既有GRC多孔條板輕質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 江河建筑學院，遼寧 沈陽 110169；2.中國建筑標準設計研究院，北京 100048；3.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

隨著人們生活質量的提高和綠色建筑的發展，人們對建筑材料和構造技術的要求也越來越高.輕質隔墻因其具有自重輕，可加工性好，能夠減少現場濕作業，施工速度快，總造價低等優勢，市場需求持續上升.然而輕質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[1].GRC(glass fiber reinforced cement)多孔條板輕質隔墻以其自身的優越性能在建筑中得到了廣泛的應用[2]，但GRC多孔條板輕質隔墻隔聲性能較差，已經不能滿足現代健康建筑的高標準要求.因此本文以既有建筑中的GRC多孔條板輕質隔墻為研究對象，采用實驗室測試法對其隔聲性能進行分析，提出GRC多孔條板輕質隔墻隔聲性能綜合提升構造設計方案[3]，最終改善建筑室內聲環境.

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制的輕質多孔條板，具有防火、質量輕等優點，在建筑中得到了大量的應用.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

通過物理性能參數分析發現，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多孔條板輕質隔墻進行實驗，采用聲學分析儀、無指向聲源及功率放大器等設備.依據國家標準《聲學 建筑和建筑構件隔聲測量》(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.發聲室內聲源距離地面1.5 m，與測試構件距離2.0 m，傳感器與聲源距離1.0 m，與測試構件距離1.5 m；受聲室內均勻布置5個傳聲器測試點位，每個測試點距離測試構件大于1 m，傳聲器之間間隔0.7 m.

圖1 測試點位布置

1.2.2 測試數據

依據隔聲測量標準，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據取平均值進行記錄.且測試時受聲室內所有頻帶上的聲壓級都應高于本底噪聲15 dB，以此來確保測試結果不受外部噪聲干擾.

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

表2 GRC多孔條板輕質隔墻隔聲量

圖2 GRC多孔條板輕質隔墻隔聲特性曲線

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)顯示其隔聲量應大于35 dB，數據相差較大.主要原因是本實驗采用高密度水泥砂漿對測試構件進行抹灰和密縫處理，提高了測試構件的面密度，依據質量定律，提升了測試構件的隔聲性能[4].

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

2 隔聲性能提升設計方案

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

2.1 雙層墻隔聲構造

聲音傳播穿過不同的介質表面均發生反射、吸收和透射，所以可以通過改變聲音傳播途徑中的介質類型來削弱聲能.研究表明:內置空氣層有利于提升構件隔聲性能，當聲波傳播到第一層板材時，引起板材振動，內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，最終透過雙層構件到達另一個空間的聲能會產生大量的衰減.

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.該種構件計權隔聲量達到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多孔條板輕質隔墻隔聲性能，本文以常用復合隔聲構造為基礎，對材料、構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 雙層墻隔聲構造節點(單位：mm)

2.2 復合隔聲構造材料選擇

2.2.1 隔聲材料

薄板材質輕、密度高、便于運輸和施工，因此適應范圍較廣.常用的復合隔聲構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，發現其中石膏板易潮濕易變形[10]；水泥壓力板現場加工復雜，且自重大；硅酸鈣板本身穩定性良好，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生吻合效應，出現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造的面層材料.為提升隔聲構件的面密度，選用質量密度為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、性能穩定、防火等優點，與其他有機纖維材料相比，更經濟、耐用和節能.巖棉和玻璃纖維棉作為無機纖維材料，吸聲性能良好，且巖棉保溫性能較好，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，符合建筑低碳發展的需求.

2.3 復合隔聲構造提升設計

常用的復合隔聲構造多數源于工程實踐總結[12-13]，對構造本身理論分析不足.文獻調研發現，關于復合構造中空氣層厚度、材料的布置[14]，以及板材的要求等規定較少，因此本文對復合隔聲構造的優化設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定在100 mm以下.根據隔聲性和經濟性考慮，結合常用龍骨尺寸，將空腔厚度設定在75 mm.

圖4 空氣層與附加隔聲量關系

2.3.2 吸聲材料厚度與位置

在雙層構件的空腔中填充巖棉等多孔材料，可以增加聲能吸收；當多孔吸聲材料充滿整個空腔時，會對兩側板材同時產生壓力，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.研究表明：吸聲材料放置在緊鄰輕質隔墻的一側，可以提升隔聲構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 復合隔聲構造優化設計

通過分析，結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，并在內部填充常用吸聲材料巖棉[17].

如圖 5所示，經過論證，在復合隔聲構造提升設計中，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.兩側的硅酸鈣板以輕鋼龍骨固定和連接，同時空腔內緊鄰基層隔墻一側設置巖棉板.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 復合隔聲構造節點(單位：mm)

通過理論分析，初步認定復合隔聲構件對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 硅酸鈣板復合隔聲構件實驗測試

1)GRC多孔條板附加雙層硅酸鈣板復合隔聲構件.以原有單層GRC多孔條板為基礎，增加硅酸鈣板復合隔聲構件.兩側面板由輕鋼龍骨連接，內側面板安裝到基層墻板上，外側面板用水泥砂漿進行抹灰處理.在龍骨內部形成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.測試數據如表 3所示，隔聲特性曲線如圖 6所示.

圖6 雙層硅酸鈣板復合隔聲構件隔聲特性曲線及構造節點(單位：mm)

表3 雙層硅酸鈣板隔聲構件隔聲量

2)GRC多孔條板附加三層硅酸鈣板復合隔聲構件.在雙層硅酸鈣板復合隔聲構件外再增加一層硅酸鈣板，隔墻厚度增加8 mm，計權隔聲量增加至53 dB.實驗數據如表 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件隔聲特性曲線及構造節點(單位：mm)

表4 三層硅酸鈣板隔聲構件隔聲量

3)隔聲方案分析.實驗證明，雙層硅酸鈣板復合隔聲構件：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50 mm厚巖棉)+8 mm硅酸鈣板，厚度為201 mm，計權隔聲量增加至51 dB.三層硅酸鈣板復合隔聲構件：在雙層硅酸鈣板復合隔聲構件外，再增加一層硅酸鈣板，其厚度增加為209 mm，計權隔聲量增加至53 dB.

如圖8所示，3種隔聲構造通過數據對比分析發現，中低頻率范圍內，GRC多孔條板附加雙層或三層硅酸鈣板復合隔聲構件，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合隔聲構件隔聲量有所提升.綜上，硅酸鈣板復合隔聲構件對GRC多孔條板輕質隔墻隔聲性能提升效果較好.

圖8 三種隔聲構造隔聲特性對比

結合隔聲原理分析，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.通過墻體構造面密度比較：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多孔條板輕質隔墻，增加板材數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，附加構件空氣間層相當于“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部的空氣黏滯力以及摩擦力的作用轉化為熱能，有效提高了隔墻的全頻段隔聲性能.

4 結 論

1)把常用的GRC多孔條板雙層墻與GRC多孔條板附加復合隔聲構件隔墻兩種構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合隔聲構造隔墻進行隔聲理論分析和實驗測試驗證，隔聲量相近時復合隔聲構造對于既有建筑GRC多孔條板輕質隔墻隔聲性能提升更有利.

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

3)既有建筑中GRC多孔條板輕質隔墻隔聲性能提升設計技術，也可以應用到其他新建輕質隔墻的隔聲設計與改進中.為我國制定相關的墻體隔聲方面的行業標準提供基礎數據支撐和技術參考.