外墻外保溫系統(tǒng)分類(lèi)特點(diǎn)及劣化機(jī)理分析

紀(jì)磊 高君仿 趙廣志 許國(guó)東 龔輝

江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司

0 引言

近年來(lái)，日益頻繁的外保溫材料墜落事故對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了很大隱患，外墻外保溫系統(tǒng)的安全評(píng)估與預(yù)警成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。2012 年任玲玲等[1]分析了外墻外保溫系統(tǒng)裂縫缺陷產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策。2008 年李玉玲[2]通過(guò)對(duì)寒冷地區(qū)外墻外保溫構(gòu)造體系裂縫的界定分析，系統(tǒng)地從材料、構(gòu)造、施工三個(gè)方面對(duì)其開(kāi)裂原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。2011 年楊秀燕[3]針對(duì)EPS 薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行了研究，總結(jié)了墻外保溫系統(tǒng)產(chǎn)生裂縫等缺陷的因素，并以此為基礎(chǔ)從設(shè)計(jì)及施工工藝等方面對(duì) EPS 薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)開(kāi)裂的防治提出了意見(jiàn)。2013 年周宇[4]深入分析了EPS 板薄抹灰系統(tǒng)以及 XPS 擠塑板薄抹灰外保溫系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量通病，明確指出質(zhì)量控制要點(diǎn)。2 009 年項(xiàng)道陽(yáng)[5]首先對(duì)外墻外保溫體系雨循環(huán)和熱冷循環(huán)后破壞機(jī)理進(jìn)行分析，應(yīng)用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)外墻外保溫體系進(jìn)行建模分析，計(jì)算外墻外保溫體系的溫度場(chǎng)分布規(guī)律及其產(chǎn)生的變形和內(nèi)力。

然而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前的研究大多集中于單一或者少數(shù)類(lèi)型的外保溫系統(tǒng)質(zhì)量缺陷，缺乏對(duì)目前常用外保溫系統(tǒng)質(zhì)量安全的系統(tǒng)分析，因此很難對(duì)種類(lèi)繁多的外墻外保溫系統(tǒng)安全隱患形成的誘因及劣化機(jī)理進(jìn)行綜合分析。本文對(duì)不同外保溫系統(tǒng)的構(gòu)造進(jìn)行歸納，依據(jù)真實(shí)案例對(duì)不同類(lèi)型的外保溫系統(tǒng)劣化機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)其誘因和劣化機(jī)理進(jìn)行發(fā)掘，對(duì)治理既有建筑外墻外保溫質(zhì)量缺陷，提升其安全性，耐久性與功能性具有重要的意義。

1 外墻外保溫系統(tǒng)分類(lèi)特點(diǎn)研究

1.1 塑板外墻外保溫系統(tǒng)

1.1.1 基本構(gòu)造

擠塑板外墻外保溫系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng) EPS 板外墻外保溫系統(tǒng)，由 EPS 板保溫層、聚合物粘結(jié)砂漿粘結(jié)層、聚合物抗裂砂漿抹面層（中間滿(mǎn)鋪耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布）及外墻飾面層構(gòu)成[6]。EPS 板用聚合物粘結(jié)砂漿固定在基層上，需要時(shí)加設(shè)錨栓輔助固定見(jiàn)表1[7]。

表1 擠塑板薄抹灰系統(tǒng)涂料面層基本構(gòu)造

1.1.2 常見(jiàn)缺陷及劣化原因分析

1）事故調(diào)研

案例一：濟(jì)南市某高層住宅樓發(fā)生保溫板脫落事故。該建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年。采用EPS 板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，EPS 板厚度為70 mm,采用彈性外墻涂料飾面（圖1）。

