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《广西科技大学》 2018年
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环保多孔陶粒的合成与吸声性能研究

张腾  
【摘要】:目前,70%的城市环境噪声来自交通噪声。高速公路、铁路的迅速发展、车速提高和流量增加,使交通噪声污染日益凸显,特别是城市地铁引起的噪声。噪声防治有两种方式,控制声源和控制声的传播途径。对地铁隧道交通噪音而言,前者存在成本高、施工复杂,维护困难、费用大等特点,而后者通常采用吸声和隔声两种方式。目前铺设吸音材料轨道板治理地铁隧道噪声方法,因为技术可行、经济合理而成为热议课题,对应该方法开展的新型吸音材料的研究也成为当下材料学科最新的研究方向。地铁隧道属于特殊环境,地铁吸音材料除具备吸音功能外,还需考虑强度、防火、防腐、耐久等属性,传统的吸音材料无法适应,开发新型全天候的无机多孔吸音材料满足强度、防火、防腐、耐久、吸声全方位的需求成为必要。免烧结粉煤灰陶粒属于绿色环保多孔材料,前期研究中,我们自主研发了一种专用的免烧结粉煤灰陶粒,并制备了轻质多孔陶粒混凝土,完成了一种地铁轨道吸音板研制,该吸音板降噪系数达0.80,吸音性能达国家规范Ⅰ级标准。尽管吸音板对中、高频噪声的吸声效果很好,但对低频噪声的作用还有待提升。为此,本文结合多孔材料微观结构与材料吸声性能的关系理论,从原材料研发入手,在自主研发免烧结粉煤灰陶粒的制备过程中增加发泡法和热处理工艺,通过调控发泡剂用量、升温速率、养护时间三个控制因素,调整陶粒材料的微观结构,提高陶粒的孔隙率和显孔率,改善其低频吸声性能,实现铁路交通噪声全频段吸声效果优化。课题通过查找资料、采用理论分析、宏观试验和微观表征等方式,研究在发泡剂添加量、热处理升温速率、养护时间三控制因素影响下多孔陶粒的微观结构,探索结构的显孔特点,提出一种发泡法合成多孔吸声陶粒的成熟工艺。(1)采用热分析(热重分析(TG)、差示扫描量热分析(DSC))开展发泡剂碳酸氢铵分解机制的研究,观察温度提升对陶粒形状的影响及陶粒热处理出现散粒时的温度值,确定陶粒合成过程热处理机制中温度调控范围为30℃~300℃。(2)采用单一因素变量控制法,设计发泡剂碳酸氢铵添加量依次为0.0wt%、0.5wt%、0.7wt%、1.0wt%、2.0wt%,升温速率依次为3℃/min、5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min,分别按照直接热处理(养护时间0h)和养护72h后再进行热处理方式对多孔陶粒工艺进行调控,观测上述因素单一变化时陶粒孔结构的演变过程,共设计合成了61组样品,其中包括了一组同等条件制备的原工艺合成的陶粒对比样(简称原样品)。通过显孔率、吸水率、筒压强度、堆积密度等宏观试验,测出不同控制条件下合成的多孔陶粒的显孔率分布在20.23%~32.67%之间、吸水率分布在18%~23%之间、堆积密度为分布在860kg/m~(3~)916kg/m~3之间、筒压强度在2.82MPa~6.04MPa之间,显示了3个控制因素对多孔陶粒物理性能的作用效应。(3)采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等微观分析方法,结合宏观试验数据,设计16组具有代表性的样品包括:(1)升温速率取最优值20℃/min,考虑发泡剂添加量、养护时间变化对应的10组样品;(2)发泡剂添加量取最优值2.0wt%,考虑升温速率变化对应的6组样品观测对比分析研究。探索不同控制因素作用下多孔陶粒的孔结构的变化规律,明确发泡剂添加量、升温速率和养护时间3种控制机制对陶粒微观结构的影响关系。结果显示:随着发泡剂添加量增大、养护时间缩短、升温速率提高,均可提高陶粒的显孔率,促进孔径尺寸均匀、有序地分布。借助Photoshop软件标尺功能测量计算SEM图片陶粒显孔孔径尺寸和分布范围,进一步明确控制机制对多孔陶粒孔径大小的影响程度。推导出3种控制机制合成的多孔陶粒平均孔径尺寸基本维持在0.2~1μm之间,属于微米级孔的重要结论,达到低频吸声孔径尺寸范围,表明通过发泡法和热处理机制可以改善陶粒的低频吸声效果。(4)采用驻波管法分析研究3种控制机制下合成的12组多孔陶粒(包括原陶粒对比样)的吸声性能,结果显示:控制发泡剂碳酸氢铵添加量为2.0wt%、升温速率为20℃/min、养护时间0h(直接热处理)合成的多孔陶粒为轻骨料,制作陶粒混凝土吸声材料在地铁噪音全频范围内的吸声系数0.3,各点数值分布趋于均匀,满足吸声材料标准0.2的要求,吸声系数平均值为0.54,达到理想吸声材料标准0.5的要求,有效地改善了材料低频吸声性能,实现了良好的宽频效果。(5)文章在完成试验研究、微观表征、理论分析计算的基础上,提出了该应用材料的拓宽使用功能和研究前景,也对后期研究工作有了明确的思路。
【学位授予单位】:广西科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB535;TQ174.71

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