節(jié)能背景下的建筑外墻保溫層剪切粘接強(qiáng)度研究

姚震杰

(山東省東營市利津縣博物館，山東 東營 257400)

建筑外墻保溫系統(tǒng)的組成主要為保溫層、保護(hù)層以及固定材料，保溫層主要是對建筑物起到保護(hù)作用。其中保溫層的粘接強(qiáng)度直接決定著保溫層和結(jié)構(gòu)層之間能否有效粘在一起。因此，需要研究外部保溫層的粘接性能[1]。對于外保溫的效果大部分重點(diǎn)都關(guān)注抗拉粘接強(qiáng)度，但鑒于各種材料的性質(zhì)不同，對研究剪切粘接強(qiáng)度進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也各有不同，具體方案仍需根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料量身設(shè)計(jì)[2]。進(jìn)行結(jié)構(gòu)層與保溫層之間的剪切粘接強(qiáng)度的研究，有利于完善外墻保溫系統(tǒng)工程，而且能進(jìn)一步確保外部保溫工程施工質(zhì)量，提高外墻保溫系統(tǒng)的整體性能和建筑外表面的美觀[3-4]。本文針對當(dāng)前市面上常用的3種保溫材料：擠出聚苯乙烯板(XPS)、膨脹聚苯乙烯板(EPS)和硬質(zhì)泡沫聚氨酯板(PUR)作為研究對象，對其不同缺陷位置及其剪切粘接強(qiáng)度展開研究，以此對綠色節(jié)能背景下的建筑外墻外保溫系統(tǒng)保溫層剪切粘接強(qiáng)度整體認(rèn)識。

1 外墻保溫層種類

目前市場上的外墻外保溫材料種類很種，本實(shí)驗(yàn)主要對以下3種外墻保溫材料的相關(guān)性能及參數(shù)進(jìn)行分析研究，其中：一種是板材保溫材料；另一種是砂漿涂層保溫材料[5]。在板材保溫材料中，膨脹聚苯乙烯板和擠出聚苯乙烯板價格相對其他材料較低，具有較好的粘接性能；另一種PUR的粘接性能好，但價格相對較高。

1.1 擠出聚苯乙烯板(XPS)

擠壓板(Extrude polystyrene)通常是用聚苯乙烯催化合成，在其中添加其他輔助材料聚合物，最后再通過擠壓催化后的材料形成硬質(zhì)泡沫板。這種材料表面上覆蓋一層勻稱的硬膜，內(nèi)部形成蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。通過這種特殊合成方式形成的保溫層材料具有高壓縮率、質(zhì)量輕、不易吸收、相對耐磨、不分解等優(yōu)質(zhì)特性。XPS重要的一些性能參數(shù)如表1所示。

表1 XPS的技術(shù)性能Tab.1 The technical characteristicsof the extrude polystyrene board

1.2 膨脹聚苯乙烯板(EPS)

膨脹聚苯乙烯泡沫板[6]，這種材料的孔及其微小，符合保溫層材料的性質(zhì)，適用于建筑的外墻體保溫系統(tǒng)和屋內(nèi)的地暖等；EPS的主要性能指標(biāo)如表2所示。

表2 EPS的主要性能指標(biāo)Tab.2 The performance index of expandedpolystyrene board

1.3 硬質(zhì)泡沫聚氨酯(PUR)

PUR產(chǎn)品市面上有2類：發(fā)泡材料產(chǎn)品和非發(fā)泡材料產(chǎn)品。發(fā)泡產(chǎn)品主要包括軟質(zhì)材料、硬質(zhì)材料和半質(zhì)PUR泡沫材料；非發(fā)泡產(chǎn)品有外墻、膠粘劑、粘接劑等。PUR板的性能參數(shù)如表3所示。

表3 硬泡聚氨酯板的主要性能指標(biāo)Tab.3 The main performance index of rigid polyurethane foam board

2 影響保溫層剪切粘接強(qiáng)度的因素

2.1 起鼓

由于各類建筑材料的發(fā)展，外部保溫系統(tǒng)的材料逐漸普及，外墻保溫系統(tǒng)也隨著出現(xiàn)各式各樣的問題，主要是保溫板和外表層的大面積脫落、起鼓或開裂。鼓的類型是保溫板的空鼓、虛擬貼紙、飾面層的鼓。

2.2 起縫

外墻保溫技術(shù)在應(yīng)用過程中由于材料的粘接強(qiáng)度的影響很容易出現(xiàn)起縫，墻保溫層和耐久性會受到起縫的影響，嚴(yán)重的還可能減少建筑工程的整體壽命。外墻保溫造成的起縫主要出現(xiàn)在水管、山墻、陽臺和窗戶墻[7]。產(chǎn)生的裂縫主要類型：墻起縫保護(hù)層(保護(hù)層)起縫、保溫層引起的起縫和飾面層原因引起的起縫[8]。

3 XPS隔熱層剪切粘接特性

由XPS板材料構(gòu)成的薄抹灰外墻外保溫系[9-11]，在材料的生產(chǎn)過程中加入多種助劑來擠出聚苯乙烯，以輔助粘接再加上機(jī)械固定的方法將保溫板牢牢地固定在墻壁的外表面。用聚合物改性面團(tuán)砂漿和內(nèi)玻璃纖維網(wǎng)將復(fù)合材料嵌入涂層，可用作外表面裝飾材料或輕質(zhì)磚體結(jié)構(gòu)的外墻保溫系統(tǒng)[12-13]。關(guān)于XPS材料的外墻保溫系統(tǒng)的主要性能如表4所示。

表4 擠塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)性能要求Tab.4 The capability of external thermal insulation composite systems based on extrude polystyrene

