屋面噴涂硬泡聚氨酯的保溫防水機理及應(yīng)用分析

秦景燕，王傳輝，江　波，儲勁松（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430068）

屋面噴涂硬泡聚氨酯的保溫防水機理及應(yīng)用分析

秦景燕，王傳輝，江波，儲勁松
（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430068）

闡述了屋面噴涂硬泡聚氨酯的保溫防水機理，分析了該材料用于屋面系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢及材料配方、屋面構(gòu)造設(shè)計及施工等應(yīng)用注意問題，為在建筑節(jié)能領(lǐng)域推廣硬泡聚氨酯屋面保溫防水一體化材料提供參考。

噴涂硬泡聚氨酯；防水保溫一體化；屋面；節(jié)能

噴涂硬泡聚氨酯材料導(dǎo)熱系數(shù)極低，既保溫又防水，易滿足建筑節(jié)能要求，是目前實現(xiàn)建筑屋面保溫防水一體化的新型節(jié)能建筑材料。硬泡聚氨酯屋面保溫防水技術(shù)在我國新建和既有房屋修繕改造工程的應(yīng)用上已積累了許多成功經(jīng)驗，其中采用噴涂工藝的硬泡聚氨酯保溫、防水及節(jié)能效果更顯著。本文闡述了屋面噴涂硬泡聚氨酯的保溫防水機理，分析了該材料用于屋面系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢及其施工應(yīng)用，為在建筑節(jié)能領(lǐng)域推廣硬泡聚氨酯屋面保溫防水一體化材料提供參考。

1　屋面噴涂硬泡聚氨酯的保溫防水機理

噴涂硬泡聚氨酯是采用異氰酸酯、多元醇及發(fā)泡劑等添加劑，現(xiàn)場使用專用噴涂設(shè)備，在基層上連續(xù)多遍噴涂發(fā)泡聚氨酯后，形成的致密無接縫的硬質(zhì)泡沫體。屋面用噴涂硬泡聚氨酯按材料物理性能可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3種類型，其物理性能要求見表1。Ⅰ型具有優(yōu)異保溫性能，用作屋面和外墻保溫層；Ⅱ型除優(yōu)異保溫性能外，還具有一定防水功能，與抗裂聚合物水泥砂漿復(fù)合使用，用作屋面復(fù)合保溫防水層；Ⅲ型除優(yōu)異保溫性能外，還具有較好的防水性能，是一種保溫防水功能一體化材料，用作屋面保溫防水層［1］。

表1　屋面用噴涂硬泡聚氨酯物理性能

1.1防水機理

（1）硬泡聚氨酯屬于高分子泡沫塑料，具有憎水性，其自身吸水率極低（≤1%），閉孔率高達95%以上，具有較低的水蒸氣滲透性和優(yōu)良的不透水性。

（2）聚氨酯硬泡體為連續(xù)致密、無接縫的完整不透水層，具備一定防水功能，在屋面系統(tǒng)中可代替1道防水層使用。

（3）硬泡體具有一定彈性，延伸率達10%以上，能適應(yīng)屋面基層變形，避免開裂滲漏。

（4）硬泡聚氨酯與混凝土、金屬、木材、磚石、砌塊等多種基面均有良好粘結(jié)力?，F(xiàn)場高壓噴涂發(fā)泡固化技術(shù)使發(fā)泡體能滲入主體結(jié)構(gòu)縫隙，起到密封作用，其與基層面的粘結(jié)強度大于硬泡體本身的撕裂強度，硬泡層底面能與屋面基層牢固粘結(jié)，頂面能與材料性質(zhì)相匹配的保護層緊密結(jié)合，屋面整體性好，無分層現(xiàn)象，可避免屋面水沿層間縫隙滲透。

1.2保溫機理

（1）硬泡聚氨酯閉孔率高、密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱保溫性能好。聚氨酯硬泡體是由聚氨酯構(gòu)成眾多閉口微孔骨架，氣孔內(nèi)為導(dǎo)熱系數(shù)很低的發(fā)泡劑蒸汽的泡沫體。聚氨酯硬泡體的導(dǎo)熱系數(shù)主要由充填氣體的導(dǎo)熱系數(shù)來決定。采用無氟發(fā)泡劑形成的均勻致密閉口孔內(nèi)充滿了導(dǎo)熱系數(shù)極低的發(fā)泡劑蒸汽，當(dāng)密度為35～40 kg/m3時，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.018～0.027 W/（m·K）。

