基于水性环氧树脂浸润剂处理的玻璃棉板外保温系统设计

邓招龙

(江西中煤建设集团有限公司，江西 南昌 330000)

建筑能源消耗问题一直是相关领域的研究重点[1]。面对巨大的建筑能耗，充分提高建筑外部保温隔热性，是实现建筑节能的重要举措[2]。在整个建筑结构中，墙体是建筑围护结构的主体，在整个建筑能耗中占总能耗的35%左右，因此，如何改善建筑墙体的保温隔热性能是研究的重点。

目前国内外主要存在的外墙保温形式以外保温为主，由于外保温体系保温层覆盖在墙体外侧，基本上可以避免热桥问题，保证墙体内表面上不易产生结露现象，储存更多的能量，所以外保温体系是建筑领域极力倡导的保温形式，也是在国内应用最广泛的建筑保温技术。目前主要应用的外保温系统主要包括基于聚苯乙烯隔热保温板外保温系统和胶粉聚苯颗粒外保温系统，这两种系统现场施工工序多，材料导热系数大，不仅导致温度应力过高，保温效果不明显，而且消耗的能源过多，没有达到节能的目的[3]。因此，提出基于水性环氧树脂浸润剂处理的玻璃棉板外保温系统，利用水性环氧树脂浸润剂处理玻璃棉板，降低材料的导热系数，解决传统系统中存在的问题。

1 基于水性环氧树脂浸润剂处理的玻璃棉板外保温系统整体框架设计

玻璃棉板外保温系统中玻璃棉板的性能与浸润剂息息相关，整体框架部分主要是实现浸润剂的配置及辅助玻璃棉板的生产，以提高玻璃棉板材料性能。

浸润剂的配制和处理过程的主要设备包括控制器、触摸屏、变频器和称重传感器[4]。具体结构如图1所示。

图1 浸润剂配制过程示意图

浸润剂配制后，负责输送的控制器硬件和网络结构如图2所示。

图2 控制器硬件配置和网络结构图

浸润剂配制过程中接口模块为IM365，扩展机架与主机架相连，通信方式主要以点对点通信CP340为主，通过IM365串行通信接口进行数据交换[5]。在图2中显示的扩展机架上，安放与主机架通信的接口模块，其他槽位安放信号分别为模拟量输入模块、模拟量输出模块和数字量输入模块。

通过上述控制器设计生产浸润剂，达到提高浸润剂中环氧成膜剂对玻璃纤维的黏结力和表面张力。

2 玻璃棉板外保温系统构造设计

2.1 结合“抗”和“放”的防裂构造设计

玻璃棉板材料的使用使得设计外保温系统时需要考虑材料各项参数，当玻璃棉板外保温系统受到外界温度变化的影响产生变化时，材料的内应力会逐渐消耗掉，实现外保温系统的防裂功能[6]。

玻璃棉板材料的变形是不自由的，结合“抗”和“放”两种防裂机理，避免玻璃棉板外保温系统出现开裂。在“抗”的防裂机理下，玻璃棉板受到内外约束受力的作用，完全处于约束状态。则材料各个参数有如下关系[7]：

αx=αy=αz=βxy=βyz=βzx=0

(1)

δx=δy=δz=KγR=δmax

(2)

ηxy=ηyz=ηzx=0

(3)

式中:αx、αy、αz为各个方向上的极限拉伸；βxy、βyz、βzx为各个方向的夹角变位；δx、δy、δz为各个方向上约束正应力，N；K为弹性模量，MPa；R为温差,℃；γ为线膨胀系数，1/C；δmax为最大约束应力，N；ηxy、ηyz、ηzx为各个方向的剪切应力，N[8]。在上述这种情况下，只要材料具有足够的抗拉强度，则不会产生开裂现象。

如果玻璃棉板的变形得到满足，则变形不会产生约束应力，此时材料处于完全的自由状态，因此不会产生裂缝。此时材料的参数关系如下：

αx=αy=αz=γR

(4)

δx=δy=δz=ηxy=ηyz=ηzx=0

(5)

由式(4)和式(5)可知，在这种情况下，材料可以随着温度的变化自由变形，此时材料向空间自由发展，在任意温差条件下，保温材料都具有良好的适应变形的能力。

2.2 保温隔热结构与节能的一体化设计

外保温系统中保温隔热结构与节能的一体化设计有一个重要的前提，就是系统的热工性能必须能够满足建筑物节能指标的要求[9-11]。具体要求为：对于围护结构的热阻值应该大于建筑物所在地区规定的最小热阻值；室内温度与湿度的调节应该高于室内空气的结露温度；在材料和构造措施改变处、结构缝隙处以及位移较大的部位，设置变形缝。

