王子奪,藍亦睿

(江蘇建筑職業(yè)技術學院,江蘇 徐州 221116)

自國家“雙碳”政策推行以來,建筑節(jié)能的低碳無污染重要性被推上了一個新的高度,在建筑外圍護結構層面上,目前北方地區(qū)新建建筑基本已實現(xiàn)了建筑外保溫全覆蓋。外墻保溫技術有效降低建筑能耗雖得到廣泛應用,但粘接性能、錨固性能仍存在很多弊端和缺陷,諸如裂縫和保溫材料的脫落、抹面層斷開、保溫材料未能達到設計使用年限即基本喪失保溫效果等不容忽視現(xiàn)象。究其根本原因,在于保溫材料與粘接砂漿由于熱應力等長期作用下膨脹率不同而產(chǎn)生的空鼓、開裂現(xiàn)象,這類情況對建筑外圍護結構保溫性能影響較大,在冬季極端風速較大的地區(qū)甚至還有脫落風險[1]。面對既有建筑外墻保溫技術安全性、功能性與耐久性這種問題,有效解決熱橋效應,對建筑外圍護結構保溫系統(tǒng)進行既有建筑改造意味著較高的成本?；诖?本文主要研究如何在保證建筑外圍護結構保溫性能的前提下,綜合考量建筑外圍護結構后期維護等成本因素,通過分析市面上常見保溫材料,根據(jù)地域性特征選擇合理的保溫材料,從而解決保溫材料在建筑建成后的耐久性問題。

1 常用建筑保溫材料應用分析

目前市場上常見保溫材料品種較多,既有建筑外保溫實際狀況常見保溫材料多為聚苯乙烯類、聚氨酯類、巖棉板、發(fā)泡陶瓷等。不同材料的物性參數(shù)并不相同,以下對目前常見材料進行分析。

1.1 聚苯乙烯類

聚苯乙烯類保溫材料全稱為聚苯乙烯泡沫塑料,是由聚苯乙烯為主要原料,經(jīng)過不同工藝形成。目前常見的聚苯乙烯類保溫材料有膨脹聚苯板(EPS)和擠塑聚苯板(XPS)2種,由于二者物性參數(shù)有較大差別,所以對其分開進行分析。

EPS保溫材料導熱系數(shù)約為0.04 W/(m·K),線膨脹系數(shù)為6×10-5K-1。由于EPS板是由加熱膨脹而形成的蜂窩式結構,其抗壓強度較差[2],不能作為上人屋面和地坪層保溫的材料;作為外墻保溫材料時,外立面也很難直接鋪貼石材,否則易出現(xiàn)松動或脫落的情況。從防火性能來看,目前市面上常見的EPS材料絕大多數(shù)為B1等級,此等級為難燃等級,但作為外墻保溫材料,B1防火等級依然有一定風險,作為保溫材料來說,并不是最優(yōu)選擇[3]。目前市面上常用的粘接砂漿線膨脹系數(shù)約為12×10-6K-1,約為EPS板線膨脹系數(shù)的五分之一,在溫度變化下粘接砂漿和EPS的粘接界面會產(chǎn)生剪力,在剪力的長期作用下,界面層極易發(fā)生剪切破壞,最終導致保溫效果減弱,嚴重情況下甚至出現(xiàn)脫落情況。得益于EPS板內(nèi)部的蜂窩狀結構,EPS板的吸水率較小,在高濕度環(huán)境下對于其導熱系數(shù)影響較小。

XPS保溫材料導熱系數(shù)約為0.03 W/(m·K),線膨脹系數(shù)與EPS材料相同。相比于EPS內(nèi)部的蜂窩結構,XPS材料是擠壓成型的,其抗壓強度為500 kPa,可以作為上人屋面或地坪層保溫層;但由于XPS聚苯板比EPS聚苯板密度大、強度高,產(chǎn)生的變形應力也大,更易造成板縫處開裂,進而導致面磚空鼓、脫落[4]。從防火等級上來說,XPS屬于A級不燃材料,防火等級上是滿足要求的。構造上不同于EPS的蜂窩狀材料,XPS板的擠壓成型致使其吸水率更低于EPS,高濕環(huán)境對于其自身導熱系數(shù)幾乎沒有影響。

1.2 聚氨酯類

聚氨酯類材料的導熱系數(shù)約為0.024 W/(m·K)[5],約為EPS保溫板導熱系數(shù)的一半?？箟簭姸葹?00 kPa,優(yōu)良的抗壓強度也使其能夠承受建筑外圍護結構當中需要進行保溫處理且需要承壓部位的荷載,如上人屋面及地坪層。聚氨酯材料的防火性能取決于制備材料時添加的阻燃劑多少,從B1到B3不等。聚氨酯類材料的線膨脹系數(shù)與聚苯乙烯類材料為同一數(shù)量級,其值約為8×10-5K-1,在溫度變化時依然會與粘結砂漿產(chǎn)生一定的剪應力,長期作用下可導致破壞[6]。在吸水率方面,聚氨酯類材料同樣與聚苯乙烯類材料類似,吸水率較低。

1.3 巖棉板

巖棉板不同于聚苯乙烯類和聚氨酯類材料,由巖棉纖維組成。其導熱系數(shù)約為0.04 W/(m·K)[7],優(yōu)良的導熱性能主要依靠纖維之間大量的空氣間層來實現(xiàn)。力學性能相比于前2類材料較為特殊,根據(jù)《巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)材料》JG/T 483—2015中查得,巖棉板中抗壓強度最大值為15 kPa,表面很難承擔其他豎向荷載,所以不能作為屋面保溫材料使用。由于其特殊的纖維構造,在作為建筑外圍護結構保溫構造時,也無法在外飾面層采用瓷磚等裝飾類貼面。從防火等級上來說,巖棉板的耐火等級為A級,防火性能優(yōu)異。巖棉板與基層墻體的結合力不強,易剝離分層,抗風壓破壞能力不足,無法滿足最大負風壓作用時導致的開裂及破壞。巖棉材料自身吸水率很低,但由于巖棉纖維之間含有大量縫隙,所以整板的吸水率較高,并且在吸水后自重加大,保溫性能急劇減弱,在高濕環(huán)境下很難起到保溫隔熱作用。

