既有GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻隔聲性能提升實驗研究

張九紅，周文濤，李 楓，馬鳴霄

(1.東北大學(xué) 江河建筑學(xué)院，遼寧 沈陽 110169；2.中國建筑標(biāo)準設(shè)計研究院，北京 100048；3.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

隨著人們生活質(zhì)量的提高和綠色建筑的發(fā)展，人們對建筑材料和構(gòu)造技術(shù)的要求也越來越高.輕質(zhì)隔墻因其具有自重輕，可加工性好，能夠減少現(xiàn)場濕作業(yè)，施工速度快，總造價低等優(yōu)勢，市場需求持續(xù)上升.然而輕質(zhì)隔墻由于面密度較小，其隔聲效果較差，影響使用者的生活品質(zhì)[1].GRC(glass fiber reinforced cement)多孔條板輕質(zhì)隔墻以其自身的優(yōu)越性能在建筑中得到了廣泛的應(yīng)用[2]，但GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻隔聲性能較差，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代健康建筑的高標(biāo)準要求.因此本文以既有建筑中的GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻為研究對象，采用實驗室測試法對其隔聲性能進行分析，提出GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻隔聲性能綜合提升構(gòu)造設(shè)計方案[3]，最終改善建筑室內(nèi)聲環(huán)境.

1 GRC多孔條板隔墻測試與分析

1.1 GRC多孔條板特性

GRC多孔條板是以玻璃纖維類材料、粉煤灰和低堿度水泥等為原材料預(yù)制的輕質(zhì)多孔條板，具有防火、質(zhì)量輕等優(yōu)點，在建筑中得到了大量的應(yīng)用.GRC多孔條板的物理性能如表 1所示.

表1 GRC多孔條板物理性能參數(shù)

通過物理性能參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，目前既有建筑中常用的90 mm厚的GRC多孔條板隔聲量僅能滿足板材最低隔聲量35 dB的要求，因此對其進行隔聲性能提升是必要的.

1.2 GRC多孔條板隔墻隔聲測試

實驗采用實驗室隔聲測試法進行.通過調(diào)研，既有建筑中常用的GRC多孔條板的尺寸為2 400 mm×600 mm×90 mm，選取其作為本實驗的測試對象.

1.2.1 實驗方法

對GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻進行實驗，采用聲學(xué)分析儀、無指向聲源及功率放大器等設(shè)備.依據(jù)國家標(biāo)準《聲學(xué) 建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量》(GB/T19889.3—2005/ISO 140-3:1995)中的要求，隔聲測試墻體面積10 m2，本研究選取7塊GRC多孔條板，用水泥砂漿對墻板密縫，并進行雙面各10 mm厚抹灰處理，避免因板縫透聲影響隔聲測試.

本次測試儀器布置點位如圖 1所示.發(fā)聲室內(nèi)聲源距離地面1.5 m，與測試構(gòu)件距離2.0 m，傳感器與聲源距離1.0 m，與測試構(gòu)件距離1.5 m；受聲室內(nèi)均勻布置5個傳聲器測試點位，每個測試點距離測試構(gòu)件大于1 m，傳聲器之間間隔0.7 m.

圖1 測試點位布置

1.2.2 測試數(shù)據(jù)

依據(jù)隔聲測量標(biāo)準，采用中斷聲源法對2個聲源位置分別進行測試，每個測試點位進行3次以上的測量，并對每個聲源位置相同測試點的數(shù)據(jù)取平均值進行記錄.且測試時受聲室內(nèi)所有頻帶上的聲壓級都應(yīng)高于本底噪聲15 dB，以此來確保測試結(jié)果不受外部噪聲干擾.

測試結(jié)果如表 2、圖 2所示.GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻的計權(quán)隔聲量Rw為43 dB，滿足《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》(GB/T50118—2010)中規(guī)定的各類建筑主要房間隔墻隔聲量低限標(biāo)準值，但不能滿足高標(biāo)準要求.因此有必要對既有建筑中GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻進行隔聲性能改善.

