邵路山 陳新同 馮秀艷* 國愛麗 馬國儒

(1. 北京建筑材料檢驗研究院股份有限公司,北京,100041;2. 國家建筑防火產(chǎn)品安全質(zhì)量檢驗檢測中心,北京,100041)

隨著社會快速發(fā)展,我國建筑物能源消耗逐年增加,目前已占全社會能耗的30%以上[1-2]。節(jié)約能源、減少建筑能耗刻不容緩。建筑圍護結構的保溫處理是實現(xiàn)建筑節(jié)能最重要的舉措[3]。外墻外保溫系統(tǒng)避免了外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)“熱橋”易結露以及外墻自保溫系統(tǒng)節(jié)能不足等問題,逐步成為我國建筑墻體主要的保溫形式。

外墻外保溫系統(tǒng)的保溫材料主要包括有機保溫材料和無機保溫材料。有機保溫材料具有導熱系數(shù)低、致密性高、吸水率小、保溫隔熱效果好、易于加工等優(yōu)點,但存在不耐老化、變形系數(shù)大、穩(wěn)定性差、易于燃燒等缺點,如聚苯乙烯(PS)泡沫、聚氨酯(PU)泡沫、酚醛樹脂(PF)泡沫等[4-5]。無機保溫材料具有較高的機械強度、優(yōu)異的防火性能及良好的保溫隔熱性能,常用于高層及特殊要求的建筑,如巖棉、玻璃棉、真空絕熱板、泡沫玻璃等。

外墻外保溫系統(tǒng)在使用過程中可能出現(xiàn)粉化、起皮、開裂、滲水、空鼓、脫落等問題,輕則造成系統(tǒng)熱工性能喪失,重則威脅人民生命財產(chǎn)安全。因此,外墻外保溫系統(tǒng)能否通過耐久性測試極為重要。

下面綜述了幾種常用外墻外保溫材料的性能、應用情況、存在問題及研究現(xiàn)狀,介紹了外墻外保溫系統(tǒng)性能與質(zhì)量的有效評價方法,展望了建筑外墻用保溫材料的研究方向。

1 外墻外保溫材料

1.1 PS泡沫

PS泡沫分為模塑聚苯乙烯泡沫(EPS)和擠塑聚苯乙烯泡沫(XPS)。EPS的氣泡體積占比高達98%,且具有微細閉孔結構[6-7]。近年來,隨著建筑節(jié)能和防火性能要求日趨嚴格,市場上出現(xiàn)了2種新型保溫板:石墨改性聚苯乙烯泡沫板(GEPS)和熱固復合聚合聚苯乙烯泡沫板(AEPS)。GEPS中的石墨具有特殊層狀結構,形成鏡面反射熱輻射,使其具有良好的絕熱性能;AEPS是利用負壓滲透工藝將無機防火材料滲透于EPS板材內(nèi)而得到的A級阻燃板材,其在燃燒狀態(tài)下會發(fā)生一定的形變,但不產(chǎn)生熔融滴落物[8]。EPS和XPS的閉孔蜂窩結構會促進空氣流通,在燃燒過程中源源不斷地供給氧氣,造成燃燒速率較高、熱量釋放量較大、產(chǎn)生大量熔滴和濃煙、不易自熄等問題。

PS的阻燃方法主要有聚合阻燃、浸漬阻燃、后處理圖層阻燃、包覆阻燃等,其中,聚合阻燃是將阻燃劑加入苯乙烯的懸浮聚合體系中,阻燃劑分布更均勻,阻燃效果更持久,應用最廣泛[9]。

鹵系阻燃劑是一種廣泛使用的添加型阻燃劑,阻燃效率高,以溴系阻燃劑為主,其中,甲基八溴醚、八溴醚、溴化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等溴系阻燃劑較環(huán)保,逐漸成為EPS和XPS的主流阻燃劑[10]。隨著環(huán)境問題的日益嚴重,鹵化阻燃劑的使用受到極大限制,無鹵替代品的研究日趨火熱,將逐漸成為今后發(fā)展的主要方向[11]。Wang G等[12]研究發(fā)現(xiàn):在阻燃PS復合材料中,可膨脹石墨(EG)、磷酸三聚氰胺(MP)、磷酸三苯酯(TPP)、六苯氧基環(huán)三磷酸腈(HPCTP)復合使用具有很好的阻燃協(xié)效性,EG和MP產(chǎn)生惰性氣體并催化促進殘?zhí)繉拥男纬?TPP和HPCTP生成活性磷物質(zhì)和苯氧基自由基,增強了氣相阻燃效果,減少了熱量釋放。