圖1 濟(jì)南某工程聚苯板脫落事故

案例二：江蘇省常州市新北區(qū)某工程，其兩層外側(cè)墻體的EPS 板脫落一大半（圖2）。

圖2 江蘇某工程聚苯板脫落事故

案例三：烏魯木齊市北京路某工程，其側(cè)面墻體EPS 板從一樓窗戶(hù)到六樓屋檐下全部脫落，高約15 m，面積約200 m（2圖3）。

圖3 新疆某工程聚苯板脫落事故

2）原因分析

EPS 板外墻外保溫系統(tǒng)的脫落大多數(shù)是由于粘貼方式及粘貼面積不符合設(shè)計(jì)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求等因素造成的。粘貼面積過(guò)小時(shí)，EPS 板與墻體基層之間粘貼強(qiáng)度不夠，或留有連通空腔，加之粘貼方式不規(guī)范，密封性不好，使負(fù)風(fēng)壓對(duì)保溫墻面的空腔影響明顯增大。從而引起風(fēng)壓引起的應(yīng)力集中在板縫處，造成板縫處開(kāi)裂，最終導(dǎo)致EPS 板大面積脫落[7]。其事故誘因可歸納為以下兩種情況：

①風(fēng)壓破壞：當(dāng)負(fù)風(fēng)壓對(duì) EPS 板外墻外保溫系統(tǒng)的作用力大于粘結(jié)砂漿與基層墻體或粘結(jié)砂漿與 EPS板之間的粘結(jié)力時(shí)，EPS 板外墻外保溫系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)脫落，具體表現(xiàn)為，負(fù)風(fēng)壓力在瞬間或者一次大風(fēng)期間將EPS 板外墻外保溫系統(tǒng)破壞。

②連通空腔：我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用EPS 板與基層墻體的粘貼方法主要有條粘法和點(diǎn)框法兩種。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工操作過(guò)程中施工人員沒(méi)有按照點(diǎn)框粘工藝要求進(jìn)行操作時(shí)，如有點(diǎn)無(wú)框的“純點(diǎn)粘”，便形成連通空腔，引發(fā)嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

1.2 巖棉板外保溫系統(tǒng)

1.2.1 基本構(gòu)造

巖棉保溫板是一種憎水型保溫隔熱板?？蓱?yīng)用于新建、擴(kuò)建、改建的居住建筑和公共建筑外墻的節(jié)能保溫工程。其基本構(gòu)造見(jiàn)表2[7]。

表2 巖棉板外保溫系統(tǒng)基本構(gòu)造

1.2.2 常見(jiàn)缺陷及劣化原因分析

1）事故調(diào)研

案例一：濟(jì)南市某項(xiàng)目為框架抗震墻結(jié)構(gòu)，采用巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，其巖棉板厚度為60 mm，脫落位置在該樓的西山墻部位（圖4）。

圖4 濟(jì)南某工程巖棉板脫落事故

案例二：沈陽(yáng)某工程采用的是巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，巖棉板面層采用聚合物水泥砂漿抹灰，該工程墻面上脫落比較明顯（圖5）。

圖5 沈陽(yáng)某工程巖棉板脫落事故

案例三：北京某工程外保溫工程中，巖棉板采用膠粘劑粘貼并加以錨栓輔助固定。但工程未能經(jīng)受住外界作用力的影響，一場(chǎng)大風(fēng)就使 55 m 高處的巖棉板脫落墜地（圖6）。

圖6 北京某工程巖棉板脫落事故

2）原因分析

自身缺陷：巖棉板與其他保溫板相比，巖棉板在自然環(huán)境特別是濕熱條件下尺寸很不穩(wěn)定。巖棉板主要由橫向分布的纖維絲構(gòu)成，纖維遇到水后吸水分層，變形嚴(yán)重[8]。巖棉板纖維與纖維之間存在著連通空氣，在熱漲冷縮及負(fù)風(fēng)壓作用下極易鼓脹。如果其應(yīng)用于外墻工程中時(shí)，其面層難以抵御鼓脹的應(yīng)力變形，上墻后勢(shì)必造成外飾面效果不佳，出現(xiàn)鼓包、板縫明顯等現(xiàn)象[7]。

