玻璃棉板和巖棉板在外墻外保溫中的應(yīng)用研究

玻璃棉板和巖棉板在外墻外保溫中的應(yīng)用研究

0外墻外保溫性能研究根據(jù)京公消韻第391號(hào)文件，北京市舊社區(qū)的節(jié)能改造項(xiàng)目要求使用（復(fù)合）a級(jí)建筑材料。由于其良好的耐寒性，這兩種類型的有機(jī)隔熱材料在國(guó)內(nèi)外都有良好的應(yīng)用前景，但在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的案例較少。由于板的高張力，行業(yè)對(duì)其體系的安全性表示懷疑。對(duì)此,本文從2種板材的本體拉拔強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、吸水性能、酸度系數(shù)等性能出發(fā),采用調(diào)研、研究相結(jié)合的方式,論證了玻璃棉板、巖棉板在外墻外保溫領(lǐng)域應(yīng)用的安全性能,主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:1針對(duì)玻璃棉板耐堿性能不佳,會(huì)影響外保溫體系耐久性能,本文研究了低堿界面劑封閉隔離對(duì)其用作外墻保溫板時(shí)受堿侵蝕的緩解作用;2針對(duì)板材的本體拉拔強(qiáng)度不高、體系耐風(fēng)壓存在風(fēng)險(xiǎn)的問題,擬通過改變體系構(gòu)造以提高系統(tǒng)抗風(fēng)壓能力,并通過錨固件的穿透試驗(yàn)進(jìn)行了定量論證;3通過測(cè)試板材和典型飾面材料的濕流密度,擬對(duì)飾面層提出要求以解決板材與飾面層濕流密度不匹配引起的飾面層起鼓問題。1測(cè)試方法1.1有機(jī)保溫板式的測(cè)試板材本體拉拔強(qiáng)度參考JG149—2003《膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)》附錄D進(jìn)行測(cè)試,有機(jī)保溫板材的試件尺寸為100mm×100mm,厚度為7cm;巖棉板、玻璃棉板的試件尺寸為200mm×200mm,厚度均為10cm。1.2吸水率的測(cè)試體積吸水率按照GB/T8810—2005《硬質(zhì)泡沫吸水率的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試;24h吸水量按照GB/T25975—2010《建筑外墻外保溫用巖棉制品》中附錄B進(jìn)行測(cè)試。1.3掃描電鏡觀察將無機(jī)保溫板材在飽和灰鈣水中分別浸泡28d和180d,將浸泡試樣取出直接制樣或取出后在蒸餾水中浸泡24h后制樣,制樣時(shí)均沿著平行于板面方向的中間層進(jìn)行,將樣品烘干后在掃描電鏡下進(jìn)行表面形貌觀察。其中飽和灰鈣水的配制是將1份灰鈣與1份水混合,攪拌30min后,靜置24h,濾去表層漂浮物后,取上層清液。1.4試驗(yàn)方法按照ETG004《ExternalThermalInsulationCompositeSystemswithRendering》中5.1.4.3.1試驗(yàn)方法進(jìn)行,其中試件規(guī)格為350mm×350mm×10cm,每種試驗(yàn)工況制備5個(gè)樣品。1.5抹面砂漿厚度參照J(rèn)GJ144—2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》中A.11方法進(jìn)行制樣,試樣規(guī)格為Φ10cm×(5~8)mm,其中抹面砂漿的厚度為4~5mm,飾面層的厚度約為2mm(平面涂料小于1mm)。