1.2 PU泡沫

PU泡沫分為硬質(zhì)PU泡沫、半硬質(zhì)PU泡沫及軟質(zhì)PU泡沫[13-14],其中,硬質(zhì)PU泡沫具有優(yōu)異的隔熱性能、隔音性能、耐油性能、防水性能、尺寸穩(wěn)定性,且強度較高,可以在120 ℃下長期使用, 可以在190 ℃下短時間(8～10 h)使用。

硬質(zhì)PU泡沫用阻燃劑的種類主要有鹵系阻燃劑、氮系阻燃劑、磷系阻燃劑、磷-氮協(xié)同阻燃劑和膨脹阻燃劑。Zhao Q Q等[15]合成了亞磷酸酯-苯二異辛酯(PDOP),用于阻燃硬質(zhì)PU泡沫。結果表明:當PDOP質(zhì)量分數(shù)為10%時,材料的極限氧指數(shù)(LOI)達到27%,UL-94等級達到V-0級。Xi W等[16]研究發(fā)現(xiàn):次磷酸鋁(ATH)/雙(2-羥乙基)氨基-甲基膦酸二甲酯(BH)/乙二醇(EG)三元體系對硬質(zhì)PU泡沫的協(xié)同阻燃作用優(yōu)于BH/EG體系和抗氧劑AO/BH/EG體系。

1.3 PF泡沫

PF泡沫分為甲階PF泡沫和線性PF泡沫[17]。由于具有獨特的閉孔結構,PF密度小,隔熱性能和隔音性能較好,且具有一定阻燃性能(LOI為35%～40%),主要應用于外墻外保溫系統(tǒng),此時,PF泡沫板密度不小于40 kg/m3,導熱系數(shù)不大于0.032 W/(m·K)。

由于酚羥基和亞甲基容易被氧化生成剛性鏈段,PF脆性大、硬度大、延伸率較低,通常需要對其進行增韌改性。端羧基丁腈橡膠能夠與PF中的羥甲基發(fā)生酯化反應,起到增韌作用;含有異氰酸酯基的活性聚醚、端氨基聚醚、PU預聚體、生物質(zhì)油、具有活性鏈段結構的有機硅改性劑、腰果酚和環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基團均能夠與PF中的羥甲基接枝共聚,起到增韌作用,例如,硅烷偶聯(lián)劑KH-560含有環(huán)氧環(huán)長柔性鏈,可以增韌PF[18-20]。Si T Y等[21]通過叔胺催化酚羥基的醚化反應,合成了一種新型環(huán)氧化大豆油增韌PF。

物理增韌劑分為高分子樹脂類增韌劑、纖維增韌劑、無機納米增韌劑等。高分子樹脂類增韌劑包括聚乙烯醇、聚乙二醇(PEG)、有機硅烷、聚苯醚酮、聚醚、PU預聚體等;纖維增韌劑包括碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等;無機納米增韌劑包括納米氧化鋅、納米蒙脫土、納米二氧化硅(SiO2)等。孫恒等[22]采用不同相對分子質(zhì)量PEG 對PF進行改性。結果表明:與純PF相比,PEG改性PF的粉化率降低了4.3%,壓縮強度提高了0.11 MPa。

1.4 巖棉

建筑用巖棉主要分為巖棉板和巖棉條。市場上常見建筑用巖棉板根據(jù)垂直于表面的抗拉強度不同分為TR7.5,TR10,TR15,導熱系數(shù)不大于0.040 W/(m·K);巖棉條導熱系數(shù)不大于0.046 W/(m·K)。李曉梅等[23]研究發(fā)現(xiàn):隨著酸度系數(shù)的增加,巖棉的點荷載、垂直于表面的抗拉強度、抗剪切強度和使用壽命等均明顯增加。另外,酸度系數(shù)越小,巖棉的耐火極限時間越短。玄武巖、輝綠巖化學成分中,SiO2,Al2O3,CaO,MgO的總質(zhì)量分數(shù)約為80%,而Fe2O3和FeO的總質(zhì)量分數(shù)為11%左右[24]。相比于礦渣棉(Fe2O3和FeO總質(zhì)量分數(shù)小于1%),巖棉的原料中含有更高的FeO,使其熔體穩(wěn)定性較好,且黏度不會發(fā)生較大變化。因此,巖棉更易成纖,且具有更高的酸度系數(shù)[25]。但是巖棉的吸水率較大,吸水后其導熱系數(shù)急劇增大,失去原有保溫性能,在雨季和冬季施工受到很大限制[26]。因此,降低巖棉的吸水率一直是研究重點。

