彩鋼復(fù)合板公路聲屏障材料室內(nèi)聲學(xué)性能研究

1、彩鋼復(fù)合板公路聲屏障材料室內(nèi)聲學(xué)性能研究楊滿宏劉書套(交通部公路科學(xué)研究所)摘要本文通過對(duì)彩鋼復(fù)合板公路聲屏障材料吸隔聲性能和構(gòu)筑方法的研究， 指出彩鋼復(fù)合板材料具有良好的隔聲性能，其材料制成的吸聲構(gòu)件在公路交通噪聲能量集中的40.0800Hz頻段具有良好吸聲性能，該材料更適于在高架橋上建造聲屏障時(shí)使用。關(guān)鍵詞彩鋼復(fù)合板聲屏障室內(nèi)聲學(xué)性能一、引言當(dāng)前在世界各國(guó)，環(huán)境問題已成為制約經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的重要問題，因而必須探索經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的途徑。公路建設(shè)在完成其運(yùn)輸任務(wù)的同時(shí)，應(yīng)最大限度地降低其對(duì)生態(tài)環(huán)境及沿線居民和教學(xué)環(huán)境造成的有害影響，這是保持公路建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑之一。近年來，

2、隨著我國(guó)許多高速公路建成通車，交通噪聲擾民問題日趨嚴(yán)重，全國(guó)相當(dāng)數(shù)量 的國(guó)道交通干線兩側(cè)環(huán)境噪聲晝間超過70dB(A)，夜間超過55dB(A)，過高的晝夜間環(huán)境噪聲對(duì)公路沿線居民和學(xué)校等聲環(huán)境敏感區(qū)域正常的工作、學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生了一定影響。經(jīng)初步估計(jì)，我國(guó)有3390萬人受到不同程度公路交通噪聲地影響，其中2700萬人生活在晝間高于70dB(A)、夜間高于55dB(A)公路交通噪聲嚴(yán)重污染的環(huán)境中，因此研究公路交通噪聲污染的治理技術(shù)已勢(shì)在必行。修建聲屏障，是防治公路交通噪聲污染的有效途徑之一，對(duì)此國(guó)內(nèi)外已形成共識(shí)。我國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，生產(chǎn)力水平和經(jīng)濟(jì)狀況要求我們盡可能用較少的錢從事盡可能多的工作，

3、所以如何控制公路沿線帶狀污染，特別是控制公路交通噪聲污染，仍然存在一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題 。彩鋼復(fù)合板具有結(jié)構(gòu)形式靈活，式樣多，美觀，自重輕，隔聲性能好，安裝簡(jiǎn)便、快速等優(yōu)點(diǎn)。開展彩鋼復(fù)合板公路聲屏障材料室內(nèi)聲學(xué)性能研究，將為今后設(shè)計(jì)建造輕質(zhì)、美觀、施工簡(jiǎn)便的彩鋼復(fù)合板公路聲屏障提供試驗(yàn)室聲學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。二、研究目的"七五"和"八五"期間的一大批二級(jí)以上公路建設(shè)均產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，促進(jìn)了公路建設(shè)事業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，也開創(chuàng)了公路建設(shè)的新局面。二級(jí)以上公路由于車流量大 ，車速高，且夜間交通量占有相當(dāng)比重，致使公路交通噪聲較高，污染范圍廣，受影響公眾抱怨情緒

4、日增，從而使公路交通噪聲已越來越受到人們普遍關(guān)注，成為不可忽視的應(yīng)該解決 的一個(gè)公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境污染問題?，F(xiàn)已建成的二級(jí)以上公路如貴(陽)黃(果樹)公路、陜西省的西(安)三(原)一級(jí)公路、福建省的福廈高速公路、山西省的太舊高速公路等路段的交通噪聲分別對(duì)沿線一定區(qū)域內(nèi)居民的正常生活和學(xué)校等聲環(huán)境敏感區(qū)的教學(xué)和工作生活產(chǎn)生了較大的噪聲污染影響，現(xiàn)已分別考慮采取一定的聲環(huán)境保護(hù)措施。從現(xiàn)在起到今后幾十年是我國(guó)公路運(yùn)輸大發(fā)展和走向現(xiàn)代化的時(shí)期，我們將面臨著大規(guī)模的公路建設(shè)和汽車運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的種種影響問題，同時(shí)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，公路沿線居民對(duì)生活環(huán)境質(zhì)量要求會(huì)越來越高，進(jìn)

