Согласно методам расчета [37, 38, 50], для обеспечения требуемой звукоизоляции акустически однородная легкобетонная конструкция должна была иметь такую же поверхностную плотность, что и ограждение из тяжелого бетона. Это было связано со значительным увеличением толщины легкобетонных элементов по сравнению с толщиной конструкций из тяжелого бетона, и резким снижением их эффективности. Вместе с тем имелись данные, свидетельствовавшие о повышенных звукоизоляционных качествах легкобетонных ограждений [52].
При экспериментальном уточнении требуемых параметров легкобетонных конструкций в крупнопанельных домах и на испытательном стенде испытаны межквартирные стены и несущие элементы междуэтажных перекрытий в виде панелей сплошного сечения толщиной от 4 до 20 см из керамзитобетона плотностью от 1300 до 1800 кг/м3, в том числе на основе высокопрочного керамзита, изготовленного на трепельном сырье из перлитобетона плотностью 1350 кг/м3, пемзобетона — 1800 кг/м3, шлакопемзобетона — 1900 кг/м3. Поверхностная плотность испытанных конструкций составляла от 108 до 360 кг/м2, индексы изоляции воздушного шума Iв — от 38 до 53 дБ.
Акустически однородные легкобетонные межквартирные стены испытаны в экспериментальных крупнопанельных домах с комплексным применением легких бетонов в Новокуйбышевске, в домах, построенных по проектам серий 1—464 в Орле, 1—451 в Ереване.
Полученные экспериментальные данные позволили сравнить частотные характеристики звукоизолирующей способности акустически однородных конструкций из тяжелого и легкого бетонов. При сравнении использованы частотные характеристики конструкций из тяжелого бетона, полученные в крупнопанельных домах, на испытательном стенде ЦНИИЭП жилища, а также из литературных данных.
Для удобства сравнения фактические частотные характеристики заменены идеализированными (рис. 23) в виде ломаной линии, состоящей из двух отрезков прямых — горизонтального (плато), начинающегося со 100 Гц, и наклонного, заканчивающегося на 5000 Гц. Идеализированные частотные характеристики построены по фактическим с помощью метода наименьших квадратов.
Положение идеализированной частотной характеристики в нормируемом диапазоне определяется четырьмя параметрами: граничной частотой frp, ординатой плато Rпл, протяженностью плато выше граничной частоты — fпл2/fгр и уклоном наклонного участка i. Значения этих параметров, найденные для 22 конструкций сплошного сечения из тяжелого бетона и 14 — из легкого, приведены в табл 2.
Два параметра, определяющие положение идеализированной частотной характеристики — fпл2/fгр и i, не имеют выраженной зависимости от граничной частоты. Экспериментальная зависимость ординаты плато от граничной частоты для конструкций из тяжелого и легкого бетонов (рис. 24) аппроксимирована одним выражением
Средние значения двух других параметров идеализированной частотной характеристики звукоизолирующей способности конструкций из тяжелого и легкого бетонов также практически одинаковы. Для конструкций из тяжелого бетона fпл/fгр=1,44, i=6,6 дБ/окт; для конструкций из легкого бетона fпл/fгр=1,45, i = 6,9 дБ/окт.
Использование критерия Стьюдента показывает, что выборки экспериментальных данных, по которым определены средние значения fпл/fгр и i для конструкций из тяжелого и легкого бетонов, принадлежат к одним и тем же генеральным совокупностям.
При статистическом анализе выявилось совпадение частотных характеристик звукоизолирующей способности ограждений из тяжелого и легкого бетонов, если они имеют одинаковые граничные частоты. Следовательно, у них равны и индексы изоляции воздушного шума.
Представляют интерес также зависимости величины Rпл от поверхностной плотности конструкций из тяжелого и легкого бетонов. По данным, приведенным в табл. 2, методом наименьших квадратов получены следующие выражения экспериментальных зависимостей: для конструкций из тяжелого бетона Rпл=12+10,7 lg q; для конструкций из легкого бетона Rпл=14,2+10,7 lg q. Средняя разница значений Rпл для конструкций из тяжелого и легкого бетонов с одинаковой поверхностной плотностью составляет 2,2 дБ. Среднеквадратичное отклонение фактических значений Rпл от значений, определяемых по указанным зависимостям, s = 1,35 дБ. При числе данных в выборках n1=22 и n2=4 критерий Стьюдента, вычисленный по формуле (77) t=4,76. Доверительной вероятности 0,999 соответствует значение t=3,75. Следовательно, с доверительной вероятностью, превышающей 0,999, можно утверждать, что рассмотренные звукоизоляционные характеристики конструкций из тяжелого и легкого бетонов с одинаковой поверхностной плотностью принадлежат к различным генеральным совокупностям.