為方便去除保溫基層,板材仍然是用EPS板材,抹面砂漿為巖棉板配套的憎水型抹面砂漿,飾面層分別為粉狀彩色砂漿、質(zhì)感涂料、真石漆、平面涂料等透氣性差異較大的材料。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1有機(jī)板式與巖棉板拉拔強(qiáng)度的影響從市場(chǎng)上收集了不同廠家的巖棉板和玻璃棉板,進(jìn)行板材本體拉拔強(qiáng)度、吸水率、吸水量、壓縮強(qiáng)度等性能測(cè)試。作為對(duì)比,從市場(chǎng)上收集了EPS、XPS、PU、PF等有機(jī)板材進(jìn)行板材基本性能測(cè)試,結(jié)果見表1。從表1可以看出,與有機(jī)保溫板材相比,巖棉板和玻璃棉板最大的弱點(diǎn)是本體拉拔強(qiáng)度低,玻璃棉板在形變10%條件下的壓縮強(qiáng)度也不高;同時(shí),2種無機(jī)板材的吸水量(率)顯著高于有機(jī)保溫板材(PF板除外)。而且在試驗(yàn)測(cè)試過程中還發(fā)現(xiàn),即使是同一廠家、相同密度的產(chǎn)品,巖棉板和玻璃棉板的拉拔強(qiáng)度波動(dòng)較大,特別是玻璃棉板,這與巖棉板絲徑短、生產(chǎn)工藝存在打褶加壓環(huán)節(jié),而玻璃棉板的絲徑長(zhǎng)、集棉后直接固化成型有一定關(guān)系。比較2種無機(jī)板材與有機(jī)板材性能可知,玻璃棉板和巖棉板在外墻外保溫中應(yīng)用時(shí),存在以下幾個(gè)問題:板材本體拉拔強(qiáng)度較低,如何保證體系抗風(fēng)壓安全系數(shù);板材吸水量大,當(dāng)體系開裂、板材有一定含水率時(shí),體系的保溫效果能否得到保證;玻璃棉板的抗堿侵蝕能力如何得到保證;巖棉板在高溫高濕情況下的強(qiáng)度保留率;無機(jī)板材因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)疏松,濕流密度較大,對(duì)飾面層的濕流密度是否不同于有機(jī)保溫板材[有機(jī)保溫板材外墻保溫體系的濕流密度低限為0.85g/(m2·h)]。2.2低堿界面劑的研制目前市場(chǎng)上常見的玻璃棉板都是中堿玻璃制成,如果直接與界面砂漿或者抹面砂漿等堿性水泥砂漿接觸,由于質(zhì)量較好玻璃棉板的24h吸水量仍約為0.4kg/m2,而且有一定蓄水能力,OH－對(duì)Si—O鍵的侵蝕導(dǎo)致界面砂漿或抹灰砂漿與玻璃棉板的界面粘結(jié)破壞不容忽視。葛敦世的研究給出了無堿玻璃、中堿玻璃、耐堿玻璃在不同齡期、不同條件的堿溶液中SiO2和Al2O3的溶解速度,并測(cè)算了3種玻璃在堿溶液中的反應(yīng)活化能,其中中堿玻璃在堿溶液中的反應(yīng)活化能高于無堿玻璃,在常溫混合堿溶液中浸泡28d后進(jìn)入溶液中SiO2含量已高達(dá)0.061mg/ml。我們觀察了巖棉板和玻璃棉板在飽和氫氧化鈣溶液中浸泡不同齡期后的表觀形貌,巖棉板泡堿180d前后形貌基本無變化,而玻璃棉板微觀形貌出現(xiàn)顯著改變,結(jié)果見圖1所示。從圖1可以看出,玻璃棉板在浸泡28d后玻璃棉束絲的壁上出現(xiàn)星星點(diǎn)點(diǎn)微小新物質(zhì),浸泡至180d后,已經(jīng)發(fā)生了明顯改變,管壁上長(zhǎng)出了連續(xù)的新物相。若從SiO2在堿溶液中的溶解過程來看,應(yīng)該是Si—O—Si+OH-→Si—O-+HO—Si,玻璃網(wǎng)絡(luò)開始解體,在表面生成小分子的硅酸離子,這些可溶的硅酸離子或其它陰、陽離子附著在玻璃纖維的表面,逐漸形成一種成分復(fù)雜的硅酸鹽粉化層。