近零能耗建筑用無(wú)機(jī)塑化保溫板性能的試驗(yàn)研究

徐長(zhǎng)春，郭向勇，趙振波，于躍洋，王浩旭，張松浩，楊永

（1.建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；2.建科環(huán)能科技有限公司，北京 100013；3.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；4.鄭州工大高新材料科技有限公司，河南 鄭州 450002）

0 引言

我國(guó)建筑節(jié)能工作從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始發(fā)展至今，已經(jīng)完成了建筑節(jié)能率從30%到65%三步走的跨越[1]，部分地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始執(zhí)行75%和80%的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布和實(shí)施，表明我國(guó)已進(jìn)入超低能耗、近零能耗、零能耗建筑的起步階段[2]。隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能提出了更高的要求，為了滿(mǎn)足要求，行業(yè)內(nèi)基本采取大幅增加保溫材料厚度的方法來(lái)提高熱工性能。以干密度為140kg/m3的無(wú)機(jī)塑化保溫板為例，要滿(mǎn)足嚴(yán)寒地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能要求時(shí)，在不考慮修正系數(shù)的情況下，所需無(wú)機(jī)塑化保溫板的厚度要達(dá)到100～300 mm（見(jiàn)表1）。

表1 無(wú)機(jī)塑化保溫板滿(mǎn)足嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)外保溫系統(tǒng)不同節(jié)能要求的厚度

無(wú)機(jī)塑化保溫板外保溫系統(tǒng)雖然已在北方部分地區(qū)開(kāi)始應(yīng)用，并且也發(fā)布了相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)，如河南省地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ41/T 200—2018《無(wú)機(jī)塑化微孔保溫板的應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，但對(duì)于無(wú)機(jī)塑化保溫板在近零能耗建筑中應(yīng)用時(shí)，保溫厚度的增加對(duì)保溫性能、燃燒性能和安全性能的影響尚未有相關(guān)研究。隨著國(guó)家對(duì)近零能耗建筑的大力推廣，對(duì)于大厚度無(wú)機(jī)塑化保溫板外保溫系統(tǒng)的性能研究也顯得尤為必要。

1 無(wú)機(jī)塑化保溫板的材料組成及結(jié)構(gòu)

無(wú)機(jī)塑化保溫板屬于水泥基泡沫混凝土[3]，是以無(wú)機(jī)膠凝材料為主要原材料，附加化學(xué)添加劑及纖維材料經(jīng)濕磨制漿和物理發(fā)泡后加入一定比例聚苯顆粒進(jìn)行混合并注模，在規(guī)定的時(shí)間和環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行脫模和切割，制成具有良好塑性的微孔保溫板材。

已有的研究表明[3]，無(wú)機(jī)塑化保溫板中的無(wú)機(jī)膠凝材料經(jīng)過(guò)水化反應(yīng)后與化學(xué)添加劑中的高分子材料發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及孔徑小于0.1 mm的微孔，并且在微孔表面形成完整密實(shí)的膜結(jié)構(gòu)，大大提高微孔封閉性[見(jiàn)圖1（b）]。

圖1 無(wú)機(jī)塑化保溫板

2 無(wú)機(jī)塑化保溫板及系統(tǒng)的主要性能

由于無(wú)機(jī)塑化保溫板的主要組成材料是無(wú)機(jī)膠凝材料，并且經(jīng)過(guò)特殊工藝處理后進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)最終形成封閉微孔結(jié)構(gòu)，使其具有較低的吸水性、良好的保溫性，同時(shí)也具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的防火性能。

2.1 保溫性能

選取常用的燃燒性能為A級(jí)的巖棉條、熱固復(fù)合聚苯板2種保溫材料，選取了3個(gè)不同生產(chǎn)廠家，密度均為140kg/m3，測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)和體積吸水率，并與無(wú)機(jī)塑化保溫板進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表2）。同時(shí)對(duì)無(wú)機(jī)塑化保溫板按薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造制備的試件進(jìn)行熱阻和傳熱系數(shù)測(cè)試，系統(tǒng)構(gòu)件尺寸為1 m×1 m，無(wú)機(jī)塑化保溫板厚度為300 mm，防護(hù)層由抹面砂漿復(fù)合單層耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布，表面涂抹外墻平面涂料構(gòu)成，厚度4 mm（見(jiàn)圖2）。

表2 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)和體積吸水率

圖2 熱阻及傳熱系數(shù)測(cè)試構(gòu)件

由表2可見(jiàn)，無(wú)機(jī)塑化保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)與巖棉條、熱固復(fù)合聚苯板相差不大，位于二者之間，但無(wú)機(jī)塑化保溫板的體積吸水率明顯低于巖棉條和熱固復(fù)合聚苯板，說(shuō)明無(wú)機(jī)塑化保溫板在使用中能夠具有更穩(wěn)定的保溫性能，同時(shí)也具有更好的抗凍性能，能夠有效減少系統(tǒng)凍害的發(fā)生，降低系統(tǒng)脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

