既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀與脫落風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展

馬福棟 張東波 王卓琳 冷予冰 陳 溪

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032）

0 引言

近年來(lái)，高空墜物事件頻發(fā)，其中，建筑外墻外保溫系統(tǒng)脫落是高空墜物的主要類(lèi)型之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017—2020 年全國(guó)公開(kāi)報(bào)道的外墻外保溫系統(tǒng)（ETICS）質(zhì)量事故已累計(jì)超過(guò)1 800 起，130余人被砸傷，38 人身亡。既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)已成為社會(huì)高度關(guān)注的問(wèn)題。

我國(guó)20 世紀(jì)80 年代從國(guó)外引進(jìn)聚苯乙烯泡沫薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)國(guó)外驗(yàn)證具有良好的可靠性和耐久性。但由于防火要求，其應(yīng)用受到限制。之后，涌現(xiàn)出多種采用不同材料、不同做法的外墻外保溫系統(tǒng)，性能優(yōu)劣各不相同。由于各類(lèi)外墻外保溫系統(tǒng)往往未經(jīng)真實(shí)環(huán)境的長(zhǎng)期耐久性檢驗(yàn)；且相比保溫隔熱性能和防火性能，其作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與外墻基面粘貼錨固性能受到的重視程度不足，通常只采用構(gòu)造措施保證，缺少相關(guān)理論基礎(chǔ)；加之施工管理中把控不嚴(yán)，基本構(gòu)造措施及施工質(zhì)量常常難以保證；導(dǎo)致外墻外保溫系統(tǒng)在惡劣的外部環(huán)境中會(huì)發(fā)生劣化、開(kāi)裂、空鼓甚至脫落。綜上所述，外墻外保溫系統(tǒng)劣化及脫落機(jī)理復(fù)雜，劣化程度難以評(píng)估，脫落風(fēng)險(xiǎn)難以識(shí)別。相關(guān)研究處于起步階段，關(guān)注點(diǎn)相對(duì)分散，本文對(duì)既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)脫落風(fēng)險(xiǎn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，總結(jié)現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，分析存在的問(wèn)題，供相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步研究參考。

1 外墻外保溫系統(tǒng)主要類(lèi)型及設(shè)計(jì)方法

1.1 外墻外保溫系統(tǒng)主要類(lèi)型

《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》（JGJ 144—2019）［1］主要針對(duì)聚苯乙烯泡沫（EPS）材料，提出了五類(lèi)外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造體系，隨著保溫材料種類(lèi)的豐富，更多保溫材料得到應(yīng)用，五類(lèi)構(gòu)造體系總結(jié)如下：薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)、水泥基保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)、現(xiàn)澆混凝土外墻外保溫系統(tǒng)、保溫裝飾一體板系統(tǒng)以及機(jī)械固定鋼絲網(wǎng)架保溫板外墻外保溫系統(tǒng)。薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)由于保溫效果好且施工方便，應(yīng)用最為廣泛。在夏熱冬冷或夏熱冬暖地區(qū)，水泥基保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)也有較廣泛應(yīng)用。這兩種外墻外保溫系統(tǒng)也是容易發(fā)生損傷和脫落的主要類(lèi)型。因此，本文著重對(duì)這兩種構(gòu)造體系進(jìn)行介紹。

1.1.1 薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)

薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)［1］采用膠粘劑將保溫隔熱板粘貼在外墻，采用塑料錨栓錨固，在保溫隔熱板表面抹聚合物砂漿并壓入玻纖網(wǎng)格，最后刮柔性膩?zhàn)雍屯苛厦鎸?，其?gòu)造如圖1 所示。使用不同保溫材料的系統(tǒng)，其性能也各有差異。

圖1 薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造Fig.1 Detailing of ETICS with thin plastering

圖2 水泥基保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造Fig.2 Detailing of ETICS with cementitious thermal insulation mortar

1）聚苯板

聚苯板根據(jù)制作工藝不同可以分為膨脹聚苯板（EPS）和擠塑聚苯板（XPS）。不同的成型工藝使其性能存在顯著差異，其中，對(duì)外保溫系統(tǒng)安全性影響較大的因素為可粘性、熱穩(wěn)定性和透氣性。EPS 的孔隙率大，粘貼表面比較粗糙，其可粘性比XPS 好；EPS 熱穩(wěn)定性能好，在同等溫度變化條件下的變形小，溫度應(yīng)力作用下EPS的抗裂性能好；XPS 透氣性較差，墻體基層與保溫層之間聚集的潮氣無(wú)法透過(guò)保溫層排出，會(huì)造成保溫層與外墻基層黏結(jié)失效，保溫層變形、空鼓甚至脫落。

2）巖棉板

巖棉是一種耐高溫的無(wú)機(jī)防火材料，具有優(yōu)良的保溫性能［2］。巖棉纖維平行于外墻面的部分稱(chēng)為巖棉板，巖棉纖維垂直于外墻面的部分稱(chēng)為巖棉帶。對(duì)于巖棉板外墻外保溫系統(tǒng)，抗拉強(qiáng)度取決于纖維層之間的黏結(jié)強(qiáng)度，因此抗拉強(qiáng)度較低，抹面層與保溫層拉伸黏結(jié)強(qiáng)度也較低。《巖棉板（帶）薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［3］要求巖棉板抗拉強(qiáng)度大于0.01 MPa，巖棉帶抗拉強(qiáng)度大于0.1 MPa。

