建筑用高效高分子泡沫保温材料的使用对策——一种新的墙体外保温构造模式

■ 裘亦诚 Qiu Yicheng 常 征 Chang Zheng

0 引言

由于建筑节能主要依靠改善建筑物围护结构的热工性能实现，世界建筑领域实践证明，为提高建筑节能率，以轻质高效高分子泡沫保温材料作为隔热保温的主体材料，与承重结构复合，形成具有高热阻的围护结构，是满足现代节能建筑的最佳方案。早在半个多世纪前，聚苯乙烯（PS）的模塑发泡制品（EPS板）被引入建筑节能领域，聚氨酯硬质泡沫塑料（PURF）则在20世纪50年代被相继采用[1]。由于这些泡沫材料质轻、节能效果显著，获得了建筑业的青睐。20世纪70年代的石油危机，推动了世界性的建筑节能，全球用量剧增，历经数十年的发展，不同国家的泡沫制品及其原料的生产已上升到数十万吨级规模，生产和使用技术日趋成熟，作为建筑节能主体材料，满足了世界建筑业的巨大需求。当前中国建筑业也正同样面临这一现实,中国建筑占全球建筑总量的1/2，预计保温材料的使用量约为世界需求总量的30%，每年至少达数百万吨，当前中国乃至世界，从资源、生产和使用技术方面，还不可能有完全取代PURF、EPS和XPS等的高效节能产品来满足中国当前节能减排进程中的巨大需求。同时由于建筑业的快速发展，建筑规模和模式的转变，对建筑节能工程的结构稳定和防火安全提出了更为苛刻的条件,因此亦共同面临如何提高对高分子泡沫保温材料的使用对策，弥补某些性能的不足，进一步满足现代建筑使用要求。

1 国内墙体外保温的主要模式和存在的缺陷

当前国内墙体外保温的主要模式，以90年代从美国Dryvit Systems Inc.公司引进的“专威特”技术体系，即《外墙外保温工程技术规程》（JGJ144-2004）中推荐的EPS板薄抹灰外墙外保温系统为主要模式，它以轻质高分子泡沫保温材料EPS板为保温主体材料，外保温系统由墙体结构层、保温层、保护层和饰面层四部分构成，其中保温层与结构层、保温层与保护层采用水性聚合物分散体改性水泥和水泥砂浆作为黏结和抹面材料，以界面黏结方式，现场人工作业完成外保温系统的施工。该系统引进后在墙体外保温中被作为主流技术大力推广使用，但在大量工程实践中出现了保温层从墙体整体脱落、墙面开裂、墙体渗水等诸多工程质量问题,究其原因除现场人工作业施工达不到规范要求外，主要与使用的界面黏结材料与被黏材质的匹配性有关。众所周知，液态胶黏剂对被黏基材表面的浸润是两者之间赖以形成黏结力的基本条件，浸润越好，越易形成黏结力，因水具有相当高的表面张力，而属低表面能的EPS板是具有低表面张力物质，其表面不能被以水为载体的水性胶液浸润，因而难以产生黏结力。同时水性胶液在被使用的场合，必须具备充分的透水和水蒸汽的条件，否则难以连片黏结使用。EPS板薄抹灰系统施工中，为形成水性胶液透水、汽通道，采用点黏和条黏，使EPS板用于黏贴的使用面积仅能达到40%，因而EPS板与墙体的黏结力学性能极限从0.1MPa下降至0.04MPa，大大降低了保温层与墙体的结合力，并造成了墙体面积60%的大面积连通的空鼓，给保温层从墙体脱落和防火安全留下了明显的隐患。综上所述，由于结构材料与保温材料两者截然不同的物性，界面黏结材料的选用、黏结方式及其形成的界面连接层结构是使用高分子泡沫保温材料十分重要的环节，涉及工程的结构稳定和防火安全。水性聚合物分散体改性水泥和水泥砂浆对泡沫保温材料，特别是属低表面能的泡沫保温材料存在明显的不相容性，显然不是理想的匹配材料。

2 聚氨酯界面黏结胶浆简介

2.1 性能

聚氨酯界面黏结胶浆（PUA-Ⅱ），属无溶剂双组份反应固化型厚质胶黏剂，可在接触压力下室温固化获得需要的黏结强度，能微发泡，具有一定的膨胀性，不会因渗透溶蚀等因素造成被黏泡沫材料的性能变化和表面缺陷，固结时间可调，用于PURF、EPS和XPS板等高效泡沫保温材料，对水泥砂浆、砂、石、木材、陶瓷、钢、铝等建筑材料的界面黏结（表1）。

