用于高铁声屏障的高抗裂性轻质声功能材料

论文总字数：27401字

摘 要

随着我国高速铁路的大规模建设，总里程逐渐位居世界前列，这给人们的生活出行带来了极大的便利，但同时也带来了日益严重的噪声污染问题。噪声污染不仅会影响人的身心健康，还会破坏建筑物，影响仪器正常使用，造成巨大损失。为了有效地控制噪声污染，声屏障的使用必不可少，目前最常用的是轻质多孔水泥基材料。然而，在服役过程中该材料存在吸声性能降低、开裂损坏严重等问题。为此，需要采用新型功能组分和优化配比来提高初始吸声性能和力学性能。

本文通过文献比较分析获得以陶粒作为高吸声集料的技术路线，在此基础上研究了钢纤维和聚乙烯醇纤维掺量对不同强度水泥基吸声材料抗裂性能和吸声性能的影响，获得了具有较好抗裂性的高吸声水泥基材料的配合比。

以6-8mm的陶粒作为水泥基轻质吸声材料的集料，对于0.36、0.38、0.40的水灰比的水泥基材料，降噪系数在0.70-0.86范围，并随水灰比的增大呈现先增后减的趋势，在0.38水灰比下具有最佳的降噪系数；对于陶粒与水泥的质量比为55:45、60:40、65:35的水泥基材料，降噪系数和抗折及抗压强度均随陶粒掺量的增加而增大。

随后采用钢纤维和聚乙烯醇纤维改性上述水泥基吸声材料，研究0.1%、0.2%、0.3%不同纤维掺量对其力学性能和吸声性能的影响规律。结果表明钢纤维和聚乙烯醇纤维均为0.1%、0.2%时会提高水泥材料的降噪系数，可达20%以上，且聚乙烯醇纤维改性效果更好；当纤维掺量大于0.3%时，降噪系数均降低；钢纤维和聚乙烯醇纤维可提高水泥基吸声材料的抗折强度，但对抗压强度的影响不显著；推测钢纤维和聚乙烯醇纤维复合可能会对水泥基吸声材料的抗裂性能和吸声性能两者共同提高有效果。

关键词：噪声污染，声屏障，水泥基吸声材料，陶粒集料，纤维，降噪系数，抗折强度

ABSTRACT

With the large-scale construction of high-speed railways in China, the total mileage is gradually ranked in the forefront of the world. It brings great convenience to people's life, but also brings more and more serious noise pollution problems. Noise pollution not only affects people's physical and mental health, but also destroys buildings and affects the normal use of instruments, causing huge losses. In order to effectively control noise pollution, the use of sound barriers is indispensable, and the most commonly used lightweight porous cement-based materials. However, in the course of service, the material has problems such as reduced sound absorption performance and severe cracking damage. For this reason, new functional components and optimized ratios are needed to improve initial sound absorption and mechanical properties.

In this paper, the technical route of ceramsite as high sound absorption aggregate is obtained through literature comparison. Based on this, the crack resistance and sound absorption performance of steel fiber and polyvinyl alcohol fiber for different strength cement-based sound absorbing materials are studied. The effect is obtained, and the mixing ratio of the high sound absorbing cement-based material with better crack resistance is obtained.

6-8mm ceramsite is used as the aggregate of cement-based lightweight sound absorbing material. For cement-based materials with water-cement ratio of 0.36, 0.38 and 0.40, the noise reduction coefficient is in the range of 0.70-0.86, and increases with the water-cement ratio. The trend of increasing first and then decreasing has the best noise reduction coefficient at 0.38 water-cement ratio; for cement-based materials with mass ratio of ceramsite to cement of 55:45, 60:40, 65:35, noise reduction coefficient and the flexural and compressive strengths increase with the increase of the ceramsite content.

Subsequently, the above cement-based materials were reinforced with steel fibers and polyvinyl alcohol fibers of 0.1%, 0.2%, and 0.3% of the total mass of ceramsite and cement. Studies have shown that steel fibers and polyvinyl alcohol fibers will increase the material at 0.1% and 0.2%. The noise reduction coefficient can be increased by more than 20%, and the effect of polyvinyl alcohol fiber lifting is better, but the dosage is reduced at 0.3%; At the same time, the bending strength of steel fiber and polyvinyl alcohol fiber was increased. Both of them have good effects, but the effect on compressive strength is not significant. The combination of steel fiber and polyvinyl alcohol fiber may contribute to the crack resistance and sound absorption properties of the material.