3）聚氨酯硬泡（PU）板

聚氨酯泡沫材料導(dǎo)熱系數(shù)低、重量輕，是非常優(yōu)異的保溫材料［4］。聚氨酯泡沫可以通過(guò)改變?cè)牧系慕M成、配方比例、合成條件等方法來(lái)制得不同機(jī)械強(qiáng)度的泡沫塑料［5］。但由于價(jià)格高、抗火性差、煙氣毒性大等問(wèn)題，其在建筑節(jié)能中的應(yīng)用占比較?。?］。

4）玻璃棉板

玻璃棉板是一種高效的無(wú)機(jī)保溫材料，與聚苯板相比具有抗裂性好、防火無(wú)毒、化學(xué)性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，與巖棉板相比具有容重小、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)［6］。但由于其生產(chǎn)工藝只能采用平織法，抗壓和抗拉強(qiáng)度均較低，采用粘貼和錨固的施工方法效果均不佳。采用縫制和打褶工藝加工而成的縫制玻璃棉板和打褶玻璃棉板可以提高玻璃棉板的抗拉強(qiáng)度，滿(mǎn)足外墻外保溫系統(tǒng)對(duì)保溫板的強(qiáng)度要求［7］。

綜上，保溫板的可粘性能、錨固性能、表觀質(zhì)量和透氣性直接影響薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)的粘貼錨固性能。總結(jié)現(xiàn)有工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以“較好”“好”“差”“較差”四個(gè)等級(jí)評(píng)價(jià)各類(lèi)保溫板各項(xiàng)性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 各類(lèi)保溫板性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of various insulation boards

1.1.2 水泥基保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)

水泥基保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)采用一定比例的保溫輕骨料摻入砂漿均勻涂抹在外墻形成保溫層［8］。水泥基保溫砂漿強(qiáng)度高、防火無(wú)毒、構(gòu)造簡(jiǎn)單，且可以避免保溫板材的板縫熱橋。根據(jù)摻入的保溫顆粒不同，外保溫系統(tǒng)主要包括膠粉聚苯顆粒外保溫系統(tǒng)、膨脹珍珠巖外保溫系統(tǒng)和?；⒅橥獗叵到y(tǒng)，后兩者屬于無(wú)機(jī)保溫砂漿材料。

1）聚苯顆粒

聚苯顆粒具有良好的保溫性能，但由于其屬于有機(jī)材料，表面憎水性強(qiáng)，與水泥等無(wú)機(jī)膠凝材料親和力差，并且密度低、強(qiáng)度低［9］。常用的聚苯顆粒有原發(fā)聚苯顆粒和回收破碎聚苯泡沫顆粒，兩者的區(qū)別在于原發(fā)聚苯顆粒為閉孔結(jié)構(gòu)，耐水性強(qiáng)，而回收破碎聚苯顆粒在破碎的過(guò)程中閉孔結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，熱工性能變差，吸水率增大［10］。

2）膨脹珍珠巖

膨脹珍珠巖是一種無(wú)機(jī)保溫顆粒，與水泥砂漿結(jié)合性好，但其吸水率較大，吸水后導(dǎo)熱系數(shù)增大且不可逆。另外，攪拌過(guò)程中容易破碎，導(dǎo)致保溫效果的降低［9］。因此，膨脹珍珠巖被限制在保溫砂漿中使用，但不乏以次充好的劣質(zhì)保溫材料被用于工程。

3）?；⒅?/p>

?；⒅橐彩且环N無(wú)機(jī)保溫顆粒，與膨脹珍珠巖相比在性能上有優(yōu)勢(shì)，降低了保溫砂漿的吸水性，提高了保溫砂漿的密度和抗壓強(qiáng)度，具有良好的施工性能、防火性能以及耐久性能。但其導(dǎo)熱系數(shù)較大，降低了其保溫性能［11］。

總體來(lái)講，水泥基保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)具有較好的抗火性能。但水泥基材料柔性差，施工容易產(chǎn)生不均勻收縮應(yīng)力，形成干縮裂縫。裂縫為水的滲入提供了通道，水泥基保溫砂漿吸水率較大，在濕脹干縮過(guò)程中會(huì)造成更嚴(yán)重的破壞。

1.2 外墻外保溫系統(tǒng)防脫落設(shè)計(jì)研究

外墻外保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及諸多方面，包括防火性能、熱工性能、抗沖擊性能、防水透氣性能、抗風(fēng)性能、耐候性以及抗震性能等。其中，防火性能和熱工性能要求較受重視且研究較為充分，而對(duì)抗風(fēng)和抗震性能等重視程度不足，目前主要通過(guò)構(gòu)造措施來(lái)保證。

