对每年产生的报废轮胎数量的关注源于对其价值的持续研究。在此，我们提出了一种新的材料，它是由GTR与粘合剂组成的，作为声学和隔热的土木工程。绝缘体也可以包括纤维垫存在于轮胎，很少被认为是一个可回收的子产品。为了深入了解这些材料的绝缘性能，对四种数学模型进行了测试，并将其与导热系数的实验结果进行了比较。Lewis-Nielsen模型精度较好，误差小于3%。对实验数据进行统计分析表明，对导热系数影响较大的参数是厚度(差异达43%)，其次是粒径(差异约6%)。在声学特性中，可以根据频率范围观察到不同的效果，其中密度是最相关的。从数学、统计和实验分析可以推断，低密度、多孔的材料可以获得良好的绝缘性能;包括垫和厚。这些参数的影响导致导热系数从0.189到0.117 W/m·K变化，吸声系数从0.06到0.6变化。
在实施循环经济的过程中，开发废弃材料的新用途是至关重要的。废物产量的增加需要努力将残留物整合到可以吸收大量材料的应用中。土木工程领域，由于其高消耗和其特殊性，非常适合通过废物掺入的方式回收不同的产品，通常与其他产品混合，用于结构用途。这种方法不仅可以回收废物，还可以消耗原材料[1,2,3,4]。
在过去的几年里，大多数国家已经意识到回收利用的重要性和必要性，因为社会的消费速度和自然环境中塑料废物的扩散以及全球范围内日益严重的污染。
最大的问题之一在于弹性体废料的回收。直到几年前，橡胶废料被焚烧并用作燃料(能源回收)。然而，作为欧盟目前废物生产和管理的监管框架，指令2008/98/EC的批准强调，目标应该与废物等级原则相一致，即:首先，防止被忽视的轮胎的产生，其次，通过循环利用促进其再利用和回收，只有在第三位，回收能源和最终处理[5,6]。
由于其特性，复合材料被广泛应用，同时提供了一种将子产品包含到具有有趣特性的材料中的方法。这一特点使它们适合于弹性体废物的回收和再利用。事实上，包括废物在内的几种复合材料已经被开发用于民用。Vishnu和Singh研究了沥青混凝土，包括不同类型的路面废物[7]，Yao等人研究了在混凝土中添加弹性体废物[8]，Gabrys探索了将再生混凝土与混凝土和废轮胎混合物混合[9]。
然而，考虑到弹性体材料的性能，它们的合适应用可能基于隔热、隔热、隔音[10]或振动领域。
世界上的总体噪音水平高得惊人，这主要是因为我们发展活动的技术环境。众所周知，噪音污染不仅使人难以放松，而且还造成压力，对我们的健康构成真正的威胁[11]。隔音是指防止噪音的传播。其目的是使声波在穿过某种材料时尽可能多地损失能量以避免传播。
在建筑和土木工程领域，具有良好的隔音材料和隔热材料的重要性是至关重要的。根据欧洲建筑能源性能和环境噪声指令的承诺[12]，欧盟正在大力推动利用废弃材料制造良好的隔热和隔音材料，以减少二氧化碳的排放。
要了解某些材料作为隔声体的能力，吸收系数和临界频率是两个重要参数。临界频率是刚性势垒开始吸收入射波的一些能量的频率。这个临界频率将取决于刚性屏障的厚度，其中穿透频率与材料的厚度有关。吸收或衰减系数是评估材料吸收声音能力的标准。它被定义为入射能量与材料吸收能量之间的商。吸收系数取决于频率，并用于建筑声学。材料在给定频率下的吸声系数总是在0到1之间，其中1表示材料完全吸声。
根据UNE-EN ISO 354: 2004标准测量材料的全频谱吸收系数。这个整体吸收系数决定了材料的吸声能力。吸收的能量由单位面积吸收能量(Ea)与入射能量(Ei)之比来量化。
