一種新的建筑外墻節能保溫板材剪切粘接強度分析

摘 要：改善室內外熱環境、提高建筑宜居性、促進建筑節能減排，是建筑行業實現可持續發展的重要路徑，也是響應我國雙碳目標的關鍵舉措。分析了常用外保溫系統的特點和保溫層剝落原因，重點采用工程水泥基復合材料（ECC）與聚苯乙烯板（EPS）制備夾心復合墻板試件，并研究了保溫材料厚度、連接件及其嵌入角度對保溫層界面剪切粘接強度的影響，結果表明：增加保溫層厚度，試件粘接強度會降低，保溫層最佳厚度為50 mm；使用連接件后試件的力學性能更加優良，當其嵌入角度為45°時，試件的抗剪粘接強度最高。

關鍵詞：熱環境；建筑外墻；外保溫系統；粘接強度；節能降耗

中圖分類號：TU325.2；TQ176.7 + 99 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0072-03

Analysis of shear adhesion strength of a new energy-savingand insulating board for building exterior walls

YANG Yan，MA Jiangping，LI Liyi

（Xi’an Peihua University，School of Architecture and Art Design，Xi’an 710125，China）

Abstract：Improving the indoor and outdoor thermal environment，improving the livability of buildings，and promot?ing building energy conservation and emission reduction are important paths for the construction industry to achievesustainable development，and they are also key measures to respond to China’s dual carbon goals. The characteris?tics of the commonly used external thermal insulation system and the causes of the spalling of the insulation layerwere analyzed，and the sandwich composite wallboard specimens were prepared by engineering cement-based com?posite materials（ECC）and polystyrene board（EPS），and the effects of the thickness of the insulation material，theconnector and its embedding angle on the interfacial shear bonding strength of the insulation layer were studied，and the results showed that the adhesive strength of the specimen would decrease with increasing the thickness ofthe insulation layer，and the optimal thickness of the insulation layer was 50 mm. The mechanical properties of thespecimen were better when the connector was used，and the shear bonding strength of the specimen was the highestwhen the embedding angle was 45°.

Key words：thermal environment；building exterior walls；external insulation system；bonding strength；energy sav?ing and consumption reduction

建筑外墻保溫一直以來是一種很有效的被動式節能手段和熱環境優化舉措，建筑保溫材料的選擇、厚度的設定、保溫結構的設計以及施工管理等，每一步都會影響建筑室內外熱環境的優化效果 [1-2] 。目前建筑領域常用的外墻保溫系統比較多，然而實際建筑項目中外墻保溫層開裂、空鼓甚至脫落的問題頻發，對人們的生命和財產安全造成嚴重威脅。工程水泥基復合材料（ECC）不同于普通水泥材料，是一種纖維增強型水泥基復合材料，有著優異的抗拉性能、壓縮性能、耐久性和自愈合性等。研究采用ECC材料和EPS保溫板構成夾心保溫墻體結構，并對其進行剪切粘接強度的測試與分析，以期促進ECC材料墻體外保溫系統的完善和發展，擴大其在建筑外墻保溫工程中的應用。

1 熱環境優化視角下建筑外墻節能保溫系統

1.1 室外熱環境優化措施

熱環境是指由太陽輻射、氣溫、相對濕度等眾多物理因素作用于人、影響人冷熱感和健康的環境，熱環境可分為自然熱環境和人工熱環境。優化室外熱環境的措施主要包括構建良好的通風環境、提高建筑周圍綠化率、優化建筑布局、優化水體布局、加強墻體保溫性能等。外墻占整個建筑圍護結構的面積較大，在嚴寒的冬季，外墻保溫材料的傳熱系數越小，保溫性能越好，通過建筑外墻散失的熱量就越少，更有助于維持室內環境的穩定性。且加強外墻保溫性能，還有助于提升建筑節能效果、提高墻體耐久性、降低能源消耗和碳排放，符合可持續發展的基本方針。因此，未來將會更加重視建筑外墻保溫系統的應用，以優化室內外熱環境，構建宜居環境 [3-5] 。

1.2 建筑外墻常用節能保溫系統

常用的外墻外保溫系統如EPS板外墻外保溫系統、擠塑聚苯板（XPS）外墻外保溫系統、巖棉薄抹灰外墻外保溫系統、酚醛板外墻外保溫系統等。這些保溫系統通常由砂漿粘接層、保溫層、增強防護層（抹面層）和外墻飾面層構成 [6-7] 。EPS板外墻外保溫系統與基層墻體的固定方式為膠粘劑+錨栓，EPS板的導熱系數約為0.041 W（m × K），保溫隔熱性能好，但施工不當容易發生開裂、剝落問題；XPS板外墻外保溫系統的固定方式與EPS板相同，XPS板導熱系數在0.03 W（m × K）左右，有著相同保溫隔熱效果的XPS板比EPS板薄30%左右，但材料自身價格較貴，粘接性能和透氣性不如EPS板；巖棉薄抹灰外墻外保溫系統的固定方式是錨固為主膠粘劑為輔，巖棉纖維的導熱系數在0.03～0.043 W（m × K），本身不可燃，且透氣、隔音、抗沖擊性能好，但其飾面效果差，鼓包、裂縫出現概率大；酚醛板導熱系數在0.02～0.029 W（m × K）內，導熱系數極低，遇火不燃，穩定性高，耐老化、耐侵蝕能力強，但酚醛板脆性大，加大了錨固難度，容易出現空腔、裂縫等問題 [8-10] 。造成外墻外保溫層剝落的原因眾多，導致保溫板材料粘接不牢，容易剝落 [11-12] 。

