玻璃棉板外墙外保温系统在既有建筑节能改造中的应用

朱保华，韩丽婷

（1.江苏联合职业技术学院南京工程分院，江苏 南京 211135；2.南京工业大学，江苏 南京 211800）

0 引言

近年来，我国建筑行业飞速发展，但随之而来的能源消耗问题日渐突出，节能降耗已成为我国建筑行业的重要课题[1]。以聚苯板薄抹灰系统为主体的保温材料由于具有较好的保温隔热性能和防渗透、较好的抗压强度、成本低廉等，且能源可再生等优点，已成为我国建筑外墙保温系统的主流材料[2]。但该系统保温材料的主要成分为EPS、XPS等有机可燃聚苯乙烯泡沫材料，具有较大的毒性和烟雾，且易燃烧，在80℃下则会形成熔融变形滴落[3]。由于聚苯乙烯泡沫材料本身易燃，且受热收缩和熔滴也会造成烟囱和敞开效应，这导致该材料一旦着火则难以扑灭[4-5]。我国建筑群以多层和高层为主，采用该系统进行外保温极易造成火灾等安全隐患，带来极大的经济损失和人员伤亡，如：2009年2月，央视新址配楼着火；2010年11月上海住宅楼失火等事故频繁发生[6]。因此研究既具有保温功能，也可以降低火灾隐患，且不会增加施工难度和成本的保温系统具有重要的实用价值。

相对于有机聚苯乙烯等泡沫保温材料，改性玻璃棉板[7]不燃，且不满足火焰的传播性和点火性，再加上密度低、导热系数小、防火、化学性质稳定、使用周期长，在建筑节能改造中具有较好的应用前景。但在具体应用中，玻璃棉还存在吸湿严重、抗拉强度低、系统防护层易开裂等问题[8]。针对这些问题，本研究主要采用水性环氧树脂浸润剂改性玻璃棉板，改性剂选用硅烷偶联剂，并以此为基础，研究其保温系统性能及其在既有建筑节能改造中的应用。

1 改性玻璃棉板外保温系统组成及结构

1.1 保温系统组成及结构

玻璃棉板原材料为碎玻璃、白云石、纯碱、石英砂等，具体制作流程是将原材料加热熔融形成玻璃流体，接着将玻璃流体纤维化，再经喷施特殊热固性粘合剂，将流体纤维化材料压制形成板状保温材料，形成保温系统板状结构[见图1（a）]。玻璃棉板在应用时还需要解决抗拉强度低、耐水、耐碱性差的问题。为有效提高其抗拉强度，通过缝制的方式处理玻璃棉板，可有效提高玻璃棉板的抗拉强度。为解决防水耐碱性差问题，采用水性环氧树脂浸润的玻璃棉板[见图1（b）]。水性环氧树脂浸润剂具体配方为：25%水性环氧树脂、10%硅烷偶联剂KH560、15%吐温 80、50%乙醇。

图1 玻璃棉板保温系统板状结构图

本研究选用的改性玻璃棉板外墙保温系统保温材料厚度小于50 mm，密度为100 kg/m3，其他辅助材料包括专用砂浆、耐碱玻纤网、托架、锚栓等，具体结构如图2所示。

图2 改性玻璃棉板外墙保温系统的构造示意

1.2 系统性能特点

从体系设计角度考虑，该系统性能主要有以下特点：

（1）连接安全可靠。经预处理，增强玻璃棉板强度、防水性和耐碱性；经双层增强网、锚栓、托架等增强外墙保温系统连接机械强度；经柔性找平砂浆、保温板界面处理，提高操作安全性；节点设计必须满足体系构造。

（2）使用高性能配套材料，保证体系使用寿命长。专用界面剂、聚合物粘结砂浆、柔性找平砂浆等与玻璃棉板配套使用。其中专用界面剂满足防水、增强作用；柔性找平砂浆满足保温补偿和找平作用。

（3）保温性能优良。导热系数为0.033 W/（m·K）的外保温用玻璃棉板与导热系数为0.06 W/（m·K）的柔性找平保温砂浆复配使用，可以有效确保整个系统的保温性能。此外，柔性保温找平砂浆还可以很好处理玻璃棉板无法处理的部位，也可用于补充保温和阻断隔热作用。

