秸稈復(fù)合墻體隔聲性能計算機模擬及試驗研究

陳繼浩，冀志江，王 靜

（中國建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建材國家重點實驗室，北京 100024）

秸稈復(fù)合墻體隔聲性能計算機模擬及試驗研究

陳繼浩，冀志江，王 靜

（中國建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建材國家重點實驗室，北京 100024）

采用計算機模擬和試驗對比的方法，對多層復(fù)合的秸稈復(fù)合墻板和結(jié)合輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)的雙層墻體的隔聲性能進行了研究。結(jié)果顯示，105 mm厚多層復(fù)合的秸稈復(fù)合墻板隔聲達到36 dB，達到建筑內(nèi)隔墻的隔聲性能要求。采用輕鋼龍骨作為支撐結(jié)構(gòu)，并兩面貼附秸稈復(fù)合板的雙層墻體隔聲性能達到49 dB，具有較好的隔聲性能，為充分利用秸稈資源，形成輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)的裝配式建筑具有參考意義。

聲學(xué)；秸稈；復(fù)合墻體；隔聲；計算機模擬；試驗

我國每年的農(nóng)業(yè)秸稈產(chǎn)量巨大，而秸稈的工業(yè)化利用率不高，目前不足5%[1]。大量農(nóng)業(yè)秸稈無處可去，被露天焚燒，成為影響我國空氣質(zhì)量和產(chǎn)生霧霾的重要原因，如何使這種產(chǎn)量巨大的可再生資源得到良好利用成為研究者和社會關(guān)心的問題。秸稈是天然可再生資源，零排放、易加工，作為建筑材料，代替農(nóng)村廣泛使用的高耗能的黏土磚，建造的房屋是一種可持續(xù)發(fā)展且低能耗的綠色建筑，能產(chǎn)生巨大的節(jié)約能源和資源的效果，帶來巨大的生態(tài)環(huán)保效益[2–3]。

秸稈紙面草板具有大量利用可再生資源，節(jié)能性能突出，環(huán)保無污染等特點，適合工廠化大批量生產(chǎn)，加工能耗低，通過與無機面層的結(jié)合，形成裝配式建筑所用墻體，可以大大提高建筑的建造速度，大幅節(jié)約勞動力。與秸稈草磚墻相比，克服了其不便于運輸，結(jié)構(gòu)局限、層高限止等問題。特別是與輕鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合，形成裝配式房屋，實現(xiàn)支撐體系與填充體系的明確區(qū)分，提高建筑物的可維護性和壽命同時，節(jié)能性能突出，在我國北方寒冷地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景[4–6]。但由于紙面草板復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)較輕，隔聲性能仍需要通過多層結(jié)構(gòu)的改善，秸稈復(fù)合墻板貼附于輕鋼骨架兩面形成雙層墻體結(jié)構(gòu)，提高墻體的隔聲性能。近年來計算機技術(shù)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的研究越來越多，使建筑墻體結(jié)構(gòu)采用計算機模擬技術(shù)能大幅提高研究效率，為不同墻體結(jié)構(gòu)快速提供設(shè)計依據(jù)。采用計算機模擬和試驗結(jié)合的方式，研究紙面草板與不同面層的結(jié)合形成的多層復(fù)合單板墻體、雙板墻體結(jié)構(gòu)的隔聲性能，將為紙面草板復(fù)合墻板應(yīng)用于建筑墻體提供依據(jù)。

1 墻體隔聲性能計算機模擬條件設(shè)置及測試

通過采用應(yīng)用Comsol Multiphysics軟件對墻體隔聲性能進行計算機模擬，軟件以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程或偏微分方程組來實現(xiàn)墻體的聲波傳輸計算機仿真模擬，模擬結(jié)果更加精確。按照《聲學(xué)—建筑構(gòu)件隔聲的實驗室測量-第2部分：空氣聲隔聲的測量》（ISO 10140）中實驗室的尺寸建立模型，并假設(shè)聲源室和接收室中間整個隔墻是模擬的試驗墻體，假設(shè)聲源室和接收室中墻壁的反射系數(shù)為0.95。在聲源室假設(shè)布置聲源，通過計算聲源室和接收室中墻體的聲壓級差確定其隔聲性能。

為比較計算機模擬的準確性，制造了相同結(jié)構(gòu)的試件，在聲學(xué)實驗室進行測試，以對計算機模擬的結(jié)果進行驗證。隔聲性能測試在北京市勞動保護研究所聲學(xué)所進行測試，試樣為1 m×2 m的秸稈復(fù)合墻體，面積為2 m2。

2 單板秸稈復(fù)合板隔聲性能計算機模擬和試驗對比

2.1 秸稈墻體結(jié)構(gòu)

對兩種復(fù)合了面層的秸稈復(fù)合板單板進行了隔聲性能的計算機模擬，兩種墻體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 兩種秸稈復(fù)合板單板

