Особенности акустических строительных материалов

• Введение
• 1 Общие понятия о структурах и свойствах строительных материалов
• 2 Акустические свойства строительных материалов
• Задача 1
• Список литературы

Сегодня на рыке строительных смесей и материалов представлено большое количество различной продукции как отечественных, так и зарубежных производителей. Как правило, все производители для описания технических характеристик своих товаров используют терминологию, которая порой не всегда понятна для рядовых граждан. В описании свое продукции производители обычно рекламируют те свойства строительных материалов, которые выгодно их отличают перед остальными, или используют характеристик, которые дают преимущества в их использовании. Для того, что вы могли более свободно ориентироваться в терминологии свойств строительных материалов мы решили более подробно раскрыть описание основных характеристик, которые используют производители для своей продукции.

В практике современных строительных и отделочных работ все шире применяются звукопоглощающие материалы, обладающие таким немаловажным показателем, как декоративность. Необходимо также подчеркнуть, что подавляющее большинство как акустических так и теплоизоляционных материалов для обеспечения стабильности функциональных свойств требует надежной защиты от увлажнения.

1 Общие понятия о структурах и свойствах строительных материалов

Основными свойствами строительных смесей и материалов являются их физические, химические, технологические и механические свойства.

Свойства любого строительного материала на прямую зависят от его состава, поэтому в начале перечисляется состав и используются термины о его строение. Для правильного понимания свойств строительных материалов нужно знать их химический, минеральный и фазовый составы.

Химический состав показывает, характеризует процентное содержание в материале химических элементов или оксидов, позволяет судить о некоторых свойствах материалов — механической прочности, огнестойкости, биостойкости и т. д.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в каменном материале или в вяжущем веществе. Например, искусственный минерал трехкальциевый силикат (3СаО. SiO2) содержится в портландцементе в количестве 45…60%, причем при большем его содержании твердение цемента ускоряется и повышается прочность цементного камня.

Фазовый состав указывает на содержание в материале фаз, т. е. частей, однородных по химическому составу и физическим свойствам и отделенных друг от друга поверхностям раздела. Например, основными фазами клинкера портландцемента является алит, белит, целит и алюмоферитная фаза. В пористомматериале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, и сами поры, заполненные воздухом, водой. Если вода замерзает, то образовавшийся в порах лед изменяет теплотехнические, механические и другие свойства материала, вызывает в нем большие внутренние напряжение следствии увеличения объема замерзающей в порах воды. Фазовый состав материала и фазовые переходы воды в нем оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. Материалы, представленные одной фазой, называют гомогенными, а двумя и более — гетерогенными.

Строение материала характеризуется структурой и текстурой.

Структура — внутреннее строение материла, обусловленное формой, размерами, взаимными расположениями составляющих его частиц, пор, капилляров, взаимными расположением составляющих его частиц, пор, капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и других структурных элементов. В зависимости от структуры различают материалы изотропные — обладающие одинаковыми свойствами во всех направлениях (затвердевшие бетоны и строительные растворы, керамические материалы), или анизотропные, свойства которых различны в разных направлениях (железобетон, древесина, волокнистые материалы).

Текстура — строение, обусловленное относительным расположением и распределением составных частей материала в занимаемом им пространстве. Текстура бывает слоистая, массивная, полосчатая, пористая и др.

В большинстве своем строительные материалы имеют пористую текстуру. Их подразделяют на мелкопористые, размеры пор, которых определяются сотыми и тысячными долями миллиметра до 1…2 мм. Мелкопористыми материалами являются затвердевшие строительные растворы и бетоны, керамика, ряд камней, а крупнопористыми пено — и газобетоны, газостекло, пороплатсы и др. Крупные поры (до сантиметра) называют пустотами, к ним относят и пространства между кусками и зернами рыхлых материалов.

Различают макро — и микроструктуру материала. Макроструктура — структура, видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении; она бывает конгломератная (характерна для бетонов), ячеистая (газо — и пенобетоны, ячеистые пластмассы), волокнистая (древесина, стеклопластики), мелкопористая (ряд керамических материалов), слоистая (текстолит, бумопласт), рыхлозернистая (порошкообразные и зернистые материалы).

Микроструктура — структура, видимая в оптический или электронный микроскоп. Применительно, например, к строительному цементному раствору по микроструктуре можно судить о минеральном составе, количестве расположении основных фаз в цементном камне, поровом строении, размере, расположении и количестве микропор, особенностям контактного слоя между заполнителем цементным камнем.

2 Акустические свойства строительных материалов

Из акустических свойств, которыми должны обладать строительные материалы для жилищного, социально-культурного и промышленного строительства, в первую очередь обращают внимание на звукопоглощение и звукоизоляцию.

