改性玻璃棉板外保温系统性能研究及在既有建筑节能改造中的应用

路国忠 ，郑学松 ，刘月 ，惠博 ，张遵乾

（1.固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京 100041；2.燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）

0 前言

国内建筑外墙外保温系统以聚苯板薄抹灰系统为主，由于聚苯板薄抹灰系统的主体保温材料为有机可燃聚苯乙烯泡沫材料，如EPS、XPS，这类保温材料易燃烧、烟雾大、毒性大，且耐火性极差，在80℃开始产生熔融变形后滴落，以其作为外墙外保温的建筑一旦失火很难扑救，除了因为聚苯乙烯泡沫材料本身的易燃性之外，其受热快速收缩和熔滴而引起的烟囱效应和敞开效应也是火灾迅速蔓延的关键[1-4]。

改性玻璃棉板作为一种高效的无机保温材料，与有机聚苯乙烯、聚氨酯等泡沫保温材料相比，具有不燃（A级），不具备火焰点火性和传播性的特点，且其密度小、导热系数低、防火、无毒、化学性能稳定、使用周期长，是一种理想的保温材料，可广泛应用于建筑等各个行业。改性玻璃棉板外墙外保温系统的抗风荷载性能、耐侯性、抗冲击强度等性能均符合JG 144—2004《外墙外保温工程技术规程》的指标要求。

1 保温系统的材料组成及构造

1.1 材料组成

玻璃棉板是以碎玻璃、石英砂、白云石、纯碱、硼砂等原料熔成玻璃流体，再将其纤维化，经过喷施特殊的热固性粘合剂压制形成的板状保温材料，如图1所示。

图1 玻璃棉板裸板

将玻璃棉板应用于建筑外墙外保温系统中，具有良好的防火阻燃、保温节能和隔声降噪的性能，但也存在一些问题：一是玻璃棉板本身垂直于板面方向的抗拉强度较低，普遍低于7 kPa；二是防水耐碱性能比较差，在碱性环境中易受侵蚀，造成强度大幅下降。针对强度低的问题，我们采用对玻璃棉板进行经纬向缝制的方法提高其垂直于板面方向的抗拉强度，经过缝制，垂直于板面方向的抗拉强度可提高到15 kPa以上，如图2所示。

图2 经纬向逢制的玻璃棉板

针对防水耐碱性能差的问题，采用防水耐碱界面剂将玻璃棉板6面进行包覆的方法，提高其防水性能，同时隔绝玻璃棉板与碱性环境的接触，从而提高其耐碱性能，改性玻璃棉板见图3。

图3 改性玻璃棉板

1.2 系统构造

本文中改性玻璃棉板外墙外保温系统以厚度不小于50 mm，密度为100 kg/m3的玻璃棉板为主要保温材料，配合玻璃棉板专用砂浆、耐碱玻纤网等材料，再加托架、锚栓等辅助材料，形成坚固一体的建筑外墙外保温系统，改性玻璃棉板外墙外保温系统的基本构造见图4。

图4 改性玻璃棉板外墙外保温系统构造

1.3 系统性能特点

1.3.1 从体系设计角度保证系统的连接安全性

通过工厂预处理手段提高玻璃棉板的强度、防水性和耐碱性；通过双层增强网、锚栓、托架方式提高外墙外保温系统机械连接强度；通过柔性找平砂浆、保温板界面处理改善施工操作性，降低对施工人员的健康危害；节点设计适应体系构造。

1.3.2 高性能的配套材料确保体系长效耐久性

从保温体系构造出发，与玻璃棉板配套使用的有专用界面剂、聚合物粘结砂浆、柔性找平砂浆、聚合物抹面砂浆和饰面材料，其中专用界面剂兼具防水、增强的功效，柔性找平砂浆兼具找平、保温补偿的功效。

1.3.3 保温性能好

外保温用玻璃棉板的导热系数在0.033 W/（m·K）左右，柔性找平砂浆的导热系数为0.060 W/（m·K），两者复合使用可使整个系统具有相当好的保温性能，同时柔性找平砂浆还可对玻璃棉板无法处理的部位及热桥部位起到补充保温和阻断热桥的作用。