從無(wú)機(jī)塑化保溫板外保溫系統(tǒng)構(gòu)件的熱阻和傳熱系數(shù)的測(cè)試結(jié)果來(lái)看（見(jiàn)表3），300 mm無(wú)機(jī)塑化保溫板組成的外保溫系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑和寒冷地區(qū)居住建筑中近零能耗建筑規(guī)定的下限（見(jiàn)表4）。如要應(yīng)用在嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑上，由測(cè)試結(jié)果來(lái)計(jì)算保溫板厚度需達(dá)到400 mm左右，但超厚保溫層對(duì)系統(tǒng)的連接安全也帶來(lái)極大的隱患。

表3 無(wú)機(jī)塑化保溫板外保溫系統(tǒng)構(gòu)件的熱阻和傳熱系數(shù)

表4 GB/T 51350—2019中對(duì)非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)的要求 W/（m2·K）

2.2 燃燒性能

燃燒性能GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》對(duì)A2級(jí)測(cè)試項(xiàng)目分類(lèi)的規(guī)定，對(duì)無(wú)機(jī)塑化保溫板進(jìn)行單體燃燒試驗(yàn)和熱值試驗(yàn)測(cè)試，受GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗(yàn)》試驗(yàn)方法的限制（試樣的最大厚度為200 mm），本次選用150、200 mm厚的無(wú)機(jī)塑化保溫板進(jìn)行測(cè)試。

在已有的研究中指出[4]，對(duì)于模塑聚苯板和石墨聚苯板這類(lèi)有機(jī)泡沫保溫材料，燃燒性能會(huì)隨厚度的增大而變差，但從無(wú)機(jī)塑化保溫板燃燒性能的測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表5）來(lái)看，其單體燃燒和熱值的4項(xiàng)控制指標(biāo)均符合燃燒性能A2級(jí)的技術(shù)要求，并且隨保溫板厚度的增加指標(biāo)變化不大，說(shuō)明無(wú)機(jī)塑化保溫板的燃燒性能不隨保溫板厚度增大而變差，在近零能耗建筑中應(yīng)用時(shí)相對(duì)于有機(jī)泡沫保溫材料具有更優(yōu)異的防火性能。

表5 無(wú)機(jī)塑化保溫板的燃燒性能

2.3 耐候性

本次測(cè)試耐候性試驗(yàn)墻尺寸為3.36 m×2.40 m，組成構(gòu)造與熱阻和傳熱系數(shù)試件一致，試樣受檢部位寬度3.00 m、高度2.00 m，試驗(yàn)墻洞口部位側(cè)面及外側(cè)面進(jìn)行外墻外保溫系統(tǒng)測(cè)試（見(jiàn)圖3），試樣洞口寬度0.40 m、高度0.60 m，養(yǎng)護(hù)28 d。試驗(yàn)按JGJ144—2019《外墻外保溫工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)表6。

圖3 耐候性測(cè)試

表6 耐候性試驗(yàn)和抗風(fēng)荷載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表6可見(jiàn)，防護(hù)層未發(fā)現(xiàn)空鼓、剝落或脫落等破壞，同時(shí)墻面未發(fā)現(xiàn)裂縫，并且系統(tǒng)防護(hù)層與保溫層的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)破壞部位也位于無(wú)機(jī)塑化保溫板內(nèi)，說(shuō)明無(wú)機(jī)塑化保溫板自身具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠很好地消納惡劣環(huán)境下高低溫循環(huán)交替造成的溫度內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)經(jīng)過(guò)這種溫度內(nèi)應(yīng)力破壞后還能夠保留有足夠的強(qiáng)度并且滿(mǎn)足系統(tǒng)的使用安全。

從拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的破壞部位[見(jiàn)圖3（d）]看，相較于巖棉、真空絕熱板和擠塑聚苯板，無(wú)機(jī)塑化保溫板與粘結(jié)和抹面砂漿具有更好的相容性，在施工過(guò)程中不需要涂刷界面劑來(lái)輔助提高各結(jié)構(gòu)層間的粘結(jié)強(qiáng)度，良好的相容性也使系統(tǒng)在使用過(guò)程中能夠有效防止飾面層脫落，保證系統(tǒng)的使用安全，同時(shí)也減少了施工工序，降低建設(shè)成本。

