外墻保溫層不同板材剪切粘接強(qiáng)度測(cè)試研究

摘 要：為了保證建筑中設(shè)置的外墻保溫層具有良好的保溫效果，需要在外墻保溫施工與應(yīng)用之前，研究保溫層的剪切粘接強(qiáng)度。設(shè)計(jì)一種建筑外墻保溫層剪切粘接強(qiáng)度分析試驗(yàn)，準(zhǔn)備試驗(yàn)原料和設(shè)備，制備巖棉板、聚氨酯板、擠塑板、聚苯板4種類型的保溫層試件。按照設(shè)定的剪切力加載方案模擬外墻保溫層的脫落過(guò)程，通過(guò)保溫層表征的觀測(cè)，得出數(shù)據(jù)，計(jì)算設(shè)置剪切粘接強(qiáng)度指標(biāo)的具體取值。結(jié)果表明，巖棉板的剪切粘接強(qiáng)度更高、聚苯板的剪切粘接強(qiáng)度最差，而對(duì)于相同材質(zhì)的外墻保溫層而言，尺寸越大對(duì)應(yīng)保溫層的剪切粘接強(qiáng)度越大。

關(guān)鍵詞：建筑；外墻保溫層；剪切粘接強(qiáng)度；表征觀測(cè)

中圖分類號(hào)：TQ328

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0096-04

Research on shear bonding strength testing of different panels for exterior wall insulation layer

YANG Dongdong

（Xi'an University of Architecture and Technology Huaqing College，Xian 710043，China

）

Abstract：In order to ensure that the external wall insulation layer installed in the building has a good insulation effect，it is necessary to study the shear bonding strength of the insulation layer before the construction and application of external wall insulation.A shear bonding strength analysis test of external wall insulation layer was designed，test materials and equipment were prepared，and four types of insulation layer specimen，including rock wool board，polyurethane board，extruded board，polystyrene board，were produced.According to the set shear loading scheme，the shedding process of the external wall insulation layer was simulated，the data was obtained through the observation of the insulation layer characterization，and the specific value of the shear bonding strength index was calculated.The test results showed that the shear bonding strength of rock wool board was higher，and the shear bonding strength of polystyrene board was the worst，and for the external wall insulation layer of the same material，the larger the size，the greater the shear bonding strength of the insulation layer.

Key words：buildings;external wall insulation layer;shear bond strength;characterization observation

外墻保溫是將保溫層粘貼到主體墻體的外面，在保溫層外面涂上聚合劑砂漿、增強(qiáng)網(wǎng)格布及飾面層［1］。在外墻外設(shè)置隔熱層，既可保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，又可延長(zhǎng)建筑使用壽命，改善外墻受潮情況，節(jié)約供暖能源。在建筑中外墻保溫層剪切粘接強(qiáng)度性能直接決定了建筑的外墻保溫層質(zhì)量，受到熱應(yīng)力、風(fēng)壓、地震力、火災(zāi)等因素的影響，建筑外墻保溫層發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，不僅影響建筑的保溫效果，還可能導(dǎo)致保溫層脫落，帶來(lái)較大的安全隱患。為了保證建筑中設(shè)置的外墻保溫層具有良好的保溫效果，需要在外墻保溫施工與應(yīng)用之前，研究保溫層的剪切粘接強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)部分

為了研究不同類型的建筑外墻保溫層剪切粘接強(qiáng)度，需要設(shè)計(jì)研究試驗(yàn)。目前建筑中使用較多的外墻保溫材料主要為：膨脹聚苯板、擠塑板、硬質(zhì)泡沫聚氨酯板和巖棉板，因此試驗(yàn)中選擇由上述材料為主體的外墻保溫層作為研究對(duì)象。根據(jù)剪切粘接強(qiáng)度的定義，選擇負(fù)載施加與表面觀測(cè)相結(jié)合的方式，研究外墻保溫層的剪切粘接強(qiáng)度，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與指標(biāo)計(jì)算，得出剪切粘接強(qiáng)度的研究結(jié)果。

試驗(yàn)選擇某高層住宅小區(qū)作為研究對(duì)象，總建筑面積約為136 600 m2，民居建筑采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)［2］。該小區(qū)在2022年5月對(duì)該建筑實(shí)現(xiàn)節(jié)能改裝，該工程按節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)65%執(zhí)行，除外擴(kuò)