2.2 黏结拉拔破坏试验

作为界面黏结胶浆，首先应确保对泡沫保温材料的黏接牢度，即其对泡沫保温材料的拉伸黏结强度应大于被黏泡沫保温材料的自身抗拉强度，在目前常用的PURF、EPS和XPS泡沫保温材料中，PURF和PUA-Ⅱ属同质材料，极性和表面张力相近，两者有很强的亲和性，结合牢固。为确证对低表面能的EPS和XPS板的黏结性能，参照《外墙外保温专用砂浆技术要求》DB31/T366-2006，选用国内EPS和XPS板著名生产厂家产品进行拉伸黏结强度的拉拔破坏试验，以显示黏结的可靠性。

试验选用泡沫保温板：①XPS板：豪适板（HOSFOAM ），密度25～32kg/m3，板厚20mm，表面粗糙化，为禹昌国际集团（台湾）产品；②XPS板：福满乐（Foamular），密度25-32kg/m3，板厚30mm，表面光洁，为欧文斯科宁（南京）有限公司产品；③EPS板：圣奎聚苯板，密度20kg/m3，板厚25mm，为上海圣奎塑业有限公司产品。

表1 聚氨酯界面黏结胶浆（PUA-Ⅱ）性能

图1 EPS板

图2 XPS板

拉拔破坏试验表明：PUA-Ⅱ对EPS和XPS保温板的界面黏结，均以泡沫保温层的深度锥形破坏为结果。特别是XPS板，两种不同牌号和表面状况的产品，有同样的黏结破坏效果，显现了化学黏结力特征。拉拔试样破坏状况见图1和图2。

2.3 黏结力的形成与比较

由于聚氨酯界面黏结胶浆对泡沫保温板表面具有良好的浸润和互溶渗透，并与其活性基化学反应，产生了牢固的主价键力（化学键力），反应生成的极性键则增强了胶层的内聚力，并以氢键吸附产生次价键力（第二化学键力），因此形成的黏结层具有化学黏结力特征。

国内相关研究表明[2][3]：水性聚合物改性专用黏结材料，对EPS板的黏结强度来自两个方面：即聚合物膜对EPS板-砂浆界面处的收缩桥连产生的结合力以及砂浆嵌入EPS板干固后产生的机械咬合力，试验表明，咬合力的产生明显与EPS板形成的颗粒状态相关，颗粒间边界结构明显较疏松的板，咬合力明显大于颗粒聚合紧密、颗粒间界面不明显的板。由此说明，改性专用砂浆对PURF喷涂形成的不平整但又十分坚韧光滑的表皮和硬度高、表面致密的XPS板的黏结力，仅能依靠聚合物膜收缩桥连产生的结合力，基本上是一种表面黏附，难以产生较强的黏结力。对照《外墙外保温专用砂浆技术要求》（DB31/T366-2006），对以水性聚合物分散体改性的专用砂浆对EPS和XPS板黏结破坏形式要求的表述中得到印证。“……XPS板破坏时，只要求在黏结面上观察到XPS板的表皮覆盖面积大于50%，即可视为XPS板破坏。”这种黏结状况和要求，对以主要依靠界面黏结形成的墙体外保温工程，显然难以确保工程结构的稳定性。

为增强改性水泥专用砂浆对泡沫保温材料的黏结性，工程中常在抹专用砂浆前于泡沫保温板先涂抹一层界面处理剂，而目前建筑业中使用的界面处理剂，多数亦使用水性聚合物分散体（一般选用聚合物乳液）作为改性剂，改性原理与抹面专用砂浆基本类似，如上海产保温专用界面处理剂汉高塞力特CT19，即采用丙烯酸乳液，其作用为黏接桥架，即对低表面能泡沫材料EPS和XPS板的黏结，仍然是聚合物膜收缩桥连产生的结合力，并无根本性的改变。

3 墙体外保温工程构造设计

3.1 界面连接层结构及其预制复合层的构成 [4][5]

在覆有玻纤网格布的泡沫保温层表面，涂刮0.8～1.2mm 厚PUA-Ⅱ并铺盖一层匀净干燥的硅砂，轻轻压实，待胶浆固结后去除未被黏结的砂粒，即形成表面满黏砂粒、内含玻纤网格布的具有微孔结构的强韧硬涂层，此涂层即为泡沫保温层正面的界面连接层。除免覆玻纤网格布，涂层厚为0.5～0.8mm不同外，以同样方法形成泡沫保温层背面和周边界面连接层，即构成以界面连接层整体包覆保温层的预制复合层，明显增强了保温层的整体结构强度，是外保温系统的核心预制构件。两侧及周边的界面连接层，既是保温层的增强保护层，又是优良的防水层，表面满黏的砂粒层，则具有良好的界面连接功能，为泡沫保温板使用传统的水泥基材料与墙体基层黏贴和保护层及面层外装饰提供了施工连接的良好条件。

