Звукоизоляционная характеристика вспененного полипропилена на примере виброшумоизоляционного материала пенотерм PenoProf НПП ЛЭ

В настоящее время обеспечение хорошей звукоизоляции помещений достигается за счет использования виброшумоизоляционных материалов в составе многослойных напольных покрытий. В связи с этим, важную роль играет применение звукоизоляционных материалов и определение их корректных характеристик.

Зачастую, потребители получают квартиры в новых зданиях со свободной планировкой и устанавливают ламинат или паркетный пол. Данные покрытия схожи по звукоизоляционным характеристикам между собой и не отвечают нормативным требованиям по уровню снижения индекса ударного шума. Притом жильцы, не желая тратить деньги на звукоизоляцию собственного пола, требуют выполнить мероприятия по улучшению звукоизоляции у соседа этажом выше. В итоге, появляется необходимость выполнения специальной звукопоглощающей конструкции перекрытия [1, 2].

Данная проблема особенно актуальна в связи с возросшими требованиями потребителей к условиям жилья. Мероприятия по защите от шума (внешнего и внутреннего) обеспечивают в современном городе необходимый акустический комфорт помещений [3]. Существует большое количество строительноакустических методов по защите гражданских и промышленных зданий от шумового воздействия [4]. Из всего перечня методов наиболее рациональным и выгодным является применение звукоизоляционных и звукопоглощающих материалов в связи с их низкой стоимостью и простотой монтажа [5-8]. Примером такого звукоизоляционного материала является продукция компании «Пенотерм-Урал», которая разработала рулонный виброшумоизоляционный материал Пенотерм PenoProf НПП ЛЭ, произведенный экструзионным методом из вспененного полипропилена с добавлением антипиренов, вспенивателя, стабилизирующих и пластифицирующих добавок. Этот материал применяется как вибродемпфирующая прокладка для улучшения шумоизоляции в конструкциях «плавающих полов». «Плавающие полы» – это полы на звукоизоляционном слое (прокладке), не имеющие жестких связей (звуковых мостиков) с несущей частью перекрытия, стенами и другими конструкциями здания [9].

Существует ряд проблем, связанных с применением классических монолитных перекрытий: они имеют большой удельный вес, недостаточные показатели по теплозащите и звукоизоляции, требуют трудоемкий технологический процесс съемной опалубки, использование специальной грузоподъемной техники, а также много других дополнительных трудозатрат [10]. Защита от шума в индивидуальном жилищном строительстве имеет важное значение, особенно следует отметить влияние материалов отделки внутреннего пространства на звукопоглощение и звукоотражение в целом. Для строительной акустики устройство конструкции плавающего пола – важнейший и самый эффективный способ увеличения изоляции ударного шума [11]. В статьях [12-14] говорится о необходимости улучшения изоляции от шума жилых помещений в связи с многочисленными источниками шума в густонаселённых городских районах. Это доказывает, что применение звукопоглощающих материалов в межэтажных перекрытиях актуально в наше время.

На сегодняшний день на рынке существует огромный выбор звукоизоляционных материалов. Применение их невозможно без исследований на изоляцию ударного шума. В работе [15] приведены экспериментальные исследования изоляции ударного шума с использованием подложки вспененного полиэтилена толщиной 2 мм и этафома аналогичной толщины, однако исследования вспененного полипропилена не рассматривалось.

В работе А.И. Герасимова [5] показана важность применения звукоизоляционных и звукопоглощающих материалов в составе ограждающих конструкций (перекрытия, перегородки, стены) для создания комфортного акустического климата в помещениях различного назначения. В работе приведены условия для того, чтобы добиться наибольшей звукоизоляции конструкции. Также в ней определен индекс приведенного уровня ударного шума перекрытия в целом, и представлены расчеты по улучшению звукоизоляции с применением минераловатных плит «Isover» различной плотностью. Тем не менее, в данной работе не изучены звукоизолирующие свойства несшитого вспененного полипропилена.