風(fēng)壓破壞：由于巖棉板構(gòu)造疏松，垂直板面方向的抗拉強(qiáng)度低的同時(shí)密度也比較大。因此，無(wú)法直接采用膠粘劑將其粘貼固定在基層墻體上，必須用一定數(shù)量的錨栓來(lái)固定巖棉板。若巖棉板與基層墻體結(jié)合力不夠大，無(wú)法承受最大負(fù)風(fēng)壓作用時(shí)，必然會(huì)被刮落。同時(shí)巖棉板強(qiáng)度比較低時(shí)，也易被大風(fēng)撕裂[7]。

1.3 酚醛保溫板外墻保溫系統(tǒng)

1.3.1 基本構(gòu)造

酚醛保溫板外墻保溫系統(tǒng)一般由基層、保溫層、防護(hù)層、飾面層組成。基層包含基層墻體和水泥砂漿找平層，保溫層含膠粘劑、酚醛防火保溫板，防護(hù)層含抹面膠漿、內(nèi)嵌網(wǎng)格布，飾面層可以選擇涂料或飾面磚[9]（見(jiàn)表3[7]）。

表3 酚醛保溫板外墻保溫系統(tǒng)基本構(gòu)造

1.3.2 常見(jiàn)缺陷及劣化原因分析

1）事故調(diào)研

案例一：北京市某工程發(fā)生外保溫系統(tǒng)保溫層脫落事故，脫落位置在該樓的東山墻部位，該建筑采用酚醛板外墻外保溫系統(tǒng)。事故造成樓下的 4 輛轎車(chē)被砸（圖7）。

圖7 北京某工程酚醛板外保溫系統(tǒng)脫落事故

案例二：上海某工程采用酚醛板保溫裝飾一體化設(shè)計(jì)，裝飾板和酚醛板出現(xiàn)了大面積脫落事故，酚醛板也被撕裂損壞。裝飾板與酚醛板由于溫度變化產(chǎn)生了變形破壞，在構(gòu)造上存在連通空腔時(shí)，受到負(fù)風(fēng)壓的影響發(fā)生脫落（圖8）。

圖8 上海某工程酚醛板外保溫系統(tǒng)脫落事故

案列三：北京某工程酚醛板外保溫兩年多就出現(xiàn)了大面積酚醛板脫落現(xiàn)象，未脫落部分空鼓情況也十分嚴(yán)重。該工程中酚醛板涂刷了相應(yīng)的界面劑，但仍然無(wú)法使抹面膠漿、粘接砂漿與酚醛板形成有效粘接，從照片上可以看出，粘接砂漿與基層墻面的粘貼十分牢固，酚醛板也采用了錨栓輔助固定，但錨栓僅能錨固住錨栓盤(pán)覆蓋的區(qū)域，而隨著大面積的脫落，部分錨栓也會(huì)被拔出（圖9）。

圖9 北京某工程酚醛板外保溫系統(tǒng)脫落事故

2）原因分析

由于酚醛板具有導(dǎo)熱系數(shù)低、難燃、低煙、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，其自身又存在著易降解粉化、彎曲變形小。尺寸穩(wěn)定性差、吸水率高、抗拉強(qiáng)度低等缺陷，與EPS 板的性能相差比較大[7]。其劣化機(jī)理主要為：

①吸水率高：酚醛板的化學(xué)成分和孔隙率決定了酚醛板具有較高的吸水率，吸水后的酚醛板干燥后質(zhì)量下降，粉化降解加速，其壓縮強(qiáng)度會(huì)變小，粘貼性能也會(huì)受到影響，并會(huì)影響到酚醛板的保溫性能。同時(shí)，酚醛板吸水后，降解粉化現(xiàn)象會(huì)加劇[7]。