（2）聚氨酯硬泡體表面致密憎水、耐水、抗凍和耐腐蝕性好，避免了材料因受潮受凍而使保溫性能下降［2］。

2　噴涂硬泡聚氨酯防水保溫一體化屋面系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

屋面防水與保溫是相互依存、相互影響的，防水層破壞滲水會造成保溫層失效，保溫層失效含水也會導(dǎo)致防水層破壞，屋面工程應(yīng)同時兼顧防水及保溫兩方面。傳統(tǒng)屋面系統(tǒng)防水和保溫是2個獨立體系，其存在的問題是：屋面構(gòu)造復(fù)雜，維修困難，成本高；采用的無機保溫材料壽命太短，有機保溫材料又污染環(huán)境。噴涂硬泡聚氨酯克服了傳統(tǒng)建筑材料功能單一，即保溫材料不防水、防水材料不保溫的局限性，真正實現(xiàn)材料防水保溫一體化。噴涂硬泡聚氨酯防水保溫一體化屋面系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢如下：

（1）簡化屋面構(gòu)造，使防水保溫一體化。改變了傳統(tǒng)屋面防水、保溫分層做法，使保溫層和防水層合二為一，可使屋面構(gòu)造簡化，經(jīng)濟適用。

（2）粘結(jié)牢固，抗風(fēng)揭能力強，方便屋面改造及維修。硬泡體具有良好粘結(jié)力，適用多高層建筑和風(fēng)較大地區(qū)建筑物外墻及屋頂保溫，特別是瀝青類和高分子類防水卷材與防水涂料舊防水層，只需清除起鼓、疏松部分，與基層結(jié)合牢固的部位可直接在其表面噴涂硬泡聚氨酯，這對舊屋面修繕十分方便，且可減少垃圾清運量。

（3）防水、保溫及節(jié)能效果好。高閉孔率、憎水、無拼接縫、整體性好的硬泡體防水性能可靠。硬質(zhì)聚氨酯泡沫是國內(nèi)現(xiàn)有建筑保溫材料中密度小、導(dǎo)熱系數(shù)最小、熱阻值最高的保溫材料。硬質(zhì)聚氨酯泡沫25℃時的導(dǎo)熱系數(shù)低至0.024W/（m·K）以下，而聚苯乙烯泡沫板導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W/（m·K），水泥珍珠巖導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W/（m·K）。用于建筑屋面或外墻時厚度小、熱阻大，保溫、隔熱、隔聲性好，可減緩熱脹冷縮變形，具有長期節(jié)能效益。在一般居住建筑物中使用硬泡聚氨酯做防水保溫層，其厚度僅為傳統(tǒng)材料厚度的1/3，其熱阻值卻是傳統(tǒng)材料的3倍。在同樣節(jié)能要求前提下，硬泡聚氨酯的厚度最小或在同樣厚度前提下硬泡聚氨酯節(jié)能效果最好。

（4）施工快捷，適應(yīng)性強。采用機械化噴涂施工，速度快，工期短；一套進口設(shè)備在良好條件下每天理論噴涂面積為800～1000 m2，比傳統(tǒng)防水、保溫材料施工時間節(jié)省80%。適于各種形狀及材質(zhì)屋面，特別是構(gòu)造物較多的屋面、別墅、異型屋面等更具優(yōu)越防水保溫性能。

（5）比強度高，自重輕，屋面荷載輕，安全性好。屋面荷載是使用傳統(tǒng)材料的1/3，更適合大跨度、薄殼建筑屋面的防水保溫。在設(shè)計屋面板或用于鋼結(jié)構(gòu)大跨度屋面時可減少鋼材用量，降低工程造價。

