泡沫外保溫系統的研究

世界上什么都沒有。泡沫塑料保溫材料導熱系數低，容重小，吸水率低，抗拉強度和柔韌性適中，尤其EPS板，是用于外保溫的理想材料。缺點是屬于可燃類材料，由于施工監管不利，施工階段火災頻發，造成了極壞的影響。然而，20多年來已竣工的泡沫塑料有機保溫材料薄抹灰外保溫工程，發生火災的工程屈指可數，甚至不能用百分比來表示。無機不燃保溫材料除屬于不燃材料外，用于外保溫時其他性能均不如泡沫塑料保溫材料。有的材料，如膨脹珍珠巖保溫漿料，在嚴寒、寒冷地區早已退出了市場。對于無機不燃保溫材料，導熱系數、容重和抗拉強度是相互制約的。研發低容重并且具有良好保溫性能和抗拉強度的無機不燃保溫材料不是一件容易的事情，研發單位需充分估計到它的難度。下面就嚴寒、寒冷地區使用的幾種外保溫系統以及新近開發的兩種保溫材料談一點個人看法。一、薄灰色室外涂料管理系統ep是一種重要的室外涂料結構形式，采用了薄灰色室外涂料系統帶以磚、磚、板、磚等為原料的混凝土駁岸(1）國內外使用最普遍、技術上最成熟的外保溫系統；(2）構造簡單、可靠。采取適當措施后，可貼面磚；(3）只需改變EPS板厚度，即可滿足各地區節能要求；(4）性價比最高；(5）防護層維修簡便，正常維修后可與建筑物同壽命。1、拉伸性能較高(1）使用環戊烷作為發泡氣體，導熱系數長期穩定，不隨時間改變。密度為18～22kg/m3時，導熱系數一般不大于0.038W/(m·K)；（2）抗拉強度可達到0.15～0.20MPa，靠自身強度能支承抹面防護層，不需要拉接件，避免形成熱橋；（3）彈性多孔結構能吸收熱濕應力，即使在罕見的氣候條件下材料中出現水蒸氣凝結并且結冰，自身結構也不會破壞；（4）化學性能穩定，不降解，使用耐久性好。2、外墻外保溫工程的性能評估自1960年代以來，在德國已有超過5億平米外保溫系統用于建筑物保溫。在最后十年中外保溫的使用變成了改善節能性能和外立面耐候性的一種流行的措施。這也自然引起了關于外保溫系統相對于其他保溫形式的耐久性的種種疑問。因此，自1975年以來，佛朗霍夫建筑物理研究所對一大批做了外保溫的多層住宅進行了數次檢查。1975年，在德國、奧地利和瑞士對93棟樓房進行了首次檢查，1983年又對其中87棟樓房進行了再次檢查，1989年又對以礦物棉為保溫材料的外保溫系統進行了類似的評估，1995年又進行了進一步的檢查，并且于2004年對一組選定的大體量樓房進行了檢查，以便評估長期性能并記錄采取刷新措施的必要性。在2004年底對12棟出自不同廠家的大體量外保溫樓房做了最后的檢查，這些重復檢查的結果可以歸納如下：（1）由于柔性保溫層起著減小剪切應力的作用，外保溫外立面的損壞比具有抹灰層的普通磚石建筑要少得多。（2）外保溫系統由于雨水或外表面結露而滋生微生物的情況稍微多一些。（3）外保溫工程的維修費用和維修周期與有抹灰層的一般磚石建筑墻體相當，耐久性和估計壽命也相同。對于磚石建筑墻體，一般公認的壽命為至少60年。住房和城鄉建設部《外墻外保溫工程技術規程》JGJ144修編組2007年11月赴德國和法國考察，考察報告中表明：“關于外保溫使用年限問題，德國建筑物理研究所的專家介紹，持續實際跟蹤觀察時間最長的外保溫建筑為38年，按照現在的外保溫應用狀況，推算該外墻外保溫的使用壽命可以達到60年。