В статье T. Samardzloska [16] определены характеристики звукового поля для проектирования зданий с соответствующей звукоизоляцией. Также проведены натурные испытания по 18 различным типам перегородок в жилых зданиях Македонии, но не учитываются показатели звукоизоляции межэтажных перекрытий.

Тем не менее, проанализировав доступную научную литературу, обнаружено, что в настоящее время большое внимание уделяется исследованиям теплопроводности и энергоэффективности ограждающих 79 Шабалова О.П., Семененко Д.В., Гонякина Е.Н., Смирнов И.А., Корсун А.В., Пестряков И.И. Звукоизоляционная характеристика вспененного полипропилена на примере виброшумоизоляционного материала Пенотерм PenoProf НПП ЛЭ /

Shabalova O.P., Semenenko D.V., Gonyakina E.N., Smirnov I.A., Korsun А.V., Pestryakov I.I. Acoustic characteristics of foam polypropylene as an example of vibration and sound isolation material Penoterm Penoprof NPP LE © конструкций и межэтажных перекрытий [17-23], в отличие от исследований в области шумоизоляции и звукопоглощения с использованием звукоизолирующих материалов.

3.    Цели и задачи

Целью данной работы является исследование звукоизоляционных свойств материала и получение новых экспериментальных данных для Пенотерм PenoProf НПП ЛЭ толщиной 10, 6 и 5 мм компании «Пенотерм-Урал», а также сравнение свойств Пенотерм PenoProf НПП ЛЭ с материалами того же назначения, уже зарекомендовавшими себя на рынке производства.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

• -    определить экспериментальным методом динамический модуль упругости Ед и коэффициент относительного сжатия ε для материла толщиной 10, 6 и 5 мм;

• -    рассчитать, используя полученные экспериментальным путем данные, индекс приведенного уровня ударного шума с применением данного материала;

• -    вычислить значения индекса снижения приведенного уровня ударного шума покрытия из полипропилена;

• -    проанализировать полученные данные и сравнить их с показателями аналогичных материалов.

4.    Экспериментальные исследования 5.    Определение динамического модуля упругости

Для определения индекса снижения приведенного уровня ударного шума звукоизоляционного слоя необходимо сначала определить значения динамических характеристик образцов материала разной толщины - динамического модуля упругости Е д и относительного сжатия е при нагрузке 2000 Па. Все необходимые испытания проводились в лаборатории испытательно-сертификационного центра «Высота» высотных и большепролетных зданий и сооружений.

Измерения проводились по ГОСТ 16297-80 «Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие. Методы испытаний» [24] на вибростенде, устройство которого подробно описано в данном нормативном документе. Для более точного определения значения динамического модуля упругости для материала толщиной 10, 6 и 5 мм были произведены по 3 серии испытаний с последующим определением среднего арифметического значения величины. При этом количество одновременно испытываемых образцов в первых двух испытаниях было равно трём, а в третьем – шести. На вибрационный столик укладываются образцы материала под грузом. Затем, приводя вибратор в движение, устанавливается режим автоматического поддержания постоянной амплитуды. Определяется частота резонанса в процессе плавного изменения частоты колебаний вибратора, при которой амплитуда груза, установленного на испытываемом образце, становится максимальной. Затем определяем динамический модуль упругости Е д для малых знакопеременных нагрузкок по формуле (1):

• 4 • п² • /² • M • Л

^Е д =------- F------- ,                                                 (1)

где f – частота резонанса, Гц;

М – масса груза, кг;

h – толщина образца, м;

F – общая площадь одновременно испытываемых образцов, м2.

Из формулы (1) видно, что динамический модуль упругости Е_д зависит от частоты резонанса, массы груза, толщины образца и общей площади одновременно испытываемых образцов.

Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты испытаний определения динамического модуля упругости Ед

НПП ЛЭ 10 мм
	h, м	f, Гц	F, м2	М, кг	Ед , Па
Испытание №1	0,81·10-2	19,5	2,12 · 10-3	0,473	2,71 · 105
Испытание №2	0,83·10-2	19,0	2,12 · 10-3	0,473	2,64 · 105
Испытание №3	0,84·10-2	17,5	4,24 · 10-3	0,828	1,98 · 105
Итог:					2,44 · 105
НПП ЛЭ 6 мм

Construction of Unique Buildings and Structures, 2016, №2 (41)

	h, м	f, Гц	F, м2	М, кг	Ед , Па
Испытание №1	0,57·10-2	20,0	2,12 · 10-3	0,473	2,01 · 105
Испытание №2	0,57·10-2	20,0	2,12 · 10-3	0,473	2,01 · 105
Испытание №3	0,59·10-2	18,5	4,24 · 10-3	0,828	1,56 · 105
Итог:					1,86 · 105
НПП ЛЭ 5 мм
	h, м	f, Гц	F, м2	М, кг	Е д , Па
Испытание №1	0,49·10-2	20,0	2,12 · 10-3	0,419	1,63 · 105
Испытание №2	0,49·10-2	21,0	2,12 · 10-3	0,449	1,80 · 105
Испытание №3	0,48·10-2	18,0	4,24 · 10-3	0,857	1,23 · 105
Итог:					1,56 · 105

6.    Определение коэффициента относительного сжатия

Определение коэффициента проводилось методом, описанным в ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний». Метод заключается в том, чтобы определить изменение толщины образца изделия, на который воздействует длительная сжимающая удельная нагрузка [25].

Расчёт индекса снижения приведенного уровня ударного шума производился для жилых зданий, поэтому в испытаниях изменение толщины образца рассматривалось только под удельной нагрузкой 2000 Па, которая является нормируемым показателем для данного типа зданий. Схема прибора для определения сжимаемости приведена в [25]. Испытуемый образец размерами 100х100 мм устанавливается на основание и нагружается удельной нагрузкой 2000 Па. Образец выдерживается под данной нагрузкой до отсутствия изменений показаний на циферблатном индикаторе перемещений. По показаниям шкалы индикатора по завершении испытания определяется изменение толщины образца под удельной нагрузкой

2000 Па. Затем по формуле (2) вычисляется коэффициент относительного сжатия ε.

ДА

^£ h’

где h - толщина изделия, мм;

ДА - изменение толщины образца под удельной нагрузкой 2000 Па.

Результаты, полученные по итогам испытаний, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты измерения коэффициента относительного сжатия

	НПП ЛЭ 10 мм	НПП ЛЭ 6 мм	НПП ЛЭ 5 мм
Δh, мм	0,165	0,11	0,15
h, мм	9,5	5,5	4,8
ε	0,017	0,02	0,031

7.    Расчет индекса приведенного ударного шума

Расчет производился по методике, описанной в [26] для перекрытия, в состав которого входят:

• -  железобетонная несущая плита (толщина – 18 см, плотность – 2500 кг/м³);

• -  звукоизоляционный слой (Пенотерм PenoProf НПП ЛЭ толщиной 10, 6 и 5 мм в необжатом

состоянии);

• -    гипсокартонная панель (толщина – 5 см, плотность – 1300 кг/м³);

• -    линолеум (толщина – 3 мм, плотность – 1100 кг/м³).

Полезная нагрузка на перекрытие составляет 2000 Па.

Для определения индекса приведенного ударного шума под междуэтажным перекрытием определяются поверхностные плотности элементов перекрытия:

т = y • h,                                                      (3)

где γ – плотность элемента, кг/м3;

h - толщина элемента, м.

Поверхностная плотность железобетонной несущей плиты:

т 1 = 2500 • 0,18 = 450 кг/м².

Поверхностная плотность пола (без звукоизоляционного слоя):

т₂ = 1300 • 0,05 + 1100 • 0,03 = 68,3 кг/м² = 683 Па.

Тогда нагрузка на звукоизоляционный слой составляет:

2000 + 683 = 2683 Па.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2016, №2 (41)

По таблице 18 [26] определяется L „ _w0 - индекс приведенного уровня ударного шума для несущей плиты перекрытия. Для несущей плиты перекрытия с поверхностной плотностью 450 кг/м² L_uw0 составляет 76 дБ.