Звукопоглощением называют уменьшение интенсивности звуковой волны при прохождении ее через ту или иную среду и оценивают величиной коэффициента звукопоглощения. Этот коэффициент выражается количеством поглощенной звуковой энергии плоских звуковых волн, падающих на единицу поверхности материала.

Звукоизоляцией принято называть совокупность мероприятий, снижающих интенсивность проникновения звука (шума) до допустимых величин при прохождении его через ограждающие конструкции.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью хорошо отражают падающий на них звук, поэтому в помещениях в помещениях с гладкими стенами создается постоянный шум. Материалы с развитой открытой пористостью хорошо поглощают и не отражают падающий на них звук. Специальная акустическая штукатурка с мелкими открытыми порами хорошо поглощает звук и заглушает его. Известно, что ковры, дорожки, мягкая мебель заглушают звук. В принципе те строительные материалы, которые плохо пропускают через себя звук, хорошо его поглощают и не отражают, являются акустическими материалами. Уменьшение шума в результате использования таких материалов сохраняет здоровье людей, создает для них определенные удобства и способствует производительности труда.

Акустическая способность материала — способность пропускать и проводить или задерживать и поглощать звук. Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Плохо проводят звук пористые материалы. Материалы с гладкими поверхностями отражают значительную часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещениях с гладкими поверхностями стен из-за многократного отражения звука создается постоянный шум. Поверхности материалов, имеющих открытую пористость, хорошо гасят звуковые колебания. Мягкая мебель, ковры, специальная штукатурка хорошо заглушают звук.

Строительно-эксплуатационные свойства акустических материалов в основном оценивают по тем показателям, которые применяют для оценки строительно-эксплуатационных свойств строительной теплоизоляции: по механической прочности, деформации при колебаниях температуры и влажности; стойкости при воздействии влаги, высокой температуры, огня, микроорганизмов и т. д.

Измерителем звукоизоляции служит разность уровней силы звука до и после прохождения его через ограждающую конструкцию, измеряют ее в децибелах. Она должна составлять в жилых домах для стеновых материалов и материалов междуэтажных перекрытий 50 дБ и для перегородок — 40 дБ.

Рассмотрим несколько примеров акустических материалов и методов их изготовления.

Акмигран облицовочный материал в виде плиток размером 300×250×20мм. Обычно белого цвета, имеет пористую лицевую поверхность различной фактуры. Изготовляется из гранулированной минеральной ваты и асбестового волокна с крахмалом в качестве связующего. Получают акмигран прессованием. Рассматривающиеся на примере акустических минераловатных плит «Акмигран», «Акминит» и МВП, панелей фирмы «PAROC». Акустические минераловатные плиты «Акмигран» представляют собой звукопоглощающие плиты, изготавливаемые из гранулированной минеральной ваты с крахмальным связующим путём формования и последующей сушки изделий. Минеральную вату гранулируют и получают зёрна размером 2 — 15 мм с объёмной массой около 100 кг/кв. м. Связующее, состоящее из крахмала и каолина, затворяют холодной водой и заваривают в мешалке с нагревом смеси до 85 — 90 °C. В связующее вводят небольшое количество борной кислоты или буры, являющихся стабилизаторами массы. Формовочную смесь из гранулированной ваты и пастообразного связующего, взятых в отношении 1: 3 по массе, готовят в шнековом смесителе. Влажность смеси 300 — 350%. Формовку полусухой смеси осуществляют двумя транспортными лентами, движущимися с разной скоростью. Это позволяет получить изделия с небольшими трещинами, что повышает их звукопоглощающие свойства. Сушку производят при температуре 140 °C в течение 16 — 18 часов. Затем изделия шлифуют, разрезают и окрашивают.

