建筑用高效高分子泡沫保溫材料的使用對(duì)策——一種新的墻體外保溫構(gòu)造模式

■ 裘亦誠 Qiu Yicheng 常 征 Chang Zheng

0 引言

由于建筑節(jié)能主要依靠改善建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能實(shí)現(xiàn)，世界建筑領(lǐng)域?qū)嵺`證明，為提高建筑節(jié)能率，以輕質(zhì)高效高分子泡沫保溫材料作為隔熱保溫的主體材料，與承重結(jié)構(gòu)復(fù)合，形成具有高熱阻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是滿足現(xiàn)代節(jié)能建筑的最佳方案。早在半個(gè)多世紀(jì)前，聚苯乙烯（PS）的模塑發(fā)泡制品（EPS板）被引入建筑節(jié)能領(lǐng)域，聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料（PURF）則在20世紀(jì)50年代被相繼采用[1]。由于這些泡沫材料質(zhì)輕、節(jié)能效果顯著，獲得了建筑業(yè)的青睞。20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，推動(dòng)了世界性的建筑節(jié)能，全球用量劇增，歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，不同國家的泡沫制品及其原料的生產(chǎn)已上升到數(shù)十萬噸級(jí)規(guī)模，生產(chǎn)和使用技術(shù)日趨成熟，作為建筑節(jié)能主體材料，滿足了世界建筑業(yè)的巨大需求。當(dāng)前中國建筑業(yè)也正同樣面臨這一現(xiàn)實(shí),中國建筑占全球建筑總量的1/2，預(yù)計(jì)保溫材料的使用量約為世界需求總量的30%，每年至少達(dá)數(shù)百萬噸，當(dāng)前中國乃至世界，從資源、生產(chǎn)和使用技術(shù)方面，還不可能有完全取代PURF、EPS和XPS等的高效節(jié)能產(chǎn)品來滿足中國當(dāng)前節(jié)能減排進(jìn)程中的巨大需求。同時(shí)由于建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑規(guī)模和模式的轉(zhuǎn)變，對(duì)建筑節(jié)能工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防火安全提出了更為苛刻的條件,因此亦共同面臨如何提高對(duì)高分子泡沫保溫材料的使用對(duì)策，彌補(bǔ)某些性能的不足，進(jìn)一步滿足現(xiàn)代建筑使用要求。

1 國內(nèi)墻體外保溫的主要模式和存在的缺陷

當(dāng)前國內(nèi)墻體外保溫的主要模式，以90年代從美國Dryvit Systems Inc.公司引進(jìn)的“專威特”技術(shù)體系，即《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》（JGJ144-2004）中推薦的EPS板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)為主要模式，它以輕質(zhì)高分子泡沫保溫材料EPS板為保溫主體材料，外保溫系統(tǒng)由墻體結(jié)構(gòu)層、保溫層、保護(hù)層和飾面層四部分構(gòu)成，其中保溫層與結(jié)構(gòu)層、保溫層與保護(hù)層采用水性聚合物分散體改性水泥和水泥砂漿作為黏結(jié)和抹面材料，以界面黏結(jié)方式，現(xiàn)場(chǎng)人工作業(yè)完成外保溫系統(tǒng)的施工。該系統(tǒng)引進(jìn)后在墻體外保溫中被作為主流技術(shù)大力推廣使用，但在大量工程實(shí)踐中出現(xiàn)了保溫層從墻體整體脫落、墻面開裂、墻體滲水等諸多工程質(zhì)量問題,究其原因除現(xiàn)場(chǎng)人工作業(yè)施工達(dá)不到規(guī)范要求外，主要與使用的界面黏結(jié)材料與被黏材質(zhì)的匹配性有關(guān)。眾所周知，液態(tài)膠黏劑對(duì)被黏基材表面的浸潤(rùn)是兩者之間賴以形成黏結(jié)力的基本條件，浸潤(rùn)越好，越易形成黏結(jié)力，因水具有相當(dāng)高的表面張力，而屬低表面能的EPS板是具有低表面張力物質(zhì)，其表面不能被以水為載體的水性膠液浸潤(rùn)，因而難以產(chǎn)生黏結(jié)力。同時(shí)水性膠液在被使用的場(chǎng)合，必須具備充分的透水和水蒸汽的條件，否則難以連片黏結(jié)使用。EPS板薄抹灰系統(tǒng)施工中，為形成水性膠液透水、汽通道，采用點(diǎn)黏和條黏，使EPS板用于黏貼的使用面積僅能達(dá)到40%，因而EPS板與墻體的黏結(jié)力學(xué)性能極限從0.1MPa下降至0.04MPa，大大降低了保溫層與墻體的結(jié)合力，并造成了墻體面積60%的大面積連通的空鼓，給保溫層從墻體脫落和防火安全留下了明顯的隱患。綜上所述，由于結(jié)構(gòu)材料與保溫材料兩者截然不同的物性，界面黏結(jié)材料的選用、黏結(jié)方式及其形成的界面連接層結(jié)構(gòu)是使用高分子泡沫保溫材料十分重要的環(huán)節(jié)，涉及工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防火安全。水性聚合物分散體改性水泥和水泥砂漿對(duì)泡沫保溫材料，特別是屬低表面能的泡沫保溫材料存在明顯的不相容性，顯然不是理想的匹配材料。

