住宅浮筑楼板撞击声改善量试验

王军强

(江苏建筑职业技术学院江苏建筑节能与建造技术协同和创新中心，江苏徐州221116)

0 引 言

结构传声与振动是建筑声学中最关键的问题之一，住宅中楼板声学性能的好坏会影响到居住者的隐私和健康。住宅楼板的声学性能包括空气声隔声性能和结构隔声性能，使用或居住活动过程中产生的噪声与振动，如设备运行噪声、洗浴生活用水产生的噪声与振动、楼上的脚步声、拖动桌椅等产生的摩擦噪声、家用电器运行噪声等，都会通过空气传声或结构传声的途径影响邻近建筑，给人们生活工作带来困扰。《声环境质量标准》(GB 3096)规定了环境噪声的最大允许限值，《住宅性能评定技术标准》(GB 50362—2005)、《民用建筑绿色设计规范》(JGJ/T229—2010)、《健康住宅建设技术规程》(CECS 179—2009)规定了建筑墙体、楼板、门窗等的声学性能要求。《民用建筑隔声设计规范》(GB 50118—2010)、《住宅设计规范》(GB 50096—2011)中更是规定了高要求住宅分户楼板[1-2]，要求包括卧室、起居室(厅)分户楼板计权标准化撞击声压标准值≤65 dB，空气声计权隔声量加粉红噪声频谱修正量≥50 dB。住宅结构楼面多采用钢筋混凝土楼板，楼板结构厚度一般在100～150 mm之间的居多，《民用建筑隔声设计规范》中的国内住宅现场隔声测量调查结果表明，楼板撞击声压级通常在80 dB左右，不能满足住宅设计规范、健康住宅建设技术规程、建筑隔声评价标准等的取值要求。要达到高要求住宅分户楼板的撞击声压级≤65dB，楼板撞击声改善量ΔL≥15dB，因此在工程设计中应重视楼板撞击声压的改善问题研究。

采用浮筑楼板做法，将弹性减振材料应用在楼板隔声中，对于改善楼板撞击声压级有积极意义。国内外以合成毡、聚合物化合物、橡胶合成物、矿物和羊毛合成毡等作为弹性减振材料[3-5]，构筑形成浮筑楼板，分析其对楼板撞击声压级的影响。如在理论上，将浮筑楼板作为质量弹簧体系，那么弹性材料的动态刚度和频率变化等性能参数将会影响其结构传声的效果。但目前对于弹性减振材料的选择、弹性减振材料的性能参数研究，特别是弹性减振材料在荷载作用下其性能变化规律[6-7]对于结构传声的影响等方面研究的还不多。本文选择两种不同的弹性减振材料，考虑弹性材料在不同荷载大小和持续作用时间下的厚度、累计厚度、动态刚度和频率等的变化规律；然后以弹性减振材料加混凝土浮筑面层构筑浮筑楼板体系，考虑不同弹性减振材料、不同荷载作用的影响，探讨其对楼板撞击声压级及其改善量的影响。

1 试验方法与试验材料

1.1 楼板撞击声压的测试

结合ISO 10140-3、EN 12354-2标准[8-9]，根据GB/T 19889.7—2005《声学建筑和建筑构件隔声测量第7部分：楼板撞击声隔声的现场测量》[10]、《声学建筑和建筑构件隔声测量—第14部分特殊现场测量导则》(GB/T 19889.14—2010)[11]进行测试。以基层重质裸楼板(即钢筋混凝土楼板)为参照体，测试时固定传声器和撞击器的位置、数量应符合要求。将四个传声器均匀分布在实验室的设计空间内。撞击器随机分布，放置在被测楼板上四个不同的位置，撞击器的位置与楼板边界之间的距离应不小于0.5 m，测试楼板声学性能参数，包括撞击声压级L和撞击声压改善量ΔL。