5、而發(fā)展為人們對(duì)治理公路交通噪聲污染的呼聲也 會(huì)越來越強(qiáng)。1996年10月29日頒布的中華人民共和國(guó)環(huán)境噪聲污染防治法第五章第三十六條指出，建設(shè)經(jīng)過已有的噪聲敏感建筑物集中區(qū)的高速公路，有可能造成環(huán)境噪聲污染的 ，應(yīng)當(dāng)設(shè)置聲屏障或者采取其他有效的控制環(huán)境噪聲污染的措施。常見公路聲屏障構(gòu)成材質(zhì)一般為砼、鋼筋砼、合金材料及其他一些有機(jī)和無機(jī)材料等許多種。而對(duì)高架路、公路橋和設(shè)置空間較小且美觀要求較高的公路兩側(cè)設(shè)置聲屏障而言，選擇自重輕、美觀、隔聲性能良好且易于安裝維護(hù)的公路聲屏障是公路交通噪聲防治技術(shù)的一個(gè)重要研究課題。開展彩鋼復(fù)合板公路聲屏障材料室內(nèi)聲學(xué)性能研究，為開發(fā)聲學(xué)性能良好、輕質(zhì)、施工簡(jiǎn)便

6、快速，易于維護(hù)的公路聲屏障有重要的實(shí)用價(jià)值。三、彩鋼復(fù)合板材料情況及材料其他性能1彩鋼復(fù)合板品種及規(guī)格彩鋼復(fù)合板是以巖棉、聚苯板、聚氨脂等為芯材的彩鋼夾芯板。彩板是指由保護(hù)性和裝飾性有機(jī)涂料或薄膜連續(xù)涂覆于鋼或鋁表面制成的預(yù)涂層冶金制品，它主要由金屬基板、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜和有機(jī)涂層三部分組成。彩鋼板是以冷軋鋼板或電鍍鋅鋼板或熱鍍鋅板為基板經(jīng)過表面處理后，涂上有機(jī)涂料經(jīng)烘烤而制成。彩色鋼板為厚度0.6mm或0.5mm國(guó)產(chǎn)彩色鍍鋅鋼板，涂鋅量381g/m2，涂層厚度525m。芯材使用較為廣泛的巖棉板，其主要性能如下：容重100150kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)(W/m2k)00320040，工作溫度-26870

7、0，纖 維軟化溫度9001000，彩鋼復(fù)合板的剛度是靠粘結(jié)劑把彩板和結(jié)構(gòu)巖棉或其他芯材牢靠地粘合在一起的。所選用粘結(jié)劑不僅要有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)還要具有耐候性、耐潮性、耐濕性和阻燃性。公路聲屏障在實(shí)際工作中，其基本構(gòu)件按不同的聲學(xué)性能可分為隔聲型和吸聲型兩種。對(duì)彩鋼復(fù)合板材料聲屏障而言，根據(jù)其材料的物理性能和材質(zhì)特點(diǎn)，也可加工成上述兩種類型聲學(xué)構(gòu)件。根據(jù)彩鋼復(fù)合板材料的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，彩鋼復(fù)合板的常見規(guī)格如表1所示。材料自重如表2所示。彩鋼復(fù)合板常見規(guī)格            

8、0;                      表1 厚度(mm)5080100120寬度(mm)900長(zhǎng)度(mm)根據(jù)用戶需要確定，一般應(yīng)小于或等于10000彩鋼復(fù)合板自重(按0.6mm厚彩色板計(jì)算)                  表

9、2厚度(mm)5080100120板重(kg/m2)17.421.023.425.82彩鋼復(fù)合板的力學(xué)、防火、防潮性能(1)彩鋼復(fù)合板的力學(xué)性能彩鋼復(fù)合板具有較高的剪切強(qiáng)度，具有一定的韌性，能很好地抵抗重復(fù)荷載。彩鋼復(fù)合板材 料的力學(xué)性能如表3所示。彩鋼復(fù)合板的力學(xué)性能                            &#

10、160;    表3   荷載(kN/m2)板厚(mm)50801001200.51.702.883.604.331.01.372.302.863.431.51.202.002.503.00注：本表為彩鋼復(fù)合板最大支承間距(米)，按最大撓度小于1/250計(jì)。(2)彩鋼復(fù)合板的防火性能彩鋼復(fù)合板中的芯材巖棉、聚苯板等為絕熱材料，屬不可燃物質(zhì)，其耐熱性能較高，尤其是 巖棉制品其耐火性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過聚苯和聚氨脂兩種夾芯板。最常使用的巖棉夾芯板耐火極限為 2小時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)仍具有絕熱性和完整性。所以彩鋼復(fù)合板材料具有良好的防火性能。(3)彩鋼復(fù)合板的防潮性由

