巖棉外墻保溫體系耐久性能研究

王 浩(甘肅省建筑科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050)

1 前言

節(jié)能減排是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著建筑節(jié)能技術(shù)的不斷普及和深化，各種保溫材料以及保溫體系被廣泛的應(yīng)用于建筑保溫工程中，其中外墻外保溫體系是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施。然而，近年來的幾場大火，都是由于外墻外保溫體系采用了可燃的有機(jī)材料造成的，火災(zāi)給社會(huì)帶來了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，也使人們開始關(guān)注保溫材料的耐火性能。

在外墻外保溫體系中，除耐火性能外，耐久性能已成為當(dāng)前亟待解決的首要難題。目前保溫體系的設(shè)計(jì)使用年限僅為25年[1]，與主體結(jié)構(gòu)不能同壽命。實(shí)際使用過程中一旦出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)面層開裂、保溫層空鼓脫落，會(huì)直接影響建筑物整體的保溫效果和耐久性能。另外，現(xiàn)有的建筑外墻保溫體系耐侯性試驗(yàn)及評價(jià)方法，是建立在模擬氣候條件下的導(dǎo)出結(jié)論，與實(shí)際工程的耐久性無對比數(shù)據(jù)。如何解決以上的問題，還需要在工程實(shí)踐中探索和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

巖棉外墻外保溫體系是選用巖棉板作為保溫層材料，巖棉是以精選的玄武巖或輝綠巖為主要原料，外加一定數(shù)量的補(bǔ)助料，經(jīng)高溫熔融離心吹制成的人造無機(jī)纖維[2]。在巖棉纖維中加入適量粘結(jié)劑、防塵劑、憎水劑等外加劑，經(jīng)過壓制固化可制成具有一定強(qiáng)度的巖棉板。巖棉板具有良好的保溫和耐火性能。上世紀(jì)70年代末80年代初,巖棉外墻外保溫系統(tǒng)首先在歐洲采用，30多年的發(fā)展和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，巖棉外墻外保溫體系以其高透氣性、高防火性能、高隔音吸聲性能得到廣泛的應(yīng)用。它不僅用于新建、改建、擴(kuò)建的節(jié)能建筑，也廣泛用于既有建筑的節(jié)能改造[3]。

甘肅省建筑科學(xué)研究院在上世紀(jì)90年初開始對巖棉外保溫應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究。1991年通過對該體系的樣板墻進(jìn)行施工和熱工性能試驗(yàn)觀測后，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并于1992年和1993年選取了兩幢四層的磚混結(jié)構(gòu)住宅樓進(jìn)行了既有建筑的巖棉外墻外保溫改造設(shè)計(jì)與施工。經(jīng)過20年的使用，我們對這兩幢住宅樓的保溫體系進(jìn)行了耐久性觀測，并對部分材料進(jìn)行了物理和熱工性能的檢測。

2 巖棉外保溫改造技術(shù)要點(diǎn)

甘肅省建筑科學(xué)研究院31#、32#住宅樓外墻為240mm厚實(shí)心黏土磚墻。這兩棟上世紀(jì)70年代建筑保溫性能較差，采暖能源浪費(fèi)大。結(jié)合對巖棉外保溫應(yīng)用的研究成果，于90年代初對上述兩棟建筑進(jìn)行了節(jié)能改造[4]。構(gòu)造做法見圖1。

圖1 巖棉外墻外保溫構(gòu)造示意圖

2.1 巖棉外保溫施工工序

巖棉外墻外保溫改造施工工序如下：

1)在基層墻體上打眼，安裝連接件；

2)鋪貼50mm厚巖棉板；

3)鋪設(shè)熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)，穿固定銷桿；

4)外層抹抗裂水泥砂漿保護(hù)層；

5)噴涂丙烯酸飾面外墻涂料。

2.2 應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

當(dāng)時(shí)進(jìn)行巖棉外保溫設(shè)計(jì)與施工時(shí)，為了保證質(zhì)量，采用了以下幾方面的技術(shù)措施：

1）巖棉保溫層和外保護(hù)層是通過連接件依附到基層體墻體上，巖棉板和外保護(hù)層在外界溫度作用下會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮，因此連接件要做到連接可靠，能承受保溫層，保護(hù)層的重量，并能抵抗外力(如拉拔、碰撞等)的作用而不致脫落，還要防止銹蝕，并有一定的耐久性。通過參考國外連接件的技術(shù)特點(diǎn)和性能，我們設(shè)計(jì)了一種加工簡便、價(jià)格低廉的鉸接型式連接件，可使各連接點(diǎn)能隨保溫層、保護(hù)層伸縮時(shí)的微小變形相互協(xié)調(diào)工作，以使保溫層、保護(hù)層能隨溫差變化而自由伸縮，從而減少或避免其產(chǎn)生“溫度和收縮應(yīng)力”而開裂。該連接件在實(shí)際應(yīng)用中性能可靠，可滿足使用要求。

