住宅浮筑樓板撞擊聲改善量試驗(yàn)

王軍強(qiáng)

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同和創(chuàng)新中心，江蘇徐州221116)

0 引 言

結(jié)構(gòu)傳聲與振動(dòng)是建筑聲學(xué)中最關(guān)鍵的問題之一，住宅中樓板聲學(xué)性能的好壞會(huì)影響到居住者的隱私和健康。住宅樓板的聲學(xué)性能包括空氣聲隔聲性能和結(jié)構(gòu)隔聲性能，使用或居住活動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)，如設(shè)備運(yùn)行噪聲、洗浴生活用水產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)、樓上的腳步聲、拖動(dòng)桌椅等產(chǎn)生的摩擦噪聲、家用電器運(yùn)行噪聲等，都會(huì)通過空氣傳聲或結(jié)構(gòu)傳聲的途徑影響鄰近建筑，給人們生活工作帶來困擾?！堵暛h(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096)規(guī)定了環(huán)境噪聲的最大允許限值，《住宅性能評(píng)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50362—2005)、《民用建筑綠色設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T229—2010)、《健康住宅建設(shè)技術(shù)規(guī)程》(CECS 179—2009)規(guī)定了建筑墻體、樓板、門窗等的聲學(xué)性能要求?！睹裼媒ㄖ袈曉O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50118—2010)、《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50096—2011)中更是規(guī)定了高要求住宅分戶樓板[1-2]，要求包括臥室、起居室(廳)分戶樓板計(jì)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化撞擊聲壓標(biāo)準(zhǔn)值≤65 dB，空氣聲計(jì)權(quán)隔聲量加粉紅噪聲頻譜修正量≥50 dB。住宅結(jié)構(gòu)樓面多采用鋼筋混凝土樓板，樓板結(jié)構(gòu)厚度一般在100～150 mm之間的居多，《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》中的國內(nèi)住宅現(xiàn)場(chǎng)隔聲測(cè)量調(diào)查結(jié)果表明，樓板撞擊聲壓級(jí)通常在80 dB左右，不能滿足住宅設(shè)計(jì)規(guī)范、健康住宅建設(shè)技術(shù)規(guī)程、建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等的取值要求。要達(dá)到高要求住宅分戶樓板的撞擊聲壓級(jí)≤65dB，樓板撞擊聲改善量ΔL≥15dB，因此在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)重視樓板撞擊聲壓的改善問題研究。

采用浮筑樓板做法，將彈性減振材料應(yīng)用在樓板隔聲中，對(duì)于改善樓板撞擊聲壓級(jí)有積極意義。國內(nèi)外以合成氈、聚合物化合物、橡膠合成物、礦物和羊毛合成氈等作為彈性減振材料[3-5]，構(gòu)筑形成浮筑樓板，分析其對(duì)樓板撞擊聲壓級(jí)的影響。如在理論上，將浮筑樓板作為質(zhì)量彈簧體系，那么彈性材料的動(dòng)態(tài)剛度和頻率變化等性能參數(shù)將會(huì)影響其結(jié)構(gòu)傳聲的效果。但目前對(duì)于彈性減振材料的選擇、彈性減振材料的性能參數(shù)研究，特別是彈性減振材料在荷載作用下其性能變化規(guī)律[6-7]對(duì)于結(jié)構(gòu)傳聲的影響等方面研究的還不多。本文選擇兩種不同的彈性減振材料，考慮彈性材料在不同荷載大小和持續(xù)作用時(shí)間下的厚度、累計(jì)厚度、動(dòng)態(tài)剛度和頻率等的變化規(guī)律；然后以彈性減振材料加混凝土浮筑面層構(gòu)筑浮筑樓板體系，考慮不同彈性減振材料、不同荷載作用的影響，探討其對(duì)樓板撞擊聲壓級(jí)及其改善量的影響。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)材料