Размеры плит «Акмигран» 600×600×20 мм. Их средняя плотность 350 — 400 кг/куб. м, R (изг) — больше или равно 0,5 Мпа, коэффициент звукопоглощения 0,7 — 0,9. Плиты обладают малой гигроскопичностью и являются негорючим материалом. Акустические минераловатные плиты «Акминит» по технологии изготовления и свойствам похожи на плиты «Акмигран». В отличие от последних, формовку плит «Акминит» осуществляют из смеси с большей влажностью, которая достигает 400% (полумокрый способ), путём уплотнения её на ленточном транспортёре прессующими валиками, с отжатием некоторого количества воды. Офактуривание плит после сушки производят разными приёмами. Для обеспечения шероховатой поверхности плиты обрабатывают абразивными материалами, просверливают отверстия, вдавливают в поверхность плит зубцы с затупленными гранями, что приводит к образованию трещин и т. д. Полумокрый способ изготовления плит несколько сложнее в смысле контроля за процессом формовки, чем полусухой, но в то же время, имеет и ряд преимуществ. Изделия получаются с несколько большей прочностью (R (изг) до 1,5 МПа), ниже расход связующего, короче срок сушки, изделия меньше подвержены короблению; можно получать более целесообразные в акустическом и более выразительные в декоративном отношении фактуры. Акустические минераловатные плиты (МВП). Эти изделия отличаются по технологии изготовления от предыдущих видов плит тем, что формуются «мокрым» способом из пульпы на длинносетчатых отливных машинах с вакуумированием, как это имеет место при производстве древесноволокни — стых плит. Более равномерное распределение связующего в плитах МВП позволяет повысить прочность при изгибе до 2,0 — 2,5 Мпа. Офактуривание изделий осуществляется теми же приёмами, что и плит «Акминит» .

Для снижения или коррекции времени реверберации помещений в его отделке применяют звукопоглощающие материалы и конструкции (звукопоглотители). С акустической точки зрения звукопоглотители могут быть разделены на следующие группы:

пористые (в т. ч. волокнистые);

пористые с перфорированными экранами;

резонансные;

слоистые конструкции;

штучные или объемные.

Пористые звукопоглотители изготавливают в виде плит, которые крепятся к ограждающим поверхностям непосредственно или на относе, из легких и пористых минеральных штучных материалов — пемзы, вермикулита, каолина, шлаков и т. п. с цементом или другим вяжущим. Такие материалы достаточно прочны и могут быть использованы для снижения шума в коридорах, фойе, лестничных маршах общественных и промышленных зданий.

В помещениях, где к внешнему виду звукопоглотителей предъявляются повышенные требования, применяют специальным образом обработанные волокнистые материалы. Сырьем для их производства служат древесные волокна, минеральная вата, стеклянная вата, синтетические волокна. Эти изделия также изготавливают в виде плоских плит (потолочные или стеновые панели) или криволинейных и объемных элементов. Поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex T) или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом.

В настоящее время волокнистые звукопоглотители являются наиболее употребительными в строительной практике. Они не только оказались наиболее эффективными с акустической точки зрения в широком частотном диапазоне, но и отвечают возросшим требованиям, предъявляемые к дизайну помещений.

В волокнистых поглотителях рассеяние энергии колебания воздуха и превращение ее в тепло происходит на нескольких физических уровнях. Во-первых, вследствие вязкости воздуха, а его очень много в межволоконном пространстве, колебание частиц воздуха внутри поглотителя приводит к трению. Кроме этого, происходит трение воздуха о волокна, поверхность которых также велика. В-третьих, волокна трутся друг о друга и, наконец, происходит рассеяние энергии из-за трения кристаллов самих волокон. Этим объясняется, что на средних и высоких частотах коэффициент звукопоглощения волокнистых материалов находится в пределах 0,4…1,0.

Для увеличения звукопоглощения на низких частотах необходимо увеличить толщину пористо-волокнистых материалов или предусмотреть воздушный промежуток между поглотителем и отражающей конструкцией.

Волокнистые звукопоглотители без окрасочного или наружного тканевого слоя используют с наружной защитой от механических повреждений, выполненной из перфорированного материала (SoundLux, дерева, фанеры, гипсокартона).

Между экраном и волокнистым материалом прокладывают воздухопроницаемый холст для предотвращения эмиссии волокнистых частиц. Конструкции с перфорированным покрытием звукопоглотителя позволяют достигать достаточно большого звукопоглощения в широком диапазоне частот. Частотную характеристику звукопоглощения регулируют подбором материалов, его толщиной, размером, формой, шагом отверстий. Звукопоглотители с металлическим перфорированным экраном хорошо зарекомендовали себя в качестве антивандальных покрытий.

Звукопоглощение пористым и волокнистым материалом, покрытым перфорированным экраном, носит резонансный характер. Прототипом таких конструкций служит резонатор Гельмгольца, состоящий из воздушной полости, соединенной отверстием с воздухом помещения, например, глиняный сосуд, вмурованный в стену, с открытым в помещение отверстием. У таких резонаторов звукопоглощение достигается в узком диапазоне частот вблизи собственной частоты колебаний резонатора.

Для получения высокого значения коэффициента звукопоглощения (0,7…0,9) в широком диапазоне частот применяют многослойные резонансные конструкции, состоящие из 2−3 параллельных экранов с разной перфорацией с воздушным промежутком разной толщины.

