改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)性能研究及在既有建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用

路國忠 ，鄭學(xué)松 ，劉月 ，惠博 ，張遵乾

（1.固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室，北京 100041；2.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 前言

國內(nèi)建筑外墻外保溫系統(tǒng)以聚苯板薄抹灰系統(tǒng)為主，由于聚苯板薄抹灰系統(tǒng)的主體保溫材料為有機可燃聚苯乙烯泡沫材料，如EPS、XPS，這類保溫材料易燃燒、煙霧大、毒性大，且耐火性極差，在80℃開始產(chǎn)生熔融變形后滴落，以其作為外墻外保溫的建筑一旦失火很難撲救，除了因為聚苯乙烯泡沫材料本身的易燃性之外，其受熱快速收縮和熔滴而引起的煙囪效應(yīng)和敞開效應(yīng)也是火災(zāi)迅速蔓延的關(guān)鍵[1-4]。

改性玻璃棉板作為一種高效的無機保溫材料，與有機聚苯乙烯、聚氨酯等泡沫保溫材料相比，具有不燃（A級），不具備火焰點火性和傳播性的特點，且其密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、防火、無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定、使用周期長，是一種理想的保溫材料，可廣泛應(yīng)用于建筑等各個行業(yè)。改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)的抗風(fēng)荷載性能、耐侯性、抗沖擊強度等性能均符合JG 144—2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》的指標(biāo)要求。

1 保溫系統(tǒng)的材料組成及構(gòu)造

1.1 材料組成

玻璃棉板是以碎玻璃、石英砂、白云石、純堿、硼砂等原料熔成玻璃流體，再將其纖維化，經(jīng)過噴施特殊的熱固性粘合劑壓制形成的板狀保溫材料，如圖1所示。

圖1 玻璃棉板裸板

將玻璃棉板應(yīng)用于建筑外墻外保溫系統(tǒng)中，具有良好的防火阻燃、保溫節(jié)能和隔聲降噪的性能，但也存在一些問題：一是玻璃棉板本身垂直于板面方向的抗拉強度較低，普遍低于7 kPa；二是防水耐堿性能比較差，在堿性環(huán)境中易受侵蝕，造成強度大幅下降。針對強度低的問題，我們采用對玻璃棉板進行經(jīng)緯向縫制的方法提高其垂直于板面方向的抗拉強度，經(jīng)過縫制，垂直于板面方向的抗拉強度可提高到15 kPa以上，如圖2所示。

圖2 經(jīng)緯向逢制的玻璃棉板

針對防水耐堿性能差的問題，采用防水耐堿界面劑將玻璃棉板6面進行包覆的方法，提高其防水性能，同時隔絕玻璃棉板與堿性環(huán)境的接觸，從而提高其耐堿性能，改性玻璃棉板見圖3。

圖3 改性玻璃棉板

1.2 系統(tǒng)構(gòu)造

本文中改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)以厚度不小于50 mm，密度為100 kg/m3的玻璃棉板為主要保溫材料，配合玻璃棉板專用砂漿、耐堿玻纖網(wǎng)等材料，再加托架、錨栓等輔助材料，形成堅固一體的建筑外墻外保溫系統(tǒng)，改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)的基本構(gòu)造見圖4。

圖4 改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造

1.3 系統(tǒng)性能特點

1.3.1 從體系設(shè)計角度保證系統(tǒng)的連接安全性

通過工廠預(yù)處理手段提高玻璃棉板的強度、防水性和耐堿性；通過雙層增強網(wǎng)、錨栓、托架方式提高外墻外保溫系統(tǒng)機械連接強度；通過柔性找平砂漿、保溫板界面處理改善施工操作性，降低對施工人員的健康危害；節(jié)點設(shè)計適應(yīng)體系構(gòu)造。

1.3.2 高性能的配套材料確保體系長效耐久性

從保溫體系構(gòu)造出發(fā)，與玻璃棉板配套使用的有專用界面劑、聚合物粘結(jié)砂漿、柔性找平砂漿、聚合物抹面砂漿和飾面材料，其中專用界面劑兼具防水、增強的功效，柔性找平砂漿兼具找平、保溫補償?shù)墓πА?/p>

1.3.3 保溫性能好

外保溫用玻璃棉板的導(dǎo)熱系數(shù)在0.033 W/（m·K）左右，柔性找平砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.060 W/（m·K），兩者復(fù)合使用可使整個系統(tǒng)具有相當(dāng)好的保溫性能，同時柔性找平砂漿還可對玻璃棉板無法處理的部位及熱橋部位起到補充保溫和阻斷熱橋的作用。

