Декоративно-акустические гипсосодержащие материалы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования 
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ

Б.М. Румянцев, А.Д. Жуков, А.В. Орлов

ДЕКОРАТИВНО-АКУСТИЧЕСКИЕ
ГИПСОСОДЕРЖАЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Москва  2017

2-å èçäàíèå (ýëåêòðîííîå)

УДК 517.28+536.491+699.86
ББК 22.161+22.317+38.637
          Р 86

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ

Рецензенты:

профессор, доктор технических наук Л. Н. Попов, 
заведующий кафедрой строительных материалов и изделий 
ФГБОУ ВПО «МГОУ»;

профессор, доктор технических наук В. Ф. Коровяков,
1-й заместитель директора по научной работе НИИМОССТРОЙ

Монография рекомендована к публикации 
научно-техническим советом МГСУ

Румянцев, Борис Михайлович

Р 86 
      Декоративно-акустические гипсосодержащие материалы [Электронный ресурс] : монография / Б. М. Румянцев, А. Д. Жуков, 
А. В. Орлов ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. 
гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан.  
(1 файл pdf : 256 с.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2017. — 
Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 
4.5 ; экран 10".

ISBN 978-5-7264-1548-2

Рассмотрены вопросы формирования свойств и разработки технологий 
декоративно-акустических материалов на основе поризованного гипса. Особое внимание уделено технологическому моделированию, в частности, решению задач по подбору и оптимизации состава материалов, выбору и оптимизации технологических параметров их изготовления. Раскрыты способы технологического моделирования. 
Методики, изложенные в монографии, и результаты исследований представляют интерес для научных работников, слушателей магистратуры и технологов стройиндустрии.

УДК 517.28+536.491+699.86
ББК 22.161+22.317+38.637

ISBN 978-5-7264-1548-2 

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Декоративно-акустические гипсосодержащие материалы : монография / Б. М. Румянцев, А. Д. Жуков, А. В. Орлов ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2014. — 256 с. — ISBN 978-5-7264-0828-6.

©  Национальный исследовательский
Московский государственный 
строительный университет, 2014

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных 
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать 
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ВВЕДЕНИЕ

Опыт производства и применения декоративно-акустических 
материалов (ДАМ) в нашей стране и за рубежом показывает, что 
основным направлением их развития должно явиться производство 
однослойных пористых материалов полной заводской готовности. 
Однослойные ДАМ подтвердили свое преимущество (по сравнению 
с другими материалами) по технологичности изготовления, экономичности, возможности применения недефицитных материалов 
и ряду других показателей. Однако развитие производства однослойных пористых ДАМ сдерживается из-за отсутствия обобщающих научных исследований, выполненных в этом направлении, 
отсутствия теоретических и методологических разработок, определяющих принципиальные положения по технологии, требования 
к сырьевым материалам и конечной продукции. До настоящего 
времени нет обоснованных требований к акустическим, прочностным и эксплуатационным показателям изделий, которым они должны отвечать, отсутствуют рекомендации, обеспечивающие получение заданных свойств материала.
В монографии рассмотрены теоретические основы получения 
декоративно-акустических материалов, предназначенных для внутренней отделки помещений общественного и культурно-бытового назначения и отвечающих повышенным требованиям по физико-механическим, эксплуатационным, декоративным и акустическим показателям, а также практические пути, связанные с 
реализацией теоретических положений. В работе представлены:
• методика решения технологических задач в области ДАМ;
• требования к физико-механическим, акустическим и эксплуатационным показателям ДАМ;
• требования к сырьевым материалам, применяемым при получении ДАМ;

• принципы подбора составов исходных масс и технологические 
приемы получения ДАМ;
 
• результаты исследований процессов, связанных с предварительной подготовкой сырья, приготовлением смесей, формованием, сушкой и отделочными операциями;
 
• взаимосвязь показателей ДАМ с технологическими параметрами и их оптимизация с применением математических моделей;
 
• акустические, физико-механические и эксплуатационные показатели ДАМ.
Для достижения поставленной цели была разработана методика, 
исходным положением которой явилась разработка гипотетического изделия, отражающего основные требования к ДАМ из условия их надежной эксплуатации. К показателям, характеризующим такие требования, были отнесены структурные характеристики, размеры изделий, механическая прочность, сопротивление 
воздухопроницанию, гигроскопичность, огнестойкость и некоторые другие.
Разработка гипотетического изделия позволила перейти к созданию базовых изделий и технологий, которые обеспечивают получение ДАМ из различных сырьевых композиций при сходных пластично-вязких свойствах формовочных масс. Из сырьевых материалов были выделены волокнистые и зернистые компоненты, а 
также минеральные вяжущие, обеспечивающие получение материалов с ячеистой структурой.
В качестве основных направлений в разработке базовых технологий при изготовлении ДАМ рассматривалось вспенивание. Были 
установлены общие зависимости, характеризующие наиболее перспективные технологии, и определены частные зависимости для 
получения конкретных материалов.
Установление влияния отдельных технологических параметров 
на основные показатели ДАМ, а также оптимизация их составов 
проводились путем математического моделирования технологического процесса применительно к базовым ДАМ.
Расширение декоративных решений ДАМ предполагало систематизацию существующих и разработку новых приемов, применяемых на стадии отделки. Расширение декоративных решений было 
применено к базовым материалам, обладающим близкими показателями по механической прочности, твердости и пористости.