吸收系数取决于材料的物理特性[13,14]以及吸收器与入射波之间的相对位置。ISO 11654用于比较吸声器，它将产品从A(最大吸收系数)到E(从0.15到0.25)进行分类。该标准提供了加权吸声指数，是基于αp的另一种简化。将αp值与固定参考曲线进行比较，并以此为基础对产品进行分类，得到其αw，其中αp是实际吸声系数，取决于频率，αw系数衡量频率加权吸声，在极端情况下，等级从A(最大吸收)到F(反射)不等[15]。
材料的吸收系数的值也取决于材料的粗糙度，特别是它的孔隙率。由于空气通过材料而造成的粘弹性过程的能量损失，其特征可以用对气流通过的阻力来表示;材料与空气之间的热传导;以及由于材料表面的不规则性造成的声波衍射。
根据UNE-EN ISO 354标准进行吸声测试，该标准基于频率为500、1000和2000 Hz的混响相机和UNE-EN ISO 11654标准，使用阻抗管或昆特管，这是目前用于研究被测材料声学特性的系统。因此，根据不同材料的频率、声阻抗和吸收系数，通过这些测试可以得到。
换句话说，隔热意味着减少接触物体之间的热量传递。材料的隔热能力[16,17,18]与其导热系数成反比。导热系数[19,20,21]是描述材料以传导方式传递热量的一种物理性质，即通过直接接触而不进行物质交换。它是一个不依赖于材料或质量的强度大小。如前所述，导热系数的倒数是热电阻率或绝缘性。
该手稿的目的是实现一种具有隔音和隔热的创新弹性体复合材料，用于建筑和土木工程领域。所提议的材料是一种由废轮胎以磨碎轮胎橡胶(GTR)的形式制成的化合物。其他一些研究人员，如Valente等[22]，已经提出在水泥基夹层复合材料中使用GTR，在我们的研究中，水泥不包括在混合材料中，只使用GTR，从轮胎回收中获得的纤维和PUR作为凝聚剂。
在之前的一项工作[10]中，我们探讨了使用GTR作为隔音材料的可能性，这是一个文献中很少报道的主题，除了一些出版物，如Sambucci和Valente的文章，他们在GTR和混凝土共混物的研究中包含了这一观点[23]。
在这种情况下，我们已经简化了制造过程，并瞄准了一种也可以作为隔热材料的材料。生态弹性体隔热板作为建筑材料，在使用寿命结束时是完全可回收的。该研究有助于(i)更好地利用保温行业的资源和原材料，(ii)减少对环境的影响，并在建筑部门实施环保保温材料，(iii)改善噪音污染和建筑的能源效率，(iv)减少二氧化碳排放，根据欧洲指令对建筑能源性能和环境噪音的承诺。
为了验证实验结果的准确性，我们将GTR复合材料的导热系数与文献[24,25]中的参考值进行了比较，GTR复合材料被认为是具有球形孔隙的多孔材料。
这些模型的表达式如下式所示。(1 - 4)。Kc为试样的导热系数;Kg:空气导热系数0.023 W·m-1·K-1;Km为GTR的导热系数0.186 W·m-1·K-1, Vg为空气体积。
系列模型:
（1）
并行模型
（2)
麦克斯韦-欧肯模型
（3）
刘易斯·尼尔森模型
（4）
该模型的A值为1.5,Vr值为0.637。[25]
这项工作使用的主要原料是由GMN maals西班牙公司提供的磨碎轮胎橡胶。研究考虑了两种粒径范围(2-3 mm和5-7 mm)(图1)。磨胎橡胶是由汽车轮胎在特殊的加工厂粉碎后获得的，被认为是回收汽车轮胎的常见初始产品。
图1
粒径2-3 mm(左)、5-7 mm(右)
根据我们的热重分析，橡胶的组成为:天然橡胶25%，合成橡胶32%，炭黑33%，SiO2 5%，其他助剂(如硫化体系，加工助剂等)5%。粒度分布已由Colom等人[5]发表。
采用西卡公司生产的高粘度聚氨酯树脂(SikaBond T53)作为粘结剂，含量为5%。树脂的高粘度使该化合物具有适当的结构。