2 聚氨酯界面黏結(jié)膠漿簡(jiǎn)介

2.1 性能

聚氨酯界面黏結(jié)膠漿（PUA-Ⅱ），屬無溶劑雙組份反應(yīng)固化型厚質(zhì)膠黏劑，可在接觸壓力下室溫固化獲得需要的黏結(jié)強(qiáng)度，能微發(fā)泡，具有一定的膨脹性，不會(huì)因滲透溶蝕等因素造成被黏泡沫材料的性能變化和表面缺陷，固結(jié)時(shí)間可調(diào)，用于PURF、EPS和XPS板等高效泡沫保溫材料，對(duì)水泥砂漿、砂、石、木材、陶瓷、鋼、鋁等建筑材料的界面黏結(jié)（表1）。

2.2 黏結(jié)拉拔破壞試驗(yàn)

作為界面黏結(jié)膠漿，首先應(yīng)確保對(duì)泡沫保溫材料的黏接牢度，即其對(duì)泡沫保溫材料的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于被黏泡沫保溫材料的自身抗拉強(qiáng)度，在目前常用的PURF、EPS和XPS泡沫保溫材料中，PURF和PUA-Ⅱ?qū)偻|(zhì)材料，極性和表面張力相近，兩者有很強(qiáng)的親和性，結(jié)合牢固。為確證對(duì)低表面能的EPS和XPS板的黏結(jié)性能，參照《外墻外保溫專用砂漿技術(shù)要求》DB31/T366-2006，選用國內(nèi)EPS和XPS板著名生產(chǎn)廠家產(chǎn)品進(jìn)行拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的拉拔破壞試驗(yàn)，以顯示黏結(jié)的可靠性。

試驗(yàn)選用泡沫保溫板：①XPS板：豪適板（HOSFOAM ），密度25～32kg/m3，板厚20mm，表面粗糙化，為禹昌國際集團(tuán)（臺(tái)灣）產(chǎn)品；②XPS板：福滿樂（Foamular），密度25-32kg/m3，板厚30mm，表面光潔，為歐文斯科寧（南京）有限公司產(chǎn)品；③EPS板：圣奎聚苯板，密度20kg/m3，板厚25mm，為上海圣奎塑業(yè)有限公司產(chǎn)品。

表1 聚氨酯界面黏結(jié)膠漿（PUA-Ⅱ）性能

圖1 EPS板

圖2 XPS板

拉拔破壞試驗(yàn)表明：PUA-Ⅱ?qū)PS和XPS保溫板的界面黏結(jié)，均以泡沫保溫層的深度錐形破壞為結(jié)果。特別是XPS板，兩種不同牌號(hào)和表面狀況的產(chǎn)品，有同樣的黏結(jié)破壞效果，顯現(xiàn)了化學(xué)黏結(jié)力特征。拉拔試樣破壞狀況見圖1和圖2。

