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2019第15届上海外墙装饰材料及粘结技术展览会

2019年12月11-13日 上海新国际博览中心

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【技术】发泡陶瓷保温板保温系统及防火隔离带建筑应用研究

 

一、引言

 

建筑外墙外保温技术具有质量轻、保温隔热效果好、适用范围广、可基本消除热桥等优点,在国内外节能建筑及既有建筑节能改造工程中广泛应用。

 

外墙外保温工程大规模应用的保温隔热材料主要有EPS(聚苯乙烯泡沫)、XPS(挤塑聚苯乙烯泡沫)和PU(聚氨酯泡沫)等3 种均属有机保温材料,主要优点是质轻、保温隔热性好,而主要缺点是阻燃性差、易变形和老化。

 

采用这些材料构成的外保温系统防火性能差、燃烧时产生毒性烟雾,易产生开裂、空鼓、渗水、脱落等质量通病,使用年限较短。近年来,国内接连发生建筑外墙外保温系统火灾事故,尤其是央视新址“2.9”火灾,给国家和人民生命财产造成极为严重的损失;外墙外保温在使用中也屡屡发生开裂、空鼓、渗水甚至保温层脱落、饰面砖脱落等质量通病。

 

另外,虽然现行JGJ 144-2004《外墙外保温工程技术规程》规定外墙外保温系统使用寿命不小于25 年,但实际由于质量控制困难等各方面因素,很多工程25 年的使用寿命都很难得到保证,更无法与建筑物同寿命。

 

上述因素给外墙外保温的安全及今后的正常使用留下了隐患。外墙外保温工程的防火性能、耐久性能已开始引起重视。如公安部、住房和城乡建设部联合制定并发布了《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》,对外保温材料的燃烧性能和外保温系统的防火构造等技术措施提出了明确要求;各地也开始因地制宜地研究和发展墙体自保温技术、高耐久无机外保温技术等,以提高保温系统的防火性能和耐久性能,减少质量通病。

 

本文采用高温焙烧制成的新型材料——发泡陶瓷保温板作为保温材料,对该材料进行性能优化和改良,结合配套材料将其组成外墙外保温系统,进行了相关的试验研究和工程试点,开发出一种适合夏热冬冷地区的防火性能佳、质量通病少、与建筑同寿命的外墙外保温技术,开发出适用于常规有机保温材料外保温系统的防火隔离带技术。该技术已在夏热冬冷地区的一些建筑中成功应用。

 

二、发泡陶瓷保温板及其性能

 

发泡陶瓷又称轻质多孔陶瓷,是采用陶瓷陶土尾矿、陶瓷碎片、掺加料等作为主要原料,经处理后装入可拆卸式耐火组合模具,送入连续式窑炉经1200 ℃左右高温焙烧,自然熔融发泡,形成高气孔率的均匀闭孔陶瓷材料。

 

发泡陶瓷具有强度高、防火、耐高温、耐老化、耐腐蚀、隔热、抗热震、吸水率低等优点,之前主要应用于火力电厂烟囱防腐内衬。近年来,相关技术人员对其配方和制作工艺不断地调整,对其隔热保温性能不断地改善,研制出低热传导率的发泡陶瓷,经精确切割制成发泡陶瓷保温板(见图1)。

 

图1 发泡陶瓷保温板

发泡陶瓷保温板具有常用的有机保温材料所不具备的优点。

 

(1)热传导率低。研制的发泡陶瓷保温板导热系数为0.09 W/(m·K),接近水泥基复合保温砂浆。在夏热冬冷和夏热冬暖地区,可用作节能50%的外墙外保温系统的隔热保温材料。

 

(2)不燃、防火。发泡陶瓷保温板经1200 ℃左右的高温焙烧制成,制作过程中已经受了高温的检验,燃烧性能达到A1级,可用于有防火要求的外保温系统及防火隔离带。

 

(3)耐久性好。发泡陶瓷保温板是陶瓷类的无机保温材料,耐老化,能与建筑物同寿命,是常规有机保温材料所无可比拟的。

 

(4)与水泥砂浆、混凝土等相容性好。发泡陶瓷保温板与水泥砂浆、混凝土的线膨胀系数相近,与高温烧制的传统陶瓷建材一样,热胀冷缩下不开裂、不变形、不收缩,与水泥砂浆、混凝土、饰面砖等能可靠地粘结,与水泥砂浆的粘结强度可达0.2 MPa 以上。

 

(5)吸水率低。发泡陶瓷保温板是高气孔率的闭孔陶瓷材料,体内不吸水,不会发生冻融破坏,不会吸水膨胀变形。这也是许多保温材料所不具备的。

 

(6)耐候性好。在阳光暴晒、冷热剧变、风雨交加等恶劣气候条件下不变形、不老化、不开裂,性能稳定。

 

对发泡陶瓷保温板性能改进的研究工作还在继续,目前发泡陶瓷保温板的主要性能已达到表1 所示的性能指标要求,可用于建筑外墙外保温系统及常规有机保温材料外保温系统的防火隔离带。