1.2 弹性减振材料性能参数测试

根据标准BS EN12431： 2013的规定[12]：在测试样品的表面上施加不同的荷载，测试试样在荷载作用下的变形。试件为正方形，截面边长为200 mm×200 mm，加工允许偏差为±1 mm，测试材料不同加载条件下的厚度变化。

根据ISO 9052-1标准[13]，模型为单自由度质量弹簧系统，测试其动态刚度。动态刚度s'是动态荷载与其作用下位移的比值，根据式(1)确定：

式中：S为试件面积；F为试样上垂直作用的荷载；Δd为弹性材料厚度的变形量。

根据ISO7626-2：2015(EN)标准[14]，采用单点平移激励，通过分析系统的频率响应，获得其共振频率参数。通过使用正弦、白噪声或脉冲信号，可以测试垂直振动作用下试样和负载板的共振频率fr。根据半功率宽带法，确定材料阻尼比δ：

式中：fH、fL分别为共振频率fr对应峰值降低3dB所对应的高、低频率值。

1.3 试验材料

(1) 选择住宅楼板，为钢筋混凝土现浇楼板结构，楼板厚度为120 mm。

(2) 弹性减振垫层，弹性垫板采用样品1(RL1)、样品2(RL2)，材料厚度、质量密度、孔隙特征情况、共振频率、动态刚度等见表1、表2。

(3) 浮板质量层采用带钢丝网的细石混凝土层，厚度为32、80 mm两种，质量密度分别为80、200 kg·m-2。

(4) 成型不小于10 m2的浮筑隔声楼板，弹性减振层与结构楼板可靠粘结，其上浇筑细石混凝土，表面平整规则，养护28 d后测试其声学性能。

表2给出了试验中采用的弹性材料的相关性能参数。试验中测试了弹性材料在不同加载条件下的厚度变化，特别是测试2 kN·m-2载荷作用下的厚度。弹性材料选择需要注意其在荷载作用下的变形，特别是厚度的变形对动态刚度的影响。

表1 弹性减振材料性能Table 1 The properties of the elastic damping material

2 结果分析

2.1 弹性减振材料的性能

表1给出了弹性材料RL1和RL2的主要性能参数和材料基本特征，包括其密度、自然厚度。按照荷载加载制度，表2中给出了不同加载情况时，样品在不同荷载作用下的测试厚度DF、DB。图1中给出了样品RL2在2 kN·m-2荷载作用下1～12 d的累计厚度变化，随着时间的增长，弹性材料的变形不断增加，厚度不断减小。2d后RL2的变形量达到其总厚度的35%左右，随后保持在0.1 mm·d-1左右，8～10 d趋于稳定，累计变形约45%。弹性材料在静态荷载作用下的变形，影响其动态刚度和共振频率，进而影响弹性材料在浮筑隔声楼板中的隔声性能。因而在隔声设计中，需要注意弹性材料的性能参数变化及其对隔声的影响。根据标准BS EN12431： 2013和ISO 9052-1，弹性材料的动态刚度是在200 kg·m-2的荷载测试条件下取得。