表2 GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻隔聲量

圖2 GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻隔聲特性曲線

1.3 GRC多孔條板隔聲性能分析

1)GRC多孔條板隔墻實驗測試隔聲量43 dB，而文獻《建筑吸聲材料與隔聲材料》(第二版)顯示其隔聲量應(yīng)大于35 dB，數(shù)據(jù)相差較大.主要原因是本實驗采用高密度水泥砂漿對測試構(gòu)件進行抹灰和密縫處理，提高了測試構(gòu)件的面密度，依據(jù)質(zhì)量定律，提升了測試構(gòu)件的隔聲性能[4].

2)實驗表明：GRC多孔條板的隔聲量低谷出現(xiàn)在勁度控制區(qū)100 Hz附近，其整體隔聲特性曲線均符合輕質(zhì)隔墻隔聲特征[5].針對人耳的聽覺響應(yīng)特性，應(yīng)使隔墻低谷區(qū)向更低的頻段移動，以避免低谷帶來的不利影響[6-7].

2 隔聲性能提升設(shè)計方案

隔聲構(gòu)件通過阻斷聲音傳播途徑，達到隔聲效果.根據(jù)隔聲基本理論，提高輕質(zhì)隔墻的質(zhì)量、厚度以及面密度均能夠提高輕質(zhì)隔墻的隔聲性能[8].常見的提升方式有雙層墻隔聲構(gòu)造和復(fù)合隔聲構(gòu)造兩種方式，雙層墻隔聲構(gòu)造主要依據(jù)質(zhì)量定律，而復(fù)合隔聲構(gòu)造綜合運用聲學(xué)理論，因此隔聲手段更加靈活優(yōu)越.

2.1 雙層墻隔聲構(gòu)造

聲音傳播穿過不同的介質(zhì)表面均發(fā)生反射、吸收和透射，所以可以通過改變聲音傳播途徑中的介質(zhì)類型來削弱聲能.研究表明:內(nèi)置空氣層有利于提升構(gòu)件隔聲性能，當(dāng)聲波傳播到第一層板材時，引起板材振動，內(nèi)置空氣層可以作為彈性緩沖消耗部分聲能，通過空氣間層的其他聲能到達第二層板材表面時會再次進行反射，最終透過雙層構(gòu)件到達另一個空間的聲能會產(chǎn)生大量的衰減.

目前常用60 mm厚GRC雙層多孔條板，其中填充50 mm厚巖棉，兩側(cè)各20 mm厚水泥砂漿抹灰，墻體總厚度210 mm，如圖 3所示.該種構(gòu)件計權(quán)隔聲量達到55 dB，提升了墻體隔聲量，但該種方法適用于新建建筑，對于既有建筑改造較繁雜，不方便施工.為了更好地改造既有GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻隔聲性能，本文以常用復(fù)合隔聲構(gòu)造為基礎(chǔ)，對材料、構(gòu)造進行多方面的理論分析，使其達到最佳的隔聲效果[9].

圖3 雙層墻隔聲構(gòu)造節(jié)點(單位：mm)

2.2 復(fù)合隔聲構(gòu)造材料選擇

2.2.1 隔聲材料

薄板材質(zhì)輕、密度高、便于運輸和施工，因此適應(yīng)范圍較廣.常用的復(fù)合隔聲構(gòu)造中采用的薄板板材有石膏板、水泥壓力板以及硅酸鈣板等.比較分析3種材料物理性能，發(fā)現(xiàn)其中石膏板易潮濕易變形[10]；水泥壓力板現(xiàn)場加工復(fù)雜，且自重大；硅酸鈣板本身穩(wěn)定性良好，適用的建筑更廣泛.

人耳對聲音最敏感的頻率范圍在100～3 150 Hz.針對3種材料的隔聲特性，石膏板、硅酸鈣板和水泥壓力板的臨界頻率分別為3 500，4 000，3 300 Hz，均超過了人體感知最敏感聲音頻率范圍，尤其是硅酸鈣板臨界頻率更高.而薄板在臨界頻率處易發(fā)生吻合效應(yīng)，出現(xiàn)隔聲量下降的吻合谷.通過上述分析，選擇硅酸鈣板作為隔聲構(gòu)造的面層材料.為提升隔聲構(gòu)件的面密度，選用質(zhì)量密度為1 000 kg/m3的高密度硅酸鈣板做隔聲材料[11].