为了生产这种化合物，两种成分分别以95%的GTR和5%的PUR的比例混合，其中一些成分由轮胎纤维组成。这些纤维(图2)包含在轮胎中作为增强材料，通常由聚酯制成，并且，当轮胎被磨碎时，它们似乎漂浮在轮胎粉末的表面，给研磨机带来麻烦。出于这个原因，生产GTR的公司收集它们，并有兴趣找到这个子产品的用途。这些纤维之所以包含在样品中，是因为它们的绝缘性能很有趣。
图2
聚酯垫回收纤维从轮胎
使用Dr. Collin GmbH(德国)的p200e型实验室压板机，在4.9 MPa的压力下，在160°C下，将得到的GTR/PUR化合物模压成20和30 mm厚的样品，时间为12分钟。得到了不同的样品，作为GTR尺寸、样品厚度、密度和轮胎回收纤维制成的垫的掺入量的函数(图2)。样本编码为GTR/ PUR-XYZW，其中，2-3mm粒径的X取1,5 - 7mm粒径的X取2;厚度为20mm时，Y取1，厚度为30mm时取2,Z取A (d=0.95 g/cm3)， M (d=0.80 g/cm3)， B (d=0.65 g/cm3)， W取S(有垫)和N(无垫)的值。因此，编码为Sample11HS的样品是指GTR粒度为2-3 mm，厚度为20 mm，高密度带纤维垫的样品。
根据ISO 8302:1992计算了不同样品的导热系数(k)。换热面积为0.0225 m2。热流(单位时间热量)为5.80 J/s，厚度取决于样品:20或30 mm。
用阻抗管测量吸声系数。阻抗管测量基于ASTM E1050规范的双麦克风传递函数方法，该规范描述了在500-6400 Hz频率范围内使用管对声学材料的阻抗和吸收的标准测试方法。
测量使用br
el&k ?r阻抗管套件4206型和两个1/4”电容麦克风4187型。信号用便携式br
el&k ?r PULSE系统进行分析，该系统具有四个输入数据通道(3560-C型)。提供厚度为20和30毫米，直径为29毫米的样品夹。
吸声主要受孔隙度、流动电阻率和弯曲度的影响。
为了确定GTR材料的孔隙率，认为材料是由空气包围的弹性/刚性构件的开孔组成的。在此条件下，孔隙率(W)为风量(Va)与总积(VT)之间的关系。
流动电阻率(S)是材料允许空气流过大块废料(GTR)的能力。根据公式S=(p2-p1)/D·(A/ D)计算，其中(p2-p1)为物料两侧压力，D为平均空气流量;A为面积，d为被分析材料的厚度。在像GTR这样的颗粒橡胶材料中，S取决于颗粒大小。橡胶屑的参考值在1000 ~ 10000 N/m4·s之间[14]
多孔材料的弯曲度(T)定义为流动路径长度与两端之间的直线距离之比。在常见的颗粒状材料是计算使用圆柱形几何模型，考虑一个角度的φ相对于表面的法线。T=1/cos2?。
对24个提供材料声学和热响应的实验结果进行统计分析(全因子设计)。
之前对声学数据进行了处理，以获得作为三个频率范围响应的函数的吸收面积:低频[500-2000 Hz]，中频[2000-4000 Hz]和高频[4000-6500 Hz]。
得到所分析阶跃曲线下的面积公式为:
式中(i) AbsorptionFreqi为频率Freqi的吸收值;(ii) Freqi+1为频率Freqi+1的频率值。
在分析范围内，从较低的频率到较高的频率，将得到的每个频率的吸收面积相加。例如，计算整个低频范围的吸收面积:
一旦计算出每个范围的吸收面积，就可以使用因子水平和响应(声学和热)应用方差分析模型。ANOVA模型是使用以下因素的线性模型:
其中n取决于层次和因子的数量。
在这项研究中，我们考虑了5%的显著性水平来决定是否拒绝原假设。对模型各系数进行假设检验如下:
H0: βi=0(即该变量不影响响应)。
H1: βi≠0(即该变量以统计显著的方式影响反应)。
摘要
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材料与方法