②強(qiáng)度低：酚醛板強(qiáng)度比較低，受外力影響較大，極易遭到破壞。

③尺寸穩(wěn)定性差：酚醛板的泊松比比較大，其尺寸變化率為EPS 板的 3.3 倍，泊松比為 EPS 板的 2.4倍。因此，酚醛板用于外保溫工程中在溫度多變的外部環(huán)境下極易發(fā)生變形。

④彎曲變形?。悍尤┌鍙澢冃涡?，脆性高，易碎，柔韌性差[7]。因此，吸收內(nèi)應(yīng)力和釋放變形的能力均比較差，應(yīng)用于外墻外保溫工程中時(shí)，酚醛板易斷裂破壞，從而引起保護(hù)面層開(kāi)裂。

1.4 無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)

1.4.1 基本構(gòu)造

無(wú)機(jī)保溫砂漿與基層墻體結(jié)合緊密，抗風(fēng)壓、抗震能力墻、施工速度快，價(jià)格低，具有良好的防火、隔熱性能，防火性能好，克服了傳統(tǒng)材料吸水性大、易粉化的缺點(diǎn)，且材料漿料收縮性小，施工方便，工藝成孰[7]。其基本構(gòu)造見(jiàn)表4[7]。

表4 無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)基本構(gòu)造

1.4.2 常見(jiàn)缺陷及劣化原因分析

1）案例調(diào)研

上海某大學(xué)教學(xué)樓發(fā)生外保溫系統(tǒng)脫落，主要脫落部分為無(wú)機(jī)保溫漿料系統(tǒng)（?；⒅榛蛘渲閹r）和仿瓷磚飾面涂料系統(tǒng)。由圖10 可知，保溫漿料系統(tǒng)與基層和飾面層都斷裂情況較為嚴(yán)重。

圖10 無(wú)機(jī)保溫砂漿脫落事故

2）原因分析

由于無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)吸水率指標(biāo)容易不合格，系統(tǒng)施工完成后會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)不合格的情況，對(duì)無(wú)機(jī)外保溫砂漿系統(tǒng)所用耐堿網(wǎng)布質(zhì)量和抗裂砂漿要求高等原因，質(zhì)量不合格產(chǎn)品難以滿(mǎn)足其安全性要求[7]。其主要破壞機(jī)理如下：

①基層處理不到位：基層平整度不夠、表面浮灰或未按要求進(jìn)行界面處理，均有可能造成保溫層與基層粘結(jié)力不足，造成空鼓、開(kāi)裂、脫落等情況。

②材料自身缺陷：原材料質(zhì)量差異大，房屋外墻飾面材料受風(fēng)壓溫差的長(zhǎng)期綜合作用，雨水沖刷后滲入保溫層內(nèi)部，保溫材料吸水受潮后，受溫度影響熱脹冷縮容易發(fā)生變形。再加上增強(qiáng)網(wǎng)受潮后長(zhǎng)期處于潮濕高堿環(huán)境中，強(qiáng)度降低失去防護(hù)作用，隨時(shí)間的推移保溫板材膨脹開(kāi)裂[7]。

2 劣化機(jī)理分析

我國(guó)外墻外保溫系統(tǒng)繁多，破壞原因也是多種多樣，通過(guò)對(duì)上述外保溫系統(tǒng)的分類(lèi)及事故原因的分析抗壓發(fā)現(xiàn)，除去材料自身可能存在的缺陷外，目前對(duì)建筑外墻外保溫粘結(jié)質(zhì)量影響的主要誘因可以分為水原因，風(fēng)原因和溫度原因三方面。