2）暴露在室外的砂漿保護(hù)層應(yīng)能承受風(fēng)雪、雨淋、溫差變化、紫外線照射老化和沖擊力等的作用。由于抹灰基底較軟，因此砂漿要具備良好的柔韌和抗裂性能。為了提高砂漿保護(hù)層的上述性能，推遲微裂紋及可見裂紋的形成和擴(kuò)展。在保護(hù)層水泥砂漿中摻加了提高砂漿塑性指標(biāo)的外加劑來提高砂漿自身的抗裂性能。同時(shí)，我們還在柔韌抗裂砂漿保護(hù)層中加了一層鍍鋅點(diǎn)焊網(wǎng)片，以提高保護(hù)層抵抗收縮溫度應(yīng)力和與保溫層間的結(jié)合能力及整體受力能力。

3）對抗裂砂漿保護(hù)層設(shè)置分隔縫，以減少收縮溫度應(yīng)力。在試點(diǎn)工程中，根據(jù)原有住宅抗震加固中圈梁、構(gòu)造柱的位置，將整片外墻立面分為若干個(gè)大塊，在每塊墻面四周伸縮縫內(nèi)填瀝青麻絲，使保護(hù)層受溫度變化影響下可自由膨脹和收縮。

4）對外窗角、每一伸縮縫分塊的四周等部位用鋼絲網(wǎng)將巖棉板包角封邊，對外窗角四周的巖棉板上增加一層鋼絲網(wǎng)，以增強(qiáng)抵抗應(yīng)力集中的能力。工程實(shí)踐證明，上述措施是行之有效的。

5）保溫體系外飾面選用了柔性膩?zhàn)雍捅┧嵬鈮娝芡苛献鳛轱椕娌牧稀＿@種材料與水泥砂漿相容性好，有較高的抗拉強(qiáng)度和適應(yīng)變形能力，較好的抑制了砂漿的開裂和裂縫的擴(kuò)展延伸。并且材料施工時(shí)，在高壓氣流的噴射下噴出許多不均勻、離散的斑塊，有些細(xì)小的裂縫會(huì)在噴塑施工中得到修補(bǔ)和覆蓋。另一方面，噴塑涂料可將砂漿的毛細(xì)孔堵塞住，防止水分向內(nèi)滲透。同時(shí)涂料的憎水性能又較好地防止了墻體表面吸水，提高保護(hù)層的防水性能，避免鍍鋅鋼絲網(wǎng)的銹蝕。

3 外墻面裂縫觀測及原因分析

3.1 住宅樓外墻面裂縫分布

31#、32#住宅樓外墻面裂縫分布見圖2。

圖2 墻面裂縫分布圖

3.2 外墻面裂縫的特點(diǎn)和規(guī)律

從裂縫圖可以看出31#、32#住宅樓外墻裂縫有如下特點(diǎn)和規(guī)律：

1）從墻體裂縫及分布情況來看：兩棟住宅樓都出現(xiàn)了不同程度的裂縫，但31#裂縫相對較多，32#則較少；

2）從墻體裂縫出現(xiàn)的部位來看：裂縫主要出現(xiàn)在墻面、門窗洞口和外加圈梁抹灰層等部位；

3）從墻體裂縫的形狀來看：大部分裂縫為豎向裂縫，少部分為斜向和水平向裂縫；

4）從墻體裂縫和破損嚴(yán)重程度來看：31#西山墻在架設(shè)電纜線的部位裂縫和破損最嚴(yán)重，見圖2(c)。

5）從總體來看，已使用20年的巖棉外保溫建筑外墻裂縫還是較少的。

3.3 外墻面裂縫形成的原因分析

從上述兩棟住宅樓外墻面裂縫的特點(diǎn)和規(guī)律可以看出：

1)兩棟樓外墻面裂縫主要是飾面層干燥收縮，如墻面的豎向裂縫和外加圈梁飾面層的豎向裂縫（外加圈梁處飾面層中未加熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)）；

2)兩棟樓外窗洞口處的裂縫，屬收縮溫度應(yīng)力集中裂縫；

3)31#西山墻兩端裂縫較多且破損嚴(yán)重是由于架設(shè)電纜線固定架時(shí)將飾面層破壞所致，見圖2(c)。

4)31#裂縫相對較多，是由于31#先施工，當(dāng)時(shí)施工經(jīng)驗(yàn)不足，32#施工時(shí)，吸取了31#施工經(jīng)驗(yàn)，故裂縫相對較少。

