水泥—木梗纤维复合吸声材料的组成、性能及吸声模型研究

论文摘要

针对如何制备出相容性好、吸声性能优良、结构耐久的水泥-木梗纤维复合吸声材料的关键问题，研究了木梗纤维与水泥的适应性、水泥-木梗纤维体系组成的优化以及水泥-木梗纤维复合材料的耐久性，并探讨了影响理想多孔结构的因素，建立了理想多孔吸声材料的传声与吸声模型。研究表明，组成木梗纤维的纤维素、半纤维素、木质素等是影响水泥凝结硬化的主要原因。在水化初期（1小时以内），纤维素、半纤维素严重影响了水泥的水化硬化速度，二者的影响程度基本相当；而木质素对水泥水化硬化的影响是开始的十几分钟严重降低了水泥水化速度，17分钟到1小时内其对水泥水化的影响不是很大。在1小时到3天内，半纤维素和木质素对水泥水化硬化的抑制作用很强，而纤维素的作用相对较弱。组成木梗纤维的化学纯物质对水泥水化硬化的影响具有加和性，建立了木梗纤维与水泥相容性的预测模型，可以通过木梗纤维的化学组成初步判定其对水泥水化硬化的影响程度。加入硅灰、对木梗纤维进行热处理或氢氧化钙浸泡处理都能有效地改善木梗纤维与水泥的适应性。另外，加入促进水泥水化硬化或阻止木梗纤维分解的化学外加剂能显著改善水泥与木梗纤维的适应性。水泥-木梗纤维复合吸声材料的组成显著影响复合材料的声学性能和力学性能。实验结果表明：木梗纤维的几何尺寸对复合吸声材料的性能影响很大，由长度较长、截面较小的木梗纤维制得的复合材料具有良好的吸声性能。木梗纤维的长度对复合材料的力学性能影响很大，随着木梗纤维长度的增加，复合材料的抗折强度和断裂韧性提高。不同比例的长、短木梗纤维混掺可以制得吸声性能优异的复合吸声材料。另外，水泥-木梗纤维复合吸声材料的厚度、密度、复合材料背后设置空腔以及采用层合梯度结构等对材料的吸声性能都有较大的影响。由于木梗纤维干湿循环变形量很大，导致水泥-木梗纤维的尺寸稳定性较差。实验研究表明，经多次干湿循环后，在硬化水泥浆体与木梗纤维的界面处出现沟槽，从而降低了水泥浆体与木梗纤维之间的作用，使复合吸声材料的强度和韧性降低，并且随着干湿循环次数的增加，水泥-木梗纤维复合吸声材料的上述性能不断降低。把木梗纤维放入丙烯酸乳液、甘油酸酯和硬脂酸混合液、有机硅憎水剂中浸泡处理，能改善制品抗干湿循环的变形性能，但多次干湿循环后，复合材料的尺寸稳定性也逐渐降低。硬化水泥浆体孔溶液的碱度较高，不利于白腐菌、褐腐菌等微生物的生长，因此水泥-木梗纤维复合材料具有很高的抗生物侵蚀性。通过对多次干湿循环后试样破坏形态的研究，建立了水泥-木梗纤维复合材料的微结构和抗干湿循环破坏模型，认为水泥浆体和木梗纤维之间存在界面；在木梗纤维内部，纤维素纤维与结合相半纤维素以及木质素之间也存在界面，前者的结合主要是物理作用，后者的结合是化学作用。在非干湿循环状态下，应力破坏主要发生在木梗纤维与水泥浆体的界面处；而在干湿循环状态下，由于半纤维素与木质素在碱性环境下的水解，导致木梗纤维内部纤维素纤维与木质素以及半纤维的作用严重削弱，复合材料应力状态下的破坏主要为纤维撕裂破坏，木梗纤维内部界面成为整个复合材料的薄弱环节。通过对理想多孔体吸声性能的研究，得出孔结构是影响吸声材料的主要因素，并且在相同空隙率的条件下，随着孔径的减小吸声材料的吸声性能提高；在相同孔径的条件下，随着空隙率的增加，吸声材料的吸声性能提高。孔的长度（也就是吸声材料的厚度）也是影响材料吸声性能的因素，增加孔的长度对改变材料的吸声频率特性有很重要的影响。另外，表面层空隙率高、孔径较大而内部空隙率较低孔径较小的类层合结构有利于声波在材料内部的传播和吸收，是多孔材料理想的孔结构。