外墙外保温系统分类特点及劣化机理分析

纪磊 高君仿 赵广志 许国东 龚辉

江苏省建筑工程质量检测中心有限公司

0 引言

近年来，日益频繁的外保温材料坠落事故对人民的生命财产安全构成了很大隐患，外墙外保温系统的安全评估与预警成为人们关注的焦点。2012 年任玲玲等[1]分析了外墙外保温系统裂缝缺陷产生的原因，提出相应的预防对策。2008 年李玉玲[2]通过对寒冷地区外墙外保温构造体系裂缝的界定分析，系统地从材料、构造、施工三个方面对其开裂原因进行了简要分析。2011 年杨秀燕[3]针对EPS 薄抹灰外墙外保温系统开裂问题进行了研究，总结了墙外保温系统产生裂缝等缺陷的因素，并以此为基础从设计及施工工艺等方面对 EPS 薄抹灰外墙外保温系统开裂的防治提出了意见。2013 年周宇[4]深入分析了EPS 板薄抹灰系统以及 XPS 挤塑板薄抹灰外保温系统中经常出现的质量通病，明确指出质量控制要点。2 009 年项道阳[5]首先对外墙外保温体系雨循环和热冷循环后破坏机理进行分析，应用ANSYS 有限元分析软件对外墙外保温体系进行建模分析，计算外墙外保温体系的温度场分布规律及其产生的变形和内力。

然而，国内外学者目前的研究大多集中于单一或者少数类型的外保温系统质量缺陷，缺乏对目前常用外保温系统质量安全的系统分析，因此很难对种类繁多的外墙外保温系统安全隐患形成的诱因及劣化机理进行综合分析。本文对不同外保温系统的构造进行归纳，依据真实案例对不同类型的外保温系统劣化机理进行分析，对其诱因和劣化机理进行发掘，对治理既有建筑外墙外保温质量缺陷，提升其安全性，耐久性与功能性具有重要的意义。

1 外墙外保温系统分类特点研究

1.1 塑板外墙外保温系统

1.1.1 基本构造

挤塑板外墙外保温系统，简称 EPS 板外墙外保温系统，由 EPS 板保温层、聚合物粘结砂浆粘结层、聚合物抗裂砂浆抹面层（中间满铺耐碱玻璃纤维网格布）及外墙饰面层构成[6]。EPS 板用聚合物粘结砂浆固定在基层上，需要时加设锚栓辅助固定见表1[7]。

表1 挤塑板薄抹灰系统涂料面层基本构造

1.1.2 常见缺陷及劣化原因分析

1）事故调研

案例一：济南市某高层住宅楼发生保温板脱落事故。该建筑结构设计使用年限为50 年。采用EPS 板薄抹灰外墙外保温系统，EPS 板厚度为70 mm,采用弹性外墙涂料饰面（图1）。

图1 济南某工程聚苯板脱落事故

案例二：江苏省常州市新北区某工程，其两层外侧墙体的EPS 板脱落一大半（图2）。

图2 江苏某工程聚苯板脱落事故

案例三：乌鲁木齐市北京路某工程，其侧面墙体EPS 板从一楼窗户到六楼屋檐下全部脱落，高约15 m，面积约200 m（2图3）。

图3 新疆某工程聚苯板脱落事故

2）原因分析

EPS 板外墙外保温系统的脱落大多数是由于粘贴方式及粘贴面积不符合设计及技术标准要求等因素造成的。粘贴面积过小时，EPS 板与墙体基层之间粘贴强度不够，或留有连通空腔，加之粘贴方式不规范，密封性不好，使负风压对保温墙面的空腔影响明显增大。从而引起风压引起的应力集中在板缝处，造成板缝处开裂，最终导致EPS 板大面积脱落[7]。其事故诱因可归纳为以下两种情况：

①风压破坏：当负风压对 EPS 板外墙外保温系统的作用力大于粘结砂浆与基层墙体或粘结砂浆与 EPS板之间的粘结力时，EPS 板外墙外保温系统会出现脱落，具体表现为，负风压力在瞬间或者一次大风期间将EPS 板外墙外保温系统破坏。

②连通空腔：我国技术标准规定采用EPS 板与基层墙体的粘贴方法主要有条粘法和点框法两种。当现场实际施工操作过程中施工人员没有按照点框粘工艺要求进行操作时，如有点无框的“纯点粘”，便形成连通空腔，引发严重的质量事故。