При разработке путей повышения эксплуатационных показателей ДАМ были намечены следующие направления:
 
• Улучшение водостойкости ДАМ физическими (пропитки полимерами, введение гидрофобных веществ) и химическими методами, связанными с объемной и поверхностной гидрофобизацией 
изделий. 
 
• Повышение огнестойкости, которое достигалось за счет увеличения минеральной составляющей и применения антипиренов, 
покрытия огнестойкими составами. 
 
• Повышение биостойкости, осуществляемое за счет снижения 
равновесной влажности материала, применения антисептиков.
Теоретические методы позволяют установить общие зависимости, характерные для однотипной группы процессов. В связи с этим 
такие методы были широко применены при изучении основных 
технологических процессов, связанных с подготовкой формовочной массы (перемешиванием), формованием заготовок (напыление, прессование, отлив), тепловой обработкой (сушкой). Многие 
из этих процессов определяются большим количеством переменных. Для того чтобы можно было обобщить и обоснованно распространить полученные зависимости на процессы, протекающие 
в других условиях, было применено математическое моделирование, основанное на методах математической статистики и теории 
вероятности. Было выполнено имитационное моделирование всего технологического процесса производства ДАМ, начиная от подготовки сырьевых материалов и заканчивая свойствами готовой 
продукции. Моделирование выполнялось согласно обобщенной 
технологической схеме и составляло пакет программ, учитывающих 
предварительную подготовку сырьевых компонентов, получение 
смесей, формирование и стабилизацию структуры.
В основу имитационного моделирования положены методы факторного анализа, позволяющие установить взаимное влияние и относительную важность переменных, описывающих данный технологический процесс. Имитационное моделирование обеспечило 
возможность контролировать и регулировать наиболее существенные факторы, определяющие стабильность технологии, оптимизировать технологический процесс, исходя из минимальных затрат 
дефицитных сырьевых компонентов и расхода тепла при обеспечении требуемого качества изделий.

Расчетно-аналитические методы были применены при изучении 
непрерывных детерминированных процессов. Они позволили установить характер и условия протекания конкретных процессов, точные количественные связи между отдельными величинами. Расчетно-аналитические методы были применены при разработке 
гипотетического и базовых материалов и изучении процессов вспенивания, перемешивания, формования, тепловой обработки, при 
исследовании влияния исходных сырьевых материалов, технологических параметров, условий монтажа и эксплуатации на свойства 
ДАМ.
Реализация комплексных методов исследования и установление 
их взаимосвязи позволили сформулировать методику решения технологических задач в области ДАМ, которая в дальнейшем была 
опробована при решении технологических задач при получении 
ДАМ с ячеистой структурой и на других материалах.

1. ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ 
ПОРИЗОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ 
СВОЙСТВ ДЕКОРАТИВНО-АКУСТИЧЕСКИХ 
МАТЕРИАЛОВ

1.1.1. Звукопоглощение лицевых элементов 

Независимо от вида и назначения лицевых элементов изделий 
все они должны в большей или меньшей мере обладать звукопоглощающими свойствами. В связи с этим в качестве исходной позиции создания эффективных ДАМ было выбрано звукопоглощение, которое явилось определяющим при разработке структуры, 
составов, технологии изготовления и применения ДАМ.
Вопросами, связанными с изучением поглощения звука пористыми материалами, занимались многие ученые как в нашей стране, так и за рубежом. Большой вклад в теоретические разработки 
процесса звукопоглощения внесли Л. Рэлей, К. Цвиккер, К. Костен, 
Л. Беранек, Е. Скучик и другие зарубежные ученые. Ряд важных 
работ по изучению механизма звукопоглощения и исследованию 
определяющих параметров был выполнен в нашей стране Е.Я. Юдиным, Г.Л. Осиповым, К.А. Велижаниной, Л.А. Борисовым и др. [9; 
36; 41].
По принятым представлениям, механизм звукопоглощения заключается в том, что при падении звуковой волны на пористый 
материал, воздух, находящийся в порах, приходит в колебание и 
благодаря его сопротивлению трения и вязкости часть звуковой 
энергии превращается в тепло. При этом за счет теплопроводности 
стенок пор происходит рассеивание энергии. Кроме того, при неидеальной упругости скелета материла наблюдаются релаксационные потери энергии.
Теоретические предпосылки в создании эффективных звукопоглощающих материалов базируются на закономерностях, отражающих распространение звуковых волн в воздухе, их переход из воздуха в поглощающий материал и поглощение в толще материала. 
В связи с этим основной задачей является определение параметров 
материала и способа его монтажа, приводящего к наиболее эффективному поглощению звука.

