的混合物。
4、根据权利要求1所述的道路声屏障用水泥基吸声材料，其特征在于，发泡剂是松香树脂类或皂甙类发泡剂。
5、根据权利要求1所述的道路声屏障用水泥基吸声材料，其特征在于，减水剂是萘系、三聚氰胺类、聚羧酸盐类、改性木质类高效减水剂中的一种。
6、根据权利要求1所述的道路声屏障用水泥基吸声材料，其特征在于，有机硅树脂类憎水剂。
7、根据权利要求1所述的道路声屏障用水泥基吸声材料，其特征在于，纤维是玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维中的一种或几种的混合物。
8、一种如权利要求1所述的道路声屏障用水泥基吸声材料的制备方法，其特征在于，按配方比例称取所需的硅酸盐水泥、矿物掺合料、轻质多孔集料和纤维干料物质，干搅1分钟，使它们均匀地混合在一起；然后按配方比例称取发泡剂、减水剂和水，将其在容器中混合均匀；将配制好的水剂缓慢加入到混合均匀的干料中，在搅拌机中搅拌成半干料状物质；之后，在压模内放置一片纤维网片，将半干料状物质放入，然后将另外一片纤维网片放在表面，之后放上带有刻槽的压板，打开压力机进行模压成型；在成型好的水泥基吸声材料板的表面盖一层塑料薄膜以阻止水分的蒸发，24h后将其放到温度为20℃、相对湿度为95％的养护室内养护7天，之后进行干燥处理，用切割机切成规定尺寸的产品；最后，将有机硅憎水剂在切割好的产品表面进行喷涂并晾干，在表面1-5mm成膜。
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