1.2.1 外墻外保溫系統(tǒng)防脫落構(gòu)造措施

薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)和水泥基保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)均采取了多種構(gòu)造措施以防止外墻外保溫系統(tǒng)脫落，見(jiàn)表2。多數(shù)情況下，外墻外保溫系統(tǒng)主要通過(guò)黏結(jié)性能包覆于外墻，只有巖棉板以及一定高度以上或采用面磚飾面的外墻外保溫系統(tǒng)，需要采用錨栓加強(qiáng)固定。

表2 各類(lèi)外墻外保溫系統(tǒng)常見(jiàn)防脫落構(gòu)造措施Table 2 Common anti-peeling detailing measures for various ETICS

1.2.2 外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究

風(fēng)力作用下，建筑物迎風(fēng)面受到正風(fēng)壓作用，背風(fēng)面受到負(fù)風(fēng)壓作用，側(cè)面受到負(fù)風(fēng)壓和剪切力的雙重作用［17］。負(fù)風(fēng)壓對(duì)外墻產(chǎn)生拉力，不利于外墻外保溫系統(tǒng)的黏結(jié)和錨固。高艷偉［18］和李賓［19］分析了風(fēng)壓對(duì)保溫板破壞的影響因素，研究了風(fēng)壓對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的破壞機(jī)理。趙紅曉［20］對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值、空腔風(fēng)壓力損失、黏結(jié)力等進(jìn)行計(jì)算，綜合分析了風(fēng)荷載對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的影響及破壞機(jī)理。

對(duì)于外墻外保溫的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)廣泛使用指標(biāo)要求試驗(yàn)評(píng)價(jià)法［21］：依據(jù)最不利荷載，確定系統(tǒng)及材料的強(qiáng)度指標(biāo)，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判定。主要試驗(yàn)方法參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)（EOTA ETAG 004）［22］采用的動(dòng)態(tài)負(fù)風(fēng)壓法，但該方法受限于氣泵的工作區(qū)間，難以達(dá)到被檢系統(tǒng)的破壞壓強(qiáng)。為改進(jìn)試驗(yàn)方法，王博等［23］對(duì)靜態(tài)風(fēng)荷載測(cè)試方法展開(kāi)研究，形成了具有柔性接觸、輔以多點(diǎn)測(cè)試外保溫系統(tǒng)位移等特點(diǎn)的測(cè)試方法。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EOTA ETAG 004）［22］針對(duì)構(gòu)造存在變化的外墻外保溫系統(tǒng)（如采用錨栓固定的外墻外保溫系統(tǒng)）提出了采用輔助試驗(yàn)驗(yàn)算承載力是否滿(mǎn)足作用力的方法，如采用拉穿試驗(yàn)［24］測(cè)定巖棉保溫系統(tǒng)中的錨栓抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而驗(yàn)算保溫系統(tǒng)的抗風(fēng)承載力，確定錨栓的排布方式和數(shù)量。許錦峰等［25］依據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度理論，探究了外墻外保溫系統(tǒng)的抗風(fēng)性能，并建議高層建筑宜根據(jù)高度的變化采取一定措施。王華勤等［26］進(jìn)一步提出有必要采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，按與建筑主體結(jié)構(gòu)同設(shè)計(jì)使用年限的原則，對(duì)EPS 板薄抹灰外保溫系統(tǒng)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

綜上所述，指標(biāo)要求試驗(yàn)評(píng)價(jià)法可對(duì)新建建筑外墻外保溫的構(gòu)造形式和材料性能開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義，但無(wú)法對(duì)既有建筑的外墻外保溫系統(tǒng)開(kāi)展試驗(yàn)，無(wú)法對(duì)其抗風(fēng)性能評(píng)估。概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法可以對(duì)既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行取樣檢測(cè)試驗(yàn)，但目前該設(shè)計(jì)方法還不成熟，相關(guān)的概率統(tǒng)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)理論需要大量的研究數(shù)據(jù)支撐。

1.2.3 外墻外保溫系統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)研究

外墻外保溫系統(tǒng)屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件［27］，國(guó)內(nèi)外對(duì)其抗震性能重視程度不高，對(duì)地震作用下外墻外保溫的性能研究較少。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［1，15］雖然規(guī)定外墻外保溫工程在設(shè)防地震發(fā)生時(shí)不應(yīng)從基層上脫落，但未提供相應(yīng)抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)罕遇地震和多遇地震作用下的性能也未作規(guī)定。為了提升建筑的抗震韌性，《建筑抗震韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 38591—2020）［28］對(duì)外墻（剪力墻和填充墻）提出了韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，但也未對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)作具體規(guī)定。

