路國(guó)忠 ，鄭學(xué)松 ，劉月 ，惠博 ，張遵乾

（1.固廢資源化利用與節(jié)能建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100041；2.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 前言

國(guó)內(nèi)建筑外墻外保溫系統(tǒng)以聚苯板薄抹灰系統(tǒng)為主，由于聚苯板薄抹灰系統(tǒng)的主體保溫材料為有機(jī)可燃聚苯乙烯泡沫材料，如EPS、XPS，這類(lèi)保溫材料易燃燒、煙霧大、毒性大，且耐火性極差，在80℃開(kāi)始產(chǎn)生熔融變形后滴落，以其作為外墻外保溫的建筑一旦失火很難撲救，除了因?yàn)榫郾揭蚁┡菽牧媳旧淼囊兹夹灾?，其受熱快速收縮和熔滴而引起的煙囪效應(yīng)和敞開(kāi)效應(yīng)也是火災(zāi)迅速蔓延的關(guān)鍵[1-4]。

改性玻璃棉板作為一種高效的無(wú)機(jī)保溫材料，與有機(jī)聚苯乙烯、聚氨酯等泡沫保溫材料相比，具有不燃（A級(jí)），不具備火焰點(diǎn)火性和傳播性的特點(diǎn)，且其密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、防火、無(wú)毒、化學(xué)性能穩(wěn)定、使用周期長(zhǎng)，是一種理想的保溫材料，可廣泛應(yīng)用于建筑等各個(gè)行業(yè)。改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)的抗風(fēng)荷載性能、耐侯性、抗沖擊強(qiáng)度等性能均符合JG 144—2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》的指標(biāo)要求。

1 保溫系統(tǒng)的材料組成及構(gòu)造

1.1 材料組成

玻璃棉板是以碎玻璃、石英砂、白云石、純堿、硼砂等原料熔成玻璃流體，再將其纖維化，經(jīng)過(guò)噴施特殊的熱固性粘合劑壓制形成的板狀保溫材料，如圖1所示。

圖1 玻璃棉板裸板

將玻璃棉板應(yīng)用于建筑外墻外保溫系統(tǒng)中，具有良好的防火阻燃、保溫節(jié)能和隔聲降噪的性能，但也存在一些問(wèn)題：一是玻璃棉板本身垂直于板面方向的抗拉強(qiáng)度較低，普遍低于7 kPa；二是防水耐堿性能比較差，在堿性環(huán)境中易受侵蝕，造成強(qiáng)度大幅下降。針對(duì)強(qiáng)度低的問(wèn)題，我們采用對(duì)玻璃棉板進(jìn)行經(jīng)緯向縫制的方法提高其垂直于板面方向的抗拉強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)縫制，垂直于板面方向的抗拉強(qiáng)度可提高到15 kPa以上，如圖2所示。

圖2 經(jīng)緯向逢制的玻璃棉板

針對(duì)防水耐堿性能差的問(wèn)題，采用防水耐堿界面劑將玻璃棉板6面進(jìn)行包覆的方法，提高其防水性能，同時(shí)隔絕玻璃棉板與堿性環(huán)境的接觸，從而提高其耐堿性能，改性玻璃棉板見(jiàn)圖3。

圖3 改性玻璃棉板

1.2 系統(tǒng)構(gòu)造

本文中改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)以厚度不小于50 mm，密度為100 kg/m3的玻璃棉板為主要保溫材料，配合玻璃棉板專(zhuān)用砂漿、耐堿玻纖網(wǎng)等材料，再加托架、錨栓等輔助材料，形成堅(jiān)固一體的建筑外墻外保溫系統(tǒng)，改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)的基本構(gòu)造見(jiàn)圖4。

圖4 改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造

1.3 系統(tǒng)性能特點(diǎn)

