徐長春，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)境國家重點實驗室，北京 100013；2.建科環(huán)能科技有限公司，北京 100013；3.中國建筑科學研究院有限公司，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

我國建筑節(jié)能工作從20世紀80年代初開始發(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)開始執(zhí)行75%和80%的建筑節(jié)能標準。GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標準》的發(fā)布和實施，表明我國已進入超低能耗、近零能耗、零能耗建筑的起步階段[2]。隨著建筑節(jié)能標準的不斷提高，對建筑外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能提出了更高的要求，為了滿足要求，行業(yè)內(nèi)基本采取大幅增加保溫材料厚度的方法來提高熱工性能。以干密度為140kg/m3的無機塑化保溫板為例，要滿足嚴寒地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能要求時，在不考慮修正系數(shù)的情況下，所需無機塑化保溫板的厚度要達到100～300 mm（見表1）。

表1 無機塑化保溫板滿足嚴寒和寒冷地區(qū)外保溫系統(tǒng)不同節(jié)能要求的厚度

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

1 無機塑化保溫板的材料組成及結(jié)構(gòu)

無機塑化保溫板屬于水泥基泡沫混凝土[3]，是以無機膠凝材料為主要原材料，附加化學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行混合并注模，在規(guī)定的時間和環(huán)境條件下養(yǎng)護后進行脫模和切割，制成具有良好塑性的微孔保溫板材。

已有的研究表明[3]，無機塑化保溫板中的無機膠凝材料經(jīng)過水化反應(yīng)后與化學添加劑中的高分子材料發(fā)生物理化學反應(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的膜結(jié)構(gòu)，大大提高微孔封閉性[見圖1（b）]。

圖1 無機塑化保溫板

2 無機塑化保溫板及系統(tǒng)的主要性能

由于無機塑化保溫板的主要組成材料是無機膠凝材料，并且經(jīng)過特殊工藝處理后進行物理化學反應(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，同時也具有較高的強度和優(yōu)異的防火性能。

2.1 保溫性能

選取常用的燃燒性能為A級的巖棉條、熱固復合聚苯板2種保溫材料，選取了3個不同生產(chǎn)廠家，密度均為140kg/m3，測試其導熱系數(shù)和體積吸水率，并與無機塑化保溫板進行對比（見表2）。同時對無機塑化保溫板按薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造制備的試件進行熱阻和傳熱系數(shù)測試，系統(tǒng)構(gòu)件尺寸為1 m×1 m，無機塑化保溫板厚度為300 mm，防護層由抹面砂漿復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（見圖2）。

表2 保溫材料導熱系數(shù)和體積吸水率

圖2 熱阻及傳熱系數(shù)測試構(gòu)件

由表2可見，無機塑化保溫板的導熱系數(shù)與巖棉條、熱固復合聚苯板相差不大，位于二者之間，但無機塑化保溫板的體積吸水率明顯低于巖棉條和熱固復合聚苯板，說明無機塑化保溫板在使用中能夠具有更穩(wěn)定的保溫性能，同時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)脫落的風險。

從無機塑化保溫板外保溫系統(tǒng)構(gòu)件的熱阻和傳熱系數(shù)的測試結(jié)果來看（見表3），300 mm無機塑化保溫板組成的外保溫系統(tǒng)能夠滿足嚴寒地區(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（見表4）。如要應(yīng)用在嚴寒地區(qū)居住建筑上，由測試結(jié)果來計算保溫板厚度需達到400 mm左右，但超厚保溫層對系統(tǒng)的連接安全也帶來極大的隱患。

表3 無機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中對非透光圍護結(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》對A2級測試項目分類的規(guī)定，對無機塑化保溫板進行單體燃燒試驗和熱值試驗測試，受GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗》試驗方法的限制（試樣的最大厚度為200 mm），本次選用150、200 mm厚的無機塑化保溫板進行測試。

在已有的研究中指出[4]，對于模塑聚苯板和石墨聚苯板這類有機泡沫保溫材料，燃燒性能會隨厚度的增大而變差，但從無機塑化保溫板燃燒性能的測試結(jié)果（見表5）來看，其單體燃燒和熱值的4項控制指標均符合燃燒性能A2級的技術(shù)要求，并且隨保溫板厚度的增加指標變化不大，說明無機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)用時相對于有機泡沫保溫材料具有更優(yōu)異的防火性能。

表5 無機塑化保溫板的燃燒性能

2.3 耐候性

本次測試耐候性試驗墻尺寸為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，試驗墻洞口部位側(cè)面及外側(cè)面進行外墻外保溫系統(tǒng)測試（見圖3），試樣洞口寬度0.40 m、高度0.60 m，養(yǎng)護28 d。試驗按JGJ144—2019《外墻外保溫工程技術(shù)標準》的規(guī)定進行，結(jié)果見表6。

圖3 耐候性測試

表6 耐候性試驗和抗風荷載試驗測試結(jié)果

由表6可見，防護層未發(fā)現(xiàn)空鼓、剝落或脫落等破壞，同時墻面未發(fā)現(xiàn)裂縫，并且系統(tǒng)防護層與保溫層的拉伸粘結(jié)強度試驗破壞部位也位于無機塑化保溫板內(nèi)，說明無機塑化保溫板自身具有一定的強度和穩(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，同時經(jīng)過這種溫度內(nèi)應(yīng)力破壞后還能夠保留有足夠的強度并且滿足系統(tǒng)的使用安全。