3.2 具有防火构造的多功能预制构件

采用不同厚度的玻镁防火板复合构成不同的结构层，在预制复合层正面的砂粒面用专用水泥砂浆找平并与玻镁板复合结构连接，再在玻镁板的外侧面制作不同的外饰面层，即可构成具有隔热保温、防水、防火功能和外饰面层一体化的多功能预制构件。预制复合层和多功能预制构件的构造图分别由图3和图4表示。

3.3 施工方法

采用铺贴墙体面砖的薄层黏贴工艺，以专用水泥砂浆用方齿镘刀直接涂刮在墙体的找平层上，把多功能预制构件按一定的基准黏贴上墙，形成无空腔连接，经配套的专用密封胶按常规嵌缝，即可完成具有隔热保温、防水、防火功能和外饰面层的墙体外保温工程。其构造如图5所示。

4 结构和防火安全对策讨论

由结构层、保温层、保护层和饰面层复合构成的墙体外保温系统是目前国内外认定比较合理的模式。有机泡沫材料的使用提升了节能效果，但其力学和易燃特性给工程结构和防火安全提出了更为苛刻的要求。因此必须强调对工程构造和防火技术途径的研究。

4.1 增强结构安全对策

4.1.1 界面连接及其可行模式

由复合构成的外保温工程结构，界面连接成为结构稳定的关键因素，聚氨酯界面黏接胶浆对有机泡沫材料的良好黏结性能及其特殊的界面连接结构模式，即利用预制复合层的砂粒面用传统的水泥砂浆与结构层和保护层进行无空腔连接，使泡沫保温层与不同性能界面的黏结形成了良好的匹配性，提升了界面连接的可靠性，为工程结构稳定创造了基本条件。这一有机泡沫材料与无机建材表面连接的独特模式，制作简便，简化了工程结构和施工程序，并符合一定的经济合理性。

4.1.2 提升结构力学性能

聚氨酯是介于硬塑料和软橡胶之间的高性能高聚物，即在高硬度和高强度下仍能保持其优良的韧性，其性能有宽广的可调性。预制复合层正面涂刮的0.8～1.2mm 的厚质胶浆，在形成具有微孔结构的胶层时产生一定的膨胀率，促使胶浆充满玻纤网格布和砂粒间隙，增加了黏结面积和黏结强度，增强了界面连接层结构的力学性能，杜绝了墙面开裂、墙体渗水等弊病。界面连接层是保温层的增强保护层，是提供力学性能的主体,外墙外保温系统性能要求中抗冲击性规定，首层墙体应符合10J级要求，二层以上为3J级，经竖直自由落体冲击方法对预制复合层的抗冲击性能测定，完全符合首层墙体10J级要求。

4.2 防火安全对策

有机泡沫材料的燃烧特性和系统构造的抗火功能是防火安全的主要因素。根据相关建筑设计防火规范规定的非承重外墙耐火极限要求，结合工程构造模式，对保温层作多层次的耐火隔热保护作为构造防火，构成工程整体的防火构造。

4.2.1 构造防火之一：物理覆盖防火

在泡沫体表面覆盖具有耐火和隔热性能的无机板材，使泡沫体不接触火焰，防止或推迟其燃烧发烟。国外一些国家建筑规范要求，对泡沫体覆盖一定厚度的石膏板，如美国现行规范规定，建筑用泡沫材料必须覆盖1/2吋厚的阻燃性石膏板作为防火保护。石膏板质轻耐火，导热系数0.2W/（m·k），是较理想的耐火隔热材料。本课题则选用玻镁无机不燃板，耐火性佳，密度≤1g/cm3，导热系数≤0.3W/（m·k）。采用不同厚度玻镁板复合构成空腔或无空腔多种结构形式，以减轻其重量和增加隔热性能。

4.2.2 构造防火之二：化学涂膜防火

对具有闭孔结构的硬泡制品，涂膜防火是一种十分有效的防火途径，即在硬泡体表面涂敷一层树脂涂敷液形成一定厚度的难燃性涂膜，燃烧受热时使其生成阻火隔热的炭化层，抑制内层泡沫的燃烧热分解和发烟。应用这一技术的关键是选用与泡沫材料有较强黏结力和易形成炭化层的高分子树脂作为涂膜材料，并可在涂敷液中加少量添加剂提高涂膜的难燃化并促使炭化层的生成，使泡沫体形成难燃性夹芯板块。