Звукопоглощающие конструкции с большим звукопоглощением в области низких частот изготавливают в виде панелей, состоящих из тонких пластин (дерево, фанера, гипсокартон), закрепленных на раме. Пластины расположены на некотором расстоянии от ограждающих поверхностей. Под действием звуковых волн панели будут колебаться. При совпадении собственных частот панелей и вынуждающих частот звуковых волн будет наблюдаться явление неотражения (поглощения) этих волн. Если при этом между панелями и ограждающими конструкциями разместить эффективные на средних и высоких частотах волокнистые поглотители, то получится широкополосные звукопоглощающие конструкции. Без применения подобных конструкций трудно добиться оптимального времени реверберации в концертных и театральных залах, где применение только эффективных мягких пористых и волокнистых поглотителей приглушает зал на средних и высоких частотах и оставляет его достаточно гулким на низких.

Следует иметь в виду, что в помещениях большого объема эффективность снижения времени реверберации или уровня шума за счет влияния добавочного звукопоглощения уменьшается. В таких помещениях важно использовать еще и форму стен и потолков. Так, применение не плоских, а кессонных потоков и пилястр различной формы или выступов (балконов) на стенах увеличивает звукопоглощение (на низких частотах — за счет формы поверхности, на средних и высоких — за счет многократности отражений от удаленных участках стен и потолка). Кроме того, это приводит к большей диффузности звукового поля, что благотворно сказывается на акустическом климате в помещениях.

В тех случаях, когда звукопоглощающий материал нельзя применять на ограждающих конструкциях (например, если они светопрозрачны) или их площадь недостаточна для достижения необходимого эффекта, используются подвесные штучные (объемные) звукопоглотители. Чаще всего это плоские плиты из волокнистых материалов, покрытые пористой краской, обтянутые тканями или заключенные в перфорированные листы металла. Так, штучные звукопоглотители Buffl шведской фирмы Ecophon имеют размер 600×1200×50мм, обладают специальными крючками для подвеса. Такие конструкции акустически очень эффективны, так как, подвешенные вертикально, они поглощают звук обеими поверхностями. Если эти поглотители подвешены так, что в плане образуют замкнутые фигуры (квадраты, треугольники и т. д.), то звукопоглощение увеличивается за счет резонансного поглощения в воздухе между вертикалями панелей.

При выборе того или иного звукопоглотителя, помимо акустических требований, необходимо учитывать и условия эксплуатации помещения. Поэтому надо иметь в виду такие свойства материалов, как влаго — и огнестойкость, механическая прочность, экономичность, биостойкость, возможность вторичной покраски, очистки от пыли и мойки.

Ведущие торговые марки звукопоглощающих материалов и конструкций, представленных на российском рынке:

Ecophon (Швеция) — подвесные потолки, стеновые панели, штучные звукопоглотители на основе стекловолокна;

Akusto (Финляндия) — подвесные потолки на основе стекловолокна;

Rockfon (Дания) — подвесные потолки на основе базальтового волокна;

Шуманет БМ (Россия) — не обработанные звукопоглощающие панели на основе базальтового волокна;

Sound Lux (Россия) — стеновые панели из металлических перфорированных кассет и базальтово-волокнистых звукопоглотителей;

ТИГИ KNAUF (Россия) — перфорированные гипсокартонные потолочные панели ППГЗ;

AMF, OWA (Германия) — потолочные панели из различных волокнистых материалов;

MAPPY (Италия) — поролоновые пористые звукопоглощающие листы и маты с различной формой лицевой поверхности (для лучевого рассеивания отраженных волн).

Задача 1

Состав керамической массы на сухое вещество, %: глина — 15, каолин — 35, кварц — 25, полевой шпат — 25. Рассчитать потребное количество материалов и воды для получения 200 кг массы с влажностью 22%.

Исходные материалы имеют влажность: глина — 18%, каолин — 16%, кварц — 0,5%, полевой шпат — 1%.

Решение:

Определяем необходимое количество материалов на 100 кг:

Глина: Каолин:

акустические материал звукопоглощение звукоизоляция Кварц: Полевой шпат:

Вода — 13,9 л.

Для определения потребного количества материалов и воды для получения 200 кг массы с влажностью 22% умножаем полученные результаты на 2: Глина 28.6 кг, Каолин 65 кг, Кварц 39.2 кг, Полевой шпат 39.4 кг, Воды — 27.8л.

1) http://www.know-house.ru/info_new. php? r=acoustic&uid=1

2) http://rockmaster. narod.ru/lab/materials/wood.html

3) Ефимов А. П. «Три взгляда на акустику помещений», журнал «Install Pro Magazine», 2000 г.

4) Назаров В. Е., Островский Л. А., Соустова И. А., Сутин А. М. «Акустический журнал», № 3, 1988 г.