1.1 樓板撞擊聲壓的測(cè)試

結(jié)合ISO 10140-3、EN 12354-2標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，根據(jù)GB/T 19889.7—2005《聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲測(cè)量第7部分：樓板撞擊聲隔聲的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量》[10]、《聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲測(cè)量—第14部分特殊現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量導(dǎo)則》(GB/T 19889.14—2010)[11]進(jìn)行測(cè)試。以基層重質(zhì)裸樓板(即鋼筋混凝土樓板)為參照體，測(cè)試時(shí)固定傳聲器和撞擊器的位置、數(shù)量應(yīng)符合要求。將四個(gè)傳聲器均勻分布在實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)空間內(nèi)。撞擊器隨機(jī)分布，放置在被測(cè)樓板上四個(gè)不同的位置，撞擊器的位置與樓板邊界之間的距離應(yīng)不小于0.5 m，測(cè)試樓板聲學(xué)性能參數(shù)，包括撞擊聲壓級(jí)L和撞擊聲壓改善量ΔL。

1.2 彈性減振材料性能參數(shù)測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS EN12431： 2013的規(guī)定[12]：在測(cè)試樣品的表面上施加不同的荷載，測(cè)試試樣在荷載作用下的變形。試件為正方形，截面邊長為200 mm×200 mm，加工允許偏差為±1 mm，測(cè)試材料不同加載條件下的厚度變化。

根據(jù)ISO 9052-1標(biāo)準(zhǔn)[13]，模型為單自由度質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，測(cè)試其動(dòng)態(tài)剛度。動(dòng)態(tài)剛度s'是動(dòng)態(tài)荷載與其作用下位移的比值，根據(jù)式(1)確定：

式中：S為試件面積；F為試樣上垂直作用的荷載；Δd為彈性材料厚度的變形量。

根據(jù)ISO7626-2：2015(EN)標(biāo)準(zhǔn)[14]，采用單點(diǎn)平移激勵(lì)，通過分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，獲得其共振頻率參數(shù)。通過使用正弦、白噪聲或脈沖信號(hào)，可以測(cè)試垂直振動(dòng)作用下試樣和負(fù)載板的共振頻率fr。根據(jù)半功率寬帶法，確定材料阻尼比δ：

式中：fH、fL分別為共振頻率fr對(duì)應(yīng)峰值降低3dB所對(duì)應(yīng)的高、低頻率值。

1.3 試驗(yàn)材料

(1) 選擇住宅樓板，為鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板結(jié)構(gòu)，樓板厚度為120 mm。

(2) 彈性減振墊層，彈性墊板采用樣品1(RL1)、樣品2(RL2)，材料厚度、質(zhì)量密度、孔隙特征情況、共振頻率、動(dòng)態(tài)剛度等見表1、表2。

(3) 浮板質(zhì)量層采用帶鋼絲網(wǎng)的細(xì)石混凝土層，厚度為32、80 mm兩種，質(zhì)量密度分別為80、200 kg·m-2。

(4) 成型不小于10 m2的浮筑隔聲樓板，彈性減振層與結(jié)構(gòu)樓板可靠粘結(jié)，其上澆筑細(xì)石混凝土，表面平整規(guī)則，養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試其聲學(xué)性能。

表2給出了試驗(yàn)中采用的彈性材料的相關(guān)性能參數(shù)。試驗(yàn)中測(cè)試了彈性材料在不同加載條件下的厚度變化，特別是測(cè)試2 kN·m-2載荷作用下的厚度。彈性材料選擇需要注意其在荷載作用下的變形，特別是厚度的變形對(duì)動(dòng)態(tài)剛度的影響。

