建筑外墻用防火保溫材料的綠色化研究

趙桂英，王 勇，侯亞合，謝振濤，王忠光

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 徐州 221140）

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，建筑在人們生活中扮演著越來越重要的角色。保溫材料安裝于建筑外墻，可有效降低建筑能耗，減少溫室氣體排放，節(jié)能減排，是一種較為環(huán)保的建筑保溫技術(shù)[1]。

1 現(xiàn)有保溫材料的現(xiàn)狀

國內(nèi)現(xiàn)有的保溫材料種類很多，有機材料容易燃燒，防火等級低，火焰?zhèn)鞑タ?，散發(fā)出的CO、SO2等有毒害氣體，是導致建筑火災中人員窒息、中毒身亡的罪魁禍首；無機巖棉防火等級高，但強度低、易空鼓脫落，安全性差；巖棉纖維會刺激皮膚，有致癌危險[2]；近幾年，市場上出現(xiàn)的巖棉板脫落的問題屢見不鮮，從2017 年開始，河南開封、上海住建委、湖南省住房與建設廳等各地政府陸續(xù)出臺文件，禁止巖棉在薄抹灰體系中應用；近年市場上出現(xiàn)眾多的意欲替代巖棉板作為建筑外墻保溫材料的產(chǎn)品，如發(fā)泡水泥板、泡沫陶瓷、泡沫玻璃、真空絕熱板等，這些產(chǎn)品各有各的特點，都屬于A 級防火保溫材料，但也存在一些如巖棉板一樣難以克服的缺點，例如保溫與防火性能不兼容、加工成本高、施工條件要求嚴格及使用性能不穩(wěn)定等缺陷，在一定程度上限制了其推廣應用，從而市場份額都很小，不能成為主流產(chǎn)品；有機/無機復合保溫板包括滲透版和勻質(zhì)板，盡管兼具保溫和防火性能，但其采用間歇式發(fā)泡工藝，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)周期長；板材需要多面切割，且切割粉塵大，污染嚴重等[3]。

2 保溫材料的主要性能

2.1 防火等級

自2005 年以來，由于建筑外墻保溫板引起或迅速蔓延的火災，幾乎每年都在發(fā)生，給人民的生命財產(chǎn)造成巨大的損失，因此，建筑外墻保溫材料要求具有較高的防火等級，以減少建筑火災的發(fā)生和火焰?zhèn)鞑ィＷo居民的人身安全；目前我國建筑外墻保溫板的防火等級主要分為A 級和B 級兩大類[4]，A 級是指不燃性材料，即不發(fā)生任何燃燒的材料，可有效阻止火災蔓延，延長逃生時間，減少窒息身亡事故；B 級易燃燒，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，燃燒過程中會釋放大量濃煙，危險性較大；除此之外，還可通過測定板材燃燒熱釋放值（熱值）的大小來評定其防火性能，燃燒熱值越低，防火等級越高，阻燃性越好。

2.2 保溫性能

保溫性能與板材的厚度有關，增加板材的厚度可提高板材的隔熱性能，但板材過厚，會帶來成本高、安裝困難等弊端；除此之外，保溫性能與板材的導熱系數(shù)緊密關聯(lián)，導熱系數(shù)越低，隔熱性能越好，可防止建筑內(nèi)外熱傳遞，節(jié)能減排，反之，導熱系數(shù)越大，隔熱性能越差。因此，降低導熱系數(shù)有利于提高保溫板的隔熱性能，在北方地區(qū)其優(yōu)勢尤為明顯。

2.3 耐天候性能

保溫板的使用壽命對于建筑來講至關重要，板材安裝在建筑外墻會受到來自外界環(huán)境的影響，其中主要是雨水沖刷、侵蝕，如果材料的吸水率低，其憎水性好，也就是受雨水的影響小，不易解離，其耐天候性好，使用壽命長。

2.4 使用安全性

近年來，我國從南到北發(fā)生了數(shù)百起外墻保溫板開裂脫落的事故，給樓下停放的車輛和行人帶來巨大的安全隱患。保溫板脫落后失去了隔熱性能，需要重新安裝新的保溫板，造成一定的經(jīng)濟損失；使用安全性除了與吸水率有關外，還與其拉拔強度有關；拉拔強度越大，越不易脫落，使用過程中越安全。

另外板材密度、尺寸穩(wěn)定性、壓縮強度、抗折強度、軟化系數(shù)等也是保溫板必不可少的性能指標。

3 建筑外墻保溫板的研發(fā)方向

隨著國家和公眾對建筑防火安全重視程度的逐漸增加，以及《建筑設計防火規(guī)范》和《促進綠色建材生產(chǎn)和應用行動方案》的實施，對建筑外墻保溫板提出更高的要求，具有吸水率低、拉拔強度高、A 級防火不燃、高效保溫，同時節(jié)能環(huán)保，生產(chǎn)效率高、價格實惠的綠色A 級防火保溫板材，才能滿足建筑行業(yè)的高性能、綠色環(huán)保要求；為此，綠色化建材已成為建材企業(yè)及科研院所的研發(fā)方向[5]。