2.2.2 吸聲材料

常見的吸聲材料中，無機纖維材料具有自重輕、性能穩(wěn)定、防火等優(yōu)點，與其他有機纖維材料相比，更經(jīng)濟、耐用和節(jié)能.巖棉和玻璃纖維棉作為無機纖維材料，吸聲性能良好，且?guī)r棉保溫性能較好，但玻璃纖維棉造價較高，因此巖棉作為一種多用途的建筑多孔材料，性價比更高，符合建筑低碳發(fā)展的需求.

2.3 復(fù)合隔聲構(gòu)造提升設(shè)計

常用的復(fù)合隔聲構(gòu)造多數(shù)源于工程實踐總結(jié)[12-13]，對構(gòu)造本身理論分析不足.文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，關(guān)于復(fù)合構(gòu)造中空氣層厚度、材料的布置[14]，以及板材的要求等規(guī)定較少，因此本文對復(fù)合隔聲構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計主要從以上幾方面展開[15-16].

2.3.1 空氣層厚度分析

如圖 4所示，附加隔聲量隨空氣層厚度的增大呈現(xiàn)遞增趨勢[5].空氣層厚度不足100 mm時，附加隔聲量的增加趨勢顯著；而空氣層厚度大于100 mm時，附加隔聲量增幅下降，因此將空氣層厚度設(shè)定在100 mm以下.根據(jù)隔聲性和經(jīng)濟性考慮，結(jié)合常用龍骨尺寸，將空腔厚度設(shè)定在75 mm.

圖4 空氣層與附加隔聲量關(guān)系

2.3.2 吸聲材料厚度與位置

在雙層構(gòu)件的空腔中填充巖棉等多孔材料，可以增加聲能吸收；當(dāng)多孔吸聲材料充滿整個空腔時，會對兩側(cè)板材同時產(chǎn)生壓力，減少材料共振引起的隔聲量下降，進而增加隔墻全頻段的隔聲量.但填充材料的增加也提高了構(gòu)件的整體造價，所以考慮空腔中部分填充多孔吸聲材料[6].通過分析多孔材料和空氣的吸聲性能，選擇75 mm厚空腔中填充50 mm厚多孔材料，留有25 mm厚空氣間層.

墻體隔聲性能還與巖棉等多孔吸聲材料的布置有關(guān).研究表明：吸聲材料放置在緊鄰輕質(zhì)隔墻的一側(cè)，可以提升隔聲構(gòu)件的中高頻段隔聲量，此時吸聲材料貼實隔墻，兼具減振和吸聲雙重作用[6].

2.3.3 復(fù)合隔聲構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計

通過分析，結(jié)合常用的隔聲與吸聲材料，面板選擇硅酸鈣板材料，用金屬龍骨將薄板進行連接，并在內(nèi)部填充常用吸聲材料巖棉[17].

如圖 5所示，經(jīng)過論證，在復(fù)合隔聲構(gòu)造提升設(shè)計中，采用硅酸鈣板(厚8 mm)、巖棉板(厚50 mm)、輕鋼龍骨(寬75 mm)等材料.兩側(cè)的硅酸鈣板以輕鋼龍骨固定和連接，同時空腔內(nèi)緊鄰基層隔墻一側(cè)設(shè)置巖棉板.為避免板材與輕鋼龍骨之間的剛性連接形成“聲橋”，在龍骨與墻板連接處增加彈性橡膠墊.

圖5 復(fù)合隔聲構(gòu)造節(jié)點(單位：mm)

通過理論分析，初步認定復(fù)合隔聲構(gòu)件對GRC多孔條板隔墻隔聲性能提升具有可行性.因此采用實驗室隔聲測試法，對其進行實驗測試驗證.