3.1 不同缺陷面積對于XPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度的影響

3.1.1試驗(yàn)方法

試件由經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)調(diào)配的結(jié)構(gòu)混凝土基層統(tǒng)一組成材料的粘接層和XPS保溫層3個部分組成。本試驗(yàn)有8個組，每組有3個樣本塊。每組試驗(yàn)樣品缺陷形式設(shè)置為統(tǒng)一的方形，樣本塊放置中均保持缺陷部位在中間靠下位置。各組試驗(yàn)樣本情況如表5所示。

表5 各組試驗(yàn)樣本塊缺陷情況Tab.5 Test samples of each group

3.1.2粘接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

保溫層的抗剪切強(qiáng)度根據(jù)式(1)計(jì)算，精度為0.001 MPa。

(1)

式中：f為抗剪切強(qiáng)度，MPa；P為最大破壞荷載，kN；L為受剪面的長度，mm；B為受剪面的寬度，mm。

圖1為不同缺陷面積導(dǎo)致XPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度的變化情況。

圖1 不同缺陷面積對XPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of different defect areas on shear bondstrength of XPS insulation layer

由圖1可知，在相同缺陷形狀的情況下，隨著缺陷區(qū)域增大的同時，樣品的剪切粘接強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)波動，最大位移和與苯板整個條帶相對應(yīng)的位移向右移動。當(dāng)試驗(yàn)樣品的缺陷面積超過62%時，由于缺陷面積過大，使得XPS隔熱層剪切粘接強(qiáng)度出現(xiàn)很大的偏差。剪切粘接強(qiáng)度從原來的0.031 MPa直接下降為0.020 MPa；這種非線性的下降幅度在工程中上一定要避免的。

3.2 不同缺陷部位對XPS絕熱層剪切粘接強(qiáng)度的影響

如圖2所示，剪切粘接強(qiáng)度在很大程度取決于缺陷部分的位置，缺陷位置越在中心，保溫層承受的剪切粘接強(qiáng)度就越小。

ZJ為中間以下靠近中心位置；ZX為左下方位置且靠近邊角位置；ZZ為中間和下邊緣中間位置。圖2 不同缺陷位置對XPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of different defect locations on shear bondstrength of XPS insulation layer

如果缺陷部件在中間以下，相對與中心位置的強(qiáng)度有所減少，XPS板保溫層剪切粘接強(qiáng)度為0.029 MPa，前位移量為4.31 mm。如果缺陷部分位于左下方位置且靠近邊角，XPS板保溫層剪切粘接強(qiáng)度為0.018 MPa，前位移量為4.11 mm。缺陷部分在側(cè)面時，XPS板保溫層剪切粘接強(qiáng)度為0.023 MPa，前位移量為4.24 mm。這表明缺陷位置越靠近下邊邊緣位置，材料受力越不均勻，粘接強(qiáng)度也越小。當(dāng)缺陷在保溫板邊上時，XPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度最小。

3.3 不同缺陷形狀對XPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度的影響

剪切粘接強(qiáng)度取決于材料的缺陷形狀，當(dāng)缺陷形狀不同時，相應(yīng)的變形量也會有所不同。缺陷形狀不同的剪切粘接強(qiáng)度大小：橢圓為0.039 MPa、正方形為0.027 MPa、菱形為0.064和三角形為0.015 MPa，相應(yīng)的前位移分別為4.68、4.21、4.21和4.10 mm；根據(jù)調(diào)查結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，保溫層剪切粘接強(qiáng)度波動較大。由此表明，缺陷形狀為矩形或者方形時剪切粘接強(qiáng)度較高，這也與其力學(xué)性能相符合；缺陷形狀為菱形、三角形等，具有尖角形狀的剪切粘接強(qiáng)度最低。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 EPS隔熱層剪切粘接特性

同XPS所進(jìn)行的試驗(yàn)一樣，研究對EPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度的影響。將EPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度與XPS剪切粘接強(qiáng)度進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者保溫層剪切粘接強(qiáng)度變化曲線基本一致，在此不再贅述。不過，EPS由于材質(zhì)的原因更容易發(fā)生形變，自身的形變會改變原來設(shè)置的目的影響因素；這對于試驗(yàn)的目的因素形成很大干擾，因此剪切粘接強(qiáng)度受各種影響因素變化小[14-16]。

4.2 PUR保溫層剪切粘接性能

PUR板保溫層剪切粘接強(qiáng)度也取決于缺陷形狀、缺陷部分和缺陷形狀。在本試驗(yàn)中，其試驗(yàn)步驟也和XPS、EPS完全一樣，在此不再贅述。

根據(jù)缺陷區(qū)域、缺陷部分、缺陷形狀等PUR剪切粘接強(qiáng)度，保溫層基本上與XPS和EPS的試驗(yàn)結(jié)果相同[17-20]，但測試結(jié)果表明XPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度為0.017～0.039 MPa，EPS保溫層剪切粘接強(qiáng)度為0.009～0.015 MPa，PUR保溫層剪切粘接強(qiáng)度為0.037 ～0.049 MPa；這說明在所有影響因素相同的情況下，在控制變量范圍內(nèi)PUR保溫層剪切粘接強(qiáng)度最大，EPS板最小。

5 結(jié)語

EPS、XPS和PUR這3種外墻保溫系統(tǒng)中常用的保溫材料，在相同條件下剪切粘接強(qiáng)度測試結(jié)果表明：由于不同保溫材料自身的差異，例如EPS由于材質(zhì)的原因更易發(fā)生的形變會直接影響到保溫層剪切粘接強(qiáng)度；在相同條件下，這3種材料中PUR剪切粘接強(qiáng)度最大，XPS板剪切粘接強(qiáng)度居中；而EPS剪切粘接強(qiáng)度最小。