2.3 黏結(jié)力的形成與比較

由于聚氨酯界面黏結(jié)膠漿對(duì)泡沫保溫板表面具有良好的浸潤(rùn)和互溶滲透，并與其活性基化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了牢固的主價(jià)鍵力（化學(xué)鍵力），反應(yīng)生成的極性鍵則增強(qiáng)了膠層的內(nèi)聚力，并以氫鍵吸附產(chǎn)生次價(jià)鍵力（第二化學(xué)鍵力），因此形成的黏結(jié)層具有化學(xué)黏結(jié)力特征。

國內(nèi)相關(guān)研究表明[2][3]：水性聚合物改性專用黏結(jié)材料，對(duì)EPS板的黏結(jié)強(qiáng)度來自兩個(gè)方面：即聚合物膜對(duì)EPS板-砂漿界面處的收縮橋連產(chǎn)生的結(jié)合力以及砂漿嵌入EPS板干固后產(chǎn)生的機(jī)械咬合力，試驗(yàn)表明，咬合力的產(chǎn)生明顯與EPS板形成的顆粒狀態(tài)相關(guān)，顆粒間邊界結(jié)構(gòu)明顯較疏松的板，咬合力明顯大于顆粒聚合緊密、顆粒間界面不明顯的板。由此說明，改性專用砂漿對(duì)PURF噴涂形成的不平整但又十分堅(jiān)韌光滑的表皮和硬度高、表面致密的XPS板的黏結(jié)力，僅能依靠聚合物膜收縮橋連產(chǎn)生的結(jié)合力，基本上是一種表面黏附，難以產(chǎn)生較強(qiáng)的黏結(jié)力。對(duì)照《外墻外保溫專用砂漿技術(shù)要求》（DB31/T366-2006），對(duì)以水性聚合物分散體改性的專用砂漿對(duì)EPS和XPS板黏結(jié)破壞形式要求的表述中得到印證?！啊璛PS板破壞時(shí)，只要求在黏結(jié)面上觀察到XPS板的表皮覆蓋面積大于50%，即可視為XPS板破壞。”這種黏結(jié)狀況和要求，對(duì)以主要依靠界面黏結(jié)形成的墻體外保溫工程，顯然難以確保工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

為增強(qiáng)改性水泥專用砂漿對(duì)泡沫保溫材料的黏結(jié)性，工程中常在抹專用砂漿前于泡沫保溫板先涂抹一層界面處理劑，而目前建筑業(yè)中使用的界面處理劑，多數(shù)亦使用水性聚合物分散體（一般選用聚合物乳液）作為改性劑，改性原理與抹面專用砂漿基本類似，如上海產(chǎn)保溫專用界面處理劑漢高塞力特CT19，即采用丙烯酸乳液，其作用為黏接橋架，即對(duì)低表面能泡沫材料EPS和XPS板的黏結(jié)，仍然是聚合物膜收縮橋連產(chǎn)生的結(jié)合力，并無根本性的改變。

3 墻體外保溫工程構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1 界面連接層結(jié)構(gòu)及其預(yù)制復(fù)合層的構(gòu)成 [4][5]