表1 彈性減振材料性能Table 1 The properties of the elastic damping material

2 結(jié)果分析

2.1 彈性減振材料的性能

表1給出了彈性材料RL1和RL2的主要性能參數(shù)和材料基本特征，包括其密度、自然厚度。按照荷載加載制度，表2中給出了不同加載情況時(shí)，樣品在不同荷載作用下的測(cè)試厚度DF、DB。圖1中給出了樣品RL2在2 kN·m-2荷載作用下1～12 d的累計(jì)厚度變化，隨著時(shí)間的增長，彈性材料的變形不斷增加，厚度不斷減小。2d后RL2的變形量達(dá)到其總厚度的35%左右，隨后保持在0.1 mm·d-1左右，8～10 d趨于穩(wěn)定，累計(jì)變形約45%。彈性材料在靜態(tài)荷載作用下的變形，影響其動(dòng)態(tài)剛度和共振頻率，進(jìn)而影響彈性材料在浮筑隔聲樓板中的隔聲性能。因而在隔聲設(shè)計(jì)中，需要注意彈性材料的性能參數(shù)變化及其對(duì)隔聲的影響。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS EN12431： 2013和ISO 9052-1，彈性材料的動(dòng)態(tài)剛度是在200 kg·m-2的荷載測(cè)試條件下取得。

表2 彈性減振材料性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of elastic damping materials

圖1 彈性墊板RL2累計(jì)厚度變化Fig.1 Accumulated thickness change of elastic plate RL2

表3給出了荷載作用下彈性減振材料性能變化，包括加載時(shí)間為2d和12d情況下的共振頻率和動(dòng)態(tài)剛度變化。

表3 荷載作用下彈性材料的性能變化Table 3 Performance change of elastic materials under load

圖2中比較了不同荷載作用與加載時(shí)間下，不同彈性減振材料澆筑形成的浮筑隔聲樓板結(jié)構(gòu)，其共振頻率的變化情況。圖2中的RL1-2 kPa是考慮2 kN·m-2荷載作用，RL1-0.8 kPa是考慮0.8 kN·m-2的荷載作用?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同的荷載，也就是彈性減振材料上作用不同的浮板厚度及荷載，都會(huì)引起浮筑隔聲樓板共振頻率的變化，而頻率的變化，會(huì)造成樓板撞擊聲壓改善量的變化，其原因與荷載作用下材料的厚度變化，進(jìn)而引起材料動(dòng)態(tài)剛度的變化有關(guān)。圖3進(jìn)一步分析了不同彈性減振材料澆筑形成的浮筑隔聲樓板結(jié)構(gòu)在相同荷載作用下，其在不同時(shí)間段的共振頻率變化情況。隨著荷載作用時(shí)間的增加，其共振頻率有變大的趨勢(shì)，其隔聲性能相應(yīng)地下降。試驗(yàn)結(jié)果和圖4中彈性材料動(dòng)態(tài)剛度的變化是一致的，與EN29052-1標(biāo)準(zhǔn)、ISO 10140-3標(biāo)準(zhǔn)以及Cremer等[15]的結(jié)果比較一致，因而在設(shè)計(jì)中如何考慮阻尼變化、動(dòng)態(tài)剛度變化、頻率變化對(duì)撞擊聲壓的影響，還需要做進(jìn)一步的理論與試驗(yàn)分析。

圖2 不同荷載作用、不同加載時(shí)間對(duì)共振頻率的影響Fig.2 The influence of different load and different loading times on resonance frequency

圖3 相同荷載作用下，不同加載時(shí)間彈性墊板的共振頻率變化Fig.3 Resonance frequency variation of elastic plate with loading times for same load

圖4 不同加載時(shí)間對(duì)兩種彈性墊板的動(dòng)態(tài)剛度變化Fig.4 Dynamic stiffness variation of two elastic plates with loading times