1.3.4 优异的防火性能

玻璃棉保温板为A级不燃材料，整个系统具有非常优异的防火功能，对保护建筑结构起到很好的作用。

1.3.5 抗冲击性能优越

玻璃棉板具有一定的弹性和较高的回弹率，同时，该系统中还使用2层耐碱玻纤网格布，形成双网结构系统，因而具有较好的抗冲击性能。

1.3.6 对主体结构变形适应能力强、抗裂性能好

玻璃棉板是一种柔性变形量较大的材料，抵抗外界变形能力强。在外力和温度变形、干湿变形等作用下，变形量都比较小，而且变形后回弹能力强，有效地保证了系统的稳定性、耐久性。同时，整个外墙外保温系统是一个柔性渐变、逐层释放应力的柔性抗裂系统，具有很好的抗裂性能。

2 改性玻璃棉板外墙外保温系统主要材料的性能研究

改性玻璃棉板外墙外保温系统的核心材料是改性玻璃棉板，但施工技术的关键在于其粘结砂浆、抹面砂浆的性能。一般采用聚合物改性水泥砂浆配制的粘结砂浆和抹面砂浆来满足施工的要求。

2.1 粘结砂浆的试验研究

本试验采用的单组份砂浆是将粉状聚合物与水泥、砂等材料混合而成的干混料，使用时只需按适当比例加水，搅拌均匀即可。实验用主要原材料为：P·O42.5普通硅酸盐水泥；石英砂，为40～70目；矿物掺料为Ⅱ级粉煤灰；胶粉1为可再分散性乳胶粉5010N，胶粉2为可再分散性乳胶粉5044N；纤维素醚为羟丙基甲基纤维素HPMC。单组份粘结砂浆的原材料配比及性能测试结果分别见表1和表2。

由表1和表2可看出：（1）胶粉的加入可使粘结砂浆的粘结强度提高、耐水性能改善。（2）灰砂比也是影响脆性系数的重要参数，灰砂比为1∶1～1∶2.5时，粘结砂浆与玻璃棉板的粘结接强度无明显变化，但与水泥基的粘结强度逐渐提高。所以一般选用灰砂比为1∶2.5最佳。（3）1#配方与3#配方对比可以看出，胶粉2的加入有明显的促凝作用，缩短了聚合物水泥砂浆的凝结时间。（4）1#与8#配方对比可知，纤维素醚的加入对水泥砂浆的可操作时间以及粘结强度影响不大。

表1 粘结砂浆的实验配比

表2 粘结砂浆的性能测试结果

为了验证试验结果，我们从以上试验结果中选择1#配比制样送质检部门进行性能检测，结果如表3所示。

表3 粘结砂浆优选配比的性能检测结果

从表3可以看出，可再分散胶粉与水泥砂浆及其助剂优化配制而成的单组份粘结砂浆，与改性玻璃棉板和水泥砂浆都具有较好的拉伸粘结强度，均符合JGJ 144—2014《外墙外保温工程技术规程》的要求。

2.2 抹面砂浆的试验研究

抹面砂浆试验矿物掺合料为Ⅱ级粉煤灰，胶粉为可再分散性乳胶粉5044N，憎水剂为硬脂酸钙，纤维素醚为羟丙基甲基纤维素HPMC，抗裂剂为长度3～5 mm的聚丙烯纤维。抹面砂浆试验配比见表4。为了验证试验结果，选择表4中3#配比制样送质检部门性能检测，结果见表5。

从表4和表5可以看出：

（1）抹面砂浆的压折比随着水泥用量的增大而增大，随胶粉及纤维增强材料掺量的增加而减小。

（2）对比 1#、2#、6#和 7#配方可以看出，灰砂比为 1∶2.6 时压折比最小。

（3）通过聚合物及纤维增强材料改性后，抹面砂浆具有较高的拉伸粘结强度和较好的抗冲击性。

水泥砂浆与可再分散乳胶粉及其它助剂优化配制而成的单组份抹面砂浆，与改性玻璃棉板具有较好的拉伸粘结强度（包括原强度、耐水及耐冻融拉伸粘结强度），符合JGJ 144—2014《外墙外保温工程技术规程》的要求。