1.2 岩棉板外保温系统

1.2.1 基本构造

岩棉保温板是一种憎水型保温隔热板。可应用于新建、扩建、改建的居住建筑和公共建筑外墙的节能保温工程。其基本构造见表2[7]。

表2 岩棉板外保温系统基本构造

1.2.2 常见缺陷及劣化原因分析

1）事故调研

案例一：济南市某项目为框架抗震墙结构，采用岩棉板薄抹灰外墙外保温系统，其岩棉板厚度为60 mm，脱落位置在该楼的西山墙部位（图4）。

图4 济南某工程岩棉板脱落事故

案例二：沈阳某工程采用的是岩棉板薄抹灰外墙外保温系统，岩棉板面层采用聚合物水泥砂浆抹灰，该工程墙面上脱落比较明显（图5）。

图5 沈阳某工程岩棉板脱落事故

案例三：北京某工程外保温工程中，岩棉板采用胶粘剂粘贴并加以锚栓辅助固定。但工程未能经受住外界作用力的影响，一场大风就使 55 m 高处的岩棉板脱落坠地（图6）。

图6 北京某工程岩棉板脱落事故

2）原因分析

自身缺陷：岩棉板与其他保温板相比，岩棉板在自然环境特别是湿热条件下尺寸很不稳定。岩棉板主要由横向分布的纤维丝构成，纤维遇到水后吸水分层，变形严重[8]。岩棉板纤维与纤维之间存在着连通空气，在热涨冷缩及负风压作用下极易鼓胀。如果其应用于外墙工程中时，其面层难以抵御鼓胀的应力变形，上墙后势必造成外饰面效果不佳，出现鼓包、板缝明显等现象[7]。

风压破坏：由于岩棉板构造疏松，垂直板面方向的抗拉强度低的同时密度也比较大。因此，无法直接采用胶粘剂将其粘贴固定在基层墙体上，必须用一定数量的锚栓来固定岩棉板。若岩棉板与基层墙体结合力不够大，无法承受最大负风压作用时，必然会被刮落。同时岩棉板强度比较低时，也易被大风撕裂[7]。

1.3 酚醛保温板外墙保温系统

1.3.1 基本构造

酚醛保温板外墙保温系统一般由基层、保温层、防护层、饰面层组成。基层包含基层墙体和水泥砂浆找平层，保温层含胶粘剂、酚醛防火保温板，防护层含抹面胶浆、内嵌网格布，饰面层可以选择涂料或饰面砖[9]（见表3[7]）。

表3 酚醛保温板外墙保温系统基本构造

1.3.2 常见缺陷及劣化原因分析

1）事故调研

案例一：北京市某工程发生外保温系统保温层脱落事故，脱落位置在该楼的东山墙部位，该建筑采用酚醛板外墙外保温系统。事故造成楼下的 4 辆轿车被砸（图7）。

图7 北京某工程酚醛板外保温系统脱落事故

案例二：上海某工程采用酚醛板保温装饰一体化设计，装饰板和酚醛板出现了大面积脱落事故，酚醛板也被撕裂损坏。装饰板与酚醛板由于温度变化产生了变形破坏，在构造上存在连通空腔时，受到负风压的影响发生脱落（图8）。

图8 上海某工程酚醛板外保温系统脱落事故

案列三：北京某工程酚醛板外保温两年多就出现了大面积酚醛板脱落现象，未脱落部分空鼓情况也十分严重。该工程中酚醛板涂刷了相应的界面剂，但仍然无法使抹面胶浆、粘接砂浆与酚醛板形成有效粘接，从照片上可以看出，粘接砂浆与基层墙面的粘贴十分牢固，酚醛板也采用了锚栓辅助固定，但锚栓仅能锚固住锚栓盘覆盖的区域，而随着大面积的脱落，部分锚栓也会被拔出（图9）。

图9 北京某工程酚醛板外保温系统脱落事故

2）原因分析

由于酚醛板具有导热系数低、难燃、低烟、耐高温等优点的同时，其自身又存在着易降解粉化、弯曲变形小。尺寸稳定性差、吸水率高、抗拉强度低等缺陷，与EPS 板的性能相差比较大[7]。其劣化机理主要为：

①吸水率高：酚醛板的化学成分和孔隙率决定了酚醛板具有较高的吸水率，吸水后的酚醛板干燥后质量下降，粉化降解加速，其压缩强度会变小，粘贴性能也会受到影响，并会影响到酚醛板的保温性能。同时，酚醛板吸水后，降解粉化现象会加剧[7]。

②强度低：酚醛板强度比较低，受外力影响较大，极易遭到破坏。

③尺寸稳定性差：酚醛板的泊松比比较大，其尺寸变化率为EPS 板的 3.3 倍，泊松比为 EPS 板的 2.4倍。因此，酚醛板用于外保温工程中在温度多变的外部环境下极易发生变形。

④弯曲变形小：酚醛板弯曲变形小，脆性高，易碎，柔韧性差[7]。因此，吸收内应力和释放变形的能力均比较差，应用于外墙外保温工程中时，酚醛板易断裂破坏，从而引起保护面层开裂。