Проведенное исследование параметров частотной характеристики изоляции воздушного шума акустически однородной конструкцией послужило основой предложенного автором метода построения ее расчетной частотной характеристики (рис. 25), которая состоит из одного горизонтального и одного наклонного Участков. Уклон наклонного участка 6,6 дБ/окт. Координаты точки перелома определяют по формулам:
где q — эквивалентная поверхностней плотность ограждения, кг/м2.
На рис. 26 показаны измеренные и рассчитанные индексы изоляции воздушного шума легкобетонных конструкций. Расчетные индексы получены двумя методами: с использованием фактической поверхностной плотности ограждений методом [37, 50] и их эквивалентной поверхностной плотности. При определении эквивалентной поверхностной плотности по формуле (19) коэффициент к находили в зависимости от модуля упругости и плотности легкого бетона (см. рис. 14). Использование эквивалентной поверхностной плотности конструкций значительно повысило точность определения расчетных индексов Iв.
Исследования показали, что легкие бетоны на некоторых пористых заполнителях, главным образом на заполнителях, изготовленных из доменных шлаков, имеют повышенный по сравнению с другими бетонами коэффициент потерь. Влияние повышенного коэффициента потерь на звукоизолирующую способность можно проследить при сравнении двух конструкций одинаковой толщины из материалов с весьма близкими характеристиками.
Межквартирные стены толщиной 18 см были выполнены в доме серии 1—464 (в Орле) из бетона на высокопрочном трепельном керамзите, а в доме серии 111—91 (в Липецке) из шлакопемзобетона. У керамзитобетона ρ1=1800 кг/м3, E1=1,85·1010 Па; у шлакопемзобетона ρ2=1900 кг/м3, Е2=2·1010 Па. Граничные частоты конструкций из керамзитобетона и шлакопемзобетона соответственно равны fгр1=112 и fгр2=110 Гц. Расчетные индексы обеих конструкций одинаковы: Iв=50 дБ. Измеренные индексы составляют Iв1=50 и Iв2=53 дБ. Таким образом, стена из шлакопемзобетона имеет на 3 дБ больший индекс Iв. Частотная характеристика шлакопемзобетонной стены расположена выше частотной характеристики керамзитобетонной стены в области граничной частоты и на более высоких частотах в среД' нем на 3 дБ (рис. 27) . Это соответствует теоретическим представлениям о влиянии коэффициента потерь на звукоизолирующую способность акустически однородных конструкций.
В результате экспериментального уточнения конструктивных параметров акустически однородных легкобетонных панелей для внутренних стен было преодолено серьезное препятствие на пути их широкого применения в жилищном строительстве. Во многих случаях они стали конкурентоспособными с конструкциями из тяжелого бетона. Кроме того, были выявлены основные резервы повышения эффективности применения легких бетонов во внутренних ограждениях жилых зданий: использование бетонов с повышенным модулем упругости при заданной плотности и с повышенным коэффициентом потерь. Обе эти характеристики легкого бетона можно регулировать соответствующим подбором сырья и технологических параметров при изготовлении.
При применении легких бетонов взамен тяжелого в несущих плитах междуэтажных перекрытий их геометрические параметры обычно остаются без изменения. Это в большинстве случаев возможно при сохранении требуемых несущей способности и жесткости перекрытия, однако приводит к снижению звукоизолирующей способности его несущей части. В этих условиях целесообразно использовать полы на звукоизоляционной прослойке (раздельные), так как звукоизоляционный эффект от их применения возрастает при снижении звукоизолирующей способности несущей части.
