建筑外保溫層間水由來分析及保溫板防脫落措施改進(jìn)

王 克

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

近年來，上海地區(qū)乃至全國范圍內(nèi)，相當(dāng)數(shù)量的高層建筑發(fā)生了外保溫材料高空墜落事故，其中無機(jī)保溫砂漿材料發(fā)生此類事件的頻率最高[1]。無機(jī)保溫砂漿系統(tǒng)的層間滲水是造成其外保溫結(jié)構(gòu)空鼓、開裂、脫落的一大原因。黏結(jié)材料在高含水率條件下，經(jīng)長期高溫、反復(fù)凍融、紫外線光照等容易造成耐久性不足，同時(shí)，在建筑全生命周期的維護(hù)中也缺乏對外保溫及飾面材料的定期和定量安全檢查機(jī)制。

由點(diǎn)及面，本文對無機(jī)保溫砂漿及其他幾種常見外保溫材料的保溫特性、保溫構(gòu)造及其施工過程作出分析，通過對外保溫系統(tǒng)從保溫原理到現(xiàn)場施工工藝的剖析，討論了無機(jī)保溫砂漿、巖棉板、聚苯乙烯（EPS）保溫板用作建筑結(jié)構(gòu)外保溫時(shí)，其保溫材料、基底材料等層間滲水的可能性與由來，為層間應(yīng)力的劣化提供依據(jù)，為后續(xù)保溫材料的保溫性能及耐久性分析提供理論分析依據(jù)。

1 外保溫性能的影響因素

建筑保溫性能從宏觀到細(xì)節(jié)與以下幾方面息息相關(guān)：

1）建筑的表面積與體積比值。此項(xiàng)系數(shù)與建筑物的形體相關(guān)，通常比值越小，節(jié)能效果越好。

2）建筑物的通風(fēng)，包括門窗的密閉性等。建筑物在設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)盡量提高建筑的密閉性。同樣，在暖通設(shè)計(jì)中，對建筑物通風(fēng)的要求也就能精確地得到保證，進(jìn)而保障各分區(qū)的舒適性。

3）建筑外圍護(hù)材料的保溫性能，其中涉及建筑物的立面、頂面、樓地面、墻體、窗體等。主要包括保溫材料的厚度、傳熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、蒸汽滲透阻、內(nèi)外表面的換熱阻等，這些物理量又間接涉及材料的孔隙率、孔隙的形式、材料表面性質(zhì)等。

4）外界氣候因素影響保溫材料性能，尤其是降雨、日照、空氣濕度等物理量，是以時(shí)間的積分形式影響到保溫材料自身導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、比熱容、蒸汽滲透系數(shù)等因素。

5）除此以外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱橋的存在是無法避免的，同種保溫材料的接縫、不同保溫材料的銜接，還有結(jié)構(gòu)熱橋，諸如丁字墻、建筑陽角等。

6）建筑保溫在設(shè)計(jì)、施工或者后期維護(hù)改建過程中，難免涉及局部區(qū)域保溫做法與理想保溫出現(xiàn)差異，如外墻石材幕墻龍骨安裝區(qū)域無法完全覆蓋、后期加裝外掛設(shè)備破壞保溫層、施工縫區(qū)域處理缺乏合理理論指導(dǎo)等。

以上幾點(diǎn)中，關(guān)于建筑熱工設(shè)計(jì)缺陷都在建筑物理學(xué)的理論研究中逐步得到改善，但是建筑保溫施工的質(zhì)量好壞仍受工人手工操作質(zhì)量及規(guī)范的強(qiáng)行約束。

2 3種保溫材料的設(shè)計(jì)保溫性能

上海地區(qū)近年來使用較多的建筑外保溫材料主要還是無機(jī)保溫砂漿、聚苯乙烯（EPS）保溫板、巖棉板這幾類。其中，無機(jī)保溫砂漿雖然已經(jīng)被列入《上海市禁止或者限制生產(chǎn)和使用的用于建設(shè)工程的材料目錄（第四批）》，禁止在高層中作為外保溫使用，但上海地區(qū)今后的建筑物外表面更新過程中主要涉及的保溫材料仍然將是這幾類。表1對于這3種保溫材料的一些主要物理性能作出了比較。