1.3.4 優(yōu)異的防火性能

玻璃棉保溫板為A級不燃材料，整個系統(tǒng)具有非常優(yōu)異的防火功能，對保護建筑結(jié)構(gòu)起到很好的作用。

1.3.5 抗沖擊性能優(yōu)越

玻璃棉板具有一定的彈性和較高的回彈率，同時，該系統(tǒng)中還使用2層耐堿玻纖網(wǎng)格布，形成雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，因而具有較好的抗沖擊性能。

1.3.6 對主體結(jié)構(gòu)變形適應(yīng)能力強、抗裂性能好

玻璃棉板是一種柔性變形量較大的材料，抵抗外界變形能力強。在外力和溫度變形、干濕變形等作用下，變形量都比較小，而且變形后回彈能力強，有效地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐久性。同時，整個外墻外保溫系統(tǒng)是一個柔性漸變、逐層釋放應(yīng)力的柔性抗裂系統(tǒng)，具有很好的抗裂性能。

2 改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)主要材料的性能研究

改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)的核心材料是改性玻璃棉板，但施工技術(shù)的關(guān)鍵在于其粘結(jié)砂漿、抹面砂漿的性能。一般采用聚合物改性水泥砂漿配制的粘結(jié)砂漿和抹面砂漿來滿足施工的要求。

2.1 粘結(jié)砂漿的試驗研究

本試驗采用的單組份砂漿是將粉狀聚合物與水泥、砂等材料混合而成的干混料，使用時只需按適當(dāng)比例加水，攪拌均勻即可。實驗用主要原材料為：P·O42.5普通硅酸鹽水泥；石英砂，為40～70目；礦物摻料為Ⅱ級粉煤灰；膠粉1為可再分散性乳膠粉5010N，膠粉2為可再分散性乳膠粉5044N；纖維素醚為羥丙基甲基纖維素HPMC。單組份粘結(jié)砂漿的原材料配比及性能測試結(jié)果分別見表1和表2。

由表1和表2可看出：（1）膠粉的加入可使粘結(jié)砂漿的粘結(jié)強度提高、耐水性能改善。（2）灰砂比也是影響脆性系數(shù)的重要參數(shù)，灰砂比為1∶1～1∶2.5時，粘結(jié)砂漿與玻璃棉板的粘結(jié)接強度無明顯變化，但與水泥基的粘結(jié)強度逐漸提高。所以一般選用灰砂比為1∶2.5最佳。（3）1#配方與3#配方對比可以看出，膠粉2的加入有明顯的促凝作用，縮短了聚合物水泥砂漿的凝結(jié)時間。（4）1#與8#配方對比可知，纖維素醚的加入對水泥砂漿的可操作時間以及粘結(jié)強度影響不大。

表1 粘結(jié)砂漿的實驗配比

表2 粘結(jié)砂漿的性能測試結(jié)果

為了驗證試驗結(jié)果，我們從以上試驗結(jié)果中選擇1#配比制樣送質(zhì)檢部門進行性能檢測，結(jié)果如表3所示。

表3 粘結(jié)砂漿優(yōu)選配比的性能檢測結(jié)果

從表3可以看出，可再分散膠粉與水泥砂漿及其助劑優(yōu)化配制而成的單組份粘結(jié)砂漿，與改性玻璃棉板和水泥砂漿都具有較好的拉伸粘結(jié)強度，均符合JGJ 144—2014《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》的要求。

2.2 抹面砂漿的試驗研究

抹面砂漿試驗礦物摻合料為Ⅱ級粉煤灰，膠粉為可再分散性乳膠粉5044N，憎水劑為硬脂酸鈣，纖維素醚為羥丙基甲基纖維素HPMC，抗裂劑為長度3～5 mm的聚丙烯纖維。抹面砂漿試驗配比見表4。為了驗證試驗結(jié)果，選擇表4中3#配比制樣送質(zhì)檢部門性能檢測，結(jié)果見表5。

從表4和表5可以看出：

（1）抹面砂漿的壓折比隨著水泥用量的增大而增大，隨膠粉及纖維增強材料摻量的增加而減小。

（2）對比 1#、2#、6#和 7#配方可以看出，灰砂比為 1∶2.6 時壓折比最小。

（3）通過聚合物及纖維增強材料改性后，抹面砂漿具有較高的拉伸粘結(jié)強度和較好的抗沖擊性。

水泥砂漿與可再分散乳膠粉及其它助劑優(yōu)化配制而成的單組份抹面砂漿，與改性玻璃棉板具有較好的拉伸粘結(jié)強度（包括原強度、耐水及耐凍融拉伸粘結(jié)強度），符合JGJ 144—2014《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》的要求。

