水泥流动性和集料类型对多孔混凝土的力学和 声学特性的影响外文翻译资料

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水泥流动性和集料类型对多孔混凝土的力学和

声学特性的影响

H.K. Kim, H.K. Lee

摘要：本文系统地研究了水泥流动性和集料类型对多孔混凝土的力学和声学特性的影响。在本实验中，使用三种层次的水泥（流动性分别为80%、110%和140%）和五种类型的骨料（粒径为8-13 mm和13-19 mm的粗骨料和粒径为4-8 mm、8-12 mm和12-19 mm的轻质骨料），同时也对AE添加剂在水泥浆中的应用效果进行了研究。本文还制备了单层和双层多孔混凝土试件来测试不同层状结构对其声学特性的影响。为了进行比较，本研究选取孔隙率、 抗压强度和吸声系数作为样品评价参数。基于这项研究的成果，开发出一种最大吸收系数约为 1.00的声吸收多孔混凝土，且实验表明，在考虑到允许误差的前提下，在大于400 Hz的频率下双层结构多孔混凝土最小吸收系数要大于0.6。

关键词：多孔混凝土；声吸收；水泥浆流动性；轻骨料；双层结构

1绪论

噪声的大量增加已成为城市地区的一个主要问题。噪音通常有许多来源，如在道路上各种类型的车辆、 飞机、 工厂和建筑工地等。在城市地区，混凝土或厚玻璃板一般被用作基础设施的外部建筑材料。由于其声反射行为，这些材料可以被认为是“声音屏蔽材料”。就此而言，在城市地区它很难降低噪音的能量。因此，居民、 行人和乘客必须承受高分贝的噪音。根据韩国环境部在2006年的宣布的一项声明，国家环境纠纷处理委员会 (EDC)解决的问题有86% （1216例）涉及噪声和振动^[1]。

为了解决上述问题，多孔混凝土（也称增强多孔混凝土）可以用作吸声建筑材料。多孔混凝土的制造是通过消除或减少细骨料，并降低粘结剂的量来提高孔隙率（或相互连通孔数目）^[2]。由于波在空隙中传播中声波的折射和干扰，声波能量被转化成热能^[3]。多孔混凝土一般用于混凝土路面或声音屏蔽，减少高速公路上噪音的影响^[4]。尽管但形成的混凝土也吸收一些声波，但多孔混凝土是一种在力学性能上更有效的材料。

在过去已经进行了许多实验性研究来发展有效的吸声多孔混凝土^[5-10]。Gerharz发现，含有粒径为4-8 mm骨料的多孔混凝土能够有效的吸声^[11]。Marolf 等人研究了骨料尺寸和级配的影响^[12]，并且Park等人使用回收骨料来替代正常骨料^[13]。Neithalath等人的研究表明，用1.5 vol.%的聚丙烯纤维增强的多孔混凝土也表现出良好的吸声特性^[14]。Seo则是在玻璃纤维增强多孔混凝土中加入3 vol.% 5-13 mm的人造轻质骨料^[15]。

吸声材料的频率和振幅与下列因素有关：孔隙率、空气流动阻力和材料曲折度^[16]。曲折度和流动阻率都依赖于孔隙率和骨料类型^[17]。因此，集料类型和目标孔隙率是声吸收多孔混凝土设计中的重要影响因素。

水泥浆体的流动性通常也被视为影响孔隙比和类型的因素。多孔混凝土采用低流动性水泥浆，密实度低，表现出高孔隙率，因此新拌混凝土的工作性非常低 ^[15]。在声吸收多孔混凝土的设计中水泥浆的特性也被视为一个重要的因素，因为它们影响孔隙比和孔隙类型 (孔隙间是否相连)。多孔混凝土工作性可以通过使用高流动性水泥浆和AE添加剂来提高。AE掺合料在水泥净浆生成夹带的空气，从而使水泥净浆粘度减少。然而，“降黏”只发生在高流动性水泥浆制备的多孔混凝土中^[15]。多孔混凝土样品的上部孔隙率通常会高于下部，所以，有相同孔隙率但水泥浆流动性不同的样品的机械声学特性可能不同。

因此，要研究水泥流动性和骨料类型对多孔混凝土的力学和声学特性的影响以确定吸声混凝土在应用领域中的最佳配方。本文讨论了不同粒径的粗骨料及轻质骨料对多孔混凝土的机械和声学特性的影响。也对在水泥浆中添加AE外加剂与不同水泥浆流动性的影响进行了研究。使用三种层次的水泥（流动80%、110%和140%）和五种类型骨料（粒径为8-13 mm和13-19 mm的粗骨料和粒径为4-8 mm、8-12 mm和12-19 mm的轻质骨料）。我们还制备单层和双层多孔混凝土试件来测试不同层状结构对其声学特性的影响。为了进行比较，我们选取孔隙率、 抗压强度和吸声系数作为样品评价参数。