表4 抹面砂浆的试验方案

表5 抹面砂浆的性能检测结果

2.3 界面剂的研制

由于玻璃棉板长期暴露在空气中，其面层上的细小纤维易脱落扎人，给施工工人造成痛痒感，为施工带来不便，因此，在玻璃棉板上墙前应对其进行界面处理。界面处理剂是以水泥、细骨料为主要原材料，以聚合物和添加剂等为改性材料并以适当配比混合而成，涂抹在改性玻璃棉板6个表面，这样处理不仅可防止玻璃棉板面层的细小纤维到处飞扬，还可提高改性玻璃棉板的防水性能，阻断改性玻璃棉板从找平层吸水的路径，保证找平材料不会因过快失水而开裂，并且有利于提高找平材料与改性玻璃棉板表面的粘结强度，进而保证整个外墙外保温系统的稳定性。

采用界面剂6面包覆玻璃棉板的方法，在提高防水性的同时，隔绝玻璃棉板与水泥材料的接触，提高玻璃棉板的耐碱性。普通玻璃纤维与涂覆界面剂的玻璃纤维的耐碱电镜照片如图5、图6和图7所示。

从图5～图7可以看出，经碱液浸泡后，普通玻璃纤维腐蚀较为严重，基本破坏了其组织结构，而涂覆界面剂的玻璃纤维在碱液浸泡后变化不大，耐碱性显著提高。

3 改性玻璃棉板及外墙外保温系统性能

3.1 改性玻璃棉板的性能研究

3.1.1 强度

玻璃棉板裸板和缝制板的垂直抗拉强度和压缩强度试验结果见表6。

图5 普通玻璃棉的电镜照片

图6 碱液浸泡后玻璃棉的电镜照片

图7 界面剂涂覆的玻璃棉耐碱电镜照片

表6 玻璃棉板的拉拔与压缩强度

由表6可见，玻璃棉板的垂直抗拉强度与压缩强度随着其密度的增加有逐渐提高的趋势，但玻璃棉板的密度不能无限制增大，因此利用高强度的纤维沿玻璃棉板经纬向缝制的方法提高玻璃棉板的强度是可行的，其垂直于板面方向的抗拉强度提高到15 kPa以上。

3.1.2 不燃性

玻璃棉板应用于建筑外保温，最大的优势在于其不燃性，燃烧性能可达到A级不燃，但是这与玻璃棉板制造过程中施胶量有很大的关系，当施胶量过大，不燃性下降，而施胶量过小，玻璃棉板的强度又达不到要求。经过多次试验，在保证玻璃棉板强度达到要求的前提下，确定其施胶量为9%时，不燃性实验结果为：△T=15.0℃，且△m=12.3%，且tf=0，符合GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》规定的A级指标：△T≤30℃，且△m≤50%，且 tf=0。

3.2 外墙外保温系统的性能研究

3.2.1 系统耐候性

按照JGJ 144—2014和北京市地方标准DB 11/T 1117—2014《玻璃棉板外墙外保温施工技术规程》进行外墙外保温系统的耐候性试验。系统模型经养护到规定龄期后，按自左到右顺序分为3部分，左侧为瓷砖饰面、中间为装饰砂浆饰面、右侧为涂料饰面（见图8）。

在经历热/雨周期80次循环并放置48 h后，经热/冷周期5次循环后，外墙砖表面均无裂纹，剥落现象，彩色砂浆和白色涂料饰面表面均无裂纹、粉化、剥离现象，窗均未损坏且无与其相连的裂纹，防护面层与玻璃棉板间的拉伸粘结强度为26 kPa，符合JGJ 144—2014和DB 11/T 1117—2014的规定要求。

图8 耐候性测试完成后系统及窗口状态

3.2.2 抗风压

抗风压试验按照JGJ 144—2014和DB 11/T 1117—2014进行，按工程项目设计的最大负荷风载设计值W降低2 kPa，开始循环加压，每增加1 kPa做1个循环，直至破坏。试验结果见表7。