1.4 發(fā)泡陶瓷

發(fā)泡陶瓷材料是由高溫燒制的,具有高氣孔率的閉孔陶瓷材料。它的導熱系數(shù)約為0.06 W/(m·K),略大于聚苯乙烯類、聚氨酯類和巖棉板保溫材料。其抗壓強度為400 kPa,僅較XPS稍低,也可作為承壓位置的保溫材料使用[8]。防火等級為A級,優(yōu)于目前要求的外墻保溫材料防火等級要求。線膨脹系數(shù)與混凝土及粘結砂漿基本相同,能進行很好的粘結,相容性好,不會出現(xiàn)由于線膨脹率不同產(chǎn)生的應力與應變導致的開裂現(xiàn)象,不變形,不收縮,耐久性好,可以做到與建筑同壽命,施工工序少,大大降低了建筑外墻外保溫系統(tǒng)后期的維護成本。由于發(fā)泡陶瓷為閉孔結構,其吸水率相對于其他幾種材料最低,幾乎不吸水,適合在高溫高濕環(huán)境下作為保溫材料使用。

2 發(fā)泡陶瓷保溫材料應用分析

通過上述的分析,不難看出目前常用保溫材料的導熱系數(shù)、抗壓強度、防火等級、線膨脹系數(shù)和吸水率各不相同,為方便統(tǒng)計分析,以上物性參數(shù)如表1所示。

表1 常用保溫材料物性參數(shù)Tab.1 Physical properties parameters of common insulation materials

從表1可看出,從保溫材料與水泥砂漿的線膨脹系數(shù)擬合程度上來看,應當選擇發(fā)泡陶瓷材料作為外墻保溫系統(tǒng)的首選材料,但目前從市場占有率來看,發(fā)泡陶瓷的市場占有率極低。

2.1 成本價格高

由于發(fā)泡陶瓷材料為無機的高溫燒結多孔材料,其原材料主要為拋光磚廢渣泥,由于原材料生產(chǎn)的限制,運輸成本、生產(chǎn)效率、原料來源均受制于其他企業(yè),嚴重影響其產(chǎn)能,導致其價格遠高于其他保溫材料[9]。

2.2 導熱系數(shù)大

由于發(fā)泡陶瓷本身導熱系數(shù)較高,相比于其他保溫材料,想要達到同樣的效果,厚度更大,在體積上不占具優(yōu)勢,尤其在嚴寒及寒冷地區(qū),此劣勢被進一步放大。隨著我國頒布“75”節(jié)能標準,此種材料在嚴寒及寒冷地區(qū)的應用場景會越來越少。

3 發(fā)泡陶瓷應用優(yōu)化策略分析

3.1 發(fā)泡陶瓷保溫系統(tǒng)“安裝-運行周期”經(jīng)濟性分析

根據(jù)上述總結的發(fā)泡陶瓷線膨脹系數(shù)可以看出,從建筑外圍護結構保溫系統(tǒng)安裝到建筑拆除的整個過程中,發(fā)泡陶瓷可以與建筑主體結構保持基本一致的膨脹率與收縮率。且發(fā)泡陶瓷的耐候性遠優(yōu)于其他保溫材料,尤其體現(xiàn)在抗凍融性上[10];而長期凍融作用下會嚴重降低保溫板與粘接砂漿的粘接強度,最終導致保溫板松動、脫落[11]。基于上述原因,在考慮外圍護結構保溫系統(tǒng)整體經(jīng)濟性時,宜圍繞“安裝-運行”周期進行經(jīng)濟性分析,以新建建筑壽命為70年為例,進行多保溫材料“安裝-運行”周期經(jīng)濟性分析,結果如表2所示。

表2 多保溫材料“安裝-運行”周期經(jīng)濟性分析表Tab.2 Economic analysis of the “installation-operation”cycle of multiple insulation materials

從表2不難得知,隨著建筑外立面后期維護,伴隨著拆除、建筑垃圾處理、建筑環(huán)境破壞、維護安裝人工等二次成本的計入,在綜合造價層面優(yōu)勢較為明顯。

3.2 發(fā)泡陶瓷一體板研發(fā)與應用

雖然從綜合造價角度,發(fā)泡陶瓷有較大優(yōu)勢,但考慮到其導熱系數(shù)稍大,在嚴寒及寒冷地區(qū)推廣還存在著一定的局限性,可以采用保溫裝飾一體板的形式對其進行改善,進行成品生產(chǎn)與安裝,結合目前裝配式建筑行業(yè)飛速發(fā)展,且已有眾多學者針對保溫裝飾一體板研發(fā)及施工進行了一定深度的研究[12-19],未來可針對不同氣候分區(qū)設計不同構造的保溫裝飾一體板,以期取得更理想的節(jié)能效果。

4 結語

基于目前建筑外保溫工程項目中常用保溫材料,采用比較分析法對影響其耐久性的物性參數(shù)進行分析比對,以建筑保溫材料耐久性為切入點,明確了各類常用保溫材料的物理性質特點及適用環(huán)境?？紤]建筑外墻保溫系統(tǒng)內(nèi)部極易遭受凍融循環(huán),確定了發(fā)泡陶瓷從建筑的“安裝-運行”周期作用下是經(jīng)濟性較高的一種保溫材料。