同时，建立了水泥-木梗复合吸声材料声传播及吸收的模型，认为吸声材料的结构是影响材料吸声性能的关键因素，多孔材料表面的结构特点影响声波的透过性能，表面开孔率越高、孔径越大越利于声波的透过，为声波在吸声材料内部的高效吸收提供了条件；多孔材料内部结构是决定材料对声波吸收的重要条件，较高的空隙率、细化的孔结构、合理的声传播距离有利于吸声材料对声波的吸收。并且通过合理的材料结构设计可以制备出吸声性能优异的吸声材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 噪声与噪声控制概述
• 1.1.1 噪声的概念及其危害
• 1.1.1.1 噪声的概念
• 1.1.1.2 噪声暴露和烦恼反应之间的相关性
• 1.1.1.3 不同国家或地区对居住区噪声的要求
• 1.1.1.4 交通噪声的严重危害
• 1.1.2 噪声控制
• 1.1.3 吸声材料及其应用
• 1.1.3.1 在建筑声学方面的应用
• 1.1.3.2 在军事方面的应用
• 1.1.3.3 在交通噪声控制方面的应用
• 第二节 吸声材料吸声性能评价
• 1.2.1 吸声系数
• 1.2.2 平均吸声系数
• 1.2.3 降噪系数
• 1.2.4 声阻抗
• 第三节 多孔吸声材料的研究现状
• 1.3.1 无机类吸声材料
• 1.3.2 有机高分子吸声材料
• 1.3.3 金属类吸声材料
• 1.3.3.1 泡沫金属类吸声材料（Al、Ni、Cu、Mg）
• 1.3.3.2 金属纤维吸声材料
• 1.3.4 水泥基吸声材料
• 1.3.5 共振吸声结构
• 第四节 水泥-木纤维复合材料的研究现状
• 1.4.1 水泥-天然植物纤维复合材料的力学行为
• 1.4.2 天然有机纤维增强水泥基复合材料的耐久性
• 第五节 本文主要研究内容
• 本章主要参考文献
• 第二章 水泥-木梗纤维相容性的研究
• 第一节 木梗纤维的组成与结构
• 2.1.1 木梗纤维的化学组成
• 2.1.2 木梗纤维的结构
• 第二节 木梗纤维与水泥的相容性
• 2.2.1 水泥的水化理论
• 2.2.2 水泥与木梗纤维的相容性
• 第三节 试验与结果分析
• 2.3.1 试验方法及原材料
• 2.3.2 试验结果及分析
• 2.3.2.1 木梗纤维化学组成纯物质对水泥水化的影响及预测模型
• 2.3.2.2 硅灰对木梗纤维与水泥相容性的影响
• 2.3.2.3 氢氧化钙处理木梗纤维对水泥水化放热的影响
• 2.3.2.4 不同温度处理的木梗纤维对水泥水化的影响
• 2.3.2.5 化学外加剂对木梗纤维与水泥适应性的影响
• 第四节 本章小结
• 本章主要参考文献
• 第三章 水泥-木梗纤维复合吸声材料组成与性能的研究
• 第一节 实验部分
• 3.1.1 木梗纤维的制备
• 3.1.2 所用原材料
• 3.1.2.1 木梗纤维
• 3.1.2.2 化学外加剂的选择
• 3.1.2.3 水泥-木梗纤维复合吸声材料的材料制备
• 3.1.3 吸声系数的测定
• 3.1.4 力学性能试验
• 第二节 实验结果与讨论（之一）——组成与吸声性能的关系
• 3.2.1 材料组成与吸声系数的关系
• 3.2.1.1 单一规格木梗纤维的尺寸与吸声系数的关系
• 3.2.1.1.1 相同截面和厚度时,木梗纤维长度与吸声系数的关系
• 3.2.1.1.2 相同木梗纤维长度和密度时,木梗纤维截面对吸声性能的影响
• 3.2.1.2 木梗纤维混杂对吸声性能的影响
• 3.2.1.3 加入珍珠岩对材料吸声性能的影响
• 3.2.2 水泥-木梗纤维复合材料的密度对吸声性能的影响
