玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)在既有建筑節(jié)能改造中的應用

朱保華，韓麗婷

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院南京工程分院，江蘇 南京 211135；2.南京工業(yè)大學，江蘇 南京 211800）

0 引言

近年來，我國建筑行業(yè)飛速發(fā)展，但隨之而來的能源消耗問題日漸突出，節(jié)能降耗已成為我國建筑行業(yè)的重要課題[1]。以聚苯板薄抹灰系統(tǒng)為主體的保溫材料由于具有較好的保溫隔熱性能和防滲透、較好的抗壓強度、成本低廉等，且能源可再生等優(yōu)點，已成為我國建筑外墻保溫系統(tǒng)的主流材料[2]。但該系統(tǒng)保溫材料的主要成分為EPS、XPS等有機可燃聚苯乙烯泡沫材料，具有較大的毒性和煙霧，且易燃燒，在80℃下則會形成熔融變形滴落[3]。由于聚苯乙烯泡沫材料本身易燃，且受熱收縮和熔滴也會造成煙囪和敞開效應，這導致該材料一旦著火則難以撲滅[4-5]。我國建筑群以多層和高層為主，采用該系統(tǒng)進行外保溫極易造成火災等安全隱患，帶來極大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，如：2009年2月，央視新址配樓著火；2010年11月上海住宅樓失火等事故頻繁發(fā)生[6]。因此研究既具有保溫功能，也可以降低火災隱患，且不會增加施工難度和成本的保溫系統(tǒng)具有重要的實用價值。

相對于有機聚苯乙烯等泡沫保溫材料，改性玻璃棉板[7]不燃，且不滿足火焰的傳播性和點火性，再加上密度低、導熱系數(shù)小、防火、化學性質(zhì)穩(wěn)定、使用周期長，在建筑節(jié)能改造中具有較好的應用前景。但在具體應用中，玻璃棉還存在吸濕嚴重、抗拉強度低、系統(tǒng)防護層易開裂等問題[8]。針對這些問題，本研究主要采用水性環(huán)氧樹脂浸潤劑改性玻璃棉板，改性劑選用硅烷偶聯(lián)劑，并以此為基礎(chǔ)，研究其保溫系統(tǒng)性能及其在既有建筑節(jié)能改造中的應用。

1 改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

1.1 保溫系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

玻璃棉板原材料為碎玻璃、白云石、純堿、石英砂等，具體制作流程是將原材料加熱熔融形成玻璃流體，接著將玻璃流體纖維化，再經(jīng)噴施特殊熱固性粘合劑，將流體纖維化材料壓制形成板狀保溫材料，形成保溫系統(tǒng)板狀結(jié)構(gòu)[見圖1（a）]。玻璃棉板在應用時還需要解決抗拉強度低、耐水、耐堿性差的問題。為有效提高其抗拉強度，通過縫制的方式處理玻璃棉板，可有效提高玻璃棉板的抗拉強度。為解決防水耐堿性差問題，采用水性環(huán)氧樹脂浸潤的玻璃棉板[見圖1（b）]。水性環(huán)氧樹脂浸潤劑具體配方為：25%水性環(huán)氧樹脂、10%硅烷偶聯(lián)劑KH560、15%吐溫 80、50%乙醇。

圖1 玻璃棉板保溫系統(tǒng)板狀結(jié)構(gòu)圖

本研究選用的改性玻璃棉板外墻保溫系統(tǒng)保溫材料厚度小于50 mm，密度為100 kg/m3，其他輔助材料包括專用砂漿、耐堿玻纖網(wǎng)、托架、錨栓等，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改性玻璃棉板外墻保溫系統(tǒng)的構(gòu)造示意

1.2 系統(tǒng)性能特點

從體系設(shè)計角度考慮，該系統(tǒng)性能主要有以下特點：

（1）連接安全可靠。經(jīng)預處理，增強玻璃棉板強度、防水性和耐堿性；經(jīng)雙層增強網(wǎng)、錨栓、托架等增強外墻保溫系統(tǒng)連接機械強度；經(jīng)柔性找平砂漿、保溫板界面處理，提高操作安全性；節(jié)點設(shè)計必須滿足體系構(gòu)造。

（2）使用高性能配套材料，保證體系使用壽命長。專用界面劑、聚合物粘結(jié)砂漿、柔性找平砂漿等與玻璃棉板配套使用。其中專用界面劑滿足防水、增強作用；柔性找平砂漿滿足保溫補償和找平作用。

（3）保溫性能優(yōu)良。導熱系數(shù)為0.033 W/（m·K）的外保溫用玻璃棉板與導熱系數(shù)為0.06 W/（m·K）的柔性找平保溫砂漿復配使用，可以有效確保整個系統(tǒng)的保溫性能。此外，柔性保溫找平砂漿還可以很好處理玻璃棉板無法處理的部位，也可用于補充保溫和阻斷隔熱作用。