11、于結(jié)構(gòu)巖棉、聚苯板等纖維排列密集，同時(shí)密封材料性能可靠，常用配件齊備，再加上先進(jìn)的復(fù)合工藝，因此彩鋼復(fù)合板防潮性能好。根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料報(bào)道，彩鋼巖棉夾芯板在高濕工業(yè)廠房用過5年后，再測(cè)其巖棉含濕量仍同原巖棉含濕量一樣，所以彩鋼復(fù)合板可用于在露天環(huán)境下建造聲屏障。四、彩鋼復(fù)合板公路聲屏障材料隔聲性能研究在聲源與接收點(diǎn)之間，插入一個(gè)有足夠面密度的密實(shí)材料的板或墻，能使聲波有一個(gè)顯著的 附加衰減，這樣的"障礙物"稱為聲屏障。聲波傳播過程中遇到屏障時(shí)，一部分被反射，一部分被吸收，還有一部分被透射和繞射。聲屏障通常有一層密實(shí)材料制成的隔聲層，其目的是要保證透射聲比繞射聲低得多。當(dāng)聲屏

12、障 的隔聲量超過該頻率的降噪量10dB(A)以上時(shí)，則隔聲屏的透射聲能對(duì)隔聲屏的降噪量影響可忽略不計(jì)。如要求聲屏障降噪量10dB(A)，則隔聲屏障的隔聲量20dB(A)以上即可。這樣在理論分析和實(shí)用設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)通過的透射聲能可忽略不計(jì)，只考慮屏障邊緣繞射作用就行了 。彩鋼復(fù)合板隔聲型聲學(xué)元件根據(jù)材質(zhì)特點(diǎn)、加工工藝、材料外形等可制造成平板和擴(kuò)散型多種。擴(kuò)散型聲屏障的優(yōu)點(diǎn)在于聲屏障表面不形成鏡面反射，因擴(kuò)散作用的存在其行車道聲能 分布較均，在雙面聲屏障存在或聲屏障對(duì)面有反射面存在時(shí)，能有效的使聲能擴(kuò)散。彩鋼復(fù)合板擴(kuò)散型聲學(xué)單元目前根據(jù)其材料特點(diǎn)和加工工藝，其材料表面外形可加工成波瓦型、拱型和鋸齒型多種

13、。為有效的降低行車道區(qū)域內(nèi)的混響聲，最有效的方法就是開發(fā)吸聲型聲學(xué)構(gòu)件。根據(jù)本材料自身復(fù)合特點(diǎn)，彩鋼復(fù)合板材料聲屏障吸聲型聲學(xué)構(gòu)件可加工成百頁窗式 、穿孔式、微穿孔式和開槽孔式等若干種吸聲型聲學(xué)單元，為弄清隔聲型彩鋼復(fù)合板基本構(gòu)件的隔聲性能，本研究選取較小厚度的彩鋼復(fù)合板材料(50mm厚)地行隔聲性能測(cè)試。1彩鋼復(fù)合板空氣聲隔聲量根據(jù)隔聲量聲學(xué)試驗(yàn)對(duì)材料的要求，本研究將加工好的50mm厚的平板彩鋼復(fù)合板，委托中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑物理研究所對(duì)該材料空氣聲隔聲量按照GBJ-84檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，其 材料1/3倍頻程隔聲量(dB)如表4所示檢測(cè)設(shè)備為B&k4418型建筑聲學(xué)分析儀。

14、60;                       彩鋼復(fù)合板(厚50mm)1/3倍頻程隔聲量(dB)    表4                    

15、60;                                                 

16、60;                                  中心頻率(Hz)100125160200250315400500隔聲量(dB)18.418.620.025.927.426.428.828.9計(jì)權(quán)隔聲量(dB)32中心頻率(Hz)63080010

17、0012501600200025003150隔聲量(dB)28.828.226.729.634.039.842.844.8計(jì)權(quán)隔聲量(dB)32吸聲彩鋼復(fù)合板(厚50mm)1/3倍頻程隔聲量(dB)                        表5  中心頻率(Hz)100125160200250315400500隔聲量(dB)17.316.318.222.825.