2样品制备

2.1原料

在这项研究使用普通1型硅酸盐水泥，多孔混凝土混合料是使用单一粒径骨料制备的，使用骨料的具体信息如表1所示。在本实验中轻质骨料选用的是球面形状页岩颗粒，如图1所示。使用的这种页岩颗粒（即“Dols”）为Hanya公司开发的专利产品。

在实验中添加包括减水剂和AE外加剂的两种类型的化学制剂，以调整新拌水泥浆体的流动性，并且生成气泡促进水泥浆与骨料之间的混合。

2.2配合比

在本研究中使用的混合比例表2中列出。每个配合比指定的特定代码。第一批标签，“N1”、“N2”、“LW1”、“LW2”和“LW3”，代表使用聚骨料的类型。第二个标签，“80”、“110”和“140”，是指用水泥浆流动性。第三个标签，“0”和“0.1”，表示AE掺加剂占水泥重量的质量百分比。

所有批次的样品的设置旨在探讨的孔隙率、抗压强度和声音吸收特性。水灰比(W/C)和目标孔隙率分别固定在20%和28%。关于水泥浆流动性对多孔混凝土的影响的部分，我们只采用仅含粗骨料的批次样品。对于轻质骨料，它的表面上有很多微孔，低流动性水泥浆会被微孔吸收。因此，用含轻质骨料的多孔混凝土的批次样品来研究水泥流动性的影响并不适合。出于此原因，140%的水泥动性实验要使用轻质骨料的批次样品。

此外还使用了一定数量的减水剂，来控制水泥浆体的流动性到目标值（%）。

2.3 实验细节

所有批次的样品混合要按以下两个步骤。第一，在20 L容量自动砂浆搅拌机中混合搅拌水泥和水。搅拌时间固定为5分钟。因为此时间量足够让减水剂使水泥产生分布行动，从而水泥浆体变现出稳定的流动性数值^[15]。然后按ASTMC 1437-07标准评估新拌混合浆体的流动性是否在通过场测试目标流动性范围内。

混凝土的预制是使用60 L容量盘式搅拌。混凝土混合物的压制要尽可能轻度柔来提高它的孔隙率，尽管这样它的抗压强度可能会有所减少。然后要把所有样品19plusmn;1 ℃的恒温水浴中养护28天。

至于试样的密度测量要在表面饱和的干燥条件(SSD)和完全干燥条件下进行^[18]。同时，之后要用体积法测定两种类型的孔隙率：开孔隙率（OVR或联通孔隙率）和封闭孔隙率（CVR或非联通孔隙度）。在该实验中使用的是直径100 mm，长度200 mm的圆柱形试样。开孔隙率和闭孔隙率的计算分别入公式(1)和公式(2)所示。

Aopn和Aclose表示开孔隙率和闭孔隙率，W1是样品在浸水后重量。W2是指样品在烤箱中完全被干燥后的重量。V1是样品的体积，rho;w是水的密度。总的孔隙率是开孔隙率和闭孔隙率的和。

而抗压强度这是根据ASTMC39标准来确定的。既将长200 mm，直径为100 mm的圆柱形样品放置于万能液压试验机，并且按照0.0015 mm/s的速率加载荷直至样品断裂。

在此实验中，声吸收系数被视作一个评价多孔混凝土吸收声音能力的参数。对于一种能完全吸收声音的材料来说，他的alpha;系数是1.0，反之一种完全不吸收声音的材料（像声反射材料）它的alpha;系数就是0。通常情况下，普通混凝土的alpha;系数是0.05-0.10。按ISO10534-2标准，多孔混凝土吸声系数是利用直径为100 mm的阻抗管在如图2中所示的100到1900 Hz的频率范围内测量的。为了防止将标本放在管内时划伤抗阻管的内壁，在测试中用于测量使用的是直径98 mm并用2 mm聚氨酯层包装的圆柱形试样。圆柱形样品的表面证明是相当粗糙的。即使按照ISO 10534-2的推荐样品和样品架用凡士林或密封橡皮泥封闭，有粗糙表面的标本可能划伤样品架的内表面。此外，标本的吸声性能可能会受到凡士林或橡皮泥存在的影响。相反，在250-1000赫兹的频率范围内有聚氨酯层的试样发生和没有聚氨酯层对声的吸收作用的差距是可以忽略的。这是由于在250-1000赫兹的频率范围内，厚度小于2 mm的聚氨酯层对声波的吸收谱是不大于plusmn; 0.1。如图3中所示的这是相当小的。

作为参考，要测量没有聚氨酯层的样品（直径100 mm）的声学吸收谱来作为比较。并且用混凝土切割机把样品切割成30 mm、50 mm、70 mm和100 mm厚。而且在此基础上，两种不同类型的切片样品堆积起来，并且测量它们的吸声系数，如图4所示。初步测试结果的详细信息在第3.3节中给出。