德國外保溫協會認為，外保溫建筑目前已經有使用長達40年甚至更長的，可以認為外墻外保溫系統是一個經受了考驗的系統。”據資料介紹，德國有1969年做的EPS板外保溫工程，至今已43年。圖1和圖2為2007年11月赴德國和法國考察時拍攝的EPS板薄抹灰外保溫工程照片。3、外保溫系統故意麻黃試驗(1）我國20年來大量使用中的外保溫建筑，發生火災的工程屈指可數，由此造成的損失也是很輕微的。(2）德國權威防火專家IngolfKotthoff先生對EPS板薄抹灰外保溫系統做了故意縱火試驗。試驗結果表明：由于外保溫系統抹面層整體性好，汽油彈、燃燒瓶、火把、節日焰火、曳光彈、可燃性液體等一般性縱火不會點燃外墻外保溫系統。(3）經窗口火試驗，B2級EPS板+巖棉防火隔離帶+3mm玻纖網增強抹面層薄抹灰外保溫系統不會產生火災蔓延。4、保溫防火復合體系的開發(1）完善EPS板薄抹灰外墻外保溫系統防火構造措施。研發具有一定隔火能力的抹面砂漿，并采用低強度的飾面砂漿作為飾面層（例如使用煤矸石膨脹陶砂保溫防火抹面層和飾面砂漿），可提高防護層的抗火焰攻擊能力，與防火隔離帶配合使用，可大幅度提高EPS板薄抹灰外墻外保溫系統的防火性能。(2）加強B1級保溫材料和相應的外保溫系統構造的研發及應用。摻加石墨的灰色EPS板，燃燒性能級別可達到B1級。石墨是一種遮光劑，可降低紅外輻射傳熱。在EPS原料中加入石墨制成的灰色EPS板，導熱系數≤0.032W/(m·K)。二、xps板外保溫系統XPS板在國內外保溫中用量僅次于EPS板，國外很少用于外保溫。XPS板導熱系數一般在0.030W/(m·K)上下，低于EPS板，但會隨時間而增大(凡是發泡氣體導熱系數小于空氣的，都存在這種現象)，見圖3。XPS板不易粘貼，尺寸穩定性不如EPS板。工程中開裂、空鼓，甚至脫落情況并不鮮見。選用XPS板外保溫系統時，需注意以下幾點(1）選用適用于外保溫的擠塑板。并不是什么擠塑板都能用來做外保溫，用于外保溫的擠塑板，密度和強度均不宜過高。擠塑板密度宜不大于35kg/m3，壓縮強度宜不大于250kPa。(2）為保證可靠粘結，擠塑板需做表面處理（除去表皮、涂界面劑等）。(3）膠粘劑、抹面膠漿與擠塑板粘結強度應不小于0.10MPa，并且不得在界面破壞。由膠結理論可知，好的膠粘劑是不應在粘結界面破壞的。三、板密度對導熱系數的影響硬泡聚氨酯板是以阻燃型硬泡聚氨酯為芯材，雙面有界面層或進行界面處理，在工廠預制成型的保溫板，見圖4。硬泡聚氨酯板密度宜大于35kg/m3，導熱系數一般在0.024W/(m·K)上下。在常用絕熱材料中導熱系數是較低的，但會隨時間而增大，見圖5。這種系統用于低能耗建筑和要求節能率較高的建筑時具有一定的優勢。硬泡聚氨酯板產品性能與配方和生產工藝關系很大，因而產品質量差異性大。工廠連續化生產的雙面帶聚合物砂漿覆面的板材有利于施工階段減少火災危險。四、材料和保溫性能保溫裝飾板由裝飾面板、保溫層和連接件組成。裝飾面板為高密度硅酸鈣板等不燃非金屬材料，表面做氟碳涂料飾面層。保溫材料建議不使用巖棉板、玻璃棉板和無機保溫板。無機保溫板自重大，吸水率高，強度低，保溫效果差。巖棉板、玻璃棉板自重大，抗拉強度低，耐水性差，透汽性過大。