表2 弹性减振材料性能测试结果Table 2 Test results of elastic damping materials

图1 弹性垫板RL2累计厚度变化Fig.1 Accumulated thickness change of elastic plate RL2

表3给出了荷载作用下弹性减振材料性能变化，包括加载时间为2d和12d情况下的共振频率和动态刚度变化。

表3 荷载作用下弹性材料的性能变化Table 3 Performance change of elastic materials under load

图2中比较了不同荷载作用与加载时间下，不同弹性减振材料浇筑形成的浮筑隔声楼板结构，其共振频率的变化情况。图2中的RL1-2 kPa是考虑2 kN·m-2荷载作用，RL1-0.8 kPa是考虑0.8 kN·m-2的荷载作用。可以发现，不同的荷载，也就是弹性减振材料上作用不同的浮板厚度及荷载，都会引起浮筑隔声楼板共振频率的变化，而频率的变化，会造成楼板撞击声压改善量的变化，其原因与荷载作用下材料的厚度变化，进而引起材料动态刚度的变化有关。图3进一步分析了不同弹性减振材料浇筑形成的浮筑隔声楼板结构在相同荷载作用下，其在不同时间段的共振频率变化情况。随着荷载作用时间的增加，其共振频率有变大的趋势，其隔声性能相应地下降。试验结果和图4中弹性材料动态刚度的变化是一致的，与EN29052-1标准、ISO 10140-3标准以及Cremer等[15]的结果比较一致，因而在设计中如何考虑阻尼变化、动态刚度变化、频率变化对撞击声压的影响，还需要做进一步的理论与试验分析。

图2 不同荷载作用、不同加载时间对共振频率的影响Fig.2 The influence of different load and different loading times on resonance frequency

图3 相同荷载作用下，不同加载时间弹性垫板的共振频率变化Fig.3 Resonance frequency variation of elastic plate with loading times for same load

图4 不同加载时间对两种弹性垫板的动态刚度变化Fig.4 Dynamic stiffness variation of two elastic plates with loading times

2.2 浮筑隔声楼板的撞击声压改善量

楼板撞击声压级改善量的测试，是依次测试基准裸楼板的撞击声压级、铺装弹性垫层和浮板质量面层后形成浮筑楼板的撞击声压级，其差值为楼板撞击声压级改善量∆L(dB)，试验结果见图5和图6。图5(a)、6(a)中的柱状图是不同频率下的撞击声隔声单值评价量，图5(b)、6(b)中4条曲线图分别对应2 d和12 d以及不同荷载0.8 KN·m-2和2 KN·m-2作用下在50～5 000 Hz频谱范围的撞击声压级改善量，如RL1-0.8 kPa-2 d和RL1-0.8 kPa-12 d分别代表样品RL1在0.8 KN·m-2荷载作用2d和12d下的测量值，RL1-2 kPa-2 d和RL1-2 kPa-12 d分别代表样品RL1在2 KN·m-2荷载作用下2 d和12 d的测量值。图5、6中的结果表明，楼板撞击声压改善量与弹性材料的频率和楼板浮筑层的质量密切相关，对于由样品RL1制作的浮筑隔声楼板体系，共振频率在69.8～145.3 Hz变化，其撞击声压改善量相应的变化范围为 18.7～23.6 dB，共振频率变化幅度达到51%，撞击声压改善量降低幅度达到27%；对于由样品RL2制作的浮筑隔声楼板体系，共振频率在137.7～254.8 Hz变化，其撞击声压改善量相应的变化范围为11.1～17.3 dB，共振频率变化幅度达到46%，撞击声压改善量降低幅度达到35%。结果是在荷载的作用下，两种材料的撞击声压改善量都出现了降低的趋势，聚氨酯泡沫板的降低幅度明显大于发泡橡胶减振垫板。

图5 RL1撞击声压改善量随频率的变化Fig.5 Variation of the improvement index of impact sound pressure reduction with frequency for RL1

图6 RL2撞击声压改善量随频率的变化Fig.6 Variation of the improvement index of impact sound pressure reduction with frequency for RL2

弹性减振材料的性能参数与荷载大小、荷载持续作用时间等有关。随着荷载增大、荷载作用时间增加，两种弹性垫层性材料的累计厚度变形增大，动态刚度增大。样品RL1和样品RL2在不同厚度浮筑面层形成的浮筑隔声楼板，其楼板撞击声压级和撞击声压级改善量不同，RL1形成的浮筑隔声楼板，其撞击声压改善量要比RL2形成的浮筑隔声楼板效果好，说明弹性垫层性能参数变化对楼板撞击声压级有重要影响。