本文3.1节界面连接及其预制复合层的构成，即是符合涂膜防火的典型模式。界面连接层PUA-Ⅱ中的聚氨酯黏结胶浆是一种易引起高温炭化的树脂材料，并与PURF、EPS和XPS有良好的黏结性能，是一种理想的涂敷材料。耐火模拟试验证明，用天然气喷烧预制复合层正面砂粒层，受热后会很快生成灰白色的耐火炭化层，炭化过程中黏结胶浆与界面连接层中的砂粒、玻纤网格布以及黏结胶浆中的无机矿粉填料一起固结形成有玻纤网作支撑的阻火隔热层，隔断空气进入，有效地阻止火焰穿透扩散。尤其在PURF泡沫体使用时，涂膜燃烧温升至较高温度后，PURF自身表层也会在高温下炭化，并与涂膜炭化层一起形成更为致密坚实的阻火隔热层，达到更高的阻燃性能。对照《建筑构件耐火试验方法》（GB/T9978），表明其耐火稳定性和完整性可达到非承重外墙60min以上的耐火时间要求。这一方法与整体提升泡沫塑料的化学阻燃性比较，其防火功能和经济合理性是十分明显的。PUA-Ⅱ形成的界面连接层，既提升了界面连接的可靠性和工程结构的力学性能，火灾发生时则可形成防火用耐火炭化层，达到一物多用的效果。

4.2.3 构造防火之三：耐火隔热砂浆防火

按照界面连接层结构模式，预制复合层与玻镁板找平连接用专用砂浆，可采用具有隔热性能的轻质水泥砂浆，既作为找平连接层，也是耐火隔热保护的构造防火,可在砂浆层适用厚度范围内进行调节，满足找平连接和防火隔热需要。

本文3.2节具有防火构造的多功能预制构件，即是由4.2.1～4.2.3构造防火组成的外保温系统整体的防火构造，并可对各层次构造防火进行调整，以满足不同耐火极限要求。即以多种防火技术组合方式，达到相应的防火安全等级。

4.2.4 合理的防火构造是墙体外保温系统防火安全的保证

由于国内尚未有针对墙体外保温的防?耐火规范出台，按照现行规范，系统的防火构造，应符合《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045），《建筑设计防火规范》（GB50016）等规范规定的非承重外墙耐火极限要求，并经《建筑构件耐火试验方法》（GB/T9978）判定具有耐火稳定性、完整性和耐火隔热性，不具备三个判定条件则没有系统防火构造的防火功能。以EPS板薄抹灰保护层为例，由于其不具备三个判定条件，特别是耐火隔热性。试验证明，当其表面受火攻击后，抹面砂浆层的背火面会迅速升温，被保护的EPS板受热后即蜷缩脱离保护层并熔融流淌。另薄抹灰砂浆中作为改性剂的水性聚合物分散体，属热塑性聚合物，既不耐温，也没有高温下结成耐火炭化层的功能，高温燃烧会使砂浆层溃散垮塌，即失去保护层的耐火稳定性和完整性。因此薄抹灰保护层，仅仅是力学性能的结构保护，并无防火功能。EPS和XPS为热塑性泡沫塑料，软化熔融温度仅80℃，PURF虽属热固性泡沫，但当温度升至120℃以上时也会产生软化形变，因此对泡沫保温材料，判定条件中的耐火隔热性显得尤为重要，应按照泡沫材料的耐热性能，设计构成相应的防火构造，并在不同的建筑类别和地域环境区别使用。

5 结语

高效泡沫保温材料仍然是当前多数国家建筑节能的主选。中国建筑节能量大面广，节能主体材料的更替使用，必须有可靠的可供资源、成熟的使用技术和一定的经济合理性。改进使用技术，完善政策法规，根治监管缺失，强化建设建筑节能的安全保障体系，是应对当前节能减排的较好对策。新材料、新技术，更期待于国人的共同创造。

[1]David Eaves，Handbook of Polymer Foams. [M]Harbury，UK，2003.11.

[2]姚利君，张惠，高向方.聚合物砂浆与膨胀聚苯板黏结强度的研究[J].化学建材，2006.6.

[3]张春侠，王命平.外墙外保温体系保温层与基层墙体的连接机理研究 [J]. 新型建筑材料，2004.9.

[4]裘亦诚，张东亮.聚氨酯界面黏结胶浆及其界面连接层结构[J]. 化学建材，2008.1.

[5]裘亦诚，杨全根.聚氨酯界面黏结胶浆在墙体外保温中的应用[J].墙体革新与建筑节能，2010.10.