结果与讨论
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热导率随密度变化的实验数据和数值模拟结果如图3所示。实验结果表明，样品22(粒径为5 ~ 7 mm，厚度为30 mm)和样品12(粒径为2 ~ 3 mm，厚度为30 mm)的导热系数最高(0.170 ~ 0.189 W/mK)。图中还显示了孔隙率对导热系数的影响。对于每种类型的样品，较高的密度(较低的孔隙率)与较高的导热系数有关。对比不同模型的实验值，从孔隙率的影响来看，实验数据与Lewis-Nielsen模型的一致性高于其他情况。相比之下，并联和串联模型清楚地预测了孔隙度对导热系数的影响，这在实验数据中没有观察到。Lewis Nielsen模型得到的结果与实验平均值的偏差小于3%，表明数值分析具有较高的可靠性。
图3
根据模型分析热导率作为密度的函数(与多孔率有关)。样品11:大小颗粒2-3毫米，厚度20毫米;样品12:大小颗粒2-3毫米，厚度30毫米;样品21:粒径颗粒5 - 7mm，厚度20mm;样品22:粒径为5 - 7mm，厚度为30mm
厚度对导热系数的影响见表1。厚度是影响最大的参数，30mm的厚度比20mm的厚度定义值高43%。颗粒大小和席的存在有相对的影响(分别为6%和3%)。如前所述，密度是一个重要的参数，标记为A的样品表示高密度(低孔隙率)，具有较高的导热系数。
表1热co的实验值样品的电导率
表2显示了导热系数的统计分析值，其中正系数以蓝色标记，表示这些因素(粒径为5 - 7mm，厚度为30mm)达到了水平，响应会增加。灰框颜色表示负系数，当达到该因子的水平时，响应会减小(成反比关系)。截距表示实验在所有因素(例如:粒径1，厚度1，密度B，垫N)中均处于较低水平时的响应值。
表2导热系数数值统计分析
从统计值来看，厚度是影响最大的参数，粒径的影响较小。中低密度和垫的存在降低了响应。虽然高密度意味着更高的热导率，但GTR/PUR/空气样品由于其相对较低的原子密度、弱相互作用或化学键、复杂的晶体结构以及分子振动的高度非调和性而表现出较低的热导率[26]。为了提供参考值，一些聚合物的典型导热系数值从环氧树脂的0.16 W/mK到HDPE的0.58 W/mK不等。
与其他从废料中获得的复合材料(如稻壳0.07 W/mK，软木0.055 W/mK，咖啡糠样品0.076 W/mK)相比[27]，由于易于生产，重量轻，成本低，GTR/PUR/air样品是几种应用(如土木工程，电气等)有趣的绝缘材料，并为报废轮胎的再利用提供了解决方案。
根据方法的详细说明，频率范围被分为3组:低频(500-2000赫兹)，中频(2000-4000赫兹)和高频(4000-6500赫兹)。表3显示了不同样本的平均值作为这些频率范围的函数。
表3不同样品吸声平均值随频率范围的变化
在整个频率范围内吸声值较高的样品为21BS(粒径5 - 7mm，厚度20mm，低密度带垫)、22BS(粒径5 - 7mm，厚度30mm，低密度带垫)、11BS(粒径2 - 3mm，厚度20mm，低密度带垫)和12BS(粒径5 - 7mm，厚度30mm，低密度带垫)。根据这些结果，高吸声的共同特征是低密度和样品内部垫的存在。虽然厚度不能低估，但在整个频率范围内，粒径和厚度对吸收的影响很小。尤其是颗粒大小似乎完全没有影响。所得结果与Asdrubali等人[28]的研究一致，他们发现颗粒状材料的压实(密度的增加)对声音的吸附有负面影响。正如可以预料的那样，压实的颗粒状材料吸收较少。当密度降低时，随着微孔隙率的增加，空气被包含在颗粒状橡胶的间隙内，传导相从固体到空气的不断变化是声能耗散的原因[28]。