Известно, что звук, представляющий волновое колебание упругой среды, распространяется в воздушной среде в виде продольных 
волн. Основными характеристиками звуковой волны являются звуковое давление Р и колебательная скорость V. Тогда уравнение плоской волны, распространяющейся в реальной среде, имеет вид

P = Pmliωt–(β+ik)X,

где Pm — начальная амплитуда звукового давления; ω — круговая 
частота; t — время; β + ik = ν — постоянная распространения; Х — 
постоянная затухания; k — волновое число;

 

2
.
f
k
c
c
π
ω
=
=
 
(1)

В дифференциальной форме с учетом сил трения уравнение распространения звуковой волны записывается как

p
r
x
∂
∂ϑ
−
= ρ
+ ϑ
∂
∂τ

и 
1
,
p
x
∂ϑ
∂
−
=
∂
ρ ∂τ  
(2)

где ρ — плотность среды; r — коэффициент трения; k0 — модуль 

объемной упругости среды;
 

0
.
p
k
∂
= ρ ∂ρ

В результате преобразований уравнений (1) и (2) может быть 
получено уравнение распространения звуковых волн:

2
2

0
2
2 .
p
p
k
x
∂
∂
ρ
=
∂τ
∂

Откуда, по данным Е.Я. Юдина, могут быть выражены постоянная распространения ϑ и колебательная скорость ν:

;
i
k
ρ
ν = ± ω

.
i
P
k
ω
ϑ =
ν
 
(3)

Подставив значение ϑ в уравнение (3), получим 
P
k
ϑ =
ρ  
или 

P
k
=
ρ
ϑ

 — волновое сопротивление среды W.

Для воздуха 
0
0 0
0 0.
W
k
c
=
ρ
= ρ

Следовательно, колебательная скорость частиц звуковой волны 
в воздухе связана со звуковым давлением следующим соотношением:

0 0
0
.
P
P
c
W
ϑ =
=
ρ

При прохождении звуковой волны из воздуха в материал имеет 
место частичное отражение и поглощение звуковой энергии. Коэффициент, характеризующий величину поглощенной энергии, 
называется коэффициентом звукопоглощения α, который равен:

пад
отр
погл

пад
пад
,
E
E
E
E
E

−
α =
=

где Eпад, Еотр и Eпогл — соответственно падающая, отраженная и 
поглощенная энергии.
Через интенсивность падающей и отраженной звуковых волн 
коэффициент α может быть выражен как

2
отр
отр

пад
пад
1
1
,
J
P

J
P

⎛
⎞
α = −
= − ⎜
⎟
⎝
⎠

или, если 
отр

пад

P

P
 
обозначить как коэффициент отражения ε, то

α = 1 – | ε |2.

Условия прохождения звуковой волны из воздуха в материал 
характеризуются входным импедансом поглощающей поверхности 
Z, определяемым по формуле

пад
отр

пад
отр
,
P
P
P
Z
+
=
=
ϑ
ϑ
− ϑ

где Р — суммарное давление в падающей и отраженной волне; ϑ — 
колебательная скорость, равная разности скоростей в падающей и 
отраженной волне.

Выразив Z через давление и волновое сопротивление, получим 

0
1
1
Z
W
+ ε
=
− ε

или безразмерный импеданс

1.
1
Z
Z
−
=
+
ε

Коэффициент звукопоглощения α при нормальном падении 
звуковых волн можно выразить следующим образом:

 

1
1
.
1
Z
Z
−
α = −
+
 
(4)

Из уравнения (4) следует, что между коэффициентом звукопоглощения и безразмерным импедансом материала существует самая 
тесная связь. Так, при Z = 1 поверхность полностью поглощает все 
падающие на нее звуки (α = 1). В этом случае входной импеданс 
равен волновому сопротивлению воздуха Z = W0 = ρ0C0. Такое условие является важным и необходимым при разработке эффективных звукопоглощающих материалов. При других значениях импеданса α < 1.
Акустический импеданс Z для звукопоглощающих материалов 
небольших толщин равен:

(
)

0
2
0

1
,
3
3
/

rl
m
Z
R
jJ
j
l
p
C
pl

⎡
⎤
⎛
⎞
⎢
⎥
=
+
=
+
ρ
ω −
⎜
⎟
⎜
⎟
⎢
⎥
ρ
ω
⎝
⎠
⎣
⎦

где l — толщина материала; 
0 3
m
l
p
ρ
 — инерционная масса системы; 

ρ0C2/pl — упругость системы.
Максимальное поглощение будет при условии, если импеданс 
чисто активен и равен волновому сопротивлению воздуха.
Тогда звуковые волны, падающие на материал, будут проходить 
через его поверхность без отражения и затухания вследствие потерь 
на трение в порах материала.
При частотах, значительно меньших резонансных, импеданс 
имеет отрицательную реактивную составляющую и поэтому коэффициент звукопоглощения α мал. С приближением частоты к ре