（4）防水性能及抗沖擊性優(yōu)異。改性玻璃棉保溫板材料屬于A級不燃物，使得整個系統(tǒng)具有較好的防火性能；玻璃棉板的彈性優(yōu)良、回彈率高，且該系統(tǒng)采用2層耐堿玻纖網(wǎng)格布，使整個系統(tǒng)抗沖擊性能優(yōu)良。

（5）優(yōu)異的主體結(jié)構(gòu)變形適應能力和抗裂性能。改性玻璃棉板柔性變形量大，抵抗外界變形能力強；在外力和外界環(huán)境作用下，變形量小，且變形后回彈能力強，因此能很好保證系統(tǒng)穩(wěn)定耐久性。此外，系統(tǒng)屬于柔性漸變、逐層釋放應力的系統(tǒng)，因此抗裂性能優(yōu)良。

2 改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)性能分析

2.1 改性玻璃棉板性能分析

（1）強度

對4個玻璃棉板裸板進行垂直拔拉及壓縮試驗，結(jié)果見表1。隨著密度增加，玻璃棉板的垂直抗拉能力以及壓縮能力均提高。

表1 玻璃棉板密度對拔拉與壓縮強度的影響

由表1可見，由于提高玻璃棉板密度有限制，因此為提高玻璃棉板強度，依照玻璃棉板經(jīng)緯方向，選擇高強度纖維進行縫制的方法進行。結(jié)果證實，該方法有效可行，結(jié)果見表2，可見在垂直于板面方向衍縫板的抗拉強度提高到15.4 kPa。

表2 裸板與衍縫板強度比較

（2）不燃性

玻璃棉板的最大優(yōu)勢在于其應用在建筑外保溫滿足不燃性，可確保燃燒等級在A1級，然而玻璃棉板的不燃性與制造過程的施膠量密切相關(guān)，施膠量必須合適，過低則會降低玻璃棉板強度，過高則降低不燃性。通過多次試驗驗證，當施膠量為9%時，玻璃棉板強度滿足要求，且符合GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》規(guī)定的A級指標，即：△T=15℃，△m=12.3%，t1=0。

不燃性試驗結(jié)果如圖3、圖4所示，圖3為普通玻璃棉板的SEM照片；圖4為水性環(huán)氧樹脂浸潤的改性玻璃棉板的SEM照片。

圖3 普通玻璃棉板的SEM照片

圖4 改性玻璃棉板的SEM照片

2.2 改性玻璃棉板外墻保溫系統(tǒng)性能分析

（1）耐候性

外墻保溫系統(tǒng)耐候性試驗主要依照JGJ 144—2008和DB11/T 1117—2014進行。外保溫系統(tǒng)模型通過養(yǎng)護到規(guī)定齡期，需要進行3個程序，即：瓷磚飾面、裝飾砂漿飾面、涂料飾面。在經(jīng)歷熱/雨周期80次循環(huán)并靜置48 h后，再經(jīng)歷熱/冷周期5次循環(huán)，觀察系統(tǒng)表面情況，結(jié)果見表3。可知該改性棉板外保溫系統(tǒng)的耐候性符合標準需求。

表3 改性棉板外保溫系統(tǒng)耐候性測試結(jié)果

（2）抗風壓

依照JGJ 144—2008和DB11/T 1117—2014對改性玻璃棉板進行抗風壓進行測試，參考項目設(shè)計的最大負荷風載設(shè)計值，降低2 kPa，進行循環(huán)加壓，加壓頻率為1 kPa，直至最后改性棉板保溫系統(tǒng)破壞。試驗結(jié)果見表4，可見該改性棉板外墻外保溫系統(tǒng)抗風壓滿足要求。

表4 系統(tǒng)抗風壓測試結(jié)果

（3）吸水量

依照JGJ 144—2008和DB11/T 1117—2014對改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)進行吸水量進行測試。具體測試方法為：用天平稱量試樣，然后，將試樣抹面砂漿的面朝下平穩(wěn)放入室溫水中，深度為抹面層厚度。浸入水中的面完全潤濕，浸泡24 h后取出，用濕毛巾迅速擦去試樣表面水分，稱重，并計算浸泡吸水量。測試結(jié)果為：玻璃棉外墻外保溫系統(tǒng)飾面層吸水量為257 g/（m2·24 h），無飾面層吸水量為450 g/（m2·24 h）。符合JGJ 144—2008和DB11/T1117—2014標準低于500g/（m2·24h）的規(guī)定。

（4）抗沖擊強度

抗沖擊強度依照JGJ 144—2008進行測試，具體方法為：采用自由落體沖擊方法，利用鋼球在1.02 m高度做自由落體沖擊試樣保護層，沖擊間距要低于100 mm，鋼球質(zhì)量為1000 g，試樣層水平放置在光滑剛性底板處。判斷標準為沖擊點及周圍開裂次數(shù)，實驗結(jié)果為，沖擊10次開裂2次。結(jié)果符合標準要求沖擊10次，開裂次數(shù)低于4次的要求。