郭永彥［29］對(duì)汶川地震后外墻外保溫系統(tǒng)的震害進(jìn)行調(diào)查，分析了飾面磚外墻外保溫系統(tǒng)受力性能，總結(jié)了飾面磚外墻外保溫系統(tǒng)的抗震影響因素。Yan［30］提出了外墻外保溫系統(tǒng)的抗震防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)，對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的抗震性能提出了建議。王飛［31］研究了填充墻體及外墻外保溫系統(tǒng)對(duì)框架結(jié)構(gòu)的受力影響，揭示了膨脹珍珠巖外墻外保溫系統(tǒng)在水平地震荷載作用下的破壞機(jī)理。地震作用下，在填充墻角部、填充墻與框架結(jié)合面以及梁柱節(jié)點(diǎn)等位置易產(chǎn)生破壞脫落，建議采用柔性保溫材料。郭冬暉［32］分別采用酚醛板、聚苯板、巖棉板和膨脹珍珠巖板作為外墻外保溫層并采用面磚為飾面層，對(duì)框架填充墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周往復(fù)加載模擬地震作用。結(jié)果表明，當(dāng)粘貼率較低時(shí)，粘貼在框架梁柱上的飾面層會(huì)產(chǎn)生脫落；由于酚醛板強(qiáng)度較低，即使粘貼率高也可能發(fā)生脫落；此外，由于填充墻的斜撐效應(yīng)，角部受壓后飾面層也容易產(chǎn)生破壞和脫落。

總體而言，目前對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)抗震性能的研究尚不充分，相關(guān)規(guī)范中對(duì)罕遇地震和多遇地震作用下外墻外保溫系統(tǒng)抗震性能也未作具體規(guī)定。近年來(lái)超低能耗和近零能耗建筑發(fā)展迅速，外墻外保溫系統(tǒng)的重要性和造價(jià)逐漸提高，應(yīng)對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的抗震韌性評(píng)價(jià)與提升加以重視。

2 外墻外保溫系統(tǒng)劣化機(jī)理

2.1 外墻外保溫系統(tǒng)缺陷統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)作者所在單位在2017—2021 年間所檢測(cè)的209 幢住宅建筑的外墻外保溫系統(tǒng)質(zhì)量缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，黏結(jié)強(qiáng)度不足和構(gòu)造缺陷是外墻外保溫系統(tǒng)的主要缺陷。

2.1.1 黏結(jié)強(qiáng)度不足

如圖3 所示，涉及的外墻外保溫系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目中，巖棉板外墻外保溫系統(tǒng)的黏結(jié)強(qiáng)度均不滿(mǎn)足要求，主要原因是巖棉外墻外保溫系統(tǒng)經(jīng)自然氣候劣化后拉伸黏結(jié)強(qiáng)度顯著降低［33］。膠粉聚苯顆粒和無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)分別有73.3%和22.2%，不滿(mǎn)足黏結(jié)強(qiáng)度的要求。需要注意的是，膠粉聚苯顆粒和無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行黏結(jié)強(qiáng)度的拉拔試驗(yàn)的位置需要經(jīng)過(guò)敲擊后確定為非空鼓區(qū)，也可能會(huì)高估外墻外保溫系統(tǒng)的平均黏結(jié)強(qiáng)度。

圖3 外墻外保溫系統(tǒng)黏結(jié)強(qiáng)度不足發(fā)生比例Fig.3 Proportion of insufficient bonding strength of ETICS

造成黏結(jié)強(qiáng)度不足的原因比較復(fù)雜，黃葳蕤等［34］對(duì)施工引起的外墻外保溫黏結(jié)強(qiáng)度不足的原因進(jìn)行了分析，主要包括：①墻體基層處理不當(dāng)，如基層表面有油污、浮灰或脫模劑；② 界面砂漿涂抹不均勻，砂漿的不均勻收縮導(dǎo)致界面黏結(jié)失效，出現(xiàn)/形成干縮裂縫；③施工期間溫度不適宜，如夏季施工時(shí)，溫度較高、陽(yáng)光照射等因素會(huì)導(dǎo)致水分流失過(guò)快，影響砂漿中的水泥水化；冬季施工時(shí)，溫度過(guò)低導(dǎo)致砂漿中的水結(jié)冰膨脹，使砂漿強(qiáng)度降低。2.1.2 構(gòu)造缺陷

如圖4 所示，涉及的外墻外保溫系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目中，玻纖網(wǎng)構(gòu)造均或多或少存在不滿(mǎn)足規(guī)范要求的情況，抗裂砂漿厚度和錨栓個(gè)數(shù)分別有54.5%和90.0%，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。產(chǎn)生構(gòu)造缺陷的主要原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工不規(guī)范、質(zhì)量管理不嚴(yán)格等。

圖4 外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造缺陷發(fā)生比例Fig.4 Proportion of detailing defect of ETICS

由于黏結(jié)強(qiáng)度不足及構(gòu)造缺陷，外墻外保溫系統(tǒng)經(jīng)受干濕循環(huán)、溫差變化、太陽(yáng)輻射以及在風(fēng)、雨、冰雹等惡劣的外部環(huán)境作用下，更容易開(kāi)裂、空鼓甚至脫落。

2.2 溫度作用下外墻外保溫系統(tǒng)劣化

溫度應(yīng)力是影響外墻外保溫系統(tǒng)耐久性的重要因素［35］。溫差較大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成脹縮變形，變形受到約束會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)造成外墻外保溫系統(tǒng)開(kāi)裂［36-37］。不同材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)存在差異，各層不協(xié)調(diào)變形使層間產(chǎn)生剪應(yīng)力，超過(guò)層間抗剪強(qiáng)度使外墻外保溫系統(tǒng)發(fā)生黏結(jié)失效。夏季高溫條件下，防護(hù)層受壓應(yīng)力作用，易出現(xiàn)與其他功能層部分脫離的空鼓現(xiàn)象；冬季低溫條件下，防護(hù)層受拉應(yīng)力作用，易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象［38］。