结合已有的试验数据分析，现浇梁板式四边支撑楼板，厚度为120 mm，楼板质量密度为300 kg·m-2，楼板撞击声压现场测试为80 dB，要达到“AAA”高要求住宅的隔声要求(≤65 dB)，还相差15 dB。若采用聚氨酯泡沫板浮筑隔声楼板体系，浮筑层质量密度为250 kg·m-2，考虑荷载作用下的变形，其楼板撞击声压改善量为10.3 dB；浮筑层质量密度为80 kg·m-2，其楼板撞击声压改善量为13.7 dB；浮筑层质量密度为150 kg·m-2，其楼板撞击声压改善量为17.3 dB；现场测试的楼板撞击声压最大改善量出现在接近系统共振频率的0.91倍频率位置附近。同样，对于发泡橡胶减振垫板制作的浮筑隔声楼板体系，浮筑层质量密度为80～250 kg·m-2，其楼板撞击声压改善量为16.1～23.7 dB，最佳改善量出现在浮筑层质量密度为138 kg·m-2时，接近系统共振频率的0.94倍频率位置。两种材料的最佳隔声量，都是出现在系统共振频率的0.91～0.95之间，这也许与材料在荷载作用下的长期变形有关，由于材料变形，实际刚度发生变化，其耗能的指标在降低，进而影响其隔声减振能力，这和弹性减振材料在荷载作用下累积变形增大和动态刚度增大的规律相一致。同样的结构楼板，采用不同的弹性减振材料和不同的浮筑质量层密度，其楼板撞击声压级离散较大，这一方面是由于弹性减振材料的动态刚度、阻尼比和材料频率等性能参数存在差异，另一方面是由于楼板结构层、弹性减振层、浮筑面层形成的浮筑楼板隔声体系的共振频率不同造成的。

3 结 论

本文分析了弹性减振材料在荷载作用下不同时期的厚度变化及变化规律；以单自由度质量弹簧系统为模型，测试其动态刚度；采用单点平移激励，通过分析系统的频率响应，获得其共振频率参数。弹性减振材料在荷载的持续作用下，其厚度降低，累计变形量和动态刚度变大，其性能参数的变化规律为浮筑隔声楼板隔声指标研究提供了依据。

(1) 聚氨酯泡沫板在荷载作用下的累计厚度变化，2 d的变形量达到其总厚度的35%左右，8～10 d趋于稳定，累计变形达到45%左右。

(2) 发泡橡胶减振垫板制作的浮筑隔声楼板体系，频率在69.8～145.3 Hz变化，频率变化51%，其撞击声改善量为18.7～23.6 dB，撞击声压改善量降低幅度达到27%，对应浮板质量密度为138 kg·m-2。

(3) 聚氨酯泡沫板制作的浮筑隔声楼板体系，频率在137.7～254.8 Hz变化，频率变化46%，其撞击声压改善量为11.1～17.3 dB，撞击声压改善量降低幅度达到35%。

(4) 聚氨酯泡沫板厚度比发泡减振垫板的厚度厚约1倍，但其隔声减振性能却较低，可见将保温板用作隔声板，其隔声减振性能并不能达到预期的效果。

楼板隔声设计施工中，浮筑隔声楼板体系的隔声效果与弹性材料的性能、浮板质量层有关，特别是与弹性材料在荷载下的厚度变化、动态刚度、频率变化有关。然而，在设计与施工环节，有关室内环境设计中，特别是楼板隔声降噪的设计往往不被重视，有关弹性材料在浮筑隔声楼板中的应用还不多见，工程设计人员在弹性材料的选型、性能参数的取舍以及弹性材料对楼板撞击声压的影响还不是很了解，在今后还需要积极探索研究弹性减振材料的动态刚度、频率等变化对楼板撞击声压级的影响。建议在后续的浮筑隔声楼板体系研究中，应进一步考虑弹性材料的密度、厚度、刚度、频率、荷载下的长期变形及阻尼比等，以期为确定浮筑隔声楼板体系最佳隔声量提供依据和参考。