雨水滲漏引起巖棉板浸濕后，巖棉板強度下降，可能影響與墻體固定的安全性。1、應該解決的問題裝飾板系統為單板固定，整體性不好，由此可能導致以下幾個方面的問題：(1）使用安全性；（2）外觀質量；（3）防水性；（4）防火安全性。2、龍骨干掛機械固定(1）采取以粘為主，粘錨結合的固定方式，固定件應固定在裝飾面板上。（2）限制單位面積質量和單板尺寸。單位面積質量≤20kg/m2；單板面積≤1m2；(3）不采取單純機械固定方式；龍骨干掛固定時，空腔內空氣流動影響保溫性能。點式固定無標準，固定可靠性受基層墻體性能限制。3、表面平整度、垂直度(1）保溫裝飾板外保溫系統屬中高檔產品，表面平整度、垂直度應滿足高級裝修要求。（2）板縫密封膠老化后易發生雨水滲漏問題。解決方案：在基層墻體上先做防水找平層。4、防火安全火災情況下的表現不容樂觀，需進行試驗驗證。五、巖棉板耐久性差巖棉板薄抹灰外保溫系統構造是用粘結劑將巖棉板固定在基層墻體上，并用錨栓輔助固定。巖棉板外表面抹玻纖網增強聚合物砂漿薄抹面層，表面做涂料飾面層。巖棉板兩表面宜做界面處理，以保證易于粘貼和進行抹面層施工。現發現國內有些企業采用雙層玻纖網抹面層，抹面層過厚會增加巖棉板表面剪切負荷。巖棉板薄抹灰外保溫系統國內尚無行業標準和國家標準。相關標準有國家標準《建筑外墻外保溫用巖棉制品》GB/T25975-2010和歐洲標準《巖棉外墻外保溫系統》BSEN13500。巖棉板為A級不燃材料，外保溫用巖棉板導熱系數在0.040W/(m·K)左右。抗拉強度建議不小于10kPa。巖棉板在容重、導熱系數和消納溫度應力等方面優于硬質無機保溫板。巖棉板抗拉強度低，受潮后耐久性差。目前國內多數產品質量離散性大，不符合外保溫要求。巖棉板粉塵對施工操作人員健康有影響，建議出廠前進行預處理。巖棉外保溫系統的耐久性巖棉制品長期處于高溫高濕環境下時，本身強度會有明顯下降。當外保溫系統做在含有施工水分的外墻上時，在墻體干燥階段保溫材料含濕量會增大，斜風雨也可引起含濕量在短期內的增加。如果高溫同時出現，就可能影響保溫材料的耐久性。另有研究證明，由于巖棉板具有很高的水蒸氣滲透性，在巖棉板與抹面層界面處，高溫和高相對濕度同時出現的時間是很短的。在歐洲氣候條件下，相對濕度高于80%和溫度最高在40至50℃之間同時出現的時間，一般每年不超過100小時。圖6為德國1986年做的巖棉板薄抹灰外保溫工程照片。六、熱固性酚醛泡沫的制備酚醛泡沫塑料是由酚醛樹脂加入表面活性劑、發泡劑、固化劑等多種加工助劑，經攪拌、發泡、熟化而成的泡沫塑料。在制備熱固性酚醛泡沫時需用酸作固化劑。泡沫中殘留的酸對金屬材料有腐蝕作用。1、不燃，不熔融(1）優異的防火性能——酚醛泡沫塑料是一種難燃、低煙、低毒材料，氧指數可高達50，在空氣中不燃，不熔融滴落。(2）優異的保溫性能——該材料為微細閉孔結構，泡孔直徑50～80μm，導熱系數與聚氨酯泡沫塑料相近（0.018～0.024W/(m·K)），而其耐熱性、阻燃性卻遠遠優于聚氨酯及其他泡沫塑料。2、施工密度低時，高度污染(1）脆性大，易碎——酚醛泡沫塑料十分脆弱，特別是在密度低時。這會導致一系列問題，如三明治板的脫粘，施工中易破損，掉粉污染等。(2）有腐蝕性——泡沫中殘留的酸對金屬材料有腐蝕作用。