在相同pH值的溶液中,硅氧四面體被一價(jià)堿金屬離子的侵蝕速度快于二價(jià)陽離子,而硅酸鹽水泥以二價(jià)離子為主,因此,為減輕玻璃棉板受堿侵蝕程度,我們研制了以二價(jià)陽離子為主的低堿界面劑。水泥砂漿的pH值一般在12~13,從圖1可以看出,玻璃棉在pH值為13的堿溶液中、并采取加熱措施促進(jìn)堿侵蝕的情況下,玻璃棉受侵蝕明顯。對(duì)此,我們將界面劑的pH值控制在10~11,將玻璃棉板在pH值為11的弱堿性水中浸泡180d,玻璃棉受侵蝕前后的微觀形貌照片如圖2所示,浸泡180d后,玻璃棉的管壁只能看見被堿侵蝕后出現(xiàn)少許的管壁沉淀。對(duì)比圖1和圖2可知,低堿界面劑的使用能大大減輕玻璃棉板受侵蝕程度,但不能完全消除保溫體系中當(dāng)有明水存在時(shí)玻璃棉板被堿侵蝕危害。2.3錨固件穿透增強(qiáng)網(wǎng)對(duì)巖棉板抗風(fēng)荷載能力影響分析建筑外墻承受風(fēng)荷載,墻體部分會(huì)產(chǎn)生很大負(fù)風(fēng)壓(吸力),可能造成外保溫破壞甚至脫落。因此,在進(jìn)行外保溫設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)、不同建筑高度的風(fēng)荷載值計(jì)算出最大負(fù)風(fēng)壓設(shè)計(jì)值,并根據(jù)該值及系統(tǒng)特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)谋叵到y(tǒng)連接方式,以保證系統(tǒng)的連接安全性。北京市百米高層建筑物所承受的風(fēng)壓值為3.85kN/m2,如果體系以粘結(jié)為主,體系最小試驗(yàn)風(fēng)荷載值不得低于6.71kN/m2;如果以機(jī)械固定為主,體系最小試驗(yàn)風(fēng)荷載值不得低于8.95kN/m2。從表1可以看出,巖棉板(140kg/m3)和玻璃棉板的本體拉拔強(qiáng)度均低于10kPa。如果體系以粘結(jié)為主,體系拉拔強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)為保溫板與粘結(jié)砂漿的界面,鑒于粘結(jié)面積不可能達(dá)到100%,體系的拉拔強(qiáng)度會(huì)低于7.5kPa,體系抗風(fēng)荷載能力存在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此,建議無機(jī)棉的外墻保溫體系采用粘錨結(jié)合的方式,并研究了錨固件的規(guī)格和錨固件是否穿透增強(qiáng)網(wǎng)對(duì)體系抗風(fēng)壓能力的影響。為定量表征不同體系構(gòu)造的安全性能,進(jìn)行了錨固件的穿透試驗(yàn),板材采用7.5kPa和10.0kPa的巖棉板,錨固件為Φ60mm和Φ140mm2種錨盤,并對(duì)比錨固件是否穿透增強(qiáng)網(wǎng)2種工況,試驗(yàn)結(jié)果見表2,測(cè)試照片及典型破壞狀態(tài)見圖3。從表2可以看出,在錨盤直徑、錨盤是否穿透增強(qiáng)網(wǎng)、錨固件的質(zhì)量(因生產(chǎn)廠家不同而不同)、板材強(qiáng)度這4個(gè)影響因素中,如按照貢獻(xiàn)從大至小排序,為錨固件質(zhì)量>錨固件穿透增強(qiáng)網(wǎng)>板材強(qiáng)度>錨盤直徑,其中錨盤直徑幾乎對(duì)錨固件自板材中拔出力無影響。