3. 实验结果与讨论

孔隙率、密度、抗压强度以及浆体成球情况等实验结果列于表3中，这些结果将在下面的子章节中逐一进行分析。

3.1孔隙率和密度

图5和图6展示了用粗骨料和轻质集料制备的多孔混凝土试样的孔隙率。所有批次样品的实际总孔隙率都在6-22%范围内，比“目标孔隙率”要跟高。这与压实方法和试件尺寸有关。正如上面提到的新拌的多孔混凝土混合浆是少碾压和小型模具尺寸的。为制造具有实际总孔隙率与目标孔隙比相同的多孔混凝土，应使用直径为骨料尺寸的10倍的圆柱形试件，新拌多孔混凝土应完全压实^[19]。因此，在本研究中引入“目标孔隙率”仅作为一个概念值，以平衡混合比例。

图5 A和5B表明当水泥浆体体积是固定的，在没有AE混合时，样品的总孔隙率降低了大约8%，水泥流动性则是从80%增加到140%。通过观察8–13 mm和13–19 mm骨料制备的样品发现，这种趋势与水泥浆的生成（浆球球）有关。在水泥浆体具有低流动性或高粘度的情况下，光滑的混合水泥浆体和骨料是困难的，这是因为水泥浆体的不均匀分散。一定量的水泥浆形成如图7所示的球形肿块，在实验中这种现象称为“paste balling”。因此，在水泥试样的流动性较低的情况下，覆盖骨料的水泥浆的总量减少。

此外，有AE外加剂的样品的总孔隙率比没有AE混合物的标样品要低5-10%。然而，这一趋势是随水泥流动性的提高而减少。其原因可能如下。因为AE混合产生气泡从而使水泥浆体的体积就扩大无论水泥流动性多大。许多生成的气泡随后在集料拌和过程中会被破坏。而在低流动性水泥浆中由于基质的高粘度气泡被破坏的少。相反的在高流动性水泥浆由于水泥基体的粘度低，气泡很容易被破坏。

孔隙率和轻质骨料使用尺寸之间的关系如图6所示。为了使AE剂不影响试样的孔隙比，使用流动性为140%高流动性水泥浆。从表3中可以观察到的8-13 mm和13-19 mm粗骨料和8-12 mm和12-19 mm轻质骨料的总孔隙率是几乎相同的，而当使用轻质骨料时样品的闭孔隙率的增加了10%。

经研究发现当使用较小尺寸骨料时，样品的总孔隙率更高。 使用4-8 mm骨料制备的样品的总孔隙率要比使用12-19 mm骨料的样品高12-14％。这些结果与骨料表面积相关。轻质骨料从骨料表面上的微孔吸收水泥浆料。可以发现在绝对体积比相同的情况下，具有较小尺寸的骨料具有较大的总表面积^[20]。当使用较小的骨料时，骨料可以更好的吸附水泥浆。为此使用4-8 mm的骨料，其具有大的表面面积，总孔隙率落在46-50％的范围内。

图8显示了具有粗骨料和轻质骨料的多孔混凝土的总孔隙率与密度之间的关系。轻质骨料混凝土试件的密度比普通混凝土试件的密度低28-54％。具有粗骨料的多孔混凝土的密度趋向于随着总孔隙率的增加而线性减小。然而，具有轻质骨料的多孔混凝土的密度没有显示这种趋势。

3.2抗压强度

图9和10显示了具有粗骨料和轻质骨料的多孔混凝土样品的抗压强度。 如图所示，随着水泥流动性的增加，不含AE混合物的样品的抗压强度线性增加。 如图11所示，当使用较高流动性的水泥浆时，骨料通过水泥浆各自更好地与其它骨料连接。而具有良好连接的样品也会显示出更高的抗压强度。 此外，当水泥流动性为140％时，具有8-13 mm和13-19 mm骨料的试样的压缩强度分别大于10 MPa和8 MPa，并且不发生“糊状球”现象。

与图9相比，图10表明不管否使用AE混合物，有轻质骨料的样品具有比具有粗料的对应样品的抗压强度要低。如图12所示，随着总孔隙率的降低，试样的压缩强度增加，但是在具有轻质骨料的试样的情况下，压缩强度的增加较小。

多孔混凝土的抗压强度与总孔隙率有关，如图1所示。然而，应当注意，总孔隙率与水泥浆的量相关，而声吸收性能仅与多孔混凝土的开放孔隙率和曲折度有关。因此，多孔混凝土的抗压强度与其吸声性能没有直接关系。

3.3声吸收系数

在研究多孔混凝土的吸声特性之前，进行一些初步试验。首先，测试具有和不具有聚氨酯层的样品，以尝试检查已经施加在阻抗管中的刚性样品上的聚氨酯层对多孔混凝土的声学特性的影响。如图13所示，用聚氨酯层测量的最大值与没有该层的那些相似，两种情况下的最大吸收系数都达到0.90-1.00，但是在遍及大部分频率范围内，没有聚氨酯层的

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