Частота колебаний пола вычисляется по фор муле ( 4):

/о = 0,16 • 1-^,                                          (4)

d • m 2

где d - толщина звукоизоляционного слоя в обжатом состоянии, определяемая по формуле (5):

d = d₀(1-e),                                             (5)

где d₀ - толщина звукоизоляционного слоя в необжатом состоянии, м.

Вычислив частоту колебаний пола /₀ по формуле (4) при ранее полученных значениях Ед и е (табл. 1,2), определяется индекс изоляции приведенного уровня шума L_nw под данным междуэтажным перекрытием по таблице 17 [26]. Результаты вычислений приведены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты вычисления индекса изоляции приведенного уровня шума

	НПП ЛЭ 10 мм	НПП ЛЭ 6 мм	НПП ЛЭ 5 мм
d0 , м	9,5·10-3	5,5·10-3	4,8·10-3
d , м	9,3·10-3	5,4·10-3	4,7·10-3
/ 0 , Гц	99	114	112
^ nw , дБ	51	55	55

8.    Вычисление индекса снижения приведенного уровня ударного шума

Для вычисления индекса снижения приведенного уровня ударного шума определяется разность между индексом несущей железобетонной плиты перекрытия без использования звукоизоляционного слоя и индексом после его использования (6):

^ ^Lnw  ^Lnw0  ^Lnw

Результаты вычислений приведены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты вычисления индекса снижения приведенного уровня ударного шума

	НПП ЛЭ 10 мм	НПП ЛЭ 6 мм	НПП ЛЭ 5 мм
Lnw0 , дБ	76	76	76
Lnw , дБ	51	55	55
^Л™ , дБ	25	21	21

9.    Анализ результатов и сравнение с аналогичными материалами В результате проведенных испытаний и расчетов можно заметить, что показатели индекса снижения приведенного уровня ударного шума не отличаются у образцов толщиной 5 мм и 6 мм. Это объясняется тем, что индекс снижения приведенного уровня ударного шума имеет логарифмическую зависимость от динамического модуля упругости и толщины звукоизоляционного слоя. Согласно [27] данную зависимость в общем виде можно описать формулой: AL = 10Zy - [(=i+1)l2 [  (=i)  ] / / 1Л V Р=п P=n mi/ - (=2-1) ~ X=   / (=2) mpJ гдеAL - снижение уровня ударного шума при устройстве пола на упругом основании; m1 - поверхностная плотность пола;

m₂ - поверхностная плотность несущей плиты;

р =„ - частота собственных колебаний несущей плиты перекрытия;

Е - динамический модуль упругости упругой прокладки;

d - толщина упругой прокладки.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2016, №2 (41)

Рисунок 1. Расчётная модель перекрытия с полом на упругом основании

Весовая доля толщины прокладки имеет небольшую часть. В связи с этим, небольшая разница в толщинах не значительно повлияла на показатели индекса снижения.

Тем временем, большая разница толщин между образцами 10 мм и 6 мм (5 мм) повлияла на результаты вычислений. Таким образом, индекс снижения приведенного уровня ударного шума увеличился у образца толщиной 10 мм по сравнению с индексом снижения образцов меньшей толщины.

Для того, чтобы дать полную оценку исследуемого материала, необходимо сравнить его с другими аналогичными материалами подобного применения, такими как недорогие вспененные несшитые пенополиэтилены марок «Изолон (НПЭ)», «Изоком (ППИ)», «Пленэкс» и «Изодон».

В таблице 5 приведены результаты исследований индекса улучшения изоляции ударного шума, проведенных лабораторией архитектурной акустики и акустических материалов в январе 2012 [28].