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

2.4 抗風荷載性能

外保溫系統(tǒng)抗風荷載的性能是系統(tǒng)各組成材料抵抗風荷載作用下的綜合體現(xiàn)，是衡量系統(tǒng)連接安全的一項重要指標，可通過大型的動態(tài)風壓試驗進行測試，也可通過小型試驗，將系統(tǒng)分解成單一材料、材料與材料之間的連接強度試驗進行測試，依據(jù)最不利條件荷載計算系統(tǒng)抗風荷載[5]。本次測試的大型動態(tài)風壓試驗的試驗墻體制作與耐候性試驗墻一致，保溫板厚度分為150、300 mm，試驗按GB/T 36585—2018《外墻外保溫系統(tǒng)動態(tài)風壓試驗方法》規(guī)定進行。對于小型試驗，連接強度主要體現(xiàn)在抗拉強度和剪切強度方面，因此主要針對無機塑化保溫板的抗拉強度和剪切強度進行測試，抗拉強度試樣尺寸為100 mm×100 mm，對于剪切強度由于現(xiàn)行標準中均未提出相應(yīng)的技術(shù)指標要求和試驗方法，通過對比其他材料的剪切強度試驗方法，并結(jié)合墻角墻邊處無機塑化保溫板在受風荷載作用下的受力特點，本次剪切強度的測試選擇了更能反映保溫板系統(tǒng)實際受力情況的方法，依據(jù)GB/T 32382—2015《建筑用絕熱制品 剪切性能的測定》規(guī)定的雙試樣法進行，試樣尺寸為200 mm×100 mm，剪切強度測試見圖4，結(jié)果見表7。

圖4 剪切強度測試

表7 抗拉強度和剪切強度測試結(jié)果

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

用表7中的抗拉強度計算無機塑化保溫板的抗風荷載標準值，可參考JGJ/T 480—2019《巖棉薄抹灰外墻外保溫工程技術(shù)標準》中的規(guī)定按式（1）進行計算：

式中：Rk——抗風荷載標準值，kPa；

σT——垂直于板面方向的抗拉強度，kPa；

ρA——外墻外保溫系統(tǒng)與基層墻體的粘結(jié)面積率，對于不同保溫材料的外墻外保溫系統(tǒng)，國家現(xiàn)行標準都規(guī)定了不同的粘結(jié)面積率，但大部分標準對粘結(jié)面積率的規(guī)定都不低40%，因此本次計算中有效粘結(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取11.7。

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

式中：τ——無機塑化保溫板的剪切強度，kPa；

L——無機塑化保溫板單板常規(guī)長度，取0.6 m；

D——外墻外保溫系統(tǒng)保溫板厚度，m。

抗風荷載結(jié)果見表8。

表8 抗風荷載結(jié)果

由表8可見，大型動態(tài)風壓試驗和由抗拉強度計算的抗風荷載不受系統(tǒng)厚度增大的影響，測試結(jié)果基本一致，說明大型動態(tài)風壓試驗的本質(zhì)也是通過系統(tǒng)材料的垂直抗拉強度的能力來反映系統(tǒng)的抗風荷載能力，而對于墻角和墻邊的主要受剪切荷載部位抗風荷載能力不能得到有效的體現(xiàn)；對于由剪切強度反映的系統(tǒng)抗風荷載的結(jié)果來看，抗風荷載隨系統(tǒng)厚度增加而急劇降低，當厚度增加到300 mm時，系統(tǒng)墻邊和墻角部位抗風荷載的剪切破壞會成為主要破壞因素。綜上，對于應(yīng)用在近零能耗建筑上時，建議充分考慮無機塑化保溫板的剪切強度，在標準中增加材料剪切強度的測試項目。

3 無機塑化保溫板抗風荷載能力適用地區(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]，通過表8抗風荷載的結(jié)果對比，用剪切強度計算的抗風荷載承載力標準值Rk與設(shè)計風荷載標準值Wk進行比較分析。當Rk＞W(wǎng)k時，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)計風荷載標準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荷載標準值Wk為例，按式（3）進行計算（參照JGJ/T 480—2009）。

式中：βgz——陣風系數(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——風荷載局部體型系數(shù)，按墻角、墻邊部位取2.0；

μz——風壓高度變化系數(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——基本風壓，按50年重現(xiàn)期取值，kPa。

結(jié)合無機塑化保溫板剪切強度計算的抗風荷載承載力標準值和式（3），要保證抗風荷載承載力標準值Rk不小于建筑設(shè)計風荷載標準值Wk，則建筑項目所在城市的基本風壓w0需不大于0.8 kPa，經(jīng)統(tǒng)計，無機塑化保溫板的剪切強度能夠抵御全國96%的城市市區(qū)50年重現(xiàn)期的風荷載。

4 結(jié)論

（1）無機塑化保溫板保溫性能、耐候性能和燃燒性能都能滿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）無機塑化保溫板應(yīng)用在近零能耗建筑中時能夠抵御全國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)期的風荷載。在基本風壓值大于0.8 kPa的城市使用時，建議考慮增加托架來提高系統(tǒng)的安全性。

（3）無機塑化保溫板的厚度達到300 mm時，其剪切強度成為影響抗風荷載的最不利因素之一，在近零能耗建筑中應(yīng)用時，建議在標準中增加剪切強度的技術(shù)要求，以保證系統(tǒng)連接安全性。

（4）分析認為，現(xiàn)有外保溫系統(tǒng)大型動態(tài)抗風荷載的試驗方法本質(zhì)上僅反映了垂直板面方向的抗拉強度對抗風荷載性能影響，建議通過剪切強度對抗風荷載的影響進行更深入的研究，制定科學合理的測試方法。

（5）本次試驗研究僅針對無機塑化保溫板，以上所有計算過程均建立在系統(tǒng)的其他組成材料能夠滿足相應(yīng)強度要求的基礎(chǔ)上，沒有考慮保溫工程施工過程的影響因素，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)嚴格控制施工質(zhì)量。