發(fā)泡陶瓷在外墻保溫中的應(yīng)用及耐久性分析

王子奪,藍(lán)亦睿

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

自國(guó)家“雙碳”政策推行以來(lái),建筑節(jié)能的低碳無(wú)污染重要性被推上了一個(gè)新的高度,在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)層面上,目前北方地區(qū)新建建筑基本已實(shí)現(xiàn)了建筑外保溫全覆蓋。外墻保溫技術(shù)有效降低建筑能耗雖得到廣泛應(yīng)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(kāi)、保溫材料未能達(dá)到設(shè)計(jì)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(yīng)力等長(zhǎng)期作用下膨脹率不同而產(chǎn)生的空鼓、開(kāi)裂現(xiàn)象,這類(lèi)情況對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能影響較大,在冬季極端風(fēng)速較大的地區(qū)甚至還有脫落風(fēng)險(xiǎn)[1]。面對(duì)既有建筑外墻保溫技術(shù)安全性、功能性與耐久性這種問(wèn)題,有效解決熱橋效應(yīng),對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)進(jìn)行既有建筑改造意味著較高的成本。基于此,本文主要研究如何在保證建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的前提下,綜合考量建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)后期維護(hù)等成本因素,通過(guò)分析市面上常見(jiàn)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(wèn)題。

1 常用建筑保溫材料應(yīng)用分析

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)保溫材料品種較多,既有建筑外保溫實(shí)際狀況常見(jiàn)保溫材料多為聚苯乙烯類(lèi)、聚氨酯類(lèi)、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(duì)目前常見(jiàn)材料進(jìn)行分析。

1.1 聚苯乙烯類(lèi)

聚苯乙烯類(lèi)保溫材料全稱(chēng)為聚苯乙烯泡沫塑料,是由聚苯乙烯為主要原料,經(jīng)過(guò)不同工藝形成。目前常見(jiàn)的聚苯乙烯類(lèi)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(duì)其分開(kāi)進(jìn)行分析。

EPS保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)約為0.04 W/(m·K),線(xiàn)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(jié)構(gòu),其抗壓強(qiáng)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(shí),外立面也很難直接鋪貼石材,否則易出現(xiàn)松動(dòng)或脫落的情況。從防火性能來(lái)看,目前市面上常見(jiàn)的EPS材料絕大多數(shù)為B1等級(jí),此等級(jí)為難燃等級(jí),但作為外墻保溫材料,B1防火等級(jí)依然有一定風(fēng)險(xiǎn),作為保溫材料來(lái)說(shuō),并不是最優(yōu)選擇[3]。目前市面上常用的粘接砂漿線(xiàn)膨脹系數(shù)約為12×10-6K-1,約為EPS板線(xiàn)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(huì)產(chǎn)生剪力,在剪力的長(zhǎng)期作用下,界面層極易發(fā)生剪切破壞,最終導(dǎo)致保溫效果減弱,嚴(yán)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(jié)構(gòu),EPS板的吸水率較小,在高濕度環(huán)境下對(duì)于其導(dǎo)熱系數(shù)影響較小。

XPS保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)約為0.03 W/(m·K),線(xiàn)膨脹系數(shù)與EPS材料相同。相比于EPS內(nèi)部的蜂窩結(jié)構(gòu),XPS材料是擠壓成型的,其抗壓強(qiáng)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(qiáng)度高,產(chǎn)生的變形應(yīng)力也大,更易造成板縫處開(kāi)裂,進(jìn)而導(dǎo)致面磚空鼓、脫落[4]。從防火等級(jí)上來(lái)說(shuō),XPS屬于A級(jí)不燃材料,防火等級(jí)上是滿(mǎn)足要求的。構(gòu)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(duì)于其自身導(dǎo)熱系數(shù)幾乎沒(méi)有影響。

1.2 聚氨酯類(lèi)

聚氨酯類(lèi)材料的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.024 W/(m·K)[5],約為EPS保溫板導(dǎo)熱系數(shù)的一半。抗壓強(qiáng)度為200 kPa,優(yōu)良的抗壓強(qiáng)度也使其能夠承受建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中需要進(jìn)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(shí)添加的阻燃劑多少,從B1到B3不等。聚氨酯類(lèi)材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)與聚苯乙烯類(lèi)材料為同一數(shù)量級(jí),其值約為8×10-5K-1,在溫度變化時(shí)依然會(huì)與粘結(jié)砂漿產(chǎn)生一定的剪應(yīng)力,長(zhǎng)期作用下可導(dǎo)致破壞[6]。在吸水率方面,聚氨酯類(lèi)材料同樣與聚苯乙烯類(lèi)材料類(lèi)似,吸水率較低。