2.2 浮筑隔聲樓板的撞擊聲壓改善量

樓板撞擊聲壓級(jí)改善量的測(cè)試，是依次測(cè)試基準(zhǔn)裸樓板的撞擊聲壓級(jí)、鋪裝彈性墊層和浮板質(zhì)量面層后形成浮筑樓板的撞擊聲壓級(jí)，其差值為樓板撞擊聲壓級(jí)改善量?L(dB)，試驗(yàn)結(jié)果見圖5和圖6。圖5(a)、6(a)中的柱狀圖是不同頻率下的撞擊聲隔聲單值評(píng)價(jià)量，圖5(b)、6(b)中4條曲線圖分別對(duì)應(yīng)2 d和12 d以及不同荷載0.8 KN·m-2和2 KN·m-2作用下在50～5 000 Hz頻譜范圍的撞擊聲壓級(jí)改善量，如RL1-0.8 kPa-2 d和RL1-0.8 kPa-12 d分別代表樣品RL1在0.8 KN·m-2荷載作用2d和12d下的測(cè)量值，RL1-2 kPa-2 d和RL1-2 kPa-12 d分別代表樣品RL1在2 KN·m-2荷載作用下2 d和12 d的測(cè)量值。圖5、6中的結(jié)果表明，樓板撞擊聲壓改善量與彈性材料的頻率和樓板浮筑層的質(zhì)量密切相關(guān)，對(duì)于由樣品RL1制作的浮筑隔聲樓板體系，共振頻率在69.8～145.3 Hz變化，其撞擊聲壓改善量相應(yīng)的變化范圍為 18.7～23.6 dB，共振頻率變化幅度達(dá)到51%，撞擊聲壓改善量降低幅度達(dá)到27%；對(duì)于由樣品RL2制作的浮筑隔聲樓板體系，共振頻率在137.7～254.8 Hz變化，其撞擊聲壓改善量相應(yīng)的變化范圍為11.1～17.3 dB，共振頻率變化幅度達(dá)到46%，撞擊聲壓改善量降低幅度達(dá)到35%。結(jié)果是在荷載的作用下，兩種材料的撞擊聲壓改善量都出現(xiàn)了降低的趨勢(shì)，聚氨酯泡沫板的降低幅度明顯大于發(fā)泡橡膠減振墊板。

圖5 RL1撞擊聲壓改善量隨頻率的變化Fig.5 Variation of the improvement index of impact sound pressure reduction with frequency for RL1

圖6 RL2撞擊聲壓改善量隨頻率的變化Fig.6 Variation of the improvement index of impact sound pressure reduction with frequency for RL2

彈性減振材料的性能參數(shù)與荷載大小、荷載持續(xù)作用時(shí)間等有關(guān)。隨著荷載增大、荷載作用時(shí)間增加，兩種彈性墊層性材料的累計(jì)厚度變形增大，動(dòng)態(tài)剛度增大。樣品RL1和樣品RL2在不同厚度浮筑面層形成的浮筑隔聲樓板，其樓板撞擊聲壓級(jí)和撞擊聲壓級(jí)改善量不同，RL1形成的浮筑隔聲樓板，其撞擊聲壓改善量要比RL2形成的浮筑隔聲樓板效果好，說明彈性墊層性能參數(shù)變化對(duì)樓板撞擊聲壓級(jí)有重要影響。

結(jié)合已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)澆梁板式四邊支撐樓板，厚度為120 mm，樓板質(zhì)量密度為300 kg·m-2，樓板撞擊聲壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為80 dB，要達(dá)到“AAA”高要求住宅的隔聲要求(≤65 dB)，還相差15 dB。若采用聚氨酯泡沫板浮筑隔聲樓板體系，浮筑層質(zhì)量密度為250 kg·m-2，考慮荷載作用下的變形，其樓板撞擊聲壓改善量為10.3 dB；浮筑層質(zhì)量密度為80 kg·m-2，其樓板撞擊聲壓改善量為13.7 dB；浮筑層質(zhì)量密度為150 kg·m-2，其樓板撞擊聲壓改善量為17.3 dB；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的樓板撞擊聲壓最大改善量出現(xiàn)在接近系統(tǒng)共振頻率的0.91倍頻率位置附近。同樣，對(duì)于發(fā)泡橡膠減振墊板制作的浮筑隔聲樓板體系，浮筑層質(zhì)量密度為80～250 kg·m-2，其樓板撞擊聲壓改善量為16.1～23.7 dB，最佳改善量出現(xiàn)在浮筑層質(zhì)量密度為138 kg·m-2時(shí)，接近系統(tǒng)共振頻率的0.94倍頻率位置。兩種材料的最佳隔聲量，都是出現(xiàn)在系統(tǒng)共振頻率的0.91～0.95之間，這也許與材料在荷載作用下的長期變形有關(guān)，由于材料變形，實(shí)際剛度發(fā)生變化，其耗能的指標(biāo)在降低，進(jìn)而影響其隔聲減振能力，這和彈性減振材料在荷載作用下累積變形增大和動(dòng)態(tài)剛度增大的規(guī)律相一致。同樣的結(jié)構(gòu)樓板，采用不同的彈性減振材料和不同的浮筑質(zhì)量層密度，其樓板撞擊聲壓級(jí)離散較大，這一方面是由于彈性減振材料的動(dòng)態(tài)剛度、阻尼比和材料頻率等性能參數(shù)存在差異，另一方面是由于樓板結(jié)構(gòu)層、彈性減振層、浮筑面層形成的浮筑樓板隔聲體系的共振頻率不同造成的。