目前，學(xué)者們通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)研究對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的溫度作用進(jìn)行了研究。王家赫等［39］通過(guò)對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的數(shù)值模擬和耐候性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)抗裂砂漿層的外表面裂縫數(shù)量與溫度應(yīng)力相關(guān)，溫度應(yīng)力越大裂縫數(shù)量越多。任玲玲等［40］通過(guò)分析EPS板薄抹灰外墻外保溫復(fù)合墻體在夏季極端環(huán)境下的熱耦合作用，發(fā)現(xiàn)高溫后淋雨，抹面砂漿層溫度下降劇烈，最容易導(dǎo)致開(kāi)裂。李勝才等［41］發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)外保溫墻體在溫度和荷載耦合作用下，飾面層處于三向應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)砂漿面層內(nèi)主應(yīng)力大于材料的抗拉界限時(shí)，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致飾面層開(kāi)裂。顧斌等［42］模擬太陽(yáng)輻射對(duì)帶有窗洞的EPS 外保溫系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)窗洞四角部位的面層極易產(chǎn)生斜向裂縫，上下部位的面層易產(chǎn)生豎向裂縫，左右部位的面層易產(chǎn)生水平向裂縫。但對(duì)于外墻外保溫系統(tǒng)溫差作用下溫度應(yīng)力的計(jì)算方法及抗溫度應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法尚未發(fā)現(xiàn)有系統(tǒng)的研究成果。

2.3 水作用下外墻外保溫系統(tǒng)劣化

外墻外保溫系統(tǒng)中水的來(lái)源主要有兩種途徑：一種是水汽遷移，水蒸氣分子會(huì)從壓力高的一側(cè)通過(guò)墻體向壓力低的一側(cè)遷移，遇冷會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，存留在外墻外保溫系統(tǒng)內(nèi)；另一種是裂縫滲水，飾面層產(chǎn)生的裂縫為雨水的滲透提供了途徑。水的存在會(huì)對(duì)材料強(qiáng)度和層間黏結(jié)強(qiáng)度造成不利影響。

1）干縮濕脹

外墻外保溫系統(tǒng)各層材料普遍存在干縮濕脹現(xiàn)象，濕膨脹系數(shù)不盡相同，吸水率也有很大差異，導(dǎo)致各層材料的吸濕（水）膨脹變形相差較大［43］。垂直墻面方向的不均勻變形會(huì)導(dǎo)致層間黏結(jié)失效，造成空鼓。平行墻面方向的不均勻變形會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂或褶皺。因此，國(guó)際上一般將保溫材料的體積吸水率控制在10%以下［44］，而無(wú)機(jī)保溫砂漿屬于高吸水率的保溫材料，體積吸水率一般在20%～50%，雖然有學(xué)者為降低無(wú)機(jī)保溫砂漿材料的吸水率進(jìn)行了一些研究［45-46］，但實(shí)際工程中無(wú)機(jī)保溫砂漿材料的吸水率仍較難控制。目前，關(guān)于各種保溫材料的濕膨脹系數(shù)缺乏深入研究，尤其對(duì)于無(wú)機(jī)保溫砂漿材料，應(yīng)進(jìn)一步明確吸濕（水）膨脹對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的影響。

2）生物侵蝕

水分是霉菌、藍(lán)細(xì)菌、菌藻類(lèi)等生物生長(zhǎng)繁殖的必要因素，外墻外保溫系統(tǒng)吸水（濕）利于此類(lèi)生物的生長(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)一系列負(fù)面影響。Lamas等［47-48］提出地衣中的真菌和藻類(lèi)在材料基質(zhì)上穿插生長(zhǎng)，會(huì)對(duì)建筑材料本身產(chǎn)生直接的機(jī)械損害作用。Fry［49］提出地衣中菌體的脹-縮作用會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的機(jī)械力，對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的物理破壞。Ascaso［50］和Wierzchos 等［51］證實(shí)了地衣菌體會(huì)捕獲基質(zhì)上松動(dòng)、剝蝕的碎屑，容易造成強(qiáng)度較低的外墻外保溫系統(tǒng)劣化。

3）凍融循環(huán)

冬季寒冷地區(qū)水的凍融循環(huán)會(huì)對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害。王業(yè)中［52］、許景欣［53］和史建軍［54］均對(duì)常用的保溫材料進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證了黏結(jié)強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)增加而降低的變化規(guī)律。劉元珍等［55］研究了凍融循環(huán)作用下玻化微珠保溫砂漿的抗拉黏結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果表明，拉伸黏結(jié)強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈線(xiàn)性下降趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)100 次凍融循環(huán)，抗拉黏結(jié)強(qiáng)度損失36.4%。殷明［56］研究了黏結(jié)強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，并推導(dǎo)出了黏結(jié)強(qiáng)度損失公式。王亞群［57］研究了凍融循環(huán)條件下，保溫層與黏結(jié)砂漿的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度變化和破壞斷裂機(jī)理，結(jié)果表明，黏結(jié)砂漿在硬化收縮時(shí)會(huì)出現(xiàn)微小的孔隙和裂紋，凍融循環(huán)時(shí)水汽會(huì)進(jìn)入孔隙，低溫狀態(tài)下水汽凝結(jié)成冰膨脹，在保溫板和黏結(jié)界面處產(chǎn)生應(yīng)力，反復(fù)累積后微小的裂紋變大、孔隙變大，降低了保溫板與黏結(jié)砂漿界面處黏結(jié)強(qiáng)度。