1.3.1 從體系設(shè)計(jì)角度保證系統(tǒng)的連接安全性

通過(guò)工廠預(yù)處理手段提高玻璃棉板的強(qiáng)度、防水性和耐堿性；通過(guò)雙層增強(qiáng)網(wǎng)、錨栓、托架方式提高外墻外保溫系統(tǒng)機(jī)械連接強(qiáng)度；通過(guò)柔性找平砂漿、保溫板界面處理改善施工操作性，降低對(duì)施工人員的健康危害；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)適應(yīng)體系構(gòu)造。

1.3.2 高性能的配套材料確保體系長(zhǎng)效耐久性

從保溫體系構(gòu)造出發(fā)，與玻璃棉板配套使用的有專(zhuān)用界面劑、聚合物粘結(jié)砂漿、柔性找平砂漿、聚合物抹面砂漿和飾面材料，其中專(zhuān)用界面劑兼具防水、增強(qiáng)的功效，柔性找平砂漿兼具找平、保溫補(bǔ)償?shù)墓πА?/p>

1.3.3 保溫性能好

外保溫用玻璃棉板的導(dǎo)熱系數(shù)在0.033 W/（m·K）左右，柔性找平砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.060 W/（m·K），兩者復(fù)合使用可使整個(gè)系統(tǒng)具有相當(dāng)好的保溫性能，同時(shí)柔性找平砂漿還可對(duì)玻璃棉板無(wú)法處理的部位及熱橋部位起到補(bǔ)充保溫和阻斷熱橋的作用。

1.3.4 優(yōu)異的防火性能

玻璃棉保溫板為A級(jí)不燃材料，整個(gè)系統(tǒng)具有非常優(yōu)異的防火功能，對(duì)保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)起到很好的作用。

1.3.5 抗沖擊性能優(yōu)越

玻璃棉板具有一定的彈性和較高的回彈率，同時(shí)，該系統(tǒng)中還使用2層耐堿玻纖網(wǎng)格布，形成雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，因而具有較好的抗沖擊性能。

1.3.6 對(duì)主體結(jié)構(gòu)變形適應(yīng)能力強(qiáng)、抗裂性能好

玻璃棉板是一種柔性變形量較大的材料，抵抗外界變形能力強(qiáng)。在外力和溫度變形、干濕變形等作用下，變形量都比較小，而且變形后回彈能力強(qiáng)，有效地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐久性。同時(shí)，整個(gè)外墻外保溫系統(tǒng)是一個(gè)柔性漸變、逐層釋放應(yīng)力的柔性抗裂系統(tǒng)，具有很好的抗裂性能。

2 改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)主要材料的性能研究

改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)的核心材料是改性玻璃棉板，但施工技術(shù)的關(guān)鍵在于其粘結(jié)砂漿、抹面砂漿的性能。一般采用聚合物改性水泥砂漿配制的粘結(jié)砂漿和抹面砂漿來(lái)滿足施工的要求。

2.1 粘結(jié)砂漿的試驗(yàn)研究

本試驗(yàn)采用的單組份砂漿是將粉狀聚合物與水泥、砂等材料混合而成的干混料，使用時(shí)只需按適當(dāng)比例加水，攪拌均勻即可。實(shí)驗(yàn)用主要原材料為：P·O42.5普通硅酸鹽水泥；石英砂，為40～70目；礦物摻料為Ⅱ級(jí)粉煤灰；膠粉1為可再分散性乳膠粉5010N，膠粉2為可再分散性乳膠粉5044N；纖維素醚為羥丙基甲基纖維素HPMC。單組份粘結(jié)砂漿的原材料配比及性能測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

由表1和表2可看出：（1）膠粉的加入可使粘結(jié)砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度提高、耐水性能改善。（2）灰砂比也是影響脆性系數(shù)的重要參數(shù)，灰砂比為1∶1～1∶2.5時(shí)，粘結(jié)砂漿與玻璃棉板的粘結(jié)接強(qiáng)度無(wú)明顯變化，但與水泥基的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸提高。所以一般選用灰砂比為1∶2.5最佳。（3）1#配方與3#配方對(duì)比可以看出，膠粉2的加入有明顯的促凝作用，縮短了聚合物水泥砂漿的凝結(jié)時(shí)間。（4）1#與8#配方對(duì)比可知，纖維素醚的加入對(duì)水泥砂漿的可操作時(shí)間以及粘結(jié)強(qiáng)度影響不大。

