纳米材料在道路声屏障中的应用探析

纳米材料在道路声屏障中的应用探析

李杰

重庆交通大学土木工程学院  重庆 400064

摘要：在现阶段，车辆噪音主要通过设置噪音路障来吸收和阻挡，从而部分减少了城市道路和道路沿线人群的噪音危害。但是，市场上声屏障产品的效率达不到预期，道路交通噪声检测标准和方法比较陈旧，不再符合现代社会发展的要求。因此，为了促进环境保护，迫切需要在提高标准、隔声技术和隔声产品等领域取得决定性进展，以控制噪音污染。

关键词：纳米材料；道路声屏障；应用

引言

列车行驶噪音一直影响着城市轨道沿线市民的正常生活。因此，需依照《声环境质量标准》（GB3096—2008）、各类声环境功能区的环境噪声等效声级限值和其他相关法律法规要求，利用声屏障有效地控制噪声环境污染。

一、纳米发泡材料声学特性简析

纳米发膜材料是一种多态性材料，内部有许多小间隙。当材料表面被声波压缩时，一部分辐射会反射出来，而另一部分则穿透材料的内部。基于纳米材料的多孔特性，微波结构导致更多声波进入材料，大幅减少反射和穿透量，内部声波在孔中引发空气，产生振动，产生振动空气与泡沫材料体之间的摩擦，并将机械波的能量转化为热量，实现吸力目标。纳米级孔孔急剧增加，呼吸继续增加，而光缆结构产生更多热量，热岛产生热岛效应，对材料的呼吸产生不利影响，可以进一步检查。对具有纳米高棉吸收特性的大学实验室进行的实验室测试结果表明，吸收系数大于0.9hz且吸收系数大于0.56hz的毛树，其吸声系数大于500Hz，通常是系数大于0.56的材料。本实验发现，纳米棉可作为声屏障的填充平面，弥补金属骨架低中频限制不足，有效复盖500 ~ 6000hz频带。

二、与传统直立式声屏障降噪效果对比

基于上述数值模型开展声屏障降噪效果分析。为了对比新型近轨声屏障和传统直立式声屏障的降噪效果，分别计算了列车以120km/h的速度通过未采取降噪措施、在梁侧安装3.17m高的直立式声屏障、在近轨处安装高于轨面0.94m的低矮声屏障的温州市域铁路S1线高架时的轮轨噪声辐射。声屏障板的吸声系数由实验测得。由于轮轨噪声主要集中于中高频段，因而仅计算了250Hz～5000Hz的轮轨噪声辐射。两种形式的声屏障对轮轨噪声的降噪效果均很明显；在梁侧安装3.17m高的直立式声屏障和在近轨处安装高于轨面0.94m的低矮声屏障对轮轨噪声的降噪效果相当。为了定量分析两种形式的声屏障对轮轨噪声的降噪效果，给出了不同降噪措施对应典型场点的A计权总声压级，并计算了不同降噪措施的降噪效果。在梁侧安装3.17m高的直立式声屏障和在近轨处安装高于轨面0.94m的低矮声屏障，对距外轨中心线7.5m、轨面以上1.2m处的降噪量分别为9.67dB(A)和10.1dB(A)，对距外轨中心线25m、轨面以上3.5m处的降噪量分别为6.72dB(A)和7.57dB(A)，即新型近轨声屏障的降噪效果优于传统直立式声屏障，同时考虑到近轨声屏障高度远小于传统直立式声屏障，因此，新型近轨声屏障的降噪效果和经济性均优于传统直立式声屏障。

三、声屏障制作

（一）钢结构制作。钢结构是整个轨道声屏障的结构支撑，其设计标准按区域参考风压、雪载荷、抗震、防腐要求和温度效应等指标。钢结构加工需要按照以下标准和规范进行：（1）立柱高度不超过4m的钢立柱，应采用热轧整体型钢，立柱高度大于4m的钢立柱，允许有1条对接焊缝。钢立柱拼接时，其翼板与腹板应错位拼接，错位量宜大于200mm，且拼接位置不应超出立柱上端1/3范围。对接焊处，对口错边的偏差应符合现行国家标准《钢结构工程施工质量验收标准》（GB50205—2020）中的相关规定。（2）伸缩缝处，钢立柱翼缘加宽焊缝应采用连续焊接，立柱与柱脚底板之间的焊缝应采用单边坡口熔透焊。（3）以上焊缝质量等级均不应低于二级。（4）钢结构的涂装要求较高，需要先涂抹一层环氧富锌底漆，再涂抹聚氨酯面漆。（二）声屏障防腐（1）立柱采用热浸镀锌或金属热喷涂前，应对构件表面进行抛丸喷砂、除锈除油和电解酸洗处理。除锈等级为Sa2.5，表面粗糙度应严格控制在50～100μm之间。（2）经防腐处理后的构件再次加工时，应对加工面重新进行防腐处理，重新防腐处理应不低于原涂装标准或相同的防腐体系。（3）金属表面的防腐涂装工作应保证均匀，涂装过程中不得出现明显的皱皮、气泡、针眼以及流坠等现象，已经完成的涂层不得存在脱皮和反锈。