在覆有玻纖網(wǎng)格布的泡沫保溫層表面，涂刮0.8～1.2mm 厚PUA-Ⅱ并鋪蓋一層勻凈干燥的硅砂，輕輕壓實(shí)，待膠漿固結(jié)后去除未被黏結(jié)的砂粒，即形成表面滿黏砂粒、內(nèi)含玻纖網(wǎng)格布的具有微孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌硬涂層，此涂層即為泡沫保溫層正面的界面連接層。除免覆玻纖網(wǎng)格布，涂層厚為0.5～0.8mm不同外，以同樣方法形成泡沫保溫層背面和周邊界面連接層，即構(gòu)成以界面連接層整體包覆保溫層的預(yù)制復(fù)合層，明顯增強(qiáng)了保溫層的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是外保溫系統(tǒng)的核心預(yù)制構(gòu)件。兩側(cè)及周邊的界面連接層，既是保溫層的增強(qiáng)保護(hù)層，又是優(yōu)良的防水層，表面滿黏的砂粒層，則具有良好的界面連接功能，為泡沫保溫板使用傳統(tǒng)的水泥基材料與墻體基層黏貼和保護(hù)層及面層外裝飾提供了施工連接的良好條件。

3.2 具有防火構(gòu)造的多功能預(yù)制構(gòu)件

采用不同厚度的玻鎂防火板復(fù)合構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)層，在預(yù)制復(fù)合層正面的砂粒面用專用水泥砂漿找平并與玻鎂板復(fù)合結(jié)構(gòu)連接，再在玻鎂板的外側(cè)面制作不同的外飾面層，即可構(gòu)成具有隔熱保溫、防水、防火功能和外飾面層一體化的多功能預(yù)制構(gòu)件。預(yù)制復(fù)合層和多功能預(yù)制構(gòu)件的構(gòu)造圖分別由圖3和圖4表示。

3.3 施工方法

采用鋪貼墻體面磚的薄層黏貼工藝，以專用水泥砂漿用方齒鏝刀直接涂刮在墻體的找平層上，把多功能預(yù)制構(gòu)件按一定的基準(zhǔn)黏貼上墻，形成無空腔連接，經(jīng)配套的專用密封膠按常規(guī)嵌縫，即可完成具有隔熱保溫、防水、防火功能和外飾面層的墻體外保溫工程。其構(gòu)造如圖5所示。

4 結(jié)構(gòu)和防火安全對(duì)策討論

由結(jié)構(gòu)層、保溫層、保護(hù)層和飾面層復(fù)合構(gòu)成的墻體外保溫系統(tǒng)是目前國內(nèi)外認(rèn)定比較合理的模式。有機(jī)泡沫材料的使用提升了節(jié)能效果，但其力學(xué)和易燃特性給工程結(jié)構(gòu)和防火安全提出了更為苛刻的要求。因此必須強(qiáng)調(diào)對(duì)工程構(gòu)造和防火技術(shù)途徑的研究。

4.1 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全對(duì)策

4.1.1 界面連接及其可行模式

由復(fù)合構(gòu)成的外保溫工程結(jié)構(gòu)，界面連接成為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，聚氨酯界面黏接膠漿對(duì)有機(jī)泡沫材料的良好黏結(jié)性能及其特殊的界面連接結(jié)構(gòu)模式，即利用預(yù)制復(fù)合層的砂粒面用傳統(tǒng)的水泥砂漿與結(jié)構(gòu)層和保護(hù)層進(jìn)行無空腔連接，使泡沫保溫層與不同性能界面的黏結(jié)形成了良好的匹配性，提升了界面連接的可靠性，為工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定創(chuàng)造了基本條件。這一有機(jī)泡沫材料與無機(jī)建材表面連接的獨(dú)特模式，制作簡(jiǎn)便，簡(jiǎn)化了工程結(jié)構(gòu)和施工程序，并符合一定的經(jīng)濟(jì)合理性。

4.1.2 提升結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

聚氨酯是介于硬塑料和軟橡膠之間的高性能高聚物，即在高硬度和高強(qiáng)度下仍能保持其優(yōu)良的韌性，其性能有寬廣的可調(diào)性。預(yù)制復(fù)合層正面涂刮的0.8～1.2mm 的厚質(zhì)膠漿，在形成具有微孔結(jié)構(gòu)的膠層時(shí)產(chǎn)生一定的膨脹率，促使膠漿充滿玻纖網(wǎng)格布和砂粒間隙，增加了黏結(jié)面積和黏結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)了界面連接層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，杜絕了墻面開裂、墻體滲水等弊病。界面連接層是保溫層的增強(qiáng)保護(hù)層，是提供力學(xué)性能的主體,外墻外保溫系統(tǒng)性能要求中抗沖擊性規(guī)定，首層墻體應(yīng)符合10J級(jí)要求，二層以上為3J級(jí)，經(jīng)豎直自由落體沖擊方法對(duì)預(yù)制復(fù)合層的抗沖擊性能測(cè)定，完全符合首層墻體10J級(jí)要求。