2.4 風(fēng)壓作用下外墻外保溫系統(tǒng)疲勞劣化

外墻外保溫系統(tǒng)在正負(fù)風(fēng)壓長(zhǎng)期反復(fù)作用下，會(huì)產(chǎn)生疲勞累積損傷。尤其風(fēng)動(dòng)力作用下的“卡門(mén)渦街”［58］交替脫落頻率與保溫系統(tǒng)的物理聲學(xué)頻率相近，易產(chǎn)生聲學(xué)共振［59］，造成外墻外保溫系統(tǒng)的塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致保溫層與其他材料層的剝離。張瑞［60］對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)錨栓的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建立了基于支持向量機(jī)的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化（SRM）準(zhǔn)則回歸預(yù)測(cè)模型，探討了外墻外保溫系統(tǒng)錨栓在不同影響因素下的疲勞性能。蘇思麗［61］采用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法，對(duì)混凝土外墻外保溫系統(tǒng)中錨栓的抗拉承載力和疲勞性能進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的安全性能和疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估。目前，對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)在風(fēng)荷載作用下的疲勞性能研究仍較少，相關(guān)理論有待完善。

總體來(lái)講，現(xiàn)有研究對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)單一劣化機(jī)理關(guān)注較多，取得了豐富的研究成果。但外墻外保溫系統(tǒng)同時(shí)受多種劣化因素的作用，多因素復(fù)合或耦合作用下劣化機(jī)理研究較少，劣化后性能評(píng)估也有待進(jìn)一步研究。

3 外墻外保溫系統(tǒng)脫落風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估

既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)存量大，由于施工質(zhì)量缺陷或長(zhǎng)期劣化損傷等，存在脫落風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警整治迫在眉睫。

3.1 缺陷檢測(cè)方法

在實(shí)際檢測(cè)中，采用傳感器測(cè)力系統(tǒng)測(cè)試外墻系統(tǒng)拉伸粘結(jié)強(qiáng)度；局部破損觀測(cè)玻纖網(wǎng)構(gòu)造和錨栓數(shù)量；采用鉆芯取樣法測(cè)抗裂砂漿厚度。外墻外保溫系統(tǒng)水漬、開(kāi)裂、褶皺等可視損傷可直接用肉眼觀測(cè)。近年來(lái)隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，采用圖像識(shí)別技術(shù)檢視外墻損傷可以提高檢測(cè)效率［62］。對(duì)于外墻外保溫系統(tǒng)內(nèi)部存在的空鼓缺陷，可采用敲擊法［63-64］、紅外熱像法［65］、探地雷達(dá)法［66］等方法進(jìn)行檢測(cè)。但紅外熱像法一般無(wú)法量化缺陷尺寸、形狀、位置和嚴(yán)重程度［67］，敲擊法和探地雷達(dá)法等精確檢測(cè)方法尚無(wú)法大面積、高效率檢測(cè)。因此，高效且精確的外墻外保溫系統(tǒng)空鼓缺陷檢測(cè)方法及裝備有待進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。

3.2 脫落風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)是指某種特定的危險(xiǎn)事件（事故或意外事件）發(fā)生的可能性與其產(chǎn)生的后果的組合［68］。工程中風(fēng)險(xiǎn)分析的方法有多種，基本思路是先識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)再進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［69］。工程中的風(fēng)險(xiǎn)因素大多難以量化，工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中多采用定性分析法或定性定量相結(jié)合的分析方法。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)既有建筑幕墻安全風(fēng)險(xiǎn)較為重視，趙鳴等［70-71］用模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)玻璃幕墻的安全性能進(jìn)行評(píng)判，給出了玻璃幕墻安全評(píng)定因素集的構(gòu)成及其隸屬度函數(shù)的表達(dá)式。譚明權(quán)［72］從既有建筑幕墻固有風(fēng)險(xiǎn)和幕墻墜落物潛在風(fēng)險(xiǎn)兩方面展開(kāi)研究，構(gòu)建了既有建筑幕墻固有安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了一種針對(duì)既有建筑幕墻固有風(fēng)險(xiǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)模型，定量評(píng)價(jià)了幕墻脫落所導(dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)。以上研究對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)脫落風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)價(jià)的研究具有重要的參考價(jià)值。