電梯區(qū)域外，其余建筑外墻均需保溫處理。

1.1 試驗(yàn)材料及指標(biāo)設(shè)備

聚氨酯板作為一種常用的外墻保溫材料，具有較好的保溫性能和強(qiáng)度，因此以聚氨酯板為例進(jìn)行說(shuō)明。

聚醚多元醇（PS3152），工業(yè)級(jí)，

淄博瑞士諾化科技有限公司；

二氯一氟乙烷，工業(yè)級(jí)，

浙江三美化工股份有限公司；

4%氫氟酸凝膠，

浙江三美化工股份有限公司。

聚醚多元醇、聚苯乙烯樹(shù)脂等均屬于聚合物，在高溫高壓環(huán)境下容易發(fā)生分解反應(yīng)，因此需要將部分原料放置在室溫或低溫環(huán)境下保存，同時(shí)試驗(yàn)中所有原料均需要在避光環(huán)境下保存，避免原料變質(zhì)［3］。

綜合考慮外墻保溫層材料制備、應(yīng)力加載以及表面觀測(cè)3個(gè)方面，準(zhǔn)備研究試驗(yàn)所需部分設(shè)備。

TLJ-2型電子攪拌器，

江蘇姜堰市天力醫(yī)療器械有限公司；

BY-121A萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，

北京普桑達(dá)儀器科技有限公司；

RSM-JC（C）加載儀，

實(shí)驗(yàn)室；

BEVS拉拔儀，

實(shí)驗(yàn)室；

穩(wěn)態(tài)熱傳遞性能試驗(yàn)機(jī)（WTRZ系列），

北京普桑達(dá)儀器科技有限公司；

CL-3000位移計(jì)，

實(shí)驗(yàn)室；

JSM-7500F型掃描電子顯微鏡，

日本電子。

根據(jù)設(shè)備的使用步驟，將其分別放置在各個(gè)工作區(qū)域中［4］。在試驗(yàn)開(kāi)始之前，需要調(diào)試所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保證準(zhǔn)備的試驗(yàn)設(shè)備能夠正常運(yùn)行指定步驟，并將調(diào)試后的設(shè)備初始化處理。

1.2 試件制備

通過(guò)原材料制備得到多個(gè)構(gòu)成保溫層的板材，將板材鋪設(shè)、膠粘與固定處理，完成外墻保溫施工工作［5］。建筑外墻保溫層施工流程如圖1所示。

在膨脹聚苯乙烯泡沫板制備過(guò)程中，利用加熱消泡方法處理廢聚苯乙烯，添加一定量的液態(tài)改性劑、發(fā)泡劑、催化劑，上述材料的配比ε可以表示為：

εM=nMNIεb=nbNIεs=nsNI

（1）

式中：nM、nb和ns分別表示改性劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑的摩爾量；NI表示保溫層制備量。

通過(guò)模壓成型［6］，得到帶有微小封閉孔隙的硬聚苯乙烯泡沫板材。將發(fā)泡顆粒放入熟化倉(cāng)，利用干燥設(shè)備，冷卻處理發(fā)泡顆粒，并將其放入板材機(jī)中，通過(guò)加溫加壓將發(fā)泡顆粒生成的板材粘結(jié)在一起，形成膨脹聚苯乙烯泡沫板塊，完成聚苯乙烯保溫層材料的制備。

聚氨酯板采用一步發(fā)泡制備工藝，在恒溫條件下將多元醇、催化劑、發(fā)泡劑、阻燃劑等原料放置在制備容器中，高速攪拌10 s，將初始原料混合均勻［7］。并加入二苯基甲烷二異氰酸酯繼續(xù)攪拌，以此獲得初始原料混合物。通過(guò)流水線設(shè)備處理，將初始原料的混合物放入料罐1中，保持著22 ℃的溫度，將高壓機(jī)混合發(fā)泡放入料罐2中，與料罐1溫度保持一致，將兩料罐中材料的發(fā)泡結(jié)果融合，在40 ℃環(huán)境中層壓處理，得出聚氨酯板的制備結(jié)果。同理可以得出巖棉板和擠塑板的制備結(jié)果。