圖中(a)為秸稈紙面草板兩面貼附無機面板，除提高秸稈紙面草板耐水、耐火等性能外，也通過重質(zhì)面層的加入，形成多層復(fù)合的板材，提高其隔聲能力，(b)為在(a)基礎(chǔ)上，為增加復(fù)合板材的隔聲性能，在面層下面又增加一層帶孔刨花板，形成不同厚度多層結(jié)構(gòu)，也可以提高復(fù)合墻板的強度。這兩種板材適用于室內(nèi)隔墻，能充分利用其便于加工，面積較大，施工快捷的優(yōu)點。

2.2 計算機模擬與試驗結(jié)果對比

計算機模擬后不同頻率在聲源室和接收室的分布如圖2：

圖2 隔聲性能計算機模擬圖像

圖中顯示不同頻率的聲波分布的圖像，其中左側(cè)為聲源室，右側(cè)為接收室。Comsal軟件可以通過可視化的聲波分布來清楚分析聲壓級在隔墻作用下的變化，從圖中可以看出，更高的頻率聲音的分布更為均勻。

制作了與計算機模擬結(jié)構(gòu)一致的秸稈復(fù)合板并進行了隔聲性能測試，圖3為兩種秸稈復(fù)合墻板隔聲性能計算機模擬結(jié)果和測試結(jié)果的對比圖。

從圖中可以看出，計算機模擬的隔聲性能和實測結(jié)果從趨勢上一致，但在1 000 Hz以上頻率時，計算機模擬的結(jié)果比實測結(jié)果偏高，這可能是由于墻體試件安裝以及面積與計算機模擬時較為理想的整面墻體存在偏差。在1 000 Hz以上頻率，隨著頻率的增高，墻體的隔聲量也相應(yīng)提高，這說明在高頻范圍，隨著波長的變短，聲波更難透過。兩種墻體實際隔聲性能的計算機模擬結(jié)果和測試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，計算機模擬的計權(quán)隔聲量稍高，這與試件的制造、安裝條件與模擬條件并不完全一致有關(guān)。實測的105 mm秸稈復(fù)合板隔聲性能達到住宅建筑對墻體的要求，70 mm的秸稈復(fù)合板隔聲量仍需提高。

3 雙層墻體結(jié)構(gòu)改善墻體隔聲性能計算機模擬和試驗對比

3.1 秸稈復(fù)合板雙層墻體結(jié)構(gòu)

根據(jù)雙層墻體的理論，雙層墻體能夠顯著提高隔聲性能，由于秸稈復(fù)合板易于支撐大型板材，特別適合于和輕鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合，貼附于輕鋼結(jié)構(gòu)兩面形成雙層結(jié)構(gòu)，因此對雙層墻結(jié)構(gòu)的隔聲性能進行了計算機模擬和實測研究，隔聲性能模擬和實測研究采用兩種雙層墻結(jié)構(gòu)，如圖4。

兩種墻體結(jié)構(gòu)都采用100 mm的輕鋼龍骨隔開，中間形成空腔，龍骨的間距為600 mm。其中(a)為采用圖1中70 mm厚的兩層秸稈復(fù)合板中間用輕鋼龍骨隔開形成240 mm厚的雙層墻體，(b)為避開吻合谷效應(yīng)采用70 mm和105 mm兩種厚度的秸稈復(fù)合墻體，中間用輕鋼龍骨隔開，形成275 mm厚的雙層墻體。

圖3 秸稈復(fù)合板單板隔聲性能計算機模擬和試驗對比

表1 單板隔聲性能計算機模擬和實測對比

圖4 兩種雙層墻板結(jié)構(gòu)

3.2 計算機模擬和試驗結(jié)果對比

圖5 兩種雙層墻體隔聲性能計算機模擬和實測對比

測試結(jié)果和模擬結(jié)果的對比如圖5。

由圖5可以看出，兩種墻體隔聲性能計算機模擬和實測結(jié)果趨勢一致，但在中低頻的個別頻率有較大差別。另外，在實測結(jié)果高頻段較計算機模擬值低，這是由于計算機模擬設(shè)置與試件面積及安裝條件等造成的差異。

對四種墻體結(jié)構(gòu)的實測比較如圖6。

圖6 四種結(jié)構(gòu)墻體隔聲性能實測對比

從圖6可以看出，105 mm單層秸稈復(fù)合墻板在增加刨花板層后，隔聲量在各個頻段都有所提高，但提高較少。而采用輕鋼龍骨連接的兩種雙層墻體的計權(quán)隔聲量與單層相比有顯著提高，提高值在13 dB以上，大幅改善了秸稈墻體的隔聲性能，說明與輕鋼龍骨配合的雙層墻結(jié)構(gòu)，能夠為墻體圍護結(jié)構(gòu)提供良好的隔聲性能，為建筑室內(nèi)提供安靜空間。但275 mm厚雙層墻體和240 mm厚雙層墻體的隔聲性能相差不大，從經(jīng)濟性和提高建筑的空間利用率的角度考慮，240 mm復(fù)合墻體是更為合理的選擇。