2.4 抗風(fēng)荷載性能

外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)荷載的性能是系統(tǒng)各組成材料抵抗風(fēng)荷載作用下的綜合體現(xiàn)，是衡量系統(tǒng)連接安全的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可通過(guò)大型的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，也可通過(guò)小型試驗(yàn)，將系統(tǒng)分解成單一材料、材料與材料之間的連接強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)最不利條件荷載計(jì)算系統(tǒng)抗風(fēng)荷載[5]。本次測(cè)試的大型動(dòng)態(tài)風(fēng)壓試驗(yàn)的試驗(yàn)墻體制作與耐候性試驗(yàn)墻一致，保溫板厚度分為150、300 mm，試驗(yàn)按GB/T 36585—2018《外墻外保溫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)風(fēng)壓試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行。對(duì)于小型試驗(yàn)，連接強(qiáng)度主要體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度方面，因此主要針對(duì)無(wú)機(jī)塑化保溫板的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，抗拉強(qiáng)度試樣尺寸為100 mm×100 mm，對(duì)于剪切強(qiáng)度由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中均未提出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求和試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)比其他材料的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法，并結(jié)合墻角墻邊處無(wú)機(jī)塑化保溫板在受風(fēng)荷載作用下的受力特點(diǎn)，本次剪切強(qiáng)度的測(cè)試選擇了更能反映保溫板系統(tǒng)實(shí)際受力情況的方法，依據(jù)GB/T 32382—2015《建筑用絕熱制品 剪切性能的測(cè)定》規(guī)定的雙試樣法進(jìn)行，試樣尺寸為200 mm×100 mm，剪切強(qiáng)度測(cè)試見(jiàn)圖4，結(jié)果見(jiàn)表7。

圖4 剪切強(qiáng)度測(cè)試

表7 抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由表7可見(jiàn)，無(wú)機(jī)塑化保溫板的抗拉強(qiáng)度基本不受試件厚度影響，但剪切強(qiáng)度會(huì)隨試件厚度增大而降低，反映到系統(tǒng)抗風(fēng)荷載的性能上，則是，對(duì)于墻體大面主要受到垂直于墻體的風(fēng)壓荷載，此時(shí)系統(tǒng)的厚度不影響其抗風(fēng)荷載的能力，但在墻體的墻角和墻邊處，主要是系統(tǒng)側(cè)面受到風(fēng)壓荷載，由于風(fēng)荷載的作用力平行于板面固定端，此時(shí)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)層則會(huì)產(chǎn)生抵抗外力的剪切力，剪切力大小與系統(tǒng)厚度和風(fēng)荷載大小成正比，并且越靠近固定端剪切力越大，當(dāng)系統(tǒng)厚度增加到一定程度時(shí)，受剪切力最大的固定端則會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，此時(shí)保溫板固定端承受剪切力的能力會(huì)成為影響系統(tǒng)風(fēng)荷載最不利因素。

用表7中的抗拉強(qiáng)度計(jì)算無(wú)機(jī)塑化保溫板的抗風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，可參考JGJ/T 480—2019《巖棉薄抹灰外墻外保溫工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Rk——抗風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

σT——垂直于板面方向的抗拉強(qiáng)度，kPa；

ρA——外墻外保溫系統(tǒng)與基層墻體的粘結(jié)面積率，對(duì)于不同保溫材料的外墻外保溫系統(tǒng)，國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了不同的粘結(jié)面積率，但大部分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)粘結(jié)面積率的規(guī)定都不低40%，因此本次計(jì)算中有效粘結(jié)面積率取50%；

K——安全系數(shù)，依據(jù)JGJ/T 480—2019中5.2.6條以粘結(jié)固定為主要連接方式時(shí)取11.7。

由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中均未考慮材料剪切強(qiáng)度對(duì)抗風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的影響，也未提出用剪切強(qiáng)度計(jì)算材料抗風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算方法，因此在本文中在用剪切強(qiáng)度計(jì)算抗風(fēng)荷載時(shí)主要依據(jù)墻角和墻邊處系統(tǒng)破壞時(shí)的狀態(tài)是以單塊保溫板為破壞單元進(jìn)行分析，并結(jié)合式（1）推導(dǎo)出計(jì)算公式圖（2）：

式中：τ——無(wú)機(jī)塑化保溫板的剪切強(qiáng)度，kPa；

L——無(wú)機(jī)塑化保溫板單板常規(guī)長(zhǎng)度，取0.6 m；

D——外墻外保溫系統(tǒng)保溫板厚度，m。

抗風(fēng)荷載結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 抗風(fēng)荷載結(jié)果