表4 抹面砂漿的試驗方案

表5 抹面砂漿的性能檢測結(jié)果

2.3 界面劑的研制

由于玻璃棉板長期暴露在空氣中，其面層上的細小纖維易脫落扎人，給施工工人造成痛癢感，為施工帶來不便，因此，在玻璃棉板上墻前應(yīng)對其進行界面處理。界面處理劑是以水泥、細骨料為主要原材料，以聚合物和添加劑等為改性材料并以適當(dāng)配比混合而成，涂抹在改性玻璃棉板6個表面，這樣處理不僅可防止玻璃棉板面層的細小纖維到處飛揚，還可提高改性玻璃棉板的防水性能，阻斷改性玻璃棉板從找平層吸水的路徑，保證找平材料不會因過快失水而開裂，并且有利于提高找平材料與改性玻璃棉板表面的粘結(jié)強度，進而保證整個外墻外保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

采用界面劑6面包覆玻璃棉板的方法，在提高防水性的同時，隔絕玻璃棉板與水泥材料的接觸，提高玻璃棉板的耐堿性。普通玻璃纖維與涂覆界面劑的玻璃纖維的耐堿電鏡照片如圖5、圖6和圖7所示。

從圖5～圖7可以看出，經(jīng)堿液浸泡后，普通玻璃纖維腐蝕較為嚴(yán)重，基本破壞了其組織結(jié)構(gòu)，而涂覆界面劑的玻璃纖維在堿液浸泡后變化不大，耐堿性顯著提高。

3 改性玻璃棉板及外墻外保溫系統(tǒng)性能

3.1 改性玻璃棉板的性能研究

3.1.1 強度

玻璃棉板裸板和縫制板的垂直抗拉強度和壓縮強度試驗結(jié)果見表6。

圖5 普通玻璃棉的電鏡照片

圖6 堿液浸泡后玻璃棉的電鏡照片

圖7 界面劑涂覆的玻璃棉耐堿電鏡照片

表6 玻璃棉板的拉拔與壓縮強度

由表6可見，玻璃棉板的垂直抗拉強度與壓縮強度隨著其密度的增加有逐漸提高的趨勢，但玻璃棉板的密度不能無限制增大，因此利用高強度的纖維沿玻璃棉板經(jīng)緯向縫制的方法提高玻璃棉板的強度是可行的，其垂直于板面方向的抗拉強度提高到15 kPa以上。

3.1.2 不燃性

玻璃棉板應(yīng)用于建筑外保溫，最大的優(yōu)勢在于其不燃性，燃燒性能可達到A級不燃，但是這與玻璃棉板制造過程中施膠量有很大的關(guān)系，當(dāng)施膠量過大，不燃性下降，而施膠量過小，玻璃棉板的強度又達不到要求。經(jīng)過多次試驗，在保證玻璃棉板強度達到要求的前提下，確定其施膠量為9%時，不燃性實驗結(jié)果為：△T=15.0℃，且△m=12.3%，且tf=0，符合GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》規(guī)定的A級指標(biāo)：△T≤30℃，且△m≤50%，且 tf=0。

3.2 外墻外保溫系統(tǒng)的性能研究

3.2.1 系統(tǒng)耐候性

按照J(rèn)GJ 144—2014和北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/T 1117—2014《玻璃棉板外墻外保溫施工技術(shù)規(guī)程》進行外墻外保溫系統(tǒng)的耐候性試驗。系統(tǒng)模型經(jīng)養(yǎng)護到規(guī)定齡期后，按自左到右順序分為3部分，左側(cè)為瓷磚飾面、中間為裝飾砂漿飾面、右側(cè)為涂料飾面（見圖8）。

在經(jīng)歷熱/雨周期80次循環(huán)并放置48 h后，經(jīng)熱/冷周期5次循環(huán)后，外墻磚表面均無裂紋，剝落現(xiàn)象，彩色砂漿和白色涂料飾面表面均無裂紋、粉化、剝離現(xiàn)象，窗均未損壞且無與其相連的裂紋，防護面層與玻璃棉板間的拉伸粘結(jié)強度為26 kPa，符合JGJ 144—2014和DB 11/T 1117—2014的規(guī)定要求。

圖8 耐候性測試完成后系統(tǒng)及窗口狀態(tài)