1.3 巖棉板

巖棉板不同于聚苯乙烯類(lèi)和聚氨酯類(lèi)材料,由巖棉纖維組成。其導(dǎo)熱系數(shù)約為0.04 W/(m·K)[7],優(yōu)良的導(dǎo)熱性能主要依靠纖維之間大量的空氣間層來(lái)實(shí)現(xiàn)。力學(xué)性能相比于前2類(lèi)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(qiáng)度最大值為15 kPa,表面很難承擔(dān)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(gòu)造,在作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫構(gòu)造時(shí),也無(wú)法在外飾面層采用瓷磚等裝飾類(lèi)貼面。從防火等級(jí)上來(lái)說(shuō),巖棉板的耐火等級(jí)為A級(jí),防火性能優(yōu)異。巖棉板與基層墻體的結(jié)合力不強(qiáng),易剝離分層,抗風(fēng)壓破壞能力不足,無(wú)法滿(mǎn)足最大負(fù)風(fēng)壓作用時(shí)導(dǎo)致的開(kāi)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?zé)频?具有高氣孔率的閉孔陶瓷材料。它的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.06 W/(m·K),略大于聚苯乙烯類(lèi)、聚氨酯類(lèi)和巖棉板保溫材料。其抗壓強(qiáng)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(jí)為A級(jí),優(yōu)于目前要求的外墻保溫材料防火等級(jí)要求。線(xiàn)膨脹系數(shù)與混凝土及粘結(jié)砂漿基本相同,能進(jìn)行很好的粘結(jié),相容性好,不會(huì)出現(xiàn)由于線(xiàn)膨脹率不同產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變導(dǎo)致的開(kāi)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(hù)成本。由于發(fā)泡陶瓷為閉孔結(jié)構(gòu),其吸水率相對(duì)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(yīng)用分析

通過(guò)上述的分析,不難看出目前常用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、防火等級(jí)、線(xiàn)膨脹系數(shù)和吸水率各不相同,為方便統(tǒng)計(jì)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(xiàn)膨脹系數(shù)擬合程度上來(lái)看,應(yīng)當(dāng)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(chǎng)占有率來(lái)看,發(fā)泡陶瓷的市場(chǎng)占有率極低。

2.1 成本價(jià)格高

由于發(fā)泡陶瓷材料為無(wú)機(jī)的高溫?zé)Y(jié)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(yùn)輸成本、生產(chǎn)效率、原料來(lái)源均受制于其他企業(yè),嚴(yán)重影響其產(chǎn)能,導(dǎo)致其價(jià)格遠(yuǎn)高于其他保溫材料[9]。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)大

由于發(fā)泡陶瓷本身導(dǎo)熱系數(shù)較高,相比于其他保溫材料,想要達(dá)到同樣的效果,厚度更大,在體積上不占具優(yōu)勢(shì),尤其在嚴(yán)寒及寒冷地區(qū),此劣勢(shì)被進(jìn)一步放大。隨著我國(guó)頒布“75”節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),此種材料在嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)越來(lái)越少。

3 發(fā)泡陶瓷應(yīng)用優(yōu)化策略分析

3.1 發(fā)泡陶瓷保溫系統(tǒng)“安裝-運(yùn)行周期”經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)上述總結(jié)的發(fā)泡陶瓷線(xiàn)膨脹系數(shù)可以看出,從建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)安裝到建筑拆除的整個(gè)過(guò)程中,發(fā)泡陶瓷可以與建筑主體結(jié)構(gòu)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(yuǎn)優(yōu)于其他保溫材料,尤其體現(xiàn)在抗凍融性上[10];而長(zhǎng)期凍融作用下會(huì)嚴(yán)重降低保溫板與粘接砂漿的粘接強(qiáng)度,最終導(dǎo)致保溫板松動(dòng)、脫落[11]。基于上述原因,在考慮外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性時(shí),宜圍繞“安裝-運(yùn)行”周期進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,以新建建筑壽命為70年為例,進(jìn)行多保溫材料“安裝-運(yùn)行”周期經(jīng)濟(jì)性分析,結(jié)果如表2所示。

表2 多保溫材料“安裝-運(yùn)行”周期經(jīng)濟(jì)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(hù),伴隨著拆除、建筑垃圾處理、建筑環(huán)境破壞、維護(hù)安裝人工等二次成本的計(jì)入,在綜合造價(jià)層面優(yōu)勢(shì)較為明顯。

3.2 發(fā)泡陶瓷一體板研發(fā)與應(yīng)用

雖然從綜合造價(jià)角度,發(fā)泡陶瓷有較大優(yōu)勢(shì),但考慮到其導(dǎo)熱系數(shù)稍大,在嚴(yán)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(duì)其進(jìn)行改善,進(jìn)行成品生產(chǎn)與安裝,結(jié)合目前裝配式建筑行業(yè)飛速發(fā)展,且已有眾多學(xué)者針對(duì)保溫裝飾一體板研發(fā)及施工進(jìn)行了一定深度的研究[12-19],未來(lái)可針對(duì)不同氣候分區(qū)設(shè)計(jì)不同構(gòu)造的保溫裝飾一體板,以期取得更理想的節(jié)能效果。

4 結(jié)語(yǔ)

基于目前建筑外保溫工程項(xiàng)目中常用保溫材料,采用比較分析法對(duì)影響其耐久性的物性參數(shù)進(jìn)行分析比對(duì),以建筑保溫材料耐久性為切入點(diǎn),明確了各類(lèi)常用保溫材料的物理性質(zhì)特點(diǎn)及適用環(huán)境。考慮建筑外墻保溫系統(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(yùn)行”周期作用下是經(jīng)濟(jì)性較高的一種保溫材料。