對(duì)于考慮錨固件機(jī)械固定作用的外保溫體系,在抵抗風(fēng)壓破壞時(shí),錨固件的作用取決于其自墻體基層中拔出力和自保溫板材中拔出力這兩者間的低值。北京市建筑物多為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)北京市巖棉板外保溫系統(tǒng)導(dǎo)則要求,錨固件自混凝土墻中拔出力不得低于0.6kN,結(jié)合表2中數(shù)據(jù),當(dāng)錨固件穿透增強(qiáng)網(wǎng)時(shí),錨固件自板材中的拔出力約為1.0kN,如采用國(guó)外錨固件,可達(dá)1.5kN。因此,如錨固件穿透增強(qiáng)網(wǎng),當(dāng)錨固件用量為8個(gè)/m2時(shí),機(jī)械固定可為保溫系統(tǒng)增加拉拔力約8kN,與板材采用粘結(jié)砂漿滿粘時(shí)粘結(jié)砂漿所起的作用相當(dāng),能顯著提高體系抗風(fēng)荷載能力。2.4系統(tǒng)濕流密度的確定從JG149—2003的規(guī)定可以看出,外墻外保溫系統(tǒng)的吸水性是外層吸水量低于內(nèi)層,這樣才能使比較少的水進(jìn)入保溫系統(tǒng)和墻體;對(duì)于體系的透氣性(用水蒸氣濕流密度表征),一般為外層濕流密度高于內(nèi)層,即外飾涂層應(yīng)高于抹面砂漿防護(hù)層,這樣水蒸氣才能暢通無阻地排出,不在保溫體系內(nèi)聚集。EPS和XPS的濕流密度見表3,JGJ144—2004和JG149—2003要求其外墻保溫體系的濕流密度不得小于0.85g/(m2·h)。因?yàn)椴Ａ薨?、巖棉板的抗剪切強(qiáng)度較低,業(yè)內(nèi)在配套飾面材料時(shí)均避開瓷磚飾面,選擇薄層涂料。鑒于這2種板材結(jié)構(gòu)疏松,且濕流密度遠(yuǎn)高于有機(jī)板材(見表4),如果系統(tǒng)濕流密度仍然沿用0.85g/(m2·h),將會(huì)出現(xiàn)部分涂料與巖棉板的濕流密度不配套,從而出現(xiàn)涂料起鼓、脫落問題。對(duì)此,測(cè)試了粉狀彩色砂漿、質(zhì)感涂料、真石漆、水性乳膠漆(普通水性平面涂料)4種飾面層的濕流密度,結(jié)果見表4。飾面層的濕流密度由其結(jié)構(gòu)致密性和厚度決定,一般涂層結(jié)構(gòu)越致密、涂層厚度越大,濕流密度越小。結(jié)合表3、表4的數(shù)據(jù),建議玻璃棉板和巖棉板的外墻外保溫體系盡量選用真石漆、粉狀彩色砂漿等濕流密度在2.5g/(m2·h)以上的飾面材料。3外墻外保溫板使用ph值(1)對(duì)比玻璃棉板、巖棉板與有機(jī)板材的常規(guī)性能,2種無機(jī)板材的本體拉拔強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度均低于有機(jī)板材,吸水率高于有機(jī)板材(PF板除外),當(dāng)應(yīng)用于外墻外保溫系統(tǒng)時(shí),不能照搬JG144—2004中有機(jī)保溫板材薄抹灰系統(tǒng)的體系構(gòu)造及性能要求。(2)玻璃棉板在飽和灰鈣水中浸泡28d后,在玻璃纖維的壁上出現(xiàn)SiO2,在OH－侵蝕下形成的復(fù)雜硅酸鹽粉化層,當(dāng)用作外墻保溫板時(shí),應(yīng)使用pH值不超過11的低堿界面劑進(jìn)行封閉隔離,可有效緩解SiO2的受堿侵蝕。(3)錨固件廠家、板材強(qiáng)度、錨固件在保溫體系中的位置都會(huì)影響錨固件自板材中的拔出力,如按照貢獻(xiàn)大小排序,為錨固件質(zhì)量>錨固件穿透增強(qiáng)網(wǎng)>板材強(qiáng)度>錨盤