表1 粘結(jié)砂漿的實(shí)驗(yàn)配比

表2 粘結(jié)砂漿的性能測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，我們從以上試驗(yàn)結(jié)果中選擇1#配比制樣送質(zhì)檢部門(mén)進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。

表3 粘結(jié)砂漿優(yōu)選配比的性能檢測(cè)結(jié)果

從表3可以看出，可再分散膠粉與水泥砂漿及其助劑優(yōu)化配制而成的單組份粘結(jié)砂漿，與改性玻璃棉板和水泥砂漿都具有較好的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，均符合JGJ 144—2014《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》的要求。

2.2 抹面砂漿的試驗(yàn)研究

抹面砂漿試驗(yàn)礦物摻合料為Ⅱ級(jí)粉煤灰，膠粉為可再分散性乳膠粉5044N，憎水劑為硬脂酸鈣，纖維素醚為羥丙基甲基纖維素HPMC，抗裂劑為長(zhǎng)度3～5 mm的聚丙烯纖維。抹面砂漿試驗(yàn)配比見(jiàn)表4。為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，選擇表4中3#配比制樣送質(zhì)檢部門(mén)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。

從表4和表5可以看出：

（1）抹面砂漿的壓折比隨著水泥用量的增大而增大，隨膠粉及纖維增強(qiáng)材料摻量的增加而減小。

（2）對(duì)比 1#、2#、6#和 7#配方可以看出，灰砂比為 1∶2.6 時(shí)壓折比最小。

（3）通過(guò)聚合物及纖維增強(qiáng)材料改性后，抹面砂漿具有較高的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和較好的抗沖擊性。

水泥砂漿與可再分散乳膠粉及其它助劑優(yōu)化配制而成的單組份抹面砂漿，與改性玻璃棉板具有較好的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度（包括原強(qiáng)度、耐水及耐凍融拉伸粘結(jié)強(qiáng)度），符合JGJ 144—2014《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》的要求。

表4 抹面砂漿的試驗(yàn)方案

表5 抹面砂漿的性能檢測(cè)結(jié)果

2.3 界面劑的研制

由于玻璃棉板長(zhǎng)期暴露在空氣中，其面層上的細(xì)小纖維易脫落扎人，給施工工人造成痛癢感，為施工帶來(lái)不便，因此，在玻璃棉板上墻前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行界面處理。界面處理劑是以水泥、細(xì)骨料為主要原材料，以聚合物和添加劑等為改性材料并以適當(dāng)配比混合而成，涂抹在改性玻璃棉板6個(gè)表面，這樣處理不僅可防止玻璃棉板面層的細(xì)小纖維到處飛揚(yáng)，還可提高改性玻璃棉板的防水性能，阻斷改性玻璃棉板從找平層吸水的路徑，保證找平材料不會(huì)因過(guò)快失水而開(kāi)裂，并且有利于提高找平材料與改性玻璃棉板表面的粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而保證整個(gè)外墻外保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

采用界面劑6面包覆玻璃棉板的方法，在提高防水性的同時(shí)，隔絕玻璃棉板與水泥材料的接觸，提高玻璃棉板的耐堿性。普通玻璃纖維與涂覆界面劑的玻璃纖維的耐堿電鏡照片如圖5、圖6和圖7所示。

從圖5～圖7可以看出，經(jīng)堿液浸泡后，普通玻璃纖維腐蝕較為嚴(yán)重，基本破壞了其組織結(jié)構(gòu)，而涂覆界面劑的玻璃纖維在堿液浸泡后變化不大，耐堿性顯著提高。