對(duì)于外墻外保溫系統(tǒng)脫落風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估的研究較少，劉煜琪［73］采用分層分級(jí)評(píng)價(jià)法建立了外保溫系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的黏結(jié)性能和錨固性能等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。上海市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《外墻外保溫系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-2310—2019）［74］規(guī)定對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，以空鼓面積和單項(xiàng)材料評(píng)級(jí)作為控制項(xiàng)，其中一項(xiàng)不滿(mǎn)足即定為D級(jí)；如滿(mǎn)足控制項(xiàng)，再以飾面材料、護(hù)面材料、保溫材料和黏結(jié)錨固材料的分?jǐn)?shù)區(qū)間確定評(píng)估等級(jí)，作為外墻外保溫系統(tǒng)修復(fù)的依據(jù)。但以上評(píng)價(jià)方法仍較為籠統(tǒng)，且缺乏理論依據(jù)，無(wú)法量化外墻外保溫系統(tǒng)的脫落風(fēng)險(xiǎn)。

4 外墻外保溫系統(tǒng)修復(fù)

為了延長(zhǎng)外墻外保溫系統(tǒng)的使用壽命，修復(fù)裂縫、空鼓等損傷，消除外墻外保溫系統(tǒng)的脫落風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)是行之有效的方法。

4.1 裂縫修復(fù)

飾面層開(kāi)裂是外墻外保溫系統(tǒng)常見(jiàn)的損傷，如果不及時(shí)加以修復(fù)會(huì)引發(fā)外墻外保溫系統(tǒng)滲水、空鼓甚至脫落等進(jìn)一步損傷。

繆士勇等［75］根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因，將聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)的裂縫分為基層結(jié)構(gòu)、保溫層缺陷引起的表面裂縫以及保溫層上抹面砂漿層裂縫，并針對(duì)性地對(duì)基層和保溫層進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)和加固處理。對(duì)于基層結(jié)構(gòu)造成的墻體裂縫，劉德平［76］對(duì)填充墻、承重墻的裂縫種類(lèi)進(jìn)行分析鑒定，并提出了修復(fù)與防治方法。高學(xué)芹［77］根據(jù)裂縫寬度不同對(duì)外墻飾面層和抹面層裂縫分別采取“打毛處理+耐水膩?zhàn)?網(wǎng)格布”和“剝離抹面層+抹面膠漿+網(wǎng)格布+抗裂砂漿+耐水膩?zhàn)印眱煞N方式進(jìn)行處理。任偉［78］提出若飾面層有少量表面性淺裂縫應(yīng)清除裂縫中的雜質(zhì)，可以用柔性補(bǔ)縫材料修補(bǔ)；若飾面層出現(xiàn)大量龜裂或嚴(yán)重裂縫，應(yīng)鏟除裂縫區(qū)域飾面層重做?？傮w來(lái)講，淺層裂縫修補(bǔ)較容易，深層裂縫需要分析裂縫成因并采取相應(yīng)的修復(fù)方法。

4.2 空鼓修復(fù)

保溫材料抗拉強(qiáng)度不足和各層間脫黏均會(huì)導(dǎo)致層間空鼓。空鼓面積越大，所剩黏結(jié)面積越小，減小到一定程度后，黏結(jié)力難以抵抗自重和外荷載，會(huì)導(dǎo)致外墻外保溫系統(tǒng)脫落。因此，對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)空鼓進(jìn)行修復(fù)是預(yù)防外墻外保溫系統(tǒng)脫落的重要措施。

尚樹(shù)寶等［79］使用單組分聚氨酯發(fā)泡膠注入保溫系統(tǒng)內(nèi)的粘貼層進(jìn)行發(fā)泡黏結(jié)，加強(qiáng)保溫層之間的黏結(jié)強(qiáng)度，稱(chēng)為“內(nèi)粘法”。該方法可適用于外保溫系統(tǒng)粘貼不牢、脫膠且無(wú)法拆除重粘的墻面。劉思琪［80］采用錨栓加固既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)，使其由“以粘為主，以錨為輔”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙藻^為主，以粘為輔”的外墻外保溫系統(tǒng)。

4.3 整體修復(fù)

為指導(dǎo)外墻外保溫系統(tǒng)的加固修繕，《既有建筑外墻外保溫改造技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 574—2019）［81］提出了外墻外保溫系統(tǒng)工程的鑒定評(píng)估、改造設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收及維保的基本原則。上海市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《外墻外保溫系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-2310—2019）［74］在外墻外保溫系統(tǒng)質(zhì)量技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)的基礎(chǔ)上給出了針對(duì)不同質(zhì)量技術(shù)狀況的外保溫系統(tǒng)的加固修復(fù)方法，包括局部置換、局部薄層原位、整體薄層原位、整體厚層原位和整體置換等修復(fù)方法。

此外，孫志強(qiáng)等［82］通過(guò)金屬外墻保溫裝飾板、錨固件和龍骨的結(jié)合，將保溫裝飾系統(tǒng)整體懸掛在建筑外墻上，無(wú)須整體鏟除、層層注漿等工序，不受既有保溫系統(tǒng)缺陷情況的影響，適用性強(qiáng)。該方法本質(zhì)上是重做外保溫系統(tǒng)的一種方式。