雙層墻體結(jié)構(gòu)中，中間空腔厚度會對雙層墻隔聲性能產(chǎn)生顯著影響，因此利用計算機模擬計算便利、節(jié)省時間的特點，對于雙層墻體中間空氣層厚度從10 mm到160 mm在有無聲橋存在的情況下的隔聲性能進行了模擬研究。其中假設(shè)雙層墻無聲橋時，兩層墻獨立存在，中間為不同厚度的空氣層，有聲橋時，兩層墻體通過100 mm寬的輕鋼龍骨連接，輕鋼龍骨的間距為600 mm。不同厚度空氣層的雙層墻體隔聲性能模擬值如圖7。

由圖7可以看出，當雙層墻獨立存在而無聲橋連接時，隔聲量隨著雙層墻中間空氣層厚度的增加而增加，當有輕鋼龍骨在兩層墻體中間建立聲橋時，隔聲量顯著降低，而且空腔厚度對隔聲性能的影響較小，說明如果想提高雙層墻的隔聲性能，聲橋的影響不可忽略，需要在聲橋上采取抑制措施來提高墻體的隔聲性能。

圖7 有無聲橋隔聲量模擬值的比較

4 結(jié)語

采用計算機模擬和試驗對比的方法，對秸稈紙面草板復(fù)合面層的秸稈復(fù)合板進行了隔聲性能評價研究，結(jié)果顯示：

（1）兩面復(fù)合面層的70 mm秸稈復(fù)合板單板的隔聲性能不能達到建筑隔墻的要求，通過中間增加不同厚度的面層形成的105 mm厚的多層復(fù)合墻體隔聲性能得到改善，達到建筑隔墻的要求。

（2）與輕鋼龍骨結(jié)合的雙層秸稈墻體隔聲性能比單層墻體得到大幅提高，是解決秸稈復(fù)合墻體隔聲能力不足的良好方式。

（3）對不同厚度空腔的雙層墻體隔聲性能的計算機模擬顯示，沒有聲橋的雙層墻體隔聲性能顯著提高，而聲橋?qū)﹄p層墻隔聲性能影響較大，需要采取抑制措施，提高隔聲性能。

[1]張波.農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈生產(chǎn)人造板的資源化利用[J].中國膠黏劑，2013，22（12）：46-49.

[2]朱永忠.農(nóng)村住宅節(jié)能現(xiàn)狀淺談[J].四川建材，2014，40（2）：12-15.

[3]解萬玉，蔣賽百，魯聞君.農(nóng)村住宅節(jié)能現(xiàn)狀與節(jié)能設(shè)計策略研究[J].建筑節(jié)能，2014，42（4）：53-55.

[4]王保祥.金禾板——真正的綠色環(huán)保墻材[J].建筑知識，2001（3）：31-32.

[5]杜永新.輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)紙面草板節(jié)能房[J].建設(shè)科技，2010（5）：68-69.

[6]張維熙，王曉玉.我國鋼結(jié)構(gòu)住宅體系現(xiàn)狀以及發(fā)展前景[J].門窗，2013（5）：379-380.

Computer Simulation and Experiment Research of Sound Insulating Performance of Composite Straw Walls

CHEN Ji-hao,JI Zhi-jiang,WANG Jing
(State Key Laboratory of Green Building Materials,China Building MaterialAcademy,Beijing 100024,China)

The sound insulating performance of composite straw walls and double layer walls with light weight steel frame structure are studied by computer simulation and experiments.The results show that the 105mm thick composite straw wall has a good sound insulating performance,its sound transmission loss can reach 36 dB and satisfy the building insulating standard.The sound transmission loss of the double layer straw wall with the light weight steel frame can reach 49 dB,it also has a good sound insulating performance.This work has some reference significance in the point of view of using straw resource as building materials.

acoustics;straw;composite wall;sound insulation;computer simulation;experiment

O422.6

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.038

1006-1355(2017)05-0185-04

2017-03-13

國際科技合作專項，節(jié)能隔聲多功能復(fù)合墻體材料和結(jié)構(gòu)合作研究（2014DFA71290）；十三五國家重點研發(fā)計劃，秸稈基綠色建筑板材的制備關(guān)鍵技術(shù)研究與集成示范（2016YFC0701005）

陳繼浩，男（1973－），河北省獻縣人，高級工程師，博士，主要研究方向為建筑節(jié)能和噪聲控制研究。

E-mail:cjhchenjihao@163.com