為了確保對(duì)剪切粘接強(qiáng)度展開(kāi)充分的研究和評(píng)估，通過(guò)在外墻上固定多個(gè)保溫板［8］，并在其之間施加剪切力，可以模擬實(shí)際的應(yīng)力情況，從而準(zhǔn)確地測(cè)量剪切粘接強(qiáng)度。因此，在制備外墻保溫材料后，將其固定在建筑的外墻上，需要準(zhǔn)備的保溫板數(shù)量為：

nI=SbS0

（2）

式中：Sb和S0分別表示待施工的建筑外墻保溫面積和單個(gè)保溫板的面積。

保溫板數(shù)量與保溫層制備量之間存在一定的關(guān)系，保溫板數(shù)量越多，相應(yīng)的保溫層制備量也會(huì)增加。通過(guò)計(jì)算兩者之間的關(guān)系，能夠更全面地評(píng)估保溫層的剪切粘接強(qiáng)度。保溫板數(shù)量nI與保溫層制備量NI之間的關(guān)系可以表示為：

NI=nI·ρ·λ

（3）

式中：ρ和λ分別表示保溫層材料密度及其物質(zhì)的量系數(shù)。

外墻保溫層的施工厚度與剪切粘接強(qiáng)度密切相關(guān)，不同厚度的保溫層可能會(huì)對(duì)剪切粘接強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響。因此，在剪切粘接強(qiáng)度研究時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的保溫層厚度，保溫層的施工厚度設(shè)置為：

h=0.008CQγoop1/2

（4）

式中：設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)為0.008 W/（m·K）；Q為建筑內(nèi)供暖燃料的熱值；C為供暖成本，γoop為能效比。

1.3 剪切力測(cè)試加載方案

在制備外墻保溫材料與設(shè)置施工參數(shù)后，根據(jù)建筑外墻的實(shí)際應(yīng)用情況，分別從正向和側(cè)向2個(gè)角度上施加剪切力［9］，正向剪切力與保溫層試件之間的角度為90°，側(cè)向剪切力與保溫層之間的角度為0°。外墻剪切力的施加方式如圖2所示。

1.4 測(cè)試過(guò)程

在研究試驗(yàn)的最初階段，根據(jù)設(shè)定的剪切力加載方案，采用加載儀向外墻保溫層施加壓力［10-12］，保溫層前端壓縮變形，其抗剪強(qiáng)度值會(huì)隨著變形穩(wěn)定增長(zhǎng)，并且逐漸脫離外墻墻體，初期變形和抗剪強(qiáng)度都比較穩(wěn)定，此階段即為初始變形階段。

持續(xù)施加剪切力，保溫層相對(duì)外墻墻體的位移不斷增加，保溫層前端開(kāi)始伸展，后半部分逐漸剪下，其抗剪強(qiáng)度不再增大，而是逐漸減小，直至保溫層全部脫離外墻墻體，這個(gè)過(guò)程為破壞階段［13-15］。

1.5 試驗(yàn)指標(biāo)設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)外墻保溫層剪切粘接強(qiáng)度的研究，設(shè)置強(qiáng)度指標(biāo)，強(qiáng)度指標(biāo)ψ的計(jì)算公式如下：

ψ=1 000FlLI×WI

（5）

式中：Fl為外墻保溫層脫落時(shí)施加在保溫層上的剪切力，LI和WI分別為外墻保溫層的長(zhǎng)度和寬度。指標(biāo)ψ取值越大，證明對(duì)應(yīng)外墻保溫層的剪切粘接強(qiáng)度越高。

1.6 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

利用Analytics Plus 2.0軟件作為建筑外墻保溫層剪切粘接強(qiáng)度研究試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理工具，該工具能夠自動(dòng)將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視化圖表，以此實(shí)現(xiàn)外墻保溫層剪切粘接強(qiáng)度的研究。

2 結(jié)果與討論

利用試驗(yàn)中準(zhǔn)備的觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)建筑外墻保溫層的表征形態(tài)，01號(hào)巖棉板保溫層試件在初始時(shí)刻和脫落時(shí)刻的表征觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