1）水原因：保溫材料內(nèi)部存在空腔，水汽進(jìn)入后會(huì)產(chǎn)生虹吸作用，使水汽向四周擴(kuò)散，直到水的質(zhì)量超過(guò)材料的表面張力，形成滲水使保溫材料膨脹或收縮，材料剝落、粘結(jié)強(qiáng)度降低。水的遷移運(yùn)動(dòng)，重力作用，滲透作用，動(dòng)能和氣壓共同作用，均能使“ 水”產(chǎn)生流動(dòng)或移動(dòng)，如圖 11 所示[10]。雨水在外保溫層面上的作用力，可以分解為兩個(gè)方向，垂直作用在保溫層面上的作用力會(huì)擠壓內(nèi)部，加速水汽擴(kuò)散，豎直方向作用力會(huì)對(duì)面層形成沖刷，如圖12 所示，因此強(qiáng)風(fēng)下降雨的較大垂直作用力使其對(duì)外墻保溫層破壞尤其嚴(yán)重[11]。

圖11 保溫系統(tǒng)水汽流動(dòng)圖

圖12 雨水作用分解圖

2）風(fēng)原因：建筑外墻外保溫系統(tǒng)是多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)荷載十分敏感。風(fēng)荷載的長(zhǎng)時(shí)間頻繁作用將導(dǎo)致保溫層間歇性不定向運(yùn)動(dòng)，即正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓。負(fù)風(fēng)壓對(duì)保溫材料有撕裂作用，使外保溫層與墻體之間粘接力下降，形成空腔。而正風(fēng)壓對(duì)保溫材料有擠壓作用，在擠壓作用下，使保溫層和墻體之間的積水會(huì)向四周擴(kuò)散。正風(fēng)壓的撕裂和負(fù)風(fēng)壓的擠壓反復(fù)作用，會(huì)使外保溫層和墻體的粘接性能?chē)?yán)重下降，加速保溫層的脫落[12]。

3）溫度原因：溫度變形帶來(lái)的最大問(wèn)題是外墻保溫層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)存在、具有危害性的應(yīng)力變化。它會(huì)隨著季節(jié)溫差、早晚溫差而不斷變化，產(chǎn)生分布不均勻的作用力，對(duì)保溫材料層產(chǎn)生拉裂，并加劇保溫材料變形的程度。保溫材料吸水后體積膨脹，會(huì)損傷保溫材料與墻體的接觸界面，使保溫層產(chǎn)生翹曲。保溫層在干燥收縮時(shí)，由于空腔存在、變形很大，產(chǎn)生附加應(yīng)力也可使保溫層破壞。干、濕反復(fù)循環(huán)，會(huì)加劇保溫材料層的破壞，見(jiàn)圖13[12]。

圖13 溫度綜合作用示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)常用的保溫系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)實(shí)際案例對(duì)其劣化機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

1）外墻外保溫系統(tǒng)安全事故的根源在于材料性能不夠全面，材料的防水性及抗疲勞性是外墻外保溫系統(tǒng)事故的根源所在。

2）滲水是導(dǎo)致保溫層脫落的重要原因。外部環(huán)境中的水汽會(huì)利用保溫材料內(nèi)部的空腔產(chǎn)生虹吸作用，增加材料自重，誘發(fā)外保溫系統(tǒng)安全問(wèn)題。

3）風(fēng)荷載的長(zhǎng)時(shí)間頻繁作用將導(dǎo)致保溫層間歇性不定向運(yùn)動(dòng)，形成正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓，負(fù)風(fēng)壓對(duì)保溫材料有撕裂作用，影響外墻外保溫系統(tǒng)的安全使用。

4）外部環(huán)境的溫度變化將在外保溫系統(tǒng)中形成具有危害性的應(yīng)力變化，產(chǎn)生分布不均勻的作用力，對(duì)保溫材料層產(chǎn)生拉裂，并加劇保溫材料變形的程度。

綜上所述，解決外墻外保溫系統(tǒng)安全問(wèn)題的治本之道是研發(fā)更加完善的外保溫材料，研究重點(diǎn)應(yīng)著重于質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，抗?jié)B性高及溫度變形小等方面。