3 改性玻璃棉板及外墻外保溫系統(tǒng)性能

3.1 改性玻璃棉板的性能研究

3.1.1 強(qiáng)度

玻璃棉板裸板和縫制板的垂直抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

圖5 普通玻璃棉的電鏡照片

圖6 堿液浸泡后玻璃棉的電鏡照片

圖7 界面劑涂覆的玻璃棉耐堿電鏡照片

表6 玻璃棉板的拉拔與壓縮強(qiáng)度

由表6可見(jiàn)，玻璃棉板的垂直抗拉強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度隨著其密度的增加有逐漸提高的趨勢(shì)，但玻璃棉板的密度不能無(wú)限制增大，因此利用高強(qiáng)度的纖維沿玻璃棉板經(jīng)緯向縫制的方法提高玻璃棉板的強(qiáng)度是可行的，其垂直于板面方向的抗拉強(qiáng)度提高到15 kPa以上。

3.1.2 不燃性

玻璃棉板應(yīng)用于建筑外保溫，最大的優(yōu)勢(shì)在于其不燃性，燃燒性能可達(dá)到A級(jí)不燃，但是這與玻璃棉板制造過(guò)程中施膠量有很大的關(guān)系，當(dāng)施膠量過(guò)大，不燃性下降，而施膠量過(guò)小，玻璃棉板的強(qiáng)度又達(dá)不到要求。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，在保證玻璃棉板強(qiáng)度達(dá)到要求的前提下，確定其施膠量為9%時(shí)，不燃性實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：△T=15.0℃，且△m=12.3%，且tf=0，符合GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》規(guī)定的A級(jí)指標(biāo)：△T≤30℃，且△m≤50%，且 tf=0。

3.2 外墻外保溫系統(tǒng)的性能研究

3.2.1 系統(tǒng)耐候性

按照J(rèn)GJ 144—2014和北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/T 1117—2014《玻璃棉板外墻外保溫施工技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行外墻外保溫系統(tǒng)的耐候性試驗(yàn)。系統(tǒng)模型經(jīng)養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后，按自左到右順序分為3部分，左側(cè)為瓷磚飾面、中間為裝飾砂漿飾面、右側(cè)為涂料飾面（見(jiàn)圖8）。

在經(jīng)歷熱/雨周期80次循環(huán)并放置48 h后，經(jīng)熱/冷周期5次循環(huán)后，外墻磚表面均無(wú)裂紋，剝落現(xiàn)象，彩色砂漿和白色涂料飾面表面均無(wú)裂紋、粉化、剝離現(xiàn)象，窗均未損壞且無(wú)與其相連的裂紋，防護(hù)面層與玻璃棉板間的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度為26 kPa，符合JGJ 144—2014和DB 11/T 1117—2014的規(guī)定要求。

圖8 耐候性測(cè)試完成后系統(tǒng)及窗口狀態(tài)

3.2.2 抗風(fēng)壓

抗風(fēng)壓試驗(yàn)按照J(rèn)GJ 144—2014和DB 11/T 1117—2014進(jìn)行，按工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的最大負(fù)荷風(fēng)載設(shè)計(jì)值W降低2 kPa，開(kāi)始循環(huán)加壓，每增加1 kPa做1個(gè)循環(huán)，直至破壞。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)壓試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 吸水量

吸水量測(cè)試按照J(rèn)GJ 144—2014和DB11/T 1117—2014進(jìn)行。用天平稱(chēng)量制備好的試樣質(zhì)量，然后將試樣抹面砂漿的一面向下平穩(wěn)地進(jìn)入室溫水中，浸水深度等于抹面層的厚度，浸入水中時(shí)表面完全潤(rùn)濕。浸泡24 h取出后用濕毛巾迅速擦去試樣表面的水份，測(cè)其質(zhì)量并計(jì)算浸泡24 h吸水量。