4.2 防火安全對(duì)策

有機(jī)泡沫材料的燃燒特性和系統(tǒng)構(gòu)造的抗火功能是防火安全的主要因素。根據(jù)相關(guān)建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范規(guī)定的非承重外墻耐火極限要求，結(jié)合工程構(gòu)造模式，對(duì)保溫層作多層次的耐火隔熱保護(hù)作為構(gòu)造防火，構(gòu)成工程整體的防火構(gòu)造。

4.2.1 構(gòu)造防火之一：物理覆蓋防火

在泡沫體表面覆蓋具有耐火和隔熱性能的無機(jī)板材，使泡沫體不接觸火焰，防止或推遲其燃燒發(fā)煙。國外一些國家建筑規(guī)范要求，對(duì)泡沫體覆蓋一定厚度的石膏板，如美國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，建筑用泡沫材料必須覆蓋1/2吋厚的阻燃性石膏板作為防火保護(hù)。石膏板質(zhì)輕耐火，導(dǎo)熱系數(shù)0.2W/（m·k），是較理想的耐火隔熱材料。本課題則選用玻鎂無機(jī)不燃板，耐火性佳，密度≤1g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.3W/（m·k）。采用不同厚度玻鎂板復(fù)合構(gòu)成空腔或無空腔多種結(jié)構(gòu)形式，以減輕其重量和增加隔熱性能。

4.2.2 構(gòu)造防火之二：化學(xué)涂膜防火

對(duì)具有閉孔結(jié)構(gòu)的硬泡制品，涂膜防火是一種十分有效的防火途徑，即在硬泡體表面涂敷一層樹脂涂敷液形成一定厚度的難燃性涂膜，燃燒受熱時(shí)使其生成阻火隔熱的炭化層，抑制內(nèi)層泡沫的燃燒熱分解和發(fā)煙。應(yīng)用這一技術(shù)的關(guān)鍵是選用與泡沫材料有較強(qiáng)黏結(jié)力和易形成炭化層的高分子樹脂作為涂膜材料，并可在涂敷液中加少量添加劑提高涂膜的難燃化并促使炭化層的生成，使泡沫體形成難燃性夾芯板塊。

本文3.1節(jié)界面連接及其預(yù)制復(fù)合層的構(gòu)成，即是符合涂膜防火的典型模式。界面連接層PUA-Ⅱ中的聚氨酯黏結(jié)膠漿是一種易引起高溫炭化的樹脂材料，并與PURF、EPS和XPS有良好的黏結(jié)性能，是一種理想的涂敷材料。耐火模擬試驗(yàn)證明，用天然氣噴燒預(yù)制復(fù)合層正面砂粒層，受熱后會(huì)很快生成灰白色的耐火炭化層，炭化過程中黏結(jié)膠漿與界面連接層中的砂粒、玻纖網(wǎng)格布以及黏結(jié)膠漿中的無機(jī)礦粉填料一起固結(jié)形成有玻纖網(wǎng)作支撐的阻火隔熱層，隔斷空氣進(jìn)入，有效地阻止火焰穿透擴(kuò)散。尤其在PURF泡沫體使用時(shí)，涂膜燃燒溫升至較高溫度后，PURF自身表層也會(huì)在高溫下炭化，并與涂膜炭化層一起形成更為致密堅(jiān)實(shí)的阻火隔熱層，達(dá)到更高的阻燃性能。對(duì)照《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》（GB/T9978），表明其耐火穩(wěn)定性和完整性可達(dá)到非承重外墻60min以上的耐火時(shí)間要求。這一方法與整體提升泡沫塑料的化學(xué)阻燃性比較，其防火功能和經(jīng)濟(jì)合理性是十分明顯的。PUA-Ⅱ形成的界面連接層，既提升了界面連接的可靠性和工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，火災(zāi)發(fā)生時(shí)則可形成防火用耐火炭化層，達(dá)到一物多用的效果。