Key words: sound pollution, sound barrier, cement based sound absorbing material, ceramsite aggregate, fiber, noise reduction coefficient, flexural strength

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1. 高铁噪声控制问题亟待解决 1

1.2. 噪声污染的危害及控制方法 1

1.2.1 噪声的定义及其危害 1

1.2.2 噪声的控制方法 1

1.3. 吸声材料分类及吸声机理简述 2

1.3.1 共振吸声结构材料 2

1.3.2 多孔吸声材料 2

1.3.3 水泥基吸声材料国内外研究应用现状及存在的问题 3

1.4. 本课题的研究意义和研究内容 4

1.4.1 研究意义 4

1.4.2 研究内容 5

第二章 试验原材料和试验方法 6

2.1 试验原材料 6

2.1.1 胶凝材料 6

2.1.2 集料 6

2.1.3 纤维 6

2.2 试验设备 7

2.2.1 吸声性能测定 7

2.2.2 力学性能测定 7

2.3 试验方案 8

2.4 试验方法 9

2.4.1 试样规格 9

2.4.2 性能测试 9

第三章 陶粒轻质吸声材料的制备及性能研究 11

3.1 陶粒掺量与水灰比对吸声性能的影响 11

3.1.1 陶粒掺量对轻质吸声材料吸声性能的影响 11

3.1.2 水灰比对轻质吸声材料吸声性能的影响 11

3.2 陶粒掺量与水灰比对力学性能的影响 12

3.2.1 陶粒掺量对轻质吸声材料力学性能的影响 12

3.2.2 水灰比对轻质吸声材料力学性能的影响 14

3.3 本章小结 15

第四章 不同纤维对陶粒轻质吸声材料的性能影响及机理分析 16

4.1 钢纤维对陶粒轻质吸声材料的性能影响 16

4.1.1 钢纤维对陶粒轻质吸声材料吸声性能的影响 16

4.1.2 钢纤维对陶粒轻质吸声材料力学性能的影响 18

4.2 聚乙烯醇纤维对陶粒轻质吸声材料的性能影响 21

4.2.1 聚乙烯醇纤维对陶粒轻质吸声材料吸声性能的影响 21

4.2.2 聚乙烯醇纤维对陶粒轻质吸声材料力学性能的影响 23

4.3 两种纤维对陶粒轻质吸声材料的性能影响比较及机理分析 25

4.3.1 两种纤维对陶粒轻质吸声材料吸声性能的比较 25

4.3.2 两种纤维对陶粒轻质吸声材料力学性能的比较 25

4.3.3 两种纤维掺入轻质水泥基材料的成本分析及优势 26

4.4 本章小结 26

第五章 结论与展望 28

5.1 结论 28

5.2 展望 28

5.3 创新性分析 29

参考文献 30

致谢 32

第一章 绪论

• 1. 高铁噪声控制问题亟待解决

随着现代工业和交通运输事业的发展，各种机械设备在被创造和使用，这给人类社会带来了极大的繁荣和进步，如高铁的建设使用与推广，给人们的生活出行带来了很大的便利，截止至2017年底，我国高速铁路总里程达到29000公里，占世界总营运里程的一半以上，排名世界首位^[1]。根据最新的国家中长期铁路网规划，到2020年，国家铁路网规模将达到150,000公里，高铁里程为30,000公里，覆盖大城市的80%以上，使高铁更加方便连接更多城市^[2][3]。然而，随着高铁的大规模建设，引出了一系列与噪声有关的问题，如高速铁路列车穿越隧道引发的车内噪声增大，舒适度降低问题、又如高速铁路经过村庄和城市居民区所产生的噪声扰民^[4]，甚至引发疾病问题等，这些问题归根结底都来源于交通行业发展带来的噪声污染已与水污染、大气污染和固体废物污染联系在一起，被称为世界四大污染。由此可见，交通行业的快速发展极需通过一系列吸声降噪的措施来解决。

• 1. 噪声污染的危害及控制方法
     1. 噪声的定义及其危害

在吸声降噪前，我们有必要进一步了解有关噪声污染的话题，在物理学中，声音是通过介质传播并能被人或动物听觉器官所感知的一种波动现象，又被称为声波，而噪声则是声波的一种，具有声波的各种特性。在生理学上，任何妨碍人们休息、学习和工作的声音以及对听到的声音的干扰的声音可以被称为噪声。我国在防止和控制环境噪声污染的法律中指出，环境噪声是指运输、工业生产、建设和社会生活影响周围的生活环境的声音^[5]。

噪声的分类标准有若干种，可按声源的机械特性分为气体扰动产生的噪声，固体振动产生的噪声，液体冲击产生的噪声和电磁作用产生的电磁噪声；根据噪声源可分为交通噪声，工业噪声，生活噪声和室内声场噪声。

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