（6）抗壓強度較高，尺寸穩(wěn)定性好。抗壓強度≥0.3 MPa，低溫時強度還會有所提高，可滿足屋面不同使用功能需求。在-20℃存放24 h，硬泡體線性變化率小于1%，尺寸穩(wěn)定性好。

（7）環(huán)保，性能穩(wěn)定，壽命長。無氟發(fā)泡技術(shù)，不破壞大氣層。耐弱酸、耐堿，低溫-50℃不脆裂，高溫150℃不流淌，阻燃性能B2級，遇明火只碳化，且碳化的聚氨酯硬泡可阻隔火勢蔓延。屋面使用壽命超過30年。

噴涂硬泡聚氨酯適用于各種不同氣候條件工業(yè)與民用建筑屋面和外墻的保溫防水工程，其保溫隔熱效果可滿足我國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求；尤其適用于高層和風(fēng)較大地區(qū)建筑外墻及屋面的保溫防水一體化工程；也可與其它防水材料復(fù)合，適于防水等級為Ⅰ～Ⅳ級、各種材質(zhì)（混凝土、金屬、木材等）及基層形狀（平、斜、大跨度金屬網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、異型）屋面及外墻的防水保溫工程，特別適合低建筑荷載要求、異型復(fù)雜、施工周期要求短的屋面和舊屋面維修翻建等工程［3］。

3　屋面噴涂硬泡聚氨酯的應(yīng)用分析

3.1配方研究

噴涂硬泡聚氨酯的配方一般為A、B兩組分，A組分為含異氰酸酯基的二元或多元有機異氰酸酯，B組分為含活潑氫的聚醚多元醇或聚酯多元醇和發(fā)泡助劑等，A、B兩組分在現(xiàn)場混合，邊施工邊發(fā)泡。噴涂硬泡聚氨酯的配方設(shè)計要點如下：

（1）多元醇：選用相對分子質(zhì)量為400～800、官能度為3～8的聚醚型多元醇，具體品種為（3～8）羥基聚氧化丙烯醚，也可用多種聚醚搭配使用，一般以其100份為基準(zhǔn)。

（2）異氰酸酯：可選用TDI、MDI及PAPI三類，用量為多元醇聚醚的1.3～1.5倍。

（3）發(fā)泡劑：以外加物理發(fā)泡劑為主，有二氯乙烷、異戊烷等，用量為40份左右。另外可加入少量水。

（4）催化劑：胺類和錫類并用，如N，N一二甲基環(huán)己胺、三亞乙基二胺等胺類及二月桂酸二丁基錫催化劑，用量為0.5～5份。

（5）泡沫穩(wěn)定劑：常用硅油及硅酮類，有有機硅、丙二酮等，用量為0.5～1.5份［4］。

改變異氰酸酯類化合物和多元醇的化學(xué)特性、結(jié)構(gòu)、分子大小和配比可得到不同性能的聚氨酯泡沫體。在聚醚或異氰酸鍵上引入鹵素、磷、銻等阻燃元素或添加二氯乙基磷酸酯等阻燃劑可得到阻燃硬泡配方。針對低于15℃低溫環(huán)境下硬泡聚氨酯噴涂不能施工的限制問題，南京初牛科技有限公司制備了一種非熱敏催化劑，經(jīng)試驗表明：該催化劑對溫度不敏感。通過適當(dāng)調(diào)整配方，采用該催化劑配制的硬泡聚氨酯在環(huán)境溫度11℃下不僅能施工，而且性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從而解決了施工現(xiàn)場隨環(huán)境溫度降低需增加催化劑用量和硬泡體質(zhì)量不合格的問題［5］。

3.2施工條件要求

（1）屋面基層

硬泡聚氨酯保溫防水層必須在屋面其它設(shè)備安裝結(jié)束，屋面天溝、陰陽角、水落管等節(jié)點按規(guī)范處理，找平層完工滿足屋面排水要求后才能施工。為保證形成的泡沫層厚度均勻且與屋面基層粘結(jié)牢固，要求屋面基層表面平整、牢固、干燥、無油污、干凈。