1.4 无机保温砂浆外墙外保温系统

1.4.1 基本构造

无机保温砂浆与基层墙体结合紧密，抗风压、抗震能力墙、施工速度快，价格低，具有良好的防火、隔热性能，防火性能好，克服了传统材料吸水性大、易粉化的缺点，且材料浆料收缩性小，施工方便，工艺成孰[7]。其基本构造见表4[7]。

表4 无机保温砂浆外墙外保温系统基本构造

1.4.2 常见缺陷及劣化原因分析

1）案例调研

上海某大学教学楼发生外保温系统脱落，主要脱落部分为无机保温浆料系统（玻化微珠或珍珠岩）和仿瓷砖饰面涂料系统。由图10 可知，保温浆料系统与基层和饰面层都断裂情况较为严重。

图10 无机保温砂浆脱落事故

2）原因分析

由于无机保温砂浆外墙外保温系统现场施工难以满足设计要求，系统吸水率指标容易不合格，系统施工完成后会出现导热系数指标不合格的情况，对无机外保温砂浆系统所用耐碱网布质量和抗裂砂浆要求高等原因，质量不合格产品难以满足其安全性要求[7]。其主要破坏机理如下：

①基层处理不到位：基层平整度不够、表面浮灰或未按要求进行界面处理，均有可能造成保温层与基层粘结力不足，造成空鼓、开裂、脱落等情况。

②材料自身缺陷：原材料质量差异大，房屋外墙饰面材料受风压温差的长期综合作用，雨水冲刷后渗入保温层内部，保温材料吸水受潮后，受温度影响热胀冷缩容易发生变形。再加上增强网受潮后长期处于潮湿高碱环境中，强度降低失去防护作用，随时间的推移保温板材膨胀开裂[7]。

2 劣化机理分析

我国外墙外保温系统繁多，破坏原因也是多种多样，通过对上述外保温系统的分类及事故原因的分析抗压发现，除去材料自身可能存在的缺陷外，目前对建筑外墙外保温粘结质量影响的主要诱因可以分为水原因，风原因和温度原因三方面。

1）水原因：保温材料内部存在空腔，水汽进入后会产生虹吸作用，使水汽向四周扩散，直到水的质量超过材料的表面张力，形成渗水使保温材料膨胀或收缩，材料剥落、粘结强度降低。水的迁移运动，重力作用，渗透作用，动能和气压共同作用，均能使“ 水”产生流动或移动，如图 11 所示[10]。雨水在外保温层面上的作用力，可以分解为两个方向，垂直作用在保温层面上的作用力会挤压内部，加速水汽扩散，竖直方向作用力会对面层形成冲刷，如图12 所示，因此强风下降雨的较大垂直作用力使其对外墙保温层破坏尤其严重[11]。

图11 保温系统水汽流动图

图12 雨水作用分解图

2）风原因：建筑外墙外保温系统是多层复合结构，对风荷载十分敏感。风荷载的长时间频繁作用将导致保温层间歇性不定向运动，即正风压和负风压。负风压对保温材料有撕裂作用，使外保温层与墙体之间粘接力下降，形成空腔。而正风压对保温材料有挤压作用，在挤压作用下，使保温层和墙体之间的积水会向四周扩散。正风压的撕裂和负风压的挤压反复作用，会使外保温层和墙体的粘接性能严重下降，加速保温层的脱落[12]。

3）温度原因：温度变形带来的最大问题是外墙保温层内会产生随时存在、具有危害性的应力变化。它会随着季节温差、早晚温差而不断变化，产生分布不均匀的作用力，对保温材料层产生拉裂，并加剧保温材料变形的程度。保温材料吸水后体积膨胀，会损伤保温材料与墙体的接触界面，使保温层产生翘曲。保温层在干燥收缩时，由于空腔存在、变形很大，产生附加应力也可使保温层破坏。干、湿反复循环，会加剧保温材料层的破坏，见图13[12]。

图13 温度综合作用示意图

3 结语

本文对常用的保温系统进行分类，通过实际案例对其劣化机理进行分析，结果如下：

1）外墙外保温系统安全事故的根源在于材料性能不够全面，材料的防水性及抗疲劳性是外墙外保温系统事故的根源所在。

2）渗水是导致保温层脱落的重要原因。外部环境中的水汽会利用保温材料内部的空腔产生虹吸作用，增加材料自重，诱发外保温系统安全问题。

3）风荷载的长时间频繁作用将导致保温层间歇性不定向运动，形成正风压和负风压，负风压对保温材料有撕裂作用，影响外墙外保温系统的安全使用。

4）外部环境的温度变化将在外保温系统中形成具有危害性的应力变化，产生分布不均匀的作用力，对保温材料层产生拉裂，并加剧保温材料变形的程度。

综上所述，解决外墙外保温系统安全问题的治本之道是研发更加完善的外保温材料，研究重点应着重于质量轻，强度高，抗渗性高及温度变形小等方面。