2 建筑外墻保溫層剪切粘接強度試驗

2.1 試驗材料

主要試驗材料包括普通硅酸鹽水泥、I級粉煤灰、140～280目的石英砂、聚羧酸高性能減水劑、PVA纖維等，采用這些材料制備ECC板。直徑為6 mm的BFRP筋作為連接件，試驗所用EPS保溫板的導熱系數為0.039 W（m·K），密度為20 kg/m 3 ，抗壓強度約0.12 MPa，抗拉強度約0.13 MPa [12] 。

2.2 試驗方案

采用剪切試驗測試保溫系統的粘接強度，為方便加載，將試件設計為對稱的5層結構，中間層和兩側為ECC層，中間層厚50 mm，兩側厚25 mm，其余兩層為EPS保溫層，保溫層厚度分別為50 mm、70 mm、100 mm，這3種厚度在實際建筑項目中應用較多 [13] 。

試件總體長400 mm，寬度不一，總高150 mm，在距離上下底面25 mm處，水平插入BFRP筋，增設BFRP筋以加強各層之間的粘接力和保溫層整體力學強度，嵌入角度分別設為45°、60°和90°。第1組試件EPS保溫層厚50 mm，第2組厚70 mm，第3組厚100 mm，前3組不使用連接件，厚度依次增加。后3組厚度為70mm，使用連接件，第4組嵌入角度為45°，第5組為60°，第6組為90°。建筑外墻保溫試件示意圖如圖1所示。

2.3 試件制備

首先制備ECC材料，按照表1配合比稱好所需材料，將多種干料倒入攪拌機攪拌均勻，將減水劑充分融入水中，再緩慢倒入攪拌機，當拌合物呈現良好流動性時加入纖維，繼續攪拌，直到纖維分散均勻停止攪拌。

準備一個長方體模板，將EPS保溫板裁剪成3種厚度，使用連接件的情況下，將BFRP筋以不同角度插入到保溫板中。在模板內部涂抹脫模劑，將保溫板放入模板中的指定位置并固定，將上述制備的ECC材料澆注到模板中空出的3個層中，振搗并抹平。試件成型后脫模，養護28 d后進行剪切粘接強度的測試 [14-16] 。

2.4 測試方法

在試件中間ECC層正上方放置150 mm×50 mm×20 mm的鋼墊塊，同時在兩側ECC層底部放置鋼板和鋼墊塊。采用30 t的壓力試驗機向中間ECC層施加垂直荷載，產生剪切力。壓力試驗機帶有力傳感器記錄施加的荷載值，加載過程采用位移控制，以0.2mm/min的速度加載。在中間ECC層前方和后側中心點放置2個位移計，記錄界面粘接滑移量，每組試件測量3次，以平均值為最終結果，加載過程中觀察試件破壞情況。試件抗剪粘接強度的計算公式如下：

3 結果與分析

不同條件下試件雙面剪切試驗結果如表2所示。

（1）保溫層厚度：所有試件的破壞模式大致為以上3種，少數情況下會發生BFRP筋拉斷、拔出和劈裂破壞。前3組試件隨著EPS保溫層厚度增加，可承受的極限荷載值不斷降低，抗剪粘接強度也不斷降低。

第1組試件相比與第2、3組試件，抗剪強度高出23%、48%，說明在外墻保溫系統構建中減小保溫層厚度有助于提高界面剪切剛度。對比1、2組試件，若界面之間粘接強度大于保溫層的剪切強度，EPS保溫層會發生壓縮變形，則發生自身的剪切破壞，因此同樣也說明50 mm厚的試件抗剪粘接強度高于70 mm；

（2）有無連接件：前3組試件沒有使用連接件，荷載完全由界面之間的粘接力承擔，試件的荷載-滑移曲線分為線性上升和下降段，隨著荷載不斷加大，達到極限荷載后，界面開始脫粘、出現裂縫，最終裂縫向上貫穿，試件破壞失效，其中多為中間ECC層與其兩側EPS保溫層界面的破壞。后3組使用連接件的試件，由界面粘接力和連接件共同抵抗荷載，荷載-滑移曲線分為線性上升段、下降段和滑移段，界面粘接失效后，連接件還能減緩試件的破壞，荷載下降到一定值后，進入滑移段。其中抗剪粘接強度最小的第6組，相比于第2組試件還提高了60%。因此，連接件對外墻保溫層的受力和變形均有著重要作用 [17-18] ；

（3）連接件角度：后3組試件隨著連接件角度的增大，抗剪粘接強度不斷降低，試件的嵌入角度為45°時，抗剪粘接強度分別是60°、90°試件的1.93倍和3.71倍。

連接件嵌入角度為45°時，筋材角度不易跟隨中間ECC層的壓縮變形而變形，因此，荷載持續加大情況下，界面先于ECC層發生破壞。60°的連接件不僅能承受剪切力，還能加強保溫層和兩側ECC板界面間的連接，筋材不易拔出，兩側ECC板邊緣更容易受彎破壞 [19] 。

4 結語

（1）不同條件下試件的抗剪粘接強度從高到低依次為：第4組、第5組、第6組、第1組、第2組、第3組；

（2）EPS保溫層厚度越低，外墻保溫結構整體的荷載承受能力越強，粘接越牢固，50 mm厚度較為合適應用到實際的建筑保溫項目中；

（3）連接件的使用可有效改善外墻保溫層的剪切粘接效果，改變試件破壞特征，嵌入角度為45°時，獲得最高抗剪強度。

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（責任編輯：平 海）