（2）環(huán)境條件

施工環(huán)境溫度過低或空氣相對濕度過大均會影響發(fā)泡反應(yīng)，尤其是環(huán)境溫度對聚氨酯發(fā)泡影響很大。環(huán)境溫度高可加快反應(yīng)速度，泡沫發(fā)泡充分，泡沫表層和芯部密度接近；環(huán)境溫度低，部分反應(yīng)熱會散發(fā)到環(huán)境中，不但使泡沫成型變慢，收縮率增大，也增加了材料用量。施工時噴涂發(fā)泡機將原料混合后以霧化狀態(tài)噴出，若風(fēng)速過大將會吹走霧化顆粒和反應(yīng)熱量，不但使產(chǎn)品表面變脆，難以形成均勻殼體，而且泡沫四處飛揚，將造成原料損耗和環(huán)境污染。噴涂硬泡聚氨酯施工時要求環(huán)境溫度≥10℃，以15～30℃為宜，風(fēng)力不得大于3級，風(fēng)速在5 m/s以下，空氣相對濕度宜小于85%。氣溫過低或雨、雪、霧天氣不能進行噴涂，當(dāng)施工中途下雨、下雪時要采取覆蓋措施，風(fēng)速大于3級時應(yīng)采取擋風(fēng)措施。

3.3屋面構(gòu)造設(shè)計

噴涂硬泡聚氨酯屋面保溫防水工程應(yīng)根據(jù)工程特點、地區(qū)自然條件、使用功能等情況進行構(gòu)造層次設(shè)計。保溫防水層的設(shè)計厚度，應(yīng)根據(jù)國家和本地區(qū)現(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)限值進行熱工計算確定。在硬泡聚氨酯表面涂刷界面劑、刮涂抗裂聚合物水泥砂漿復(fù)合層、涂刷防護涂料或做其它防水層時，為保證粘結(jié)緊密，應(yīng)考慮相鄰材料的相容性，不得使用會溶解、腐蝕或與硬泡聚氨酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料。噴涂硬泡聚氨酯屋面保溫防水工程構(gòu)造見表2。

表2　噴涂硬泡聚氨酯屋面保溫防水工程構(gòu)造

硬泡聚氨酯不耐紫外線老化，在陽光長期照射下易粉化影響壽命，因此其表面要設(shè)保護層。非上人屋面噴涂Ⅲ型硬泡聚氨酯做保溫防水層時，應(yīng)在其表面涂刷耐紫外線的防護涂料；噴涂Ⅱ型硬泡聚氨酯時，應(yīng)在其上刮涂3～5 mm厚抗裂聚合物水泥砂漿，構(gòu)成復(fù)合保溫防水層?？沽丫酆衔锼嗌皾{層兼有防水和保護層作用，其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能承受一定的彈性變形，若受到外力作用碎裂時，因砂漿層厚度較小也不易形成尖銳棱角而破壞結(jié)皮層。上人屋面用細石混凝土或塊體材料作保護層，因硬泡體表面凹凸不平，硬泡體和細石混凝土的膨脹收縮應(yīng)力不同，因此在兩者間要設(shè)置隔離材料。嚴禁在硬泡體上直接澆筑混凝土做保護層。如某寫字樓工程在40 mm厚硬泡聚氨酯保溫防水層上直接澆筑40 mm厚C20混凝土保護層，在混凝土澆筑過程中破壞了結(jié)皮層而出現(xiàn)屋面嚴重滲漏。沈陽軍區(qū)某營房改造在屋面噴涂30 mm厚硬泡聚氨酯保溫防水層，并在其上抹20 mm厚水泥砂漿保護層。經(jīng)5年檢驗無滲漏，防水節(jié)能保溫效果顯著［6］。

3.4噴涂施工

（1）原材料

噴涂硬泡聚氨酯所用的MDI（黑料）一般屬于通用料，而組合多元醇（白料）則是各企業(yè)根據(jù)自己配方混合而成。不同的黑白料配方需要使用與之相匹配的噴涂設(shè)備和噴涂參數(shù)才能保證硬泡聚氨酯的質(zhì)量。因此，原材料最好采用同一廠家配套黑白料。