玻璃棉外墻外保溫系統(tǒng)有飾面層24h吸水量為257g/m2，無(wú)飾面層24 h吸水量為450 g/m2，均符合JGJ 144—2014和DB11/T 1117—2014中≤500 g/m2的規(guī)定。

3.2.4 抗沖擊強(qiáng)度

按照J(rèn)GJ 144—2014中附錄A.5的要求進(jìn)行抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 玻璃棉外墻外保溫系統(tǒng)抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2.5 耐凍融

耐凍融循環(huán)試驗(yàn)按照J(rèn)GJ 144—2014和北京市地標(biāo)DB11/T 1117—2014進(jìn)行。凍融循環(huán)30次，每次24 h，試樣先在（20±2）℃自來(lái)水中浸泡8 h，試樣浸入水中時(shí)，應(yīng)使抹面層或保護(hù)層朝下，使抹面層浸入水中，并排除試樣表面氣泡；接著在（-20±2）℃冰箱中冷凍16 h；每3次循環(huán)后觀察試樣是否出現(xiàn)裂縫、空鼓、脫落等情況，并做記錄。試驗(yàn)結(jié)束后，狀態(tài)調(diào)節(jié)7 d，再測(cè)試?yán)煺辰Y(jié)強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 玻璃棉外墻外保溫系統(tǒng)耐凍融試驗(yàn)結(jié)果

3.2.6 水蒸氣濕流密度

玻璃棉外墻外保溫系統(tǒng)水蒸氣濕流密度測(cè)試按照J(rèn)GJ 144—2014進(jìn)行。結(jié)果表明，水蒸氣濕流密度為4.45g/（m2·h），符合JGJ 144—2014規(guī)定的≥0.85 g/（m2·h）的要求。

3.2.7 不透水性

按照J(rèn)GJ 144—2014進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果為試樣防護(hù)層內(nèi)側(cè)無(wú)水滲透。

上述各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)的各項(xiàng)性能均符合JGJ 144—2014和DB 11/T 1117—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

4 應(yīng)用推廣

2011～2012年，改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)已經(jīng)在北京市西城區(qū)的節(jié)能改造工程中應(yīng)用，建筑面積60萬(wàn)m2以上，應(yīng)用效果良好。工程應(yīng)用實(shí)例如圖9所示。

圖9 改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

5 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)，針對(duì)改性玻璃板外墻外保溫系統(tǒng)及其主要原料性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，詳細(xì)分析各種添加物對(duì)聚合物砂漿力學(xué)性能的影響，對(duì)裸板與經(jīng)緯向縫制板垂直拉拔強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的耐候性、抗風(fēng)壓性能、吸水性、抗沖擊強(qiáng)度、耐凍融性、水蒸氣濕流密度及不透水性進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。

（1）優(yōu)選出粘結(jié)砂漿與抹面砂漿的合適配比，灰砂比分別為 1∶2.5 和 1∶2.6 時(shí)為佳。

（2）研制了玻璃棉板用界面劑，有效提高了玻璃棉板的防水性和耐堿性。

（3）經(jīng)過(guò)經(jīng)緯向縫制的玻璃棉板相對(duì)于裸板，壓縮強(qiáng)度變化不大，但垂直抗拉強(qiáng)度明顯提高，由7.3 kPa提高到15.6 kPa。

（4）通過(guò)不燃性試驗(yàn)，在保證玻璃棉板強(qiáng)度達(dá)到要求的前提下，確定其施膠量為9%。

（5）對(duì)改性玻璃棉板外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，玻璃棉板及外墻外保溫系統(tǒng)均符合JGJ 144—2014和北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1117—2014規(guī)定要求，且產(chǎn)品在北京市西城區(qū)靈境胡同小區(qū)與萬(wàn)明園小區(qū)的既有建筑節(jié)能改造工程應(yīng)用中取得了良好效果。

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[2]安長(zhǎng)友，陳丹林，黃振利，等.離層建筑耐火外墻外保溫系統(tǒng)技木研究[J].建筑科學(xué)，2008，24（2）：93-106.

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