四、各种降噪措施的经济性与耐久性分析

以上研究仅考虑了各种降噪方案的降噪效果，并没有涉及每种方案的建设成本和耐久性。从经济成本来看，声环境功能区降噪要求越高，降噪措施的建设成本也就越高，这一点尤其现在1类声环境功能区的全封闭式声屏障的建设成本上，如1类声环境功能区的降噪方案二或方案三的建设成本为4a类降噪方案的10倍（货车禁行）或7倍（货车可通行）左右（15a的现值成本）。从耐久性上来看，排水沥青路面由于孔隙阻塞、颗粒飞散等因素，其降噪能力和结构强度会逐渐下降。从工程实践来看，排水沥青路面的使用寿命一般不超过8a。而声屏障（包括全封闭式声屏障）只要维护得当，其使用寿命往往在10a以上。因此，为了保持各降噪方案的持久降噪能力，需要在运营期间实施完备的养护维修工作。对于2类声环境，应采用低噪声路面及直立型声屏障，并配合货车禁行的交通管制，该方案可降低噪声13~28dB（A）。当高架道路周围的建筑物较低时可采用直板型声屏障，反之采用Y型声屏障。

五、后续项目优化建议

建设单位：做好声屏障甲供物资招标工作，避免出现低价竞争降低产品质量，确保产品力学性能、声学性能满足相关要求；现场监督检查声屏障实施情况。设计单位：完善设计方案，特别是增加细节设计，关注易出现问题的重点部位，如桥梁接缝处翼缘板加宽问题、与接触网立柱及拉线位置冲突问题，安全门、综合接地、排水等细节设计；做好设计交底及施工阶段配施工作。施工单位：声屏障立柱、单元板安装前应复核，预埋螺栓、钢板、橡胶条、限位板安装及螺栓外露长度、声屏障插入深度、综合接地是易出现问题的重要环节；施工人员需准确理解设计意图，做好施工交底，严格施工工序、保证施工质量；严把材料供应关，运输、安装过程中不得破坏钢构件的防腐涂层；提高施工人员技术素养；合理安排施工工期，避免为赶工期而降低声屏障安装质量。监理单位：产品入场验收、现场质量管控；安装前按照相关标准、规范、规定对原材料、成品进行质量验收；施工过程做好质量控制、过程记录、质量证明文件等工作。验收单位：严格按照TB10428—2012《铁路声屏障工程施工质量验收标准》标准验收，杜绝带着安全问题即开通运营的现象。声屏障单元板方面：目前，非金属主打产品为混凝土骨架复合板，单元板在运营3～7年后会产生掉块、开裂现象，建议使用玻璃钢复合板声屏障以解决上述问题。同时，研究免维护声屏障以解决声屏障钢立柱、螺栓连接等部位常见问题。

结束语

随着铁路建设的不断发展，声屏障行业的发展将越来越受到重视。其中在城市轨道交通发展过程中，通过利用声屏障吸声、隔声的声学性能，可以有效控制噪声辐射，从而达到降低轨道交通在运行过程中对周围居民和自然环境带来的影响和危害的目的。

参考文献

[1]徐志胜.轨道交通轮轨噪声预测与控制的研究[D].成都:西南交通大学，2004.

[2]徐志胜，翟婉明.轨道交通轮轨噪声预测模型[J].交通运输工程学报，2005，5(3)：14-18.

[3]刘林芽，雷晓燕.轮轨噪声的预测[J].铁道学报，2004，26(1)：101-104.

[4]刘林芽，雷晓燕，练松良.轨道交通轮轨滚动噪声的预测[J].振动与冲击，2007，26(12)：146-150+178.

[5]刘林芽.轮轨振动与噪声[M].成都：西南交通大学出版社，2016.

[6]辜小安，李耀增，刘兰华，等.我国高速铁路声屏障应用及效果[J].铁道运输与经济，2012，34(9)：54-58.