表1 3種常見保溫材料性能

由表1可以看出，無機(jī)保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，而且自重差異明顯，但由于無機(jī)保溫砂漿可添加的外加劑種類較多，諸如添加?；⒅榛蚰z粉聚苯顆粒后的無機(jī)保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)可以降至0.06～0.09，質(zhì)量也能相應(yīng)下降，但其保溫性能畢竟不如EPS保溫板和巖棉板優(yōu)秀。

施工過程中，無機(jī)保溫砂漿通過涂抹覆蓋于建筑結(jié)構(gòu)外側(cè)，較大的導(dǎo)熱系數(shù)需要較大的涂抹厚度來補(bǔ)償其保溫性能，然而涂抹厚度過大，一方面容易開裂，另一方面自重過大也容易脫落。

經(jīng)過計(jì)算，并考慮到其他熱橋影響，在結(jié)構(gòu)外墻采用厚200 mm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)附加厚20 mm水泥砂漿的條件下，為滿足甲類建筑外墻傳熱系數(shù)K≤0.80 W·m－2·K－1的條件，需使用厚100 mm以上的無機(jī)保溫砂漿，而EPS保溫板或巖棉板僅需50 mm厚。100 mm以上厚度的無機(jī)保溫砂漿在施工過程中通過抹灰形式施工視為不可能實(shí)現(xiàn)，容易在凝固前發(fā)生墜落或變形開裂，凝固后質(zhì)量難以保證。

故而使用無機(jī)保溫砂漿材料已難以滿足現(xiàn)今上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DG J08-107—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中第3.3.1條規(guī)定的甲類建筑普通結(jié)構(gòu)外墻傳熱系數(shù)K≤0.80 W·m－2· K－1，乙類建筑普通結(jié)構(gòu)外墻傳熱系數(shù)K≤0.90 W·m－2·K－1的要求。表2為3種常見外保溫材料施工工藝。

表2 3種常見外保溫材料施工工藝

3 保溫層層間游離水來源分析

保溫層出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象主要出現(xiàn)在粘貼層或保溫層自身內(nèi)部，而黏結(jié)層出現(xiàn)的水分容易導(dǎo)致粘貼層的黏結(jié)失效，保溫砂漿自身強(qiáng)度也會在水分凍融應(yīng)力的長期作用下發(fā)生降低。

層間及材料孔隙游離水的來源主要有兩種：建筑外圍護(hù)在建筑濕氣遷移過程中，部分水蒸氣被截留液化而出現(xiàn)的層間冷凝水；建筑外圍護(hù)在施工過程中，由于構(gòu)造原因或施工質(zhì)量原因造成了部分滲水。層間水分的出現(xiàn)一方面影響有機(jī)或水泥基黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度，另一方面游離水分在凍融、蒸發(fā)冷凝的交替作用下，水分的體積變化對黏結(jié)界面或者保溫材料的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。分析這兩種游離水分的來源，可歸結(jié)于以下幾點(diǎn)。

3.1 設(shè)計(jì)方法未完全考慮材料含水率的變化

我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范僅提供參考性設(shè)計(jì)依據(jù)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50176—2106《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》在指導(dǎo)建筑保溫設(shè)計(jì)時(shí)雖通過附表形式引用并示范性規(guī)定了全國主要城鎮(zhèn)熱工設(shè)計(jì)區(qū)屬及建筑熱工設(shè)計(jì)用室外氣象參數(shù)，規(guī)范中對于冷凝水的計(jì)算是通過分層計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各層的各界面水蒸氣分壓曲線與該界面的飽和水蒸氣分壓曲線實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)兩者發(fā)生交叉時(shí)會有冷凝水出現(xiàn)的可能，然后再計(jì)算界面內(nèi)側(cè)所需蒸汽滲透阻（圖1）。