1.5 玻璃棉

玻璃棉密度為10～100 kg/m3,纖維直徑一般不大于7.0 μm,導熱系數(shù)為0.034～0.048 W/(m·K)。根據(jù)成型狀態(tài),玻璃棉產(chǎn)品主要有氈、毯、條和板。外墻外保溫用玻璃棉產(chǎn)品為玻璃棉板,按照生產(chǎn)工藝可分為縫制玻璃棉板和打褶玻璃棉板,其中,前者采用耐堿、不燃的高強度纖維經(jīng)緯向交叉縫制,后者采用打褶工藝,改變玻璃棉纖維方向,使纖維褶皺相互交叉[27]。根據(jù)我國建筑現(xiàn)有設計要求,外墻外保溫用玻璃棉板需滿足相應的指標要求,例如,北京市通常按照DB11/T 1117—2014《玻璃棉板外墻外保溫施工技術規(guī)程》限定玻璃棉板的主要性能指標,其中,吸水率和抗拉強度的高低尤為重要。路國忠等[28]利用硅烷偶聯(lián)劑對玻璃棉板進行浸潤處理,玻璃棉板的防水耐堿性和力學性能均得到了明顯改善。

1.6 泡沫玻璃

泡沫玻璃的密度為150～500 kg/m3,氣泡體積占比高達80%～95%,氣泡直徑為0.5～5.0 mm,25 ℃下導熱系數(shù)小于0.058 W/(m·K)。泡沫玻璃隔熱性能優(yōu)異、機械強度高、防水防潮、吸聲,廣泛應用于保溫隔熱工程領域,但其成本較高,在建筑外墻保溫隔熱工程領域應用相對較少[29-30]。

2 外墻外保溫系統(tǒng)

外墻外保溫系統(tǒng)位于建筑物外墻外側,自重較小,具有優(yōu)異的保溫隔熱性能和耐候性能,使主體結構所受的溫差和溫度變形較小,對結構墻體起到保護作用。國內(nèi)常見的外墻外保溫系統(tǒng)包括黏貼保溫板薄抹灰外保溫系統(tǒng)和保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)等,其中,黏貼保溫板薄抹灰外保溫系統(tǒng)應用更廣泛。系統(tǒng)性能指標主要包括整體系統(tǒng)的安全性能、墻體熱工性能和耐久性能[31-33]。主要測試項目包括耐候性能、耐凍融性能、吸水量、抹面層不透水性、水蒸氣透過性能、抗沖擊性能、熱阻值、抗風荷載性能等。

外墻外保溫系統(tǒng)需要經(jīng)受風吹日曬、雨雪風霜、氣溫驟冷驟熱突變等氣候狀況,對其耐候性提出了較高要求[34]。外墻外保溫系統(tǒng)為多層結構,各層間的黏結強度成為其耐久性的主要影響因素[35]。經(jīng)過熱雨循環(huán)和熱冷循環(huán)后,外墻外保溫系統(tǒng)的抹面層和保溫層之間的拉伸黏結強度下降,造成其在長期使用過程中出現(xiàn)空鼓、脫落等現(xiàn)象,具有極大的安全隱患。另外,為了保證外墻外保溫系統(tǒng)的脫落安全性,抗風荷載性能成為至關重要的評價指標[36]。

保溫層材料的燃燒性能是影響外墻外保溫系統(tǒng)防火安全性能的基本因素[37-38]。因此,研究外墻外保溫系統(tǒng)中保溫層材料在接近火災條件下的燃燒性能尤為重要。近年來,研究者確定了以窗口火試驗(內(nèi)部火災)和墻角火試驗(外部火焰)為基礎的試驗驗證與評價體系,用來檢驗外墻外保溫系統(tǒng)的防火能力。

外墻外保溫系統(tǒng)的熱工性能取決于保溫層材料的保溫隔熱性能。當保溫層材料吸水后,其隔熱性能會顯著降低。因此,保溫層材料較低的吸水性能是保證外墻外保溫系統(tǒng)熱工性能持久性的關鍵。

3 結語

目前,外墻外保溫系統(tǒng)的應用日益廣泛,性能要求也越來越高。作為外墻外保溫系統(tǒng)最重要的組成成分,保溫層材料必須具有優(yōu)異的防火性能和保溫性能。因此,開發(fā)綜合性能優(yōu)異且穩(wěn)定、環(huán)境友好的復合型保溫層材料成為今后研究的重點。選取有效的火災安全性能、耐久性測試方法為評價外墻外保溫系統(tǒng)性能與質(zhì)量提供了有力保障。