 

表1 建筑用发泡陶瓷保温板的主要性能指标

 

三、发泡陶瓷保温板的建筑应用

 

1.发泡陶瓷保温板外墙外保温系统

 

(1)试验室系统性能试验

 

外墙外保温工程应满足JGJ 144—2004《外墙外保温工程技术规程》规定的基本要求,如适应基层的正常变形而不产生裂缝或空鼓、长期承受自重而不产生有害的变形、承受风荷载的作用而不产生破坏及耐受室外气候的长期反复作用而不产生破坏等。为此按该规程的规定对外墙外保温系统进行了耐候性检验及其它相关的试验。

 

根据发泡陶瓷保温板性能,设计了发泡陶瓷保温板外墙外保温系统的基本构造(见图2)。

 

图2 发泡陶瓷保温板外保温系统构造

其中粘结砂浆采用1∶3 的水泥砂浆,厚度约6 mm;抹面砂浆采用1∶3 的水泥砂浆,厚度约15 mm,分2 层粉刷;外饰面层可采用涂料饰面,也可采用面砖饰面。按照基本构造制作了6 m2 的系统试验构件(见图3)。

 

图3 发泡陶瓷保温板外保温系统试验构件

严格按照JGJ 144—2004 的规定进行了性能测试,主要性能指标均满足规程的要求(见表2)。

 

表2 发泡陶瓷保温板外墙外保温系统的主要性能指标

 

(2)试点工程现场试验

 

发泡陶瓷保温板外墙外保温系统已在南京某工程中试点应用。该工程为5 层框架结构商住楼,建筑面积3000 m2左右,外墙外保温面积约1000 m2,外保温系统外贴面砖饰面。为保证该系统的施工可行性和安全性,现场进行了多个试验墙的施工,并进行了多次试验。

 

首先对发泡陶瓷保温板外墙外保温系统采取了2 种施工方法。一种是混凝土现浇粘结的方法,将发泡陶瓷保温板置于模板内侧,浇筑混凝土的粘结方法;另一种是后粘贴的方法,在找平后的砖墙或混凝土墙上将发泡陶瓷保温板采用水泥砂浆粘贴的方法。

 

在粘贴好的发泡陶瓷保温板表面采用1∶3 水泥砂浆进行抹面,经28 d 养护后对系统进行的抗拉拔试验表明,2 种施工方法的发泡陶瓷保温板与基层混凝土或墙体找平层均能很好地粘结,粘结强度均在0.2 MPa 以上;抹面层与发泡陶瓷保温板的粘结强度也均大于0.2 MPa。

 

但试验墙在施工中也暴露了一些问题,如发泡陶瓷保温板较脆,尺寸太大(1200 mm×600 mm),在现场搬运和施工时容易折断、开裂,浇筑混凝土时振动棒敲击发泡陶瓷保温板容易将其震裂;粘结发泡陶瓷保温板的水泥砂浆水分被基层吸收导致砂浆失水过多,易产生空鼓;发泡陶瓷保温板表面粉刷抹面层后未及时遮盖养护导致砂浆失水过多,易产生空鼓等。

 

第二次试验墙的施工在试点工程上进行,采用后粘贴的方式。发泡陶瓷保温板的主规格尺寸缩小为600 mm×600mm,材料损坏率大大降低;粘贴发泡陶瓷保温板前对基层进行浇水湿润,基本没有发生空鼓;发泡陶瓷保温板表面粉刷抹面层前采用界面剂进行处理,粉刷抹面层后及时遮盖并浇水养护,抹面层基本没有发生空鼓。

 

经28 d 养护后对系统进行了抗拉拔试验。8 个测点粘结强度(拉拔强度)平均值达到0.30 MPa 以上,最小值0.26 MPa,大大高于JGJ 144—2004 规定的小于0.1 MPa 要求。从保温板至饰面砖外表面各层分布很清晰,各层界面之间结合状况良好,界面剂层完全填满保温板表面的孔洞,系统各构造层间能够很好地粘结。

 

第三次试验墙是作为工程实施的样板墙,主要目的是在样板墙的施工基础上,总结出发泡陶瓷保温板外保温系统的施工工法,为试点工程大面积的施工提供指导和验收依据。

 

(3)技术应用总结

 

试验和试点工程应用表明,发泡陶瓷保温板外墙外保温系统满足JGJ 144-2004 对外墙外保温系统要求。另外,发泡陶瓷保温板外墙外保温系统具有常规外保温系统所不具备的优点:

 

1)各组成材料均为无机材料,耐高温、不燃、防火。

 

2)与水泥砂浆、混凝土等很好地粘结,采用普通水泥砂浆就能很好地粘结、抹面,无需采用聚合物粘结砂浆、抹面砂浆、增强网,施工工序少,系统抗裂、防渗,质量通病少。

 

3)吸水率极低,与水泥砂浆、饰面砖粘结牢固,外贴饰面砖系统安全、可靠。

 