4.2.3 構(gòu)造防火之三：耐火隔熱砂漿防火

按照界面連接層結(jié)構(gòu)模式，預(yù)制復(fù)合層與玻鎂板找平連接用專用砂漿，可采用具有隔熱性能的輕質(zhì)水泥砂漿，既作為找平連接層，也是耐火隔熱保護(hù)的構(gòu)造防火,可在砂漿層適用厚度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足找平連接和防火隔熱需要。

本文3.2節(jié)具有防火構(gòu)造的多功能預(yù)制構(gòu)件，即是由4.2.1～4.2.3構(gòu)造防火組成的外保溫系統(tǒng)整體的防火構(gòu)造，并可對(duì)各層次構(gòu)造防火進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同耐火極限要求。即以多種防火技術(shù)組合方式，達(dá)到相應(yīng)的防火安全等級(jí)。

4.2.4 合理的防火構(gòu)造是墻體外保溫系統(tǒng)防火安全的保證

由于國內(nèi)尚未有針對(duì)墻體外保溫的防?耐火規(guī)范出臺(tái)，按照現(xiàn)行規(guī)范，系統(tǒng)的防火構(gòu)造，應(yīng)符合《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50045），《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016）等規(guī)范規(guī)定的非承重外墻耐火極限要求，并經(jīng)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》（GB/T9978）判定具有耐火穩(wěn)定性、完整性和耐火隔熱性，不具備三個(gè)判定條件則沒有系統(tǒng)防火構(gòu)造的防火功能。以EPS板薄抹灰保護(hù)層為例，由于其不具備三個(gè)判定條件，特別是耐火隔熱性。試驗(yàn)證明，當(dāng)其表面受火攻擊后，抹面砂漿層的背火面會(huì)迅速升溫，被保護(hù)的EPS板受熱后即蜷縮脫離保護(hù)層并熔融流淌。另薄抹灰砂漿中作為改性劑的水性聚合物分散體，屬熱塑性聚合物，既不耐溫，也沒有高溫下結(jié)成耐火炭化層的功能，高溫燃燒會(huì)使砂漿層潰散垮塌，即失去保護(hù)層的耐火穩(wěn)定性和完整性。因此薄抹灰保護(hù)層，僅僅是力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)保護(hù)，并無防火功能。EPS和XPS為熱塑性泡沫塑料，軟化熔融溫度僅80℃，PURF雖屬熱固性泡沫，但當(dāng)溫度升至120℃以上時(shí)也會(huì)產(chǎn)生軟化形變，因此對(duì)泡沫保溫材料，判定條件中的耐火隔熱性顯得尤為重要，應(yīng)按照泡沫材料的耐熱性能，設(shè)計(jì)構(gòu)成相應(yīng)的防火構(gòu)造，并在不同的建筑類別和地域環(huán)境區(qū)別使用。

5 結(jié)語

高效泡沫保溫材料仍然是當(dāng)前多數(shù)國家建筑節(jié)能的主選。中國建筑節(jié)能量大面廣，節(jié)能主體材料的更替使用，必須有可靠的可供資源、成熟的使用技術(shù)和一定的經(jīng)濟(jì)合理性。改進(jìn)使用技術(shù)，完善政策法規(guī)，根治監(jiān)管缺失，強(qiáng)化建設(shè)建筑節(jié)能的安全保障體系，是應(yīng)對(duì)當(dāng)前節(jié)能減排的較好對(duì)策。新材料、新技術(shù)，更期待于國人的共同創(chuàng)造。

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