表7 改性玻璃棉板外墙外保温系统抗风压试验结果

3.2.3 吸水量

吸水量测试按照JGJ 144—2014和DB11/T 1117—2014进行。用天平称量制备好的试样质量，然后将试样抹面砂浆的一面向下平稳地进入室温水中，浸水深度等于抹面层的厚度，浸入水中时表面完全润湿。浸泡24 h取出后用湿毛巾迅速擦去试样表面的水份，测其质量并计算浸泡24 h吸水量。

玻璃棉外墙外保温系统有饰面层24h吸水量为257g/m2，无饰面层24 h吸水量为450 g/m2，均符合JGJ 144—2014和DB11/T 1117—2014中≤500 g/m2的规定。

3.2.4 抗冲击强度

按照JGJ 144—2014中附录A.5的要求进行抗冲击强度试验，结果见表8。

表8 玻璃棉外墙外保温系统抗冲击强度试验结果

3.2.5 耐冻融

耐冻融循环试验按照JGJ 144—2014和北京市地标DB11/T 1117—2014进行。冻融循环30次，每次24 h，试样先在（20±2）℃自来水中浸泡8 h，试样浸入水中时，应使抹面层或保护层朝下，使抹面层浸入水中，并排除试样表面气泡；接着在（-20±2）℃冰箱中冷冻16 h；每3次循环后观察试样是否出现裂缝、空鼓、脱落等情况，并做记录。试验结束后，状态调节7 d，再测试拉伸粘结强度，结果见表9。

表9 玻璃棉外墙外保温系统耐冻融试验结果

3.2.6 水蒸气湿流密度

玻璃棉外墙外保温系统水蒸气湿流密度测试按照JGJ 144—2014进行。结果表明，水蒸气湿流密度为4.45g/（m2·h），符合JGJ 144—2014规定的≥0.85 g/（m2·h）的要求。

3.2.7 不透水性

按照JGJ 144—2014进行测试。试验结果为试样防护层内侧无水渗透。

上述各项试验结果表明，改性玻璃棉板外墙外保温系统的各项性能均符合JGJ 144—2014和DB 11/T 1117—2014标准规定要求。

4 应用推广

2011～2012年，改性玻璃棉板外墙外保温系统已经在北京市西城区的节能改造工程中应用，建筑面积60万m2以上，应用效果良好。工程应用实例如图9所示。

图9 改性玻璃棉板外墙外保温系统应用实例

5 结语

开发改性玻璃棉板外墙外保温系统，针对改性玻璃板外墙外保温系统及其主要原料性能进行试验研究，详细分析各种添加物对聚合物砂浆力学性能的影响，对裸板与经纬向缝制板垂直拉拔强度与压缩强度进行对比，并对外墙外保温系统的耐候性、抗风压性能、吸水性、抗冲击强度、耐冻融性、水蒸气湿流密度及不透水性进行了一系列试验研究。

（1）优选出粘结砂浆与抹面砂浆的合适配比，灰砂比分别为 1∶2.5 和 1∶2.6 时为佳。

（2）研制了玻璃棉板用界面剂，有效提高了玻璃棉板的防水性和耐碱性。

（3）经过经纬向缝制的玻璃棉板相对于裸板，压缩强度变化不大，但垂直抗拉强度明显提高，由7.3 kPa提高到15.6 kPa。

（4）通过不燃性试验，在保证玻璃棉板强度达到要求的前提下，确定其施胶量为9%。

（5）对改性玻璃棉板外墙外保温系统进行了多项试验研究，结果表明，玻璃棉板及外墙外保温系统均符合JGJ 144—2014和北京市地方标准DB11/T 1117—2014规定要求，且产品在北京市西城区灵境胡同小区与万明园小区的既有建筑节能改造工程应用中取得了良好效果。

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[2]安长友，陈丹林，黄振利，等.离层建筑耐火外墙外保温系统技木研究[J].建筑科学，2008，24（2）：93-106.

[3]霍怡.EPS和XPS板的性能分析比较[J].建设科技，2011（9）：68-70.

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