圖1 水蒸氣凝結(jié)與蒸發(fā)曲線

在計(jì)算過程中所使用的室內(nèi)溫度、采暖期室外平均溫度等都是查表而得的一個(gè)平均值，無法準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，實(shí)際層間冷凝水的出現(xiàn)，與各個(gè)時(shí)刻的內(nèi)外表面的空氣濕度、溫度，外界是否降雨，之后的日照強(qiáng)度，日照時(shí)間，水蒸氣的蒸發(fā)量等都有關(guān)系，并非取幾個(gè)平均值就能表現(xiàn)的。

現(xiàn)在國內(nèi)外比較先進(jìn)的熱工設(shè)計(jì)軟件等也已逐步通過添加各地歷年實(shí)際氣象數(shù)據(jù)來模擬氣候?qū)Ρ夭牧媳匦Ч挠绊?，圖2是基于WUFI?Pro軟件對外保溫系統(tǒng)濕氣遷移進(jìn)行的模擬。

圖2 使用WUFI? Pro模擬外墻保溫

模擬中選擇了某地區(qū)某年的實(shí)際氣候，模擬其對于厚300 mm磚墻配厚40 mm保溫砂漿墻體的作用，圖2中紅色與紫色線條表示其材料內(nèi)部溫度與冷凝溫度曲線，而綠色區(qū)域表示各層氣體的相對濕度，藍(lán)色曲線表示材料的含水率。

這些均會隨著時(shí)間變化發(fā)生改變，含水率可以做到時(shí)間的積分，不同含水率的材料又有不同的導(dǎo)熱、氣體滲透能力，完全能模擬該地區(qū)氣候下該保溫材料所起作用與其性能變化情況。

由此可以發(fā)現(xiàn)，我國現(xiàn)有的使用規(guī)范在建筑外保溫材料的熱工能耗上雖具有較為完善和便捷的指導(dǎo)意義，但在保溫材料設(shè)計(jì)的耐候性問題上依舊停留于定性指導(dǎo)層面。而保溫材料長期耐候性的研究在應(yīng)用上依舊存在巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2 游離水源于建筑構(gòu)造

對于無機(jī)保溫砂漿，由于其自身相對較為脆性，在水分附著后，又經(jīng)過凍融循環(huán)，容易開裂，一但出現(xiàn)局部開裂，裂縫很快就會發(fā)展到基底，尤其是在黏結(jié)層上下，到達(dá)此界面后裂縫開始橫向發(fā)展，造成大片無機(jī)保溫砂漿空鼓、開裂和脫落。而無機(jī)保溫砂漿的初始裂縫來源很多，施工疏漏、后期開洞、偶然的碰撞等皆會引起初始裂縫，然后發(fā)展成大片脫落。

在巖棉板和EPS保溫板材料的施工中，由于安裝外墻石材幕墻龍骨的需要，無法做到理想型滿貼巖棉板。后期補(bǔ)貼也難以做到很好的防水防滲效果，容易引起外部水流內(nèi)滲。

在常見的EPS保溫板的施工中，EPS保溫板通過點(diǎn)粘法粘貼于基底之上，然后再打入保溫釘。然而點(diǎn)粘法存在大量空缺區(qū)域（圖3），無黏結(jié)劑位置容易形成大量積水，在凍融交替作用及液體的氣化作用下，液體或水蒸氣發(fā)生膨脹，對保溫板產(chǎn)生一個(gè)垂直于墻面的作用力，將保溫板外推，一方面增大了層間裂縫，增加了進(jìn)水的可能性，另一方面在水或水汽的浸泡下削弱了黏結(jié)劑的內(nèi)聚力和強(qiáng)度。長此以往黏結(jié)劑的作用會加速削弱，最終EPS保溫板固定于基材上的力主要還是依靠打入的聚合物膨脹螺栓。但實(shí)踐中根據(jù)規(guī)范要求，黏結(jié)劑應(yīng)承擔(dān)系統(tǒng)全部荷載，而保溫螺栓常常僅作為輔助錨樁。作為常見的施工方法，其接縫處保溫螺栓在力學(xué)上并不是理想的位置，在后期外部環(huán)境影響下容易脫落。