3.2.2 抗風(fēng)壓

抗風(fēng)壓試驗按照J(rèn)GJ 144—2014和DB 11/T 1117—2014進行，按工程項目設(shè)計的最大負(fù)荷風(fēng)載設(shè)計值W降低2 kPa，開始循環(huán)加壓，每增加1 kPa做1個循環(huán)，直至破壞。試驗結(jié)果見表7。

表7 改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)壓試驗結(jié)果

3.2.3 吸水量

吸水量測試按照J(rèn)GJ 144—2014和DB11/T 1117—2014進行。用天平稱量制備好的試樣質(zhì)量，然后將試樣抹面砂漿的一面向下平穩(wěn)地進入室溫水中，浸水深度等于抹面層的厚度，浸入水中時表面完全潤濕。浸泡24 h取出后用濕毛巾迅速擦去試樣表面的水份，測其質(zhì)量并計算浸泡24 h吸水量。

玻璃棉外墻外保溫系統(tǒng)有飾面層24h吸水量為257g/m2，無飾面層24 h吸水量為450 g/m2，均符合JGJ 144—2014和DB11/T 1117—2014中≤500 g/m2的規(guī)定。

3.2.4 抗沖擊強度

按照J(rèn)GJ 144—2014中附錄A.5的要求進行抗沖擊強度試驗，結(jié)果見表8。

表8 玻璃棉外墻外保溫系統(tǒng)抗沖擊強度試驗結(jié)果

3.2.5 耐凍融

耐凍融循環(huán)試驗按照J(rèn)GJ 144—2014和北京市地標(biāo)DB11/T 1117—2014進行。凍融循環(huán)30次，每次24 h，試樣先在（20±2）℃自來水中浸泡8 h，試樣浸入水中時，應(yīng)使抹面層或保護層朝下，使抹面層浸入水中，并排除試樣表面氣泡；接著在（-20±2）℃冰箱中冷凍16 h；每3次循環(huán)后觀察試樣是否出現(xiàn)裂縫、空鼓、脫落等情況，并做記錄。試驗結(jié)束后，狀態(tài)調(diào)節(jié)7 d，再測試?yán)煺辰Y(jié)強度，結(jié)果見表9。

表9 玻璃棉外墻外保溫系統(tǒng)耐凍融試驗結(jié)果

3.2.6 水蒸氣濕流密度

玻璃棉外墻外保溫系統(tǒng)水蒸氣濕流密度測試按照J(rèn)GJ 144—2014進行。結(jié)果表明，水蒸氣濕流密度為4.45g/（m2·h），符合JGJ 144—2014規(guī)定的≥0.85 g/（m2·h）的要求。

3.2.7 不透水性

按照J(rèn)GJ 144—2014進行測試。試驗結(jié)果為試樣防護層內(nèi)側(cè)無水滲透。

上述各項試驗結(jié)果表明，改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)的各項性能均符合JGJ 144—2014和DB 11/T 1117—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

4 應(yīng)用推廣

2011～2012年，改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)已經(jīng)在北京市西城區(qū)的節(jié)能改造工程中應(yīng)用，建筑面積60萬m2以上，應(yīng)用效果良好。工程應(yīng)用實例如圖9所示。

圖9 改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)用實例

5 結(jié)語

開發(fā)改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)，針對改性玻璃板外墻外保溫系統(tǒng)及其主要原料性能進行試驗研究，詳細分析各種添加物對聚合物砂漿力學(xué)性能的影響，對裸板與經(jīng)緯向縫制板垂直拉拔強度與壓縮強度進行對比，并對外墻外保溫系統(tǒng)的耐候性、抗風(fēng)壓性能、吸水性、抗沖擊強度、耐凍融性、水蒸氣濕流密度及不透水性進行了一系列試驗研究。

（1）優(yōu)選出粘結(jié)砂漿與抹面砂漿的合適配比，灰砂比分別為 1∶2.5 和 1∶2.6 時為佳。

（2）研制了玻璃棉板用界面劑，有效提高了玻璃棉板的防水性和耐堿性。

（3）經(jīng)過經(jīng)緯向縫制的玻璃棉板相對于裸板，壓縮強度變化不大，但垂直抗拉強度明顯提高，由7.3 kPa提高到15.6 kPa。

（4）通過不燃性試驗，在保證玻璃棉板強度達到要求的前提下，確定其施膠量為9%。

（5）對改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)進行了多項試驗研究，結(jié)果表明，玻璃棉板及外墻外保溫系統(tǒng)均符合JGJ 144—2014和北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1117—2014規(guī)定要求，且產(chǎn)品在北京市西城區(qū)靈境胡同小區(qū)與萬明園小區(qū)的既有建筑節(jié)能改造工程應(yīng)用中取得了良好效果。

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