Легкобетонные перекрытия с раздельным полом были уложены в опытном крупнопанельном доме с комплексным применением бетона на пористых заполнителях в Москве и в домах, построенных по проектам серии 1—464Д—97 в Новокуйбышевске. Перекрытия в опытном доме в Москве выполнены в виде комплексных панелей (изготовленных в одном производственном цикле), включающих несущую плиту толщиной 10 см из керамзитобетона плотностью 1350 кг/м3, сплошной звукоизоляционный слой, защищенный от увлажнения водонепроницаемой бумагой, и основание пола толщиной 6 см из керамзитобетона плотностью 1200 кг/м3. В качестве покрытия пола использованы линолеум на тканевой основе и релин. В одной группе перекрытий звукоизоляционная прослойка выполнена из стекловолокнистых плит плотностью 70 кг/м3 толщиной в необжатом состоянии 6 см, в другой — из мягких древесноволокнистых плит плотностью 225 кг/м3, уложенных в три слоя общей толщиной 3,75 см. В табл. 3 приведены средние индексы звукоизоляции, полученные в результате измерений до сдачи дома и после двух лет его эксплуатации и расчетом по методике, описанной в п.6. При расчете принять!: модуль упругости керамзитобетона Е=1,15·1010 Па и измеренные характеристики стекловолокнистых плит Е=3,5·105 Па и εд=0,8.
Согласно статистическому анализу, отмеченное изменение (ухудшение) изоляции ударного шума после двух лет эксплуатации здания значимо. Ухудшение изоляции ударного шума на 3—3,5 дБ объясняется старением и повышением твердости покрытия пола (линолеума, релина), которое сначала несколько улучшает изоляцию на высоких частотах, что не учитывается расчетом. Изменения изоляции воздушного шума незначимы, их можно отнести за счет разброса результатов измерений.
Отмечено хорошее совпадение результатов расчета и измерений, выполненных после двух лет эксплуатации здания. Таким образом метод расчета, изложенный в п.6, вполне применим для перекрытий малой поверхностной плотности, выполненных из легкого бетона.
В домах серии 1—464Д—97, возведенных в Новокуйбышевске, также применены комплексные панели перекрытий, изготовленные в одном производственном цикле заводом железобетонных изделий № 1 треста № 25 Главсредневолжскстроя. В отличие от описанных выше панелей, несущие плиты толщиной 10 см выполнены из керамзитобетона плотностью 1500 кг/м3, толщина керамзитобетонного основания пола 4 см. Общая поверхностная плотность комплексной панели около 220 кг/м2. Согласно расчету, для обеспечения требуемой звукоизоляции в таком легком перекрытии жесткость звукоизоляционной прослойки не должна превышать 2,4·107 Па/м. Это означает, например, что толщина звукоизоляционного слоя из мягких древесноволокнистых плит должна быть не меньше 4 см, а минераловатных плит марки ПП—100 — не меньше 1,5 см (в обжатом состоянии).
При изготовлении комплексных панелей материал звукоизоляционной прослойки подвергается дополнительным силовым и температурно-влажностным воздействиям (при укладке и уплотнении бетона основания пола, термической обработке панели), что вызывает повышенное его деформирование. Фактическая толщина звукоизоляционного слоя в комплексных панелях до их монтажа при использовании стекловолокнистых матов на синтетическом связующем плотностью 40 кг/м3 и толщиной 6 см составляла в среднем 1,2 см, а минимальная измеренная толщина 0,6 см. При использовании минераловатных плит на синтетическом связующем плотностью 75 кг/м3 толщиной 6 см аналогичные величины составляли соответственно 2,6 и 1,8 см [22].
Таким образом, еще до приложения эксплуатационной нагрузки рассматриваемые материалы оказались обжатыми в среднем соответственно на 77 и 57%. В результате обжатия звукоизоляционного слоя во время эксплуатации здания толщина минераловатных плит стала недопустимо малой, а в панелях со стекловолокнистыми матами появилась опасность образования непосредственного жесткого контакта основания пола с несущей частью перекрытия. Измерения после двух лет эксплуатации здания показали неудовлетворительную звукоизоляцию в случае применения перекрытий со звукоизоляционной прослойкой из слишком легкого сильно деформируемого материала. Так, при испытании перекрытий со звукоизоляционной прослойкой из минераловатных плит плотностью 75 кг/м3 средние индексы звукоизоляции составляли, дБ: Iв=48,2; Iу=71,6, что хуже нормируемых для жилых зданий значений. Неудовлетворительная звукоизоляция отмечена также при использовании в качестве звукоизоляционной прослойки мягких древесноволокнистых плит недостаточной толщины (2,5 см). В этом случае средние значения индексов звукоизоляции составляют Iв=46,2 и Iу=71,5 дБ. Измеренные значения индексов звукоизоляции близко совпадают с расчетными значениями.
Проблема может быть решена при использовании мало деформируемых эффективных звукоизоляционных материалов (жестких минераловатных плит плотностью 150—175 кг/м3, пенополистирольных плит — 20—40 кг/м3) или комбинированном применении мягких и жестких звукоизоляционных материалов.