在特定的频率范围内分析样品，可以观察到不同的行为。在低频率下，低密度(B)和厚度为30 mm(2)的垫子存在的样品，其中粒度影响较小，呈现出最显著的值。12BS样品吸声值最高，为0.676，与21BS样品吸声值0.671非常接近。低频时得到的结果与Pfretzschner等人[29]的研究结果相似，Pfretzschner等人报道，当厚度增加一倍时，吸声值增加一个八度，小粒径的吸声系数增加。我们的结果表明，在我们的情况下，粒径的影响是可以忽略不计的。
颗粒状材料，如我们的材料，厚度越大效果越好。如前所述，这是因为吸声取决于材料的固有特性，孔隙率，流动电阻率和弯曲度。Swift等报道，流动电阻率高的材料在厚度越大吸收值越大[14]。
虽然颗粒大小几乎没有影响，但在较低的频率下，它显示出一定的影响。当颗粒尺寸较小时，由于颗粒的压实，孔隙率减小，增加了气流电阻率和弯曲度，这些参数在低频时影响更大，因此在这些频率处的吸声性能得到改善。这一结果与Segura等人[30]的研究结果一致。Segura等人认为，粒径较小的材料具有较低的比声阻抗，并且比声阻抗与材料吸收系数成反比关系，因此具有较好的吸声效果。
中频的吸声分析表明，与低频观察到的行为相反，厚度为20mm的样品比厚度为30mm的样品表现出更好的平均值。在高频范围内，其行为与低频相似，厚度越大吸声越多。Swift等[14]认为，当声路长度增加时，粘热效应成为多孔试样吸声的主要机制。另一个可能影响这些结果的参数是粘合剂的作用，它可能使流动电阻率增加10倍。
图4、5、6、7显示了分析样品的比较吸声系数谱。在所有的图中都观察到两种类型的光谱，一种对应于低密度和中等密度的样品，另一种与高密度样品相关。如前所述，高密度样品的声学性能最差。然而，也可以观察到垫的存在如何将吸声系数值转移到较低的频率范围。这是因为垫子的纤维结构定义了一个非球形的不规则孔径，有利于低频处的声吸收，在低频处，波的不对称传播导致吸收更多的声能，然后，通过样品传递的能量减少[31]。
图4
粒径为5 - 7mm、厚度为30mm的样品在不同密度和有无垫的情况下的吸声系数谱比较(样品代码:XYZW X:粒径1:2 - 3 mm;2: 5 - 7mm;Y:厚度1:20 mm;2: 30毫米,Z: (d=0.95克/立方厘米),M (d=0.80克/立方厘米),B (d=0.65克/立方厘米),W:年代,垫;N，没有垫子。)
图5
粒径为5 ~ 7 mm、厚度为20 mm的样品在不同密度和有无垫的情况下的吸声系数谱比较
图6
粒径为2 ~ 3 mm、厚度为20 mm的样品在不同密度和有无垫的情况下的吸声系数谱比较
图7
粒径为2 ~ 3 mm、厚度为30 mm的样品在不同密度和有无垫的情况下的吸声系数谱比较
表4给出了应用于500至2000 Hz(低频)频率范围的线性模型的系数值的统计分析。定义线性模型的系数低于显著性水平(5%)的因素已被考虑。
表4 500 ~ 2000hz(低频)频率范围内各系数的统计分析
结果表明，厚度从1级(20 mm)增加到2级(30 mm)，吸收提高了0.115。从低(B)到中(M)，吸光度降低0.0508;从低(B)到高(A)，吸光度降低0.243。当样品中含有mat时，在不考虑相互作用的情况下，吸收增加了0.229。相互作用允许两个因素的组合来检验它们的价值。分析密度与垫层(即11BS)的相互作用，根据线性模型(吸声(0.584)=0.355 + 0.115·0?0.0508·0?0.243·0 + 0.229·1?0.214·0?0.275·0)的吸声值为0.584，与11BS的实验值(0.5896)相比，两者的百分比差异仅为1%。相反，在样本11BN中，所有水平都很低，因此截距的值为0.355。如果将线性模型得到的值与实验值11BN(0.2436)进行比较，差异为37%。