18、426.428.830.3計(jì)權(quán)隔聲量(dB)32中心頻率(Hz)630800100012501600200025003150隔聲量(dB)31.331.930.531.433.538.040.742.5計(jì)權(quán)隔聲量(dB)32吸聲彩鋼復(fù)合板(厚50mm)吸聲系數(shù)                             &

19、#160;                                  表6頻率(Hz)100125160200250315400500630吸聲系數(shù)0.180.220.430.530.590.920.880.890.87頻率(Hz)800100012501600

20、20002500315040005000吸聲系數(shù)0.880.830.800.790.630.550.520.430.462吸聲型彩鋼復(fù)合板空氣隔聲量根據(jù)本研究加工成的彩鋼復(fù)合板吸聲型聲學(xué)構(gòu)件，中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑物理研究所對(duì)50mm厚彩鋼復(fù)合板單面06mm厚的彩色鋼板上開長(zhǎng)方形槽孔(試件面積45m，上開5×40(mm) 槽孔，計(jì)48條)，按照GBJ75-84檢測(cè)，其材料1/3倍頻程隔聲量(dB)如表5所示(檢測(cè)設(shè)備為B& k4418型建筑聲學(xué)分析儀)。3彩鋼復(fù)合板隔聲性能測(cè)試結(jié)果分析對(duì)隔、吸聲彩鋼復(fù)合板空氣聲隔聲量測(cè)試表明：(1)在開槽孔和不開槽孔兩種情況下，彩鋼復(fù)合板的計(jì)

21、權(quán)隔聲量無差別，其計(jì)權(quán)隔聲量均為3 2dB，表明此兩種聲學(xué)元件能滿足聲屏障降噪量小于20dB時(shí)對(duì)材料隔聲量的要求。(2)從單個(gè)1/3倍頻程隔聲量分析，不開槽孔的彩鋼復(fù)合板中低頻隔聲性能較好。開槽孔的吸 聲彩鋼復(fù)合板中高頻隔聲性能較好。在中頻聲范圍內(nèi)用該材料加工的兩種隔吸聲構(gòu)件，其材 料隔聲量差別不大。五、彩鋼復(fù)合板吸聲構(gòu)件的吸聲性能研究1材料的吸聲系數(shù)長(zhǎng)期的研究表明，吸聲型聲屏障材料具有較好的吸聲性能，其對(duì)公路行車線區(qū)域的聲環(huán)境有 一定的改善作用，所以吸聲型聲學(xué)構(gòu)件在公路聲屏障中有著廣泛的應(yīng)用前景。本研究為弄清 吸聲型彩鋼復(fù)合板吸聲構(gòu)件的吸聲性能，委托中國(guó)建筑科學(xué)院建筑物理研究所對(duì)材料吸聲性能

22、進(jìn)行測(cè)試，建研院物理所按照GBJ47-83混響室法吸聲系數(shù)測(cè)量規(guī)范，使用丹麥B&K公 司生產(chǎn)的4417型建筑聲學(xué)分析儀及配件在混響室測(cè)其材料混響室法吸聲系數(shù)(試件面積：10m2，單面06mm厚的彩色鋼板開孔率02%，內(nèi)填50mm厚巖棉)。根據(jù)測(cè)試報(bào)告，其構(gòu)件1/3 倍頻程混響室法吸聲系數(shù)如表6。2測(cè)試結(jié)果分析對(duì)開孔率為02%的彩鋼復(fù)合板吸聲性能測(cè)試表明，彩鋼復(fù)合板制成的吸聲構(gòu)件，其材料在各頻率均具有較好的吸聲性能。測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步顯示吸聲彩鋼復(fù)合板在400800Hz頻段上其吸聲系數(shù)均大于085，表明本材料對(duì)中頻聲吸收效果更佳。因公路交通噪聲主要為中低頻聲音，其能量分布在500Hz附近，所

23、以本材料良好的吸聲性能對(duì)降低公路交通噪聲較為有利 。因此用彩鋼復(fù)合板制成的聲屏障吸聲構(gòu)件，在具體公路聲屏障建設(shè)使用中能有效地降低在雙側(cè)屏障存在時(shí)，因聲反射對(duì)行車道區(qū)域聲環(huán)境所產(chǎn)生的污染。六、彩鋼復(fù)合板材料公路聲屏障構(gòu)筑方法研究彩鋼復(fù)合板具有耐腐蝕、體輕、強(qiáng)度高、剛度大、彈性好和不易積灰等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)形式靈活，式樣多，美觀易于安裝等。結(jié)合彩鋼復(fù)合板的材質(zhì)特點(diǎn)及其在公路聲屏障中的應(yīng)用 ，同時(shí)綜合考慮我國(guó)目前的施工水平及其他一些因素，經(jīng)反復(fù)推敲、仔細(xì)研究其材料聲屏障構(gòu)造方式可如下：該材料公路聲屏障可以H型鋼立柱為骨架，以不同聲學(xué)構(gòu)件的復(fù)合板為基本構(gòu)件。兩板之間可用自攻釘、記水抽芯鉚釘?shù)冗B接，各連接處密封一般選用密封墊圈和密封膏。密封膏采用丙烯酸、聚硫、硅酮或其他密封膏等。封邊板和包角板及其他配件均可采