Таблица 5. Результаты исследований индекса улучшения уровня ударного шума

Материал, заявленная толщина, мм	Индекс улучшения изоляции ударного шума, 1L „ W , дБ:
Изолон НПЭ, 8 мм	24
Изоком ППИ, 8мм	26
Пленекс, 8 мм	24
Изодом, 8 мм	22

По приведенным данным можно сделать вывод, что индекс снижения ударного шума с использованием материала Пенотерм PenoProf НПП ЛЭ не значительно отличается от индексов перекрытий с использованием других аналогичных материалов.

Однако в ходе проведения лабораторных испытаний на долговечность в течении 365 дней [28], были выявлены закономерности изменения основных показателей образцов вспененных материалов во времени под нагрузкой 2000 Па. Первоначально у всех образцов были определены исходные характеристики – заявленные толщины, толщины в свободном состоянии и под нагрузками, а также их динамические характеристики.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2016, №2 (41)

Рисунок 2. График временных характеристик изменения толщины образцов

Как видно по рисунку 2, несшитый пенополипропилен Пенотерм за 365 дней нахождения под стандартной нагрузкой 2000 Па показал наилучшие результаты, и его толщина уменьшилась всего на 15.3% (с 8,42 мм до 7,13 мм после 365 дней эксплуатации). Этот факт позволяет говорить о том, что и при более длительном нахождении под нагрузкой толщина данного материала остается стабильной. Факт изменения толщины с течением времени сказывается на индексе улучшения изоляции ударного шума. Из таблицы 6 видно, что процент снижения показателя индекса у несшитого пенополипропилен Пенотерм наименьший.

Таблица 6. Результаты длительных испытаний образцов на изменение толщины и уровня ударного шума.

Материал, заявленная толщина, мм	Толщина материала, Δh, мм:			Индекс улучшения изоляции ударного шума, ALnw, дБ:
	24.01.12	24.01.12 /24.01.13	Процентное изменение, Δh, %	24.01.12	24.01.13	Процентное изменение
	В свободном состоянии	Под нагрузкой 2000 МПа		Начало испытаний	Конец испытаний
Пенотерм, 8 мм	10,00	8,42/7,13	15,3	23	22	4,3
Изолон НПЭ, 8 мм	11,92	10,35/5,65	45,5	24	23	4,3

Изоком ППИ, 8 мм	14,1	8,0/4,43	44,6	26	22	15,4
Пленекс, 8 мм	9,37	8,72/4,95	43,2	24	21	12,5
Изодом, 8 мм	8,15	7,75/3,28	57,7	22	18,5	15,9

10.    Выводы

В результате проведенных испытаний и расчетов получены новые экспериментальные данные для Пенотерм PenoProf НПП ЛЭ толщиной 10, 6 и 5 мм компании «Пенотерм-Урал». А именно:

• -    определен экспериментальным методом динамический модуль упругости и коэффициент относительного сжатия. Для материалов толщиной 10, 6 и 5 мм их величины составили Е д = 2,44 · 10⁵; 1,86 · 10⁵ и 1,56 · 10⁵ Па, а ε = 0,017; 0,02 и 0,031 соответственно;

• -    рассчитаны индексы приведенного ударного шума покрытия из полипропилена. Для материалов толщиной 10, 6 и 5 они равны L „ _w = 51,0; 55,0 и 55,0 дБ соответственно;

• -    вычислены значения индекса снижения приведенного уровня ударного шума покрытия из полипропилена. Для каждой толщины в отдельности они составляют AL_nw = 25,0; 21,0 и 21,0 дБ.

Полученные опытные данные свидетельствуют о том, что данный материал, в порах которого содержится воздух, обладает гибким скелетом, «гасит» энергию вибрации и удара, существенно снижая тем самым уровень ударного шума.

Из сравнительного анализа показателей индексов снижения ударного шума выявлено, что индекс материала Пенотерм PenoProf НПП ЛЭ практически не отличается от индексов других аналогичных материалов.

Тем не менее, результаты исследований НИИСФ по долговечности материала Пенотерм НПП ЛЭ оказались лучше результатов подобных материалов. Он в наименьшей степени деформируется и не теряет своих звукоизолирующих свойств со временем.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2016, №2 (41)