模型调整后的r平方系数为0.7042，表明该模型适合分析变量间的关系。模型的p值为7.89·10-5，考虑5%的显著性水平，拒绝原假设。该模型被认为具有统计学意义。
图8显示了密度与垫的相互作用，吸声随所分析因素的水平组合而变化。从图8可以看出，当密度值较低时，吸声量较其他两级有所增加，但在无垫的情况下，模型得到与平均密度相似的响应。对于高密度值和无垫(N)，其响应优于有垫(S)的样品。中密度(M)与垫(S)之间的交互作用无统计学意义，P值为0.07 > 0.05。
图8
密度和垫之间的相互作用
分析中频范围:2000和4000 Hz(表5)，线性模型的系数定义负t值是相关的。这意味着所分析的所有因素都降低了声音吸附。厚度从20毫米增加到30毫米将使吸收减少0.129(不包括相互作用)。将低能级(B)的密度增加到中能级(M)，吸收显著降低0.306;从低密度到高密度(A)，吸收率降低0.484。
表5 2000 ~ 4000 Hz(中频)频率范围内各系数的统计分析
对于2级厚度(30mm)应考虑相互作用，其中对于低密度样品，与厚度为20mm相比，吸声减少了0.129个单位。模型调整后的r平方系数为0.852，说明该模型可以分析变量之间的关系。模型的p值为2.628·10-6，因此考虑5%的显著性水平，拒绝原假设，认为模型具有统计学显著性。
表6显示了在4000至6000 Hz(高频)频率范围内执行的线性模型的系数。分析了定义低于显著性水平(5%)的水平的因素。在这个频率范围内，t值显示厚度的增加提高了声音吸附，而密度的增加降低了声音吸附。
表6 4000 ~ 6000hz(高频)频率范围内各系数的统计分析
计算了系数R平方，其值为0.6878，表明该模型是描述响应变量的良好模型。根据该回归模型和高频p值参数，厚度对声音吸附结果有影响，p值为0.0112，密度对声音吸附影响较大，p值为1.89·10-6。
从实验结果和统计研究中可以得出结论，所分析的参数(粒度、厚度、密度和垫的存在)在不同的频率范围内以不同的方式影响。
最全面的影响参数是密度，对于所有频率范围，低密度的样本给出了最好的结果。高的厚度和垫层改善了高频和低频的响应，保留了中频的吸声。粒径是对声学性能影响较小的参数。
使用GTR作为隔热和隔音材料，只需最少的处理，只需使用适当的粘合剂，就可以为回收报废轮胎提供一种新的方法，包括纤维，这些纤维很少被认为是回收的候选材料。
与其他模型相比，Lewis-Nielsen模型对热导率的实验结果更准确，偏差小于3%。
在导热系数方面，统计和实验研究表明:厚度较大的样品(30mm的样品优于20mm的样品)具有较高的导热系数;粒径大(5 - 7mm优于2 - 3mm);没有亚光和高密度，由于这些样品呈现较少的孔隙率。
在吸声方面，统计和实验研究表明，吸声值较高的样品有:低密度的样品、含垫的样品、较厚(30mm)的样品。对吸声影响较小的参数是GTR的粒径。
根据这两个结果，具有以下特征的材料可以获得良好的隔热性能(高吸声和低导热性):低密度，多孔隙;其中包括mat;和厚。然而，在某些应用中，厚度可能会受到损害，这取决于声学或隔热的优先级。虽然效果较低，但可以注意到小颗粒尺寸比大颗粒尺寸更可取。
下载原文档：https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s10163-023-01778-6.pdf