由圖1可知，巖棉板保溫層的長(zhǎng)度和寬度分別為5 m和20 m，在試驗(yàn)第150 min時(shí)，01號(hào)巖棉板保溫層出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，此時(shí)施加在保溫層上的剪切力為300 N?；谝陨嫌?jì)算式，即可得出當(dāng)前01號(hào)巖棉板保溫層的剪切粘接強(qiáng)度值為3 000 Pa。同理研究其他材質(zhì)和大小的剪切粘接強(qiáng)度，得出的研究數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，在相同長(zhǎng)度、寬度的保溫層試樣中，巖棉板的剪切粘接強(qiáng)度更高，聚苯板的剪切粘接強(qiáng)度最差，而對(duì)于相同材質(zhì)的外墻保溫層而言，尺寸越大對(duì)應(yīng)保溫層的剪切粘接強(qiáng)度越大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)建筑外墻不同類型保溫層材料的剪切粘接強(qiáng)度研究，從中可以看出，巖棉板的剪切粘接強(qiáng)度最好，但在實(shí)際施工過(guò)程中還需考慮材料成本，實(shí)現(xiàn)外墻保溫工作性價(jià)比的最大化。然而在此次試驗(yàn)中只考慮了外墻保溫層的材料、長(zhǎng)度和寬度，但未考慮保溫層厚度，針對(duì)這一問(wèn)題還需要在今后的研究工作中進(jìn)一步補(bǔ)充。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 楊勇，劉顯成.民居建筑外墻圍護(hù)低能耗控制方法仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2022，39（9）：331-335.

［2］ 夏寅飛，鮑宇清，邵珺，等.北京市既有居住建筑節(jié)能改造外墻外保溫材料使用情況分析［J］.建筑技術(shù)，2022，53（5）：579-582.

［3］ 孫石，王正華，史一超，等.既有建筑改造的新型點(diǎn)掛式外墻保溫體系研究［J］.新型建筑材料，2023，50（4）：18-23.

［4］ 吳衛(wèi)國(guó)，胡灝天，劉斌，等.大型郵輪上層建筑舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)造船，2021，62（2）：25-32.

［5］ 劉小軍，郜鑫，潘超釩.MICP固化土遺址裂隙的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2022，55（4）：88-94.

［6］ 李慶華，銀星，郭康安，等.超高韌性水泥基復(fù)合材料與活性粉末混凝土界面剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2022，39（8）：232-244.

［7］ 王建民，李鵬飛，馮楚祥，等.陶粒輕骨料與普通混凝土的黏結(jié)剪切性能［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2022，25（7）：700-707.

［8］ 成浩，曾國(guó)東，周敏，等.考慮粗糙度影響的黏土–混凝土接觸面峰值剪切強(qiáng)度模型研究［J］.工程科學(xué)與技術(shù)，2021，53（4）：168-177.

［9］ 趙凱，李磊，吳琪，等.基于顆粒接觸狀態(tài)理論的砂-礫混合料排水剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2022，30（2）：351-360.

［10］ 劉盈，楊生鳳，周麗娟，等.外墻保溫薄層原位修繕加固系統(tǒng)材料性能研究［J］.新型建筑材料，2022，49（6）：51-55.

［11］ 王烘艷.裝配式建筑外墻拼縫用密封膠的性能分析及施工工藝［J］.粘接，2022，49（2）：12-14.

［12］ 楊明輝，王文筱，鄧波.非飽和砂土-混凝土界面剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2022，19（2）：409-418.

［13］ 高偉，袁婭，徐昊，等.鍍/涂層對(duì)緊固件剪切強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2022（8）：82-86.

［14］ 姚震杰.節(jié)能背景下的建筑外墻保溫層剪切粘接強(qiáng)度研究［J］.粘接，2022，49（11）：42-45.

［15］ 古棟列.納米碳酸鈣對(duì)建筑用硅酮密封膠粘接性能的影響研究［J］.中國(guó)膠粘劑，2021，30（6）：46-50.

收稿日期：2023-10-10；修回日期：2024-01-09

作者簡(jiǎn)介：楊東東（1984-），男，碩士，講師，研究方向：建筑節(jié)能;E-mail：yangdongdong@sina.com。

引文格式：楊東東.外墻保溫層不同板材剪切粘接強(qiáng)度測(cè)試研究

［J］.粘接，2024，51（3）：96-99.