4 系統(tǒng)及材料性能測試結(jié)果

為了能夠充分了解這兩棟住宅樓目前的保溫效果，我們采用紅外熱像法對外墻熱工缺陷進(jìn)行了全面測試，并對不同朝向的外立面墻進(jìn)行了傳熱系數(shù)檢測。由于這兩棟建筑目前仍在使用，給材料性能試驗(yàn)的取樣工作帶來一定難度。通過與住戶協(xié)商，最終選定31#住宅樓1層的外墻進(jìn)行了開剖取樣。檢測結(jié)果如下：

4.1 系統(tǒng)熱工性能

首先采用紅外熱像法對各外墻面進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3。從紅外熱像溫度場分布情況來看，墻表面溫度分布比較均勻，基本沒有溫度突變的情況，外墻保溫層經(jīng)過20年使用后沒有發(fā)現(xiàn)大面積空鼓和剝離情況，保溫效果保持較好。

圖3 31#紅外熱像圖

并對外墻傳熱系數(shù)進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表1。

表1 外墻傳熱系數(shù)檢測結(jié)果對照表

4.2 系統(tǒng)材料性能

開剖取樣顯示，巖棉保溫體系的結(jié)構(gòu)比較分明，各結(jié)構(gòu)層除最外面的飾面層有少部分裂紋外，砂漿保護(hù)層裂紋較少，鍍鋅鋼絲網(wǎng)與巖棉板固定緊密，巖棉板比較完整，拼接處縫隙較小。鍍鋅鋼絲網(wǎng)用固定銷桿鏈接，完全覆蓋整個(gè)巖棉保溫層，除固定銷桿有輕微銹蝕現(xiàn)象，連接件與基層墻體鏈接緊密完好（開剖取樣檢測結(jié)果見表2）。

表2 巖棉及鍍鋅鋼絲網(wǎng)取樣檢測結(jié)果

5 結(jié)語

通過對兩棟已使用20年既有建筑巖棉外保溫改造的住宅樓進(jìn)行裂縫現(xiàn)狀調(diào)查、熱工性能測試和材料性能檢測，并分析結(jié)果可以看出：

1)由于在巖棉外墻保溫設(shè)計(jì)施工時(shí)采用了多種防止出現(xiàn)裂縫的技術(shù)措施，兩棟住宅樓雖已使用20年，但總體來看，兩棟樓外墻面裂縫較少，說明這些技術(shù)措施效果顯著。

2)從紅外熱像檢測結(jié)果以及現(xiàn)場實(shí)測熱工性能可以看出，兩棟樓在做巖棉外保溫改造并使用20年后，其外墻傳熱系數(shù)相當(dāng)，并與20年前所測傳統(tǒng)熱系數(shù)基本一致。一方面說明兩棟樓施工工藝相同，整個(gè)保溫體系的性能較為穩(wěn)定；另一方面也說明巖棉外保溫在20年內(nèi)確實(shí)起到了很好的保溫效果。

3)通過對實(shí)體取樣的巖棉板和鍍鋅點(diǎn)焊鋼絲網(wǎng)進(jìn)行物理性能檢測可以看出，使用20年的巖棉板在外設(shè)面層沒有遭到破壞的情況下，其本身的物理性能基本沒有發(fā)生變化，性能較為穩(wěn)定。鍍鋅點(diǎn)焊鋼絲網(wǎng)強(qiáng)度較好，有較高的焊點(diǎn)抗拉力，對于抵抗墻體開裂和整體受力起到了作用。只是由于時(shí)間較長，鍍鋅有輕微脫落現(xiàn)象，裸露部分出現(xiàn)了少量銹蝕。

通過工程實(shí)例和試驗(yàn)可以證實(shí)，巖棉外保溫體系在采用有效防裂縫的措施下，可以明顯提高其耐久性能。近年來巖棉生產(chǎn)工藝和材料性能也已有較大改進(jìn)和提高，如在構(gòu)造措施和施工方法上加以增強(qiáng)與改進(jìn)，巖棉外墻外保溫體系不僅其防火性能可以達(dá)到與結(jié)構(gòu)同等級，其耐久性能也可達(dá)到或接近與建筑同壽命，因而具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程[S].2004

[2]宋長友，黃振利，陳丹林，等. 巖棉外墻外保溫系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].建筑科學(xué), 2008,24(2)： 84-92

[3]蔡鳳武，姚文生，劉曉波. 巖棉保溫材料性能探討[J] 河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2011，29(1)：49-51

[4]吳紀(jì)昌，任俊.蘭州地區(qū)采暖居住建筑節(jié)能技術(shù)研究[R].1994