（2）噴涂設(shè)備及人員

要采用專用噴涂設(shè)備和專業(yè)施工人員，施工人員應(yīng)了解產(chǎn)品及設(shè)備使用基本知識，能根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)黑白料配比及設(shè)備溫度和壓力。施工前，技術(shù)主管人員應(yīng)根據(jù)使用材料及施工環(huán)境條件提出施工參數(shù)和欲調(diào)方案。

（3）施工操作

施工人員要確保黑、白料配比準(zhǔn)確，壓縮空氣壓力穩(wěn)定。噴嘴與施工基面間距宜在800～1200 mm，以保證聚氨酯硬泡體厚度均勻又不會使材料飛散。施工要分3～4遍噴涂。一是為及時控制、調(diào)整噴涂層厚度，減少收縮影響；二是可增加結(jié)皮層，提高防水效果。每遍噴涂厚度宜控制在10～15 mm，每遍噴涂間隔時間必須大于20 min，上下相鄰層噴涂方向要互相垂直。當(dāng)日施工作業(yè)面必須于當(dāng)日連續(xù)噴涂完畢。噴涂施工時周圍應(yīng)采取遮擋措施，避免物料飛散污染環(huán)境，并采取有效防火措施。施工完成后20 min內(nèi)嚴禁站人及行走，應(yīng)及時做好成品保護；嚴禁在硬泡體上明火及電焊作業(yè)、鑿孔打洞、增設(shè)構(gòu)筑物、重物撞擊或熱熔施工。

3.5質(zhì)量驗收

噴涂硬泡聚氨酯保溫防水工程施工應(yīng)按層次、工序進行過程控制和質(zhì)量檢查，不允許在全部工程完工后才進行一次性的檢查與驗收。施工的每道工序完成后，應(yīng)經(jīng)監(jiān)理或建設(shè)單位檢查驗收，合格后方可進行下一道工序施工。

4　結(jié)語

隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識的不斷提高，研制和開發(fā)多功能新型建筑材料，將成為改善建筑人居環(huán)境、降低建筑能耗的有效途徑。在全球節(jié)能減排的大趨勢下，建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)將會隨著時間的推移不斷提高。噴涂硬泡聚氨酯集保溫、防水等多功能于一體，是一種能減輕建筑物自重、降低造價、節(jié)能降耗、操作簡便、適應(yīng)性強且耐用的保溫防水一體化材料，已成為我國新、舊建筑屋面防水保溫工程中推薦采用的節(jié)能產(chǎn)品，其市場潛力廣闊。

［1］GB 50404—2007，硬泡聚氨酯保溫防水工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］沈春林.聚氨酯硬泡防水保溫材料［M］.北京：中國質(zhì)檢（標(biāo)準(zhǔn)）出版社，2014.

［3］裘著崑.聚氨酯硬泡體防水保溫一體化屋面系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.中國建筑防水，2009（增刊）：16-19.

［4］田雁晨.建筑保溫泡沫塑料配方設(shè)計［J］.化學(xué)建材，2007（6）：29-31.

［5］鄭生力.非熱敏催化劑型噴涂聚氨酯硬泡研究［J］.中國建筑防水，2012（6）：4-6.

［6］劉美麗，平玉柱，李效華，等.聚氨酯泡沫在屋面保溫防水中的應(yīng)用［J］.聚氨酯工業(yè)，2002（3）：35-37.

Waterproofing and insulation mechanism and application analysis of spraying rigid polyurethane foam on roof

QIN Jingyan，WANG Chuanhui，JIANG Bo，CHU Jingsong
（College of Civil Engineering&Architecture，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，Hubei，China）

The waterproofing and insulation mechanism of spraying rigid polyurethane foam on roof is elaborated in this paper.The technical advantages of applying this material in roof engineering are analyzed.The material formulation，roof designing and constructing and other related issues in application are discussed.This paper provides a reference to promoting rigid polyurethane foam in integration of waterproof and insulation in building energy conservation

rigid polyurethane foam，integration of waterproof and insulation，roof，energy saving

TU56+1.65

A

1001-702X（2015）12-0086-04

2015-09-06

秦景燕，女，1964年生，河南偃師人，副教授，主要從事防水材料與工程專業(yè)教學(xué)和科研工作。