（4）防水性能及抗冲击性优异。改性玻璃棉保温板材料属于A级不燃物，使得整个系统具有较好的防火性能；玻璃棉板的弹性优良、回弹率高，且该系统采用2层耐碱玻纤网格布，使整个系统抗冲击性能优良。

（5）优异的主体结构变形适应能力和抗裂性能。改性玻璃棉板柔性变形量大，抵抗外界变形能力强；在外力和外界环境作用下，变形量小，且变形后回弹能力强，因此能很好保证系统稳定耐久性。此外，系统属于柔性渐变、逐层释放应力的系统，因此抗裂性能优良。

2 改性玻璃棉板外保温系统性能分析

2.1 改性玻璃棉板性能分析

（1）强度

对4个玻璃棉板裸板进行垂直拔拉及压缩试验，结果见表1。随着密度增加，玻璃棉板的垂直抗拉能力以及压缩能力均提高。

表1 玻璃棉板密度对拔拉与压缩强度的影响

由表1可见，由于提高玻璃棉板密度有限制，因此为提高玻璃棉板强度，依照玻璃棉板经纬方向，选择高强度纤维进行缝制的方法进行。结果证实，该方法有效可行，结果见表2，可见在垂直于板面方向衍缝板的抗拉强度提高到15.4 kPa。

表2 裸板与衍缝板强度比较

（2）不燃性

玻璃棉板的最大优势在于其应用在建筑外保温满足不燃性，可确保燃烧等级在A1级，然而玻璃棉板的不燃性与制造过程的施胶量密切相关，施胶量必须合适，过低则会降低玻璃棉板强度，过高则降低不燃性。通过多次试验验证，当施胶量为9%时，玻璃棉板强度满足要求，且符合GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》规定的A级指标，即：△T=15℃，△m=12.3%，t1=0。

不燃性试验结果如图3、图4所示，图3为普通玻璃棉板的SEM照片；图4为水性环氧树脂浸润的改性玻璃棉板的SEM照片。

图3 普通玻璃棉板的SEM照片

图4 改性玻璃棉板的SEM照片

2.2 改性玻璃棉板外墙保温系统性能分析

（1）耐候性

外墙保温系统耐候性试验主要依照JGJ 144—2008和DB11/T 1117—2014进行。外保温系统模型通过养护到规定龄期，需要进行3个程序，即：瓷砖饰面、装饰砂浆饰面、涂料饰面。在经历热/雨周期80次循环并静置48 h后，再经历热/冷周期5次循环，观察系统表面情况，结果见表3。可知该改性棉板外保温系统的耐候性符合标准需求。

表3 改性棉板外保温系统耐候性测试结果

（2）抗风压

依照JGJ 144—2008和DB11/T 1117—2014对改性玻璃棉板进行抗风压进行测试，参考项目设计的最大负荷风载设计值，降低2 kPa，进行循环加压，加压频率为1 kPa，直至最后改性棉板保温系统破坏。试验结果见表4，可见该改性棉板外墙外保温系统抗风压满足要求。

表4 系统抗风压测试结果

（3）吸水量

依照JGJ 144—2008和DB11/T 1117—2014对改性玻璃棉板外保温系统进行吸水量进行测试。具体测试方法为：用天平称量试样，然后，将试样抹面砂浆的面朝下平稳放入室温水中，深度为抹面层厚度。浸入水中的面完全润湿，浸泡24 h后取出，用湿毛巾迅速擦去试样表面水分，称重，并计算浸泡吸水量。测试结果为：玻璃棉外墙外保温系统饰面层吸水量为257 g/（m2·24 h），无饰面层吸水量为450 g/（m2·24 h）。符合JGJ 144—2008和DB11/T1117—2014标准低于500g/（m2·24h）的规定。

（4）抗冲击强度

抗冲击强度依照JGJ 144—2008进行测试，具体方法为：采用自由落体冲击方法，利用钢球在1.02 m高度做自由落体冲击试样保护层，冲击间距要低于100 mm，钢球质量为1000 g，试样层水平放置在光滑刚性底板处。判断标准为冲击点及周围开裂次数，实验结果为，冲击10次开裂2次。结果符合标准要求冲击10次，开裂次数低于4次的要求。

（5）耐冻融试验

耐冻融试验依照JGJ 144—2008和DB11/T 1117—2014进行测试。测试方法为：冻融试验每次进行24 h，循环测试30次。试验进行前，需要将改性玻璃棉板抹面层朝上浸润在温度为20℃的自来水中，浸泡时间8 h。然后将抹面层浸入-20℃的冰箱中冷冻16 h。对每3次循环后观察试样的裂缝、脱落等情况，并进行记录。试验结束后对状态进行调节，调节时间为7 d，最后检测拉伸粘度强度。实验结果见表5。