4 綠色保溫材料的配方及工藝研究

4.1 以無機材料作為基體

從提高防火等級的角度出發(fā)，選擇無機膠凝材料作為基體材料，發(fā)揮其耐火不燃的優(yōu)勢；市場上的無機膠凝材料種類繁多，主要從強度、吸水性、耐候性、膠凝速度及成本等方面綜合考慮來選擇；鎂系水泥固化快，抗折和抗壓強度高，硬度大，耐磨性好，但產(chǎn)物的耐水性、耐候性差，易變形，空鼓脫落，最好不選鎂系水泥。普通硅酸鹽水泥具有凝結(jié)硬化快，結(jié)構(gòu)密實，干縮小，耐水性好、成本低的優(yōu)勢，是保溫板主體材料的最佳選擇，但其存在活性低、固化慢、強度低的缺陷；鋁酸鹽水泥中添加了特殊金屬元素氧化物，其活性高、含硫量低、固化快、強度高，但價格貴；為此，可通過采用兩種或兩種以上的水泥并用，以實現(xiàn)不同性能的優(yōu)勢互補。

4.2 采用有機材料復合改性

有機材料如聚苯乙烯發(fā)泡顆粒等具有導熱系數(shù)低，隔熱性能好，質(zhì)輕、密度小等優(yōu)勢，將其用于保溫板配方中有利于降低板材的導熱系數(shù)，實現(xiàn)防火與保溫性能的兼顧；但其易燃的特點，必須嚴格控制其在配方中的用量：由于聚苯顆粒的燃燒熱值為40MJ/kg，而GB 8624 中關于保溫板材A 級的要求為燃燒熱值不大于2.9MJ/kg，則需嚴格控制板材中聚苯顆粒的含量，從而避免熱值超標，影響板材的防火等級。

對聚苯顆粒進行石墨改性處理，是降低聚苯顆粒導熱系數(shù)的有效方法之一；如在聚苯乙烯原料中加入石墨，發(fā)泡過程中石墨包裹在泡壁內(nèi)壁形成防火層，制得石墨聚苯發(fā)泡顆粒；利用石墨的熱反射作用，大幅降低保溫板的導熱系數(shù)，阻燃性能相比普通保溫板更優(yōu)越。

4.3 添加特種功能材料

添加無機阻燃劑氫氧化鋁、硼酸鋅、煅燒高嶺土等作為吸熱劑，控制其在板材中的質(zhì)量分數(shù)，以降低板材燃燒熱值，保證板材具有較高的防火等級；適當加入輕質(zhì)多孔納米SiO2，在一定程度上降低板材的密度和導熱系數(shù)；另外納米二氧化硅還具有補強作用，可提高板材的力學強度。

4.4 添加界面劑，增加相間粘合力

為改善有機、無機材料的界面相容性，項目采用界面處理劑，并將其噴淋到聚苯乙烯顆粒的表面，形成一層包覆層，從而提高聚苯乙烯顆粒與無機膠凝材料的界面相容性；在板材壓制過程中，界面劑可同時固化，進一步提高有機/無機兩相的粘接性，以保證板材垂直于板面的拉拔強度這一關鍵力學性能指標。如果界面劑具有難燃、結(jié)碳，或燃燒后表面形成一層阻燃層等特性，可有效保護層內(nèi)的聚苯乙烯泡沫結(jié)構(gòu)，提高板材的防火等級。

4.5 添加固廢，降低成本

在配方中添加一部分粉煤灰、高爐廢渣等，可提高防火性能和力學性能，降低板材成本，幫助企業(yè)節(jié)省固廢處理費，同時變廢為寶，實現(xiàn)廢舊資源的循環(huán)利用，減少環(huán)境污染[6]。

4.6 優(yōu)化工藝，高效節(jié)能

現(xiàn)有的A 級保溫板如巖棉板、滲透板、勻質(zhì)板等，其加工工藝生產(chǎn)效率低、粉塵大，具有高能耗、高污染等弊端，要實現(xiàn)保溫板的綠色化生產(chǎn)，必須采用連續(xù)化生產(chǎn)，實現(xiàn)自動計量→自動混合→自動攤鋪→壓制成型→高溫蒸養(yǎng)→在線切割→自動包裝→碼垛連續(xù)一體化，提高生產(chǎn)效率，節(jié)能降耗；要實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，首先必須對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的裝備進行改進，如自動上料裝置、自動壓制裝置、自動養(yǎng)護裝置、自動切割裝置、自動包裝裝置等。

除了通過設備改進來實現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化之外，還要調(diào)整混合物的凝膠時間以滿足生產(chǎn)要求；通過優(yōu)選無機材料、適當添加固化調(diào)節(jié)劑等手段，控制混合物的初凝時間、固化成型時間，實現(xiàn)板材力學強度和快凝快硬的兼顧；生產(chǎn)效率大幅提高，單面切割，切割次數(shù)減少，切割粉塵降低，工作環(huán)境大幅改善；同時，生產(chǎn)工藝簡單，自動化程度高，產(chǎn)量大；無毒、無害、無污染、無輻射，滿足建筑保溫板綠色化生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)論

綠色建筑外墻保溫材料由于防火等級高，不傳播火焰，無有毒有害氣體產(chǎn)生，因此使用安全，這是對建筑最基本的要求之一；保溫材料的高隔熱性能有利于減少建筑內(nèi)外熱傳遞，節(jié)能減排，減少溫室氣體排放，保護環(huán)境；充分利用粉煤灰等固廢，變廢為寶，實現(xiàn)廢舊資源的循環(huán)利用，符合國家提倡的綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的理念；因此，兼具防火保溫的新型綠色環(huán)保的材料已成為建材企業(yè)和科研院所的研發(fā)方向。