由表8可見(jiàn)，大型動(dòng)態(tài)風(fēng)壓試驗(yàn)和由抗拉強(qiáng)度計(jì)算的抗風(fēng)荷載不受系統(tǒng)厚度增大的影響，測(cè)試結(jié)果基本一致，說(shuō)明大型動(dòng)態(tài)風(fēng)壓試驗(yàn)的本質(zhì)也是通過(guò)系統(tǒng)材料的垂直抗拉強(qiáng)度的能力來(lái)反映系統(tǒng)的抗風(fēng)荷載能力，而對(duì)于墻角和墻邊的主要受剪切荷載部位抗風(fēng)荷載能力不能得到有效的體現(xiàn)；對(duì)于由剪切強(qiáng)度反映的系統(tǒng)抗風(fēng)荷載的結(jié)果來(lái)看，抗風(fēng)荷載隨系統(tǒng)厚度增加而急劇降低，當(dāng)厚度增加到300 mm時(shí)，系統(tǒng)墻邊和墻角部位抗風(fēng)荷載的剪切破壞會(huì)成為主要破壞因素。綜上，對(duì)于應(yīng)用在近零能耗建筑上時(shí)，建議充分考慮無(wú)機(jī)塑化保溫板的剪切強(qiáng)度，在標(biāo)準(zhǔn)中增加材料剪切強(qiáng)度的測(cè)試項(xiàng)目。

3 無(wú)機(jī)塑化保溫板抗風(fēng)荷載能力適用地區(qū)范圍的分析

外墻外保溫系統(tǒng)可采用極限狀態(tài)衡量系統(tǒng)是否失效[5]，通過(guò)表8抗風(fēng)荷載的結(jié)果對(duì)比，用剪切強(qiáng)度計(jì)算的抗風(fēng)荷載承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rk與設(shè)計(jì)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk進(jìn)行比較分析。當(dāng)Rk＞W(wǎng)k時(shí)，則外墻外保溫系統(tǒng)未失效；反之，則外墻外保溫系統(tǒng)失效。設(shè)計(jì)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值主要與建筑所在的地理位置、建設(shè)高度及區(qū)域等有關(guān)，本文中以有密集建筑群的城市市區(qū)建筑，離地面高度100 m位置的墻角和墻邊部位的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk為例，按式（3）進(jìn)行計(jì)算（參照J(rèn)GJ/T 480—2009）。

式中：βgz——陣風(fēng)系數(shù)，依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，離地面100 m高度處、有密集建筑群的城市市區(qū)取1.69；

μsl——風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，按墻角、墻邊部位取2.0；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按GB 50009—2012規(guī)定，離地面100m高度處、有密集建筑群的城市市區(qū)取1.5；

w0——基本風(fēng)壓，按50年重現(xiàn)期取值，kPa。

結(jié)合無(wú)機(jī)塑化保溫板剪切強(qiáng)度計(jì)算的抗風(fēng)荷載承載力標(biāo)準(zhǔn)值和式（3），要保證抗風(fēng)荷載承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rk不小于建筑設(shè)計(jì)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk，則建筑項(xiàng)目所在城市的基本風(fēng)壓w0需不大于0.8 kPa，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，無(wú)機(jī)塑化保溫板的剪切強(qiáng)度能夠抵御全國(guó)96%的城市市區(qū)50年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載。

4 結(jié)論

（1）無(wú)機(jī)塑化保溫板保溫性能、耐候性能和燃燒性能都能滿(mǎn)足在近零能耗建筑中應(yīng)用的技術(shù)要求，燃燒性能相較于有機(jī)泡沫材料，不受保溫板厚度增加的影響，在近零能耗建筑中應(yīng)用更具防火安全性。

（2）無(wú)機(jī)塑化保溫板應(yīng)用在近零能耗建筑中時(shí)能夠抵御全國(guó)96%的城市（除少數(shù)高海拔、沿海城市以外）市區(qū)50年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載。在基本風(fēng)壓值大于0.8 kPa的城市使用時(shí)，建議考慮增加托架來(lái)提高系統(tǒng)的安全性。

（3）無(wú)機(jī)塑化保溫板的厚度達(dá)到300 mm時(shí)，其剪切強(qiáng)度成為影響抗風(fēng)荷載的最不利因素之一，在近零能耗建筑中應(yīng)用時(shí)，建議在標(biāo)準(zhǔn)中增加剪切強(qiáng)度的技術(shù)要求，以保證系統(tǒng)連接安全性。

（4）分析認(rèn)為，現(xiàn)有外保溫系統(tǒng)大型動(dòng)態(tài)抗風(fēng)荷載的試驗(yàn)方法本質(zhì)上僅反映了垂直板面方向的抗拉強(qiáng)度對(duì)抗風(fēng)荷載性能影響，建議通過(guò)剪切強(qiáng)度對(duì)抗風(fēng)荷載的影響進(jìn)行更深入的研究，制定科學(xué)合理的測(cè)試方法。

（5）本次試驗(yàn)研究?jī)H針對(duì)無(wú)機(jī)塑化保溫板，以上所有計(jì)算過(guò)程均建立在系統(tǒng)的其他組成材料能夠滿(mǎn)足相應(yīng)強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，沒(méi)有考慮保溫工程施工過(guò)程的影響因素，因此應(yīng)用在近零能耗建筑中的系統(tǒng)不但要保證各組成材料的相容性，還應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。