3、改性方法途徑為了改善酚醛泡沫塑料性能，人們做了大量的研究工作。改性可有化學改性和物理改性兩種途徑。化學改性——用具有柔韌性的聚合物對酚醛樹脂進行改性。物理改性——在制備酚醛泡沫過程中加入短切纖維以增加強度和韌性。4、酚醛泡沫塑料的性能試驗為了檢驗改性酚醛泡沫塑料的性能，可依據ASTM試驗方法標準，對酚醛泡沫塑料進行下列試驗：力學性能：壓縮強度和剪切強度；掃描電子顯微鏡試驗(SEM)；光學顯微鏡試驗；氣候模擬–水蒸氣擴散試驗；加速老化試驗：依據ASTMD2126；燃燒性能試驗。5、酚醛外墻外保溫系統國外應用情況：歐洲外保溫認證標準《有抹面復合外保溫系統歐洲技術認證指南》EOTAETAG004-2011中已包含酚醛板外保溫系統。英國和瑞士已有數家企業的酚醛外墻外保溫系統通過了BBA或BRE認證，如：PERMAROCK酚醛外墻外保溫系統；EPSITEC酚醛外墻外保溫系統；SWISSLAB酚醛外墻外保溫系統；SWISSPAN酚醛外墻外保溫系統。6、酚醛泡沫芯材上述幾家酚醛外墻外保溫系統構造特點可歸納如下：酚醛泡沫塑料板：兩面帶有平紋玻璃絲布，是在連續生產過程中自動粘結在酚醛泡沫芯材上的。尺寸1200mmx600mm;密度40～50kg/m3;導熱系數0.018～0.023W/(m·K)；抗壓強度120～150kPa，抗拉強度70～150kPa。固定方式：粘錨結合或純機械固定；防護層：聚合物水泥砂漿抹面層+飾面層；系統認證：通過了BBA或BRE認證；系統使用耐久性：30年。7、國外酚醛保溫系統系統構造和錨固方式分別見圖7和圖8。8、提高酚醛泡沫質量酚醛泡沫塑料板的生產技術參差不齊，導熱系數偏高，密度偏大。極需加大基礎研究力度，提高酚醛泡沫產品的質量和穩定性。酚醛板外保溫工程應用面積還很小，需要不斷的積累施工案例，在實踐中對系統材料和構造進行驗證和改進。9、外保溫系統構造(1）酚醛泡沫塑料板——建議使用生產線連續生產的兩面帶皮的板材。板材面層可改善酚醛板的韌性，增加堅硬度，限制尺寸變化，消除掉粉現象，便于施工操作。(2）外保溫系統構造——建議采用粘錨結合方式固定酚醛泡沫塑料板，可減小由于酚醛板強度低而可能造成的保溫板或面層脫落的風險。保溫板外面抹玻纖網增強聚合物水泥砂漿抹面層，外表做涂料飾面飾面砂漿。由于酚醛板兩面帶皮，不能打磨，抹面層厚度需適當加厚。3）制訂相關標準，規范酚醛泡沫塑料板及外保溫系統組成材料性能和外保溫系統構造及性能。表1為2010年英國國防部標準（DefenceStandard02-803）對艦船上使用的酚醛泡沫塑料保溫板的性能要求，供制訂標準時參考。（見表1)七、真空熱板vip真空絕熱板（VIP）構造如圖9所示。1、使用和維護使用真空絕熱板時需注意以下幾方面：(1）使用壽命；（2）封邊熱橋影響；（3）保溫構造做法。2、導熱系數調整在正常合理使用條件下，使用壽命主要取決于芯材孔徑。由圖10可以看出，當芯材孔徑為200nm時，芯材內氣壓上升至100mbar以上后，芯材中氣體導熱系數開始急劇上升。真空絕熱板按每年芯材內氣壓上升2mbar計算，50年后氣壓上升至100mbar，由此推算真空絕熱板使用壽命為50年。計算時一般取真空絕熱板初始導熱系數為0.004W/(m·K)，50年后取為0.008W/(m·K)。當芯材孔徑為20μm