对于外保温系统，其连接件采用强度高的金属螺栓，在玻璃棉板与室外环境接触的一端用塑料垫盖严，使用的塑料套筒贯穿外膜板的内侧截面，将锚杆端头与墙体中的钢筋骨架绑扎牢固。具体的连接形式如图3所示。

采用这种形式的连接能够避免外保温系统产生热桥，避免保温效果被削弱。在这种结构下，节能的控制主要是对局部节点构造进行处理[12]。建筑物节点的构造部位主要是指采暖和非采暖空间的楼板部位、阴阳角部位、门窗洞口等部位，这些部位是外保温系统的关键环节，是最影响保温效果的部位。因此对这些部位进行优化设计，以阴、阳角为例，构造结构如图4所示。

图3 连接件内螺栓的设置

图4 阴、阳角部位构造

通过以上过程对外保温系统一些局部节点进行构造优化，以达到保温隔热、节能的目的[13-15]。至此，基于水性环氧树脂浸润剂处理的玻璃棉板外保温系统设计完成。

3 玻璃棉板外保温系统性能测试

对于玻璃棉板外保温系统性能测试，主要以对比测试的形式为主，在测试中建立统一的墙体模型，使用不同的外保温系统测试在相同条件下，不同系统的节能和保温效果，验证系统的有效性，分析系统的实际应用能力。

3.1 墙体模型参数设置

在节能效果测试和温度应力测试中均需要与普通墙体相对比，因此在测试之前，定义普通墙体的材料参数。具体内容如表1所示。

设计的玻璃棉板外保温系统材料参数如表2所示。

表1 普通墙体各层材料参数

表2 玻璃面板外保温系统各层材料参数

创建墙体模型采用自顶向下的方式，满足《外墙外保温工程技术规程》要求，建立的墙体模型如图5所示。

图5 墙体模型

图5中显示的墙体模型是经过网格划分后的模型，其尺寸为3.5 m×3.0 m，中间窗户大小为1.5 m×1.5 m。基于以上内容测试不同外保温系统的节能效果和温度效应。

3.2 节能效果测试及分析

使用ECOTECT软件计算采用不同外保温系统的墙体建筑能耗，并以基于聚苯乙烯隔热保温板的外保温系统、基于胶粉聚苯颗粒的外保温系统为对比方法，分别比较不同方法下墙体的建筑能耗与普通墙体能耗的计算结果，得到外保温系统的节约能耗。测试结果如图6所示。

对比图6结果，从覆盖面积上分析不同外保温系统的测试结果。图6中显示传统的两种外保温系统覆盖面积大于普通墙体显示的覆盖面积，说明这两种系统在保证了保温隔热的性能的同时，消耗了过多的能耗，没有达到节能的目的。而设计的外保温系统图中显示的覆盖面积远远小于普通墙体展示的覆盖面积，说明设计的外保温系统的能耗远远低于普通墙体，并且与传统的保温系统相比，节能效果也非常明显。

图6 不同外保温系统节能效果测试结果

3.3 温度应力测试及分析

温度应力测试主要是在恒温阶段、静置阶段、加热阶段和降温阶段下，根据墙体温度与外界温度的温度变化计算温度应力，对比这些数据可以证明外保温系统的保温隔热性能。计算结果如表3所示。

分析表3可知，任何情况下只要存在温差，就会发生从高温向低温处的热量传递。温度应力越大，说明保温隔热性能越好。通过观察表中数据可以看出，设计的外保温系统温度应力更高，说明该系统面对不同的外界温度变化，能够对墙体结构层起到保护作用，达到保温隔热的目的。结合节能效果测试结果可知，设计的基于水性环氧树脂浸润剂处理的玻璃棉板外保温系统优于传统的外保温系统。

表3 不同外保温系统温度应力测试结果 MPa

4 结 语

本文从提升外保温系统保温性能方面入手，结合水性环氧树脂浸润剂处理的玻璃棉板，设计外保温系统，解决传统外保温系统中存在的问题。在系统设计中，利用浸润剂增强玻璃棉板的表面张力，增强材料性能，达到保温隔热的目的。在设计完成之后，利用传统的外保温系统设计对比测试，多次测试得出，设计的系统的有效性以及优越的实际应用能力。但是设计过程中对保温系统的耐久性没有过多的验证，在后续研究中可从这一方面展开研究，切实保证外保温系统的应用安全。