綜上所述，關(guān)于外墻外保溫系統(tǒng)修復(fù)方法的研究取得了一定的進(jìn)展，但多數(shù)情況下，局部裂縫和輕微的空鼓難以引起人們的注意，直到發(fā)生嚴(yán)重的空鼓甚至脫落才會(huì)采取相應(yīng)的修復(fù)措施。因此有必要對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)加強(qiáng)階段性的巡查和修復(fù)。對(duì)于損傷嚴(yán)重的外墻外保溫系統(tǒng)，實(shí)際工程中多采用局部置換或整體置換修復(fù)，而置換修復(fù)工作量大，環(huán)境污染嚴(yán)重，影響居民生活。更棘手的問(wèn)題在于，外墻外保溫系統(tǒng)在多數(shù)城市被禁止使用，而置換修復(fù)鏟除外墻外保溫系統(tǒng)后，無(wú)法恢復(fù)原來(lái)的保溫系統(tǒng)，只能退而求其次，使用反射隔熱涂料，而這種節(jié)能外墻只在夏天有反射隔熱效果，冬天無(wú)法取得保溫效果，因此，開(kāi)發(fā)更安全方便的原位修復(fù)方法是解決該問(wèn)題的有效途徑。

5 結(jié)論與展望

外墻外保溫系統(tǒng)自引入國(guó)內(nèi)以來(lái)，發(fā)展坎坷，遇到各種難題，發(fā)展出了多種類(lèi)型的外墻外保溫系統(tǒng)，同時(shí)也出現(xiàn)了各種新的社會(huì)問(wèn)題，最終外墻外保溫系統(tǒng)在多數(shù)大城市被限制使用。但既有建筑中外墻外保溫系統(tǒng)存量巨大，面對(duì)眾多突出的問(wèn)題，相關(guān)研究應(yīng)受到更多重視和關(guān)注。本文通過(guò)對(duì)既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)脫落風(fēng)險(xiǎn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)得到以下結(jié)論：

（1）既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)種類(lèi)多樣，不同保溫材料性能具有較大差異。巖棉板、玻璃棉板的可粘性和表觀質(zhì)量較差，主要依賴(lài)錨栓固定；EPS 板、XPS 板和PU 板透氣性差；水泥基類(lèi)的保溫材料柔性差，施工容易產(chǎn)生不均勻收縮應(yīng)力，形成干縮裂縫。裂縫為水的滲入提供了通道，水泥基保溫砂漿吸水率較大，在濕脹干縮過(guò)程中會(huì)造成更嚴(yán)重的破壞。

（2）既有建筑主要通過(guò)界面處理劑、膠粘劑、錨栓等措施防止外墻外保溫系統(tǒng)的脫落?，F(xiàn)有的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法（指標(biāo)要求試驗(yàn)評(píng)價(jià)法）無(wú)法對(duì)既有建筑的外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)性能進(jìn)行評(píng)估；相關(guān)規(guī)范未形成外墻外保溫系統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法。盡管外墻外保溫系統(tǒng)在新建建筑中已不再使用，但完善外墻外保溫系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)方法對(duì)于既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)的安全性評(píng)估具有重要意義。建筑結(jié)構(gòu)中的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法可為外墻外保溫系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)作參考。

（3）通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，黏結(jié)強(qiáng)度不足和構(gòu)造缺陷是既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)的主要缺陷，其中構(gòu)造缺陷包括玻纖網(wǎng)構(gòu)造不足、錨栓個(gè)數(shù)不足和抗裂砂漿厚度不足。這些缺陷的存在使外墻外保溫系統(tǒng)更易遭受外界惡劣環(huán)境的侵蝕，從而導(dǎo)致開(kāi)裂、空鼓甚至脫落。研究外墻外保溫系統(tǒng)的劣化機(jī)理和計(jì)算方法，如溫度應(yīng)力、干縮濕脹、凍融循環(huán)等作用下的劣化規(guī)律和計(jì)算方法，對(duì)其使用壽命預(yù)測(cè)和安全性評(píng)估均有重要價(jià)值。

（4）既有建筑外墻外保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)年限一般為25 年，多數(shù)已經(jīng)到期或即將到期，面臨巨量的外墻外保溫系統(tǒng)的檢測(cè)工作。而目前的檢測(cè)方法的精度和效率難以兼顧，基于人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)高效率、高精度的檢測(cè)方法及裝備可有效解決該問(wèn)題。

（5）由于外墻外保溫系統(tǒng)缺乏安全性設(shè)計(jì)理論，對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)估也無(wú)從下手，目前的評(píng)估方法較為籠統(tǒng)，且缺乏理論依據(jù)，無(wú)法量化外墻外保溫系統(tǒng)的脫落風(fēng)險(xiǎn)，更無(wú)法鑒定后續(xù)使用年限。因此相關(guān)的研究有待進(jìn)一步深入。

（6）目前的修復(fù)方法主要以置換修復(fù)為主，存在工作量大、環(huán)境污染嚴(yán)重、影響居民生活的缺點(diǎn)，由于多數(shù)城市外墻外保溫系統(tǒng)已被禁止使用，因此置換后難以達(dá)到原有的保溫效果，開(kāi)發(fā)更安全方便的原位修復(fù)方法是解決該問(wèn)題的有效途徑。