3 結(jié) 論

本文分析了彈性減振材料在荷載作用下不同時(shí)期的厚度變化及變化規(guī)律；以單自由度質(zhì)量彈簧系統(tǒng)為模型，測(cè)試其動(dòng)態(tài)剛度；采用單點(diǎn)平移激勵(lì)，通過分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，獲得其共振頻率參數(shù)。彈性減振材料在荷載的持續(xù)作用下，其厚度降低，累計(jì)變形量和動(dòng)態(tài)剛度變大，其性能參數(shù)的變化規(guī)律為浮筑隔聲樓板隔聲指標(biāo)研究提供了依據(jù)。

(1) 聚氨酯泡沫板在荷載作用下的累計(jì)厚度變化，2 d的變形量達(dá)到其總厚度的35%左右，8～10 d趨于穩(wěn)定，累計(jì)變形達(dá)到45%左右。

(2) 發(fā)泡橡膠減振墊板制作的浮筑隔聲樓板體系，頻率在69.8～145.3 Hz變化，頻率變化51%，其撞擊聲改善量為18.7～23.6 dB，撞擊聲壓改善量降低幅度達(dá)到27%，對(duì)應(yīng)浮板質(zhì)量密度為138 kg·m-2。

(3) 聚氨酯泡沫板制作的浮筑隔聲樓板體系，頻率在137.7～254.8 Hz變化，頻率變化46%，其撞擊聲壓改善量為11.1～17.3 dB，撞擊聲壓改善量降低幅度達(dá)到35%。

(4) 聚氨酯泡沫板厚度比發(fā)泡減振墊板的厚度厚約1倍，但其隔聲減振性能卻較低，可見將保溫板用作隔聲板，其隔聲減振性能并不能達(dá)到預(yù)期的效果。

樓板隔聲設(shè)計(jì)施工中，浮筑隔聲樓板體系的隔聲效果與彈性材料的性能、浮板質(zhì)量層有關(guān)，特別是與彈性材料在荷載下的厚度變化、動(dòng)態(tài)剛度、頻率變化有關(guān)。然而，在設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)，有關(guān)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)中，特別是樓板隔聲降噪的設(shè)計(jì)往往不被重視，有關(guān)彈性材料在浮筑隔聲樓板中的應(yīng)用還不多見，工程設(shè)計(jì)人員在彈性材料的選型、性能參數(shù)的取舍以及彈性材料對(duì)樓板撞擊聲壓的影響還不是很了解，在今后還需要積極探索研究彈性減振材料的動(dòng)態(tài)剛度、頻率等變化對(duì)樓板撞擊聲壓級(jí)的影響。建議在后續(xù)的浮筑隔聲樓板體系研究中，應(yīng)進(jìn)一步考慮彈性材料的密度、厚度、剛度、頻率、荷載下的長期變形及阻尼比等，以期為確定浮筑隔聲樓板體系最佳隔聲量提供依據(jù)和參考。