圖3 EPS保溫板傳統(tǒng)粘貼方式

另外，不同于EPS保溫板，巖棉板的孔隙大多為非封閉孔，這也導(dǎo)致了巖棉板在施工現(xiàn)場若保管和運(yùn)輸不當(dāng)容易造成大量吸水問題。巖棉板的吸水量較大，吸水后其質(zhì)量增加較多，而且?guī)r棉板自身抗拉性能不強(qiáng)，故而多使用保溫釘以固定保溫板，吸水后的巖棉板導(dǎo)熱性能也會急劇下降。

4 改變保溫膨脹螺栓布置方式

在現(xiàn)場實(shí)際施工中可以發(fā)現(xiàn)，使用保溫膨脹螺栓的確能更好地固定保溫層。對板狀保溫材料，包括EPS保溫板和巖棉板，在使用黏結(jié)劑粘貼保溫板后，使用保溫螺栓二次固定保溫板（圖4），可使保溫板安全無憂，即使在黏結(jié)材料經(jīng)過凍融周期或紫外線光照影響失效后，僅依靠保溫螺栓便可保證保溫板的結(jié)構(gòu)安全性。

圖4 改善型保溫釘布置方式

對1.2 m×0.6 m的保溫巖棉板，宜在保溫板的四角及中心使用保溫圓盤螺栓固定，最小允許邊距為100 mm，最小允許間距為100 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，螺栓呈梅花狀布置。螺栓的抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿足大于0.6 kN。任何面積大于0.1 m2的單塊巖棉板或巖棉帶組合板應(yīng)設(shè)1個(gè)螺栓。

對陽角節(jié)點(diǎn)、陽臺窗臺等的邊界處理也關(guān)系到保溫層后續(xù)耐久性問題。

非板狀的保溫砂漿，在日后的結(jié)構(gòu)修復(fù)中，如需對保溫砂漿層作出保留，可按照如下步驟操作：

1）鉆孔注漿，完成基地粘貼層的黏結(jié)加固處理。

2）在原砂漿表面依次涂抹透明界面劑、耐候膠、耐候網(wǎng)。

3）打入釘錨植筋或進(jìn)行釘錨注漿。

4）采用透明罩面膠覆蓋表面，封閉加固層外表面。

如對建筑外墻外保溫有更高要求，可采用隔熱反射涂料進(jìn)行涂覆，能有效提高建筑外保溫能效。

5 外保溫及飾面材料的定期和定量安全檢查機(jī)制

現(xiàn)存建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺乏監(jiān)管與監(jiān)測，對于外批彈性涂料或者粘磚的外墻面，通過不同時(shí)段的紅外成像效果對比，能夠有效地對該區(qū)域現(xiàn)存保溫層的黏結(jié)失效狀況作出監(jiān)管（圖5）。通過人工空鼓錘等手段，即可定點(diǎn)定量地做到細(xì)部詳查，提前做到保溫層健康狀況的診斷與預(yù)警。

圖5 紅外成像儀檢測外墻層間滲水

但還有諸如外掛石材、外掛鋁板等手段對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)做修飾或者覆蓋的。因此，對于保溫材料的定期定量全數(shù)檢查可能性不大，即使通過紅外遙感拍攝等手段，也只能對一些有涂料飾面，或者直接粘貼磚飾面的做法有一定效果。對于有外掛飾材的墻體，已經(jīng)無法通過現(xiàn)有的手段去做到全數(shù)檢查，只能抽查重點(diǎn)部位。但存在外掛石材的外墻由于有外墻外龍骨，保溫板即使黏結(jié)剝離，也難以直接墜落，但須在定期安全檢查中予以重視，大量保溫材料的脫落堆積容易對外墻飾面板龍骨產(chǎn)生荷載，需在檢查發(fā)現(xiàn)后做到及時(shí)清理或修補(bǔ)[2-5]。

6 結(jié)語

本文通過對3種常見的外保溫材料的設(shè)計(jì)、施工工藝進(jìn)行比較，分析了保溫材料后期脫落問題的緣由，并對保溫材料長期防脫落問題，從施工角度提出可行性建議，為日后的保溫材料耐久性理論及措施的研究提供具有推廣性的方案，并提出了對于推廣外保溫材料安全檢查機(jī)制的有效方案。