• 3.2.3 梯度结构对吸声性能的影响
• 3.2.4 背后空腔对材料吸声性能的影响
• 3.2.5 厚度与吸声系数、降噪系数的关系
• 3.2.6 不同压缩比对吸声性能的影响
• 第三节 实验结果与讨论（之二）——组成与强度的关系
• 3.3.1 木梗纤维尺寸与强度的关系
• 3.3.1.1 木梗纤维长度与抗折强度的关系
• 3.3.1.2 木梗纤维截面与抗折强度的关系
• 3.3.2 木灰比与强度的关系
• 3.3.3 压缩比与强度的关系
• 3.3.4 加入硅灰对强度的影响
• 3.3.5 加入聚合物乳液对复合材料强度的影响
• 3.3.6 加入增强相对抗折强度的影响
• 3.3.7 密度与强度的关系
• 3.3.7.1 密度与抗压强度的关系
• 3.3.7.2 密度与抗折强度之间的关系
• 3.3.8 不同龄期对复合材料力学性能的影响
• 第四节 本章小结
• 本章主要参考文献
• 第四章 水泥-木梗纤维复合吸声材料耐久性的研究
• 第一节 水泥-木梗纤维复合吸声材料变形行为的研究
• 4.1.1 水泥-木梗纤维复合吸声材料中的水
• 4.1.2 水泥用量对水泥-木梗纤维复合材料厚度变化的影响
• 4.1.3 木灰比对水泥-木梗纤维复合材料变形行为的影响
• 4.1.4 干-湿循环对水泥-木梗纤维复合材料性能的影响
• 4.1.4.1 干湿循环对厚度的影响
• 4.1.4.2 干湿循环对强度的影响
• 4.1.4.3 干湿循环对吸声系数的影响
• 4.1.5 木梗纤维憎水处理对复合材料吸水厚度和强度的影响
• 第二节 水泥-木梗纤维复合材料失效模型
• 4.2.1 水泥-木梗纤维复合吸声材料微观力学分析
• 4.2.2 水泥-木梗纤维复合材料微结构及干湿循环失效破坏模型
• 第三节 水泥-木梗纤维复合吸声材料其它耐久性能的研究
• 4.3.1 水泥-木梗纤维复合吸声材料的抗冻性
• 4.3.2 水泥-木梗纤维复合吸声材料耐腐朽性
• 4.3.2.1 木材生物侵蚀概述
• 4.3.2.2 实验与结果分析
• 第四节 本章小结
• 本章主要参考文献
• 第五章水 泥基多孔吸声材料吸声模型的探讨
• 第一节 吸声模型研究进展
• 5.1.1 理论模型
• 5.1.2 经验模型
• 第二节 实验与结果分析
• 5.2.1 试验方案及样品制备
• 5.2.2 孔结构与吸声性能关系的理论分析
• 5.2.3 实验结果与分析
• 5.2.3.1 单一孔径对吸声性能的影响
• 5.2.3.2 不同孔径的混掺对多孔材料吸声性能的影响
• 5.2.3.3 变截面孔对吸声性能的影响
• 5.2.3.4 空隙率对材料吸声性能影响
• 5.2.3.5 孔长度（即厚度）对吸声性能影响的研究
• 5.2.3.5.1 相同孔径、不同孔隙率,厚度对吸声性能的影响
• 5.2.3.5.2 相同孔隙率、不同孔径,改变厚度对吸声性能的影响
• 5.2.3.6 背腔对吸声性能的影响
• 5.2.3.6.1 相同孔隙率不同孔径,增加背腔对吸声性能的影响
• 5.2.3.6.2 相同孔径不同孔隙率,改变背腔厚度对吸声性能的影响
• 第三节 水泥-木梗复合吸声材料吸声模型
• 第四节 本章小结
• 本章主要参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 水泥与木梗纤维相容性的研究
• 6.2 水泥-木梗纤维复合材料组成与性能的研究
• 6.3 水泥-木梗纤维复合吸声材料耐久性及失效机理的研究
• 6.4 水泥基多孔吸声材料吸声模型的探讨
• 6.5 展望
• 附录 木梗纤维化学成分分析方法
• 致谢