表5 耐冻融试验结果

（6）水蒸气湿流密度及不透水性

水蒸气湿流密度及不透水性试验参照JGJ 144—2008进行测试。结果显示：水蒸气湿流密度4.45 g/（m2·h），符合标准规定的要求；试样防护层内侧无水渗透，符合要求。

3 改性玻璃棉板外保温系统在既有建筑节能改造中的应用研究

3.1 界面处理

利用专用界面剂，对改性玻璃棉板上墙进行界面处理，将专用界面剂涂抹在玻璃棉板的6个表面。这种处理方式既可以避免玻璃棉板面层的细小纤维到处飘散，也可以提高玻璃棉板的防水性能，阻碍玻璃棉板的吸水路径，避免找平材料因失水而开裂，有助于增强找平材料及玻璃棉板间的粘结强度，确保改性玻璃棉板外保温系统的稳定性。

3.2 粘贴及锚固

选用专用粘结砂浆，对玻璃棉板进行点框模式粘贴，然后利用锚栓进行加固。锚固材料一般选用复合材料，如聚酰胺、聚乙烯或聚丙烯等材料混合物，且材料不可回收再生；金属螺钉选择由不锈钢或经表面防腐处理的金属材质，满足断热桥设置，塑料的圆盘直径大于6 mm。锚栓安装数量一般为6～8只/m2，超过18层的高层建筑锚栓安装数量一般为8～10只/m2。

3.3 热镀锌钢丝网

玻璃棉板完成粘贴锚固之后，还要铺设热镀锌钢丝网，铺设时需要用锚固件压盘和盖板夹住，并确保钢丝网在轻质找平砂浆中部。铺设热镀锌钢丝网主要功能在于：热镀锌钢丝网固定及保护玻璃棉板；方便轻质找平砂浆施工，还可以补充玻璃棉板本身强度，避免出现分层；能够提高玻璃棉板的负荷承载力。

3.4 轻质找平砂浆

在外墙外保温工程中，为预防砂浆开裂，在玻璃棉板外墙外保温系统构造中使用轻质找平砂浆。轻质找平砂浆主要作用表现在：可以确保玻璃棉板满足找平作用，还能够阻断热镀锌钢丝网及锚固件产生的热桥，增强系统保温作用；柔性及抗裂性能良好，满足柔性渐变抗裂理论；干密度小，因此可以有效减少棉板面层荷载，避免玻璃棉板面层开裂。

3.5 饰面层及防护层

基于玻璃棉板承受荷载能力弱，因此其面层通常选用涂料饰面或装饰砂浆作用；为增强表面防护，通常采用玻璃棉板专用抹面砂浆，抹灰厚度为3～5 mm，同时将砂浆压进玻璃棉板表面的网格布中。

2014年，该改性玻璃棉板保温系统已经成功应用在北京市某城区的节能改造工程应用，建筑面积为60万m2，效果良好。图5所示为北京万明园小区施工现场。

图5 北京万明园小区外墙外保温施工现场

4 结语

本文研发了一种水性环氧树脂浸润剂改性玻璃棉板外保温系统，针对其性能进行试验研究。对比分析了裸板与经纬向缝制衍缝板垂直拉板强度及压缩强度，并对该改性玻璃棉板外保温系统的耐候性、抗风压能力、吸水性等进行了研究。结果表明：

（1）对于该改性玻璃棉板外，相较于裸板、缝制玻璃棉板垂直抗压强度显著增强，但压缩强度基本不变；不燃性试验证明，为确保玻璃棉板强度满足要求，施胶量为9%。

（2）经测试，该水性环氧树脂浸润剂改性玻璃棉板外保温系统的耐候性、抗风压能力、吸水性等性均符合JGJ 144—2008和DB11/T 117—2014标准要求。

（3）研究了该水性环氧树脂浸润剂改性玻璃棉板外保温系统在既有建筑节能改造中的实际应用，包括界面处理、粘贴及锚固、热镀锌钢丝网、轻质找平砂浆等。且该产品在北京某小区既有建筑节能改造中应用取得了较好的效果，证明该保温系统有效可行。

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