3 隔聲性能提升實驗測試與分析

3.1 硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件實驗測試

1)GRC多孔條板附加雙層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件.以原有單層GRC多孔條板為基礎(chǔ)，增加硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件.兩側(cè)面板由輕鋼龍骨連接，內(nèi)側(cè)面板安裝到基層墻板上，外側(cè)面板用水泥砂漿進行抹灰處理.在龍骨內(nèi)部形成75 mm厚空腔，其中填充50 mm厚的巖棉板，并且在每個剛性連接點處加鋪彈性橡膠墊，以減小剛性連接引起的固體傳聲.測試數(shù)據(jù)如表 3所示，隔聲特性曲線如圖 6所示.

圖6 雙層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件隔聲特性曲線及構(gòu)造節(jié)點(單位：mm)

表3 雙層硅酸鈣板隔聲構(gòu)件隔聲量

2)GRC多孔條板附加三層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件.在雙層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件外再增加一層硅酸鈣板，隔墻厚度增加8 mm，計權(quán)隔聲量增加至53 dB.實驗數(shù)據(jù)如表 4所示，隔聲特性曲線如圖 7所示.

圖7 三層硅酸鈣板隔聲構(gòu)件隔聲特性曲線及構(gòu)造節(jié)點(單位：mm)

表4 三層硅酸鈣板隔聲構(gòu)件隔聲量

3)隔聲方案分析.實驗證明，雙層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件：原有90 mm GRC多孔條板(雙面抹灰各10 mm)+8 mm硅酸鈣板+75 mm空腔(內(nèi)50 mm厚巖棉)+8 mm硅酸鈣板，厚度為201 mm，計權(quán)隔聲量增加至51 dB.三層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件：在雙層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件外，再增加一層硅酸鈣板，其厚度增加為209 mm，計權(quán)隔聲量增加至53 dB.

如圖8所示，3種隔聲構(gòu)造通過數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，中低頻率范圍內(nèi)，GRC多孔條板附加雙層或三層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件，隔聲量基本相近；頻率超過1 000 Hz以后GRC多孔條板附加三層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件隔聲量有所提升.綜上，硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)件對GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻隔聲性能提升效果較好.

圖8 三種隔聲構(gòu)造隔聲特性對比

結(jié)合隔聲原理分析，三者隔聲效果不同的原因與隔墻的面密度、空氣間層的彈簧減振作用和巖棉的吸收作用有關(guān).通過墻體構(gòu)造面密度比較：GRC多孔條板附加三層硅酸鈣板>GRC多孔條板附加雙層硅酸鈣板>GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻，增加板材數(shù)量可以提高隔墻面密度，同時提升了整個墻體隔聲性能；其次，附加構(gòu)件空氣間層相當(dāng)于“緩沖墊”，具有減振作用，削弱了板材的振動，增加了墻體的整體隔聲量；最后，部分聲能也會通過巖棉多孔材料內(nèi)部的空氣黏滯力以及摩擦力的作用轉(zhuǎn)化為熱能，有效提高了隔墻的全頻段隔聲性能.

4 結(jié) 論

1)把常用的GRC多孔條板雙層墻與GRC多孔條板附加復(fù)合隔聲構(gòu)件隔墻兩種構(gòu)造方式隔聲性能進行對比，并針對GRC多孔條板附加雙層和三層硅酸鈣板復(fù)合隔聲構(gòu)造隔墻進行隔聲理論分析和實驗測試驗證，隔聲量相近時復(fù)合隔聲構(gòu)造對于既有建筑GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻隔聲性能提升更有利.

2)通過對復(fù)合隔聲構(gòu)造中聲學(xué)材料物理性能以及帶有空氣間層的復(fù)合構(gòu)造特征等方面進行系統(tǒng)分析，復(fù)合隔聲構(gòu)造比雙層墻隔聲構(gòu)造方案在施工改造方面更便捷.同時復(fù)合隔聲構(gòu)造也可以為預(yù)制裝配化隔聲墻板設(shè)計提供思路，符合低碳環(huán)保的目標(biāo).

3)既有建筑中GRC多孔條板輕質(zhì)隔墻隔聲性能提升設(shè)計技術(shù)，也可以應(yīng)用到其他新建輕質(zhì)隔墻的隔聲設(shè)計與改進中.為我國制定相關(guān)的墻體隔聲方面的行業(yè)標(biāo)準提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)參考.