（5）耐凍融試驗

耐凍融試驗依照JGJ 144—2008和DB11/T 1117—2014進行測試。測試方法為：凍融試驗每次進行24 h，循環(huán)測試30次。試驗進行前，需要將改性玻璃棉板抹面層朝上浸潤在溫度為20℃的自來水中，浸泡時間8 h。然后將抹面層浸入-20℃的冰箱中冷凍16 h。對每3次循環(huán)后觀察試樣的裂縫、脫落等情況，并進行記錄。試驗結(jié)束后對狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時間為7 d，最后檢測拉伸粘度強度。實驗結(jié)果見表5。

表5 耐凍融試驗結(jié)果

（6）水蒸氣濕流密度及不透水性

水蒸氣濕流密度及不透水性試驗參照JGJ 144—2008進行測試。結(jié)果顯示：水蒸氣濕流密度4.45 g/（m2·h），符合標準規(guī)定的要求；試樣防護層內(nèi)側(cè)無水滲透，符合要求。

3 改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)在既有建筑節(jié)能改造中的應用研究

3.1 界面處理

利用專用界面劑，對改性玻璃棉板上墻進行界面處理，將專用界面劑涂抹在玻璃棉板的6個表面。這種處理方式既可以避免玻璃棉板面層的細小纖維到處飄散，也可以提高玻璃棉板的防水性能，阻礙玻璃棉板的吸水路徑，避免找平材料因失水而開裂，有助于增強找平材料及玻璃棉板間的粘結(jié)強度，確保改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 粘貼及錨固

選用專用粘結(jié)砂漿，對玻璃棉板進行點框模式粘貼，然后利用錨栓進行加固。錨固材料一般選用復合材料，如聚酰胺、聚乙烯或聚丙烯等材料混合物，且材料不可回收再生；金屬螺釘選擇由不銹鋼或經(jīng)表面防腐處理的金屬材質(zhì)，滿足斷熱橋設(shè)置，塑料的圓盤直徑大于6 mm。錨栓安裝數(shù)量一般為6～8只/m2，超過18層的高層建筑錨栓安裝數(shù)量一般為8～10只/m2。

3.3 熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)

玻璃棉板完成粘貼錨固之后，還要鋪設(shè)熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)，鋪設(shè)時需要用錨固件壓盤和蓋板夾住，并確保鋼絲網(wǎng)在輕質(zhì)找平砂漿中部。鋪設(shè)熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)主要功能在于：熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)固定及保護玻璃棉板；方便輕質(zhì)找平砂漿施工，還可以補充玻璃棉板本身強度，避免出現(xiàn)分層；能夠提高玻璃棉板的負荷承載力。

3.4 輕質(zhì)找平砂漿

在外墻外保溫工程中，為預防砂漿開裂，在玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造中使用輕質(zhì)找平砂漿。輕質(zhì)找平砂漿主要作用表現(xiàn)在：可以確保玻璃棉板滿足找平作用，還能夠阻斷熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)及錨固件產(chǎn)生的熱橋，增強系統(tǒng)保溫作用；柔性及抗裂性能良好，滿足柔性漸變抗裂理論；干密度小，因此可以有效減少棉板面層荷載，避免玻璃棉板面層開裂。

3.5 飾面層及防護層

基于玻璃棉板承受荷載能力弱，因此其面層通常選用涂料飾面或裝飾砂漿作用；為增強表面防護，通常采用玻璃棉板專用抹面砂漿，抹灰厚度為3～5 mm，同時將砂漿壓進玻璃棉板表面的網(wǎng)格布中。

2014年，該改性玻璃棉板保溫系統(tǒng)已經(jīng)成功應用在北京市某城區(qū)的節(jié)能改造工程應用，建筑面積為60萬m2，效果良好。圖5所示為北京萬明園小區(qū)施工現(xiàn)場。

圖5 北京萬明園小區(qū)外墻外保溫施工現(xiàn)場

4 結(jié)語

本文研發(fā)了一種水性環(huán)氧樹脂浸潤劑改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)，針對其性能進行試驗研究。對比分析了裸板與經(jīng)緯向縫制衍縫板垂直拉板強度及壓縮強度，并對該改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)的耐候性、抗風壓能力、吸水性等進行了研究。結(jié)果表明：

（1）對于該改性玻璃棉板外，相較于裸板、縫制玻璃棉板垂直抗壓強度顯著增強，但壓縮強度基本不變；不燃性試驗證明，為確保玻璃棉板強度滿足要求，施膠量為9%。

（2）經(jīng)測試，該水性環(huán)氧樹脂浸潤劑改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)的耐候性、抗風壓能力、吸水性等性均符合JGJ 144—2008和DB11/T 117—2014標準要求。

（3）研究了該水性環(huán)氧樹脂浸潤劑改性玻璃棉板外保溫系統(tǒng)在既有建筑節(jié)能改造中的實際應用，包括界面處理、粘貼及錨固、熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)、輕質(zhì)找平砂漿等。且該產(chǎn)品在北京某小區(qū)既有建筑節(jié)能改造中應用取得了較好的效果，證明該保溫系統(tǒng)有效可行。

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