4)耐久性好,与建筑物同寿命。全寿命周期内无需再增加费用进行维修、改造,最大限度地节约资源、费用,综合成本低。发泡陶瓷保温板外保温系统还可用作自保温系统热桥梁柱、剪力墙等的保温处理,基本构造如图4 所示。

图4 自保温系统热桥和剪力墙处理构造

发泡陶瓷保温板外墙外保温系统在无锡某大酒店得到成功的应用,该工程外墙为干挂石材幕墙系统(见图5),防火要求较高,设计要求保温材料燃烧性能须达到A 级。

图5 发泡陶瓷保温板在幕墙系统中的应用

 

2.发泡陶瓷保温板防火隔离带

 

欧美等发达国家对重要建筑、高层建筑进行外墙外保温均有严格的防火要求。一般都要求保温系统和绝热材料作燃烧性能及耐火极限试验(并考虑燃烧时烟气及毒性),且分为若干等级。

 

不同等级的系统和材料适用不同范围的建筑防火要求。如EPS 板薄抹灰外墙保温系统由于防火问题,在美国有20 多个州禁止使用;在英国,18 m 以上的建筑不允许使用;在德国,规定22 m 以上的建筑也不允许使用。其它的采用有机保温材料的外墙外保温系统应用也有很严格的限制。

 

国内外墙外保温工程目前大规模应用的保温隔热材料主要是EPS、XPS 和PU 等。由于性能方面的限制,无机保温隔热材料尚无法完全替代这些有机保温材料。

 

在今后一段时间内,国内特别是寒冷地区及严寒地区外墙外保温依然是有机保温材料占主导。但近年来,国内接连发生建筑外墙外保温系统火灾事故,尤其是央视新址“2.9”火灾,给国家和人民生命财产造成极为严重的损失。

 

因此,2009 年9 月25 日,公安部、住房和城乡建设部联合发布了《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》(公通字[2009]46 号),对外墙外保温用保温材料的燃烧等级及构造作出了严格的规定。规定要求,部分情况下系统应采用燃烧性能达A 级的保温材料;多数情况下要求设防火隔离带,防火隔离带应采用燃烧性能达A 级的保温材料。

 

目前适用于外墙外保温系统的燃烧性能达A 级材料寥寥无几。发泡陶瓷保温板是其中的一种。在满足建筑节能要求的同时,完全满足《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》的要求。

 

尤其是对防火隔离带而言,发泡陶瓷保温板是极佳的选择。发泡陶瓷保温板防火隔离带构造做法很简单,基本构造如图6 所示。设计厚度可与外保温材料厚度一致,且应满足现行建筑节能设计标准对热桥传热系数限值的要求,局部验收保证热桥不结露。外墙传热系数按面积加权法进行计算。

图6 发泡陶瓷保温板防火隔离带基本构造

 

四、与其他无机防火保温技术的比较

 

外墙外保温工程的防火性能、耐久性能已开始受到重视。因此,无机防火保温材料得到越来越多的关注。目前可用于外墙外保温工程燃烧性能达A 级的无机保温材料仅有岩棉板(条)、无机保温砂浆、发泡陶瓷保温板等少数几种。

 

无机保温砂浆由于吸水率较高,在许多地区容易发生冻融破坏,应用受限制。目前国外燃烧性能达A 级的外保温材料以岩棉为主,如在德国,规定22 m 以上的建筑外墙外保温必须使用A级的外保温材料,岩棉的用量占外墙外保温系统保温材料用量的12%(80%以上为EPS 板)。

 

其中,岩棉板是岩棉纤维平行于板面的保温板,抗拉强度较小;岩棉条是岩棉纤维垂直于板面的保温板,抗拉强度较大,生产工艺要求较高,主要用于防护隔离带。用于外墙外保温的岩棉主要性能指标要求见表3。

表3 岩棉的主要性能指标

 

注:①欧标EN 12087:浸泡28 d;②欧标EN 1609:浸泡24 h。

 

目前国内大多数的岩棉还达不到表3 的要求,较国外产品还有较大差距,尤其表现在抗拉强度和吸水量方面。比较发泡陶瓷保温板和岩棉的性能指标可以看出,发泡陶瓷保温板的导热系数大于岩棉,在热工性能上尚显不足,但其抗压强度、抗拉强度均大大高于岩棉,吸水量也低于岩棉。

 

因此,发泡陶瓷保温板在系统抗风压、抗拉、外贴面砖等方面具有更好的表现。随着研究工作的深入,发泡陶瓷保温板有望在保温性能上进一步提高,系统进一步完善,在对外墙保温性能要求不太高的夏热冬冷地区和夏热冬暖地区,具有较好的应用前景。

 

五、结语

 

(1)发泡陶瓷保温板具有防火、耐久等优越的性能,可作为防火、耐久的外墙外保温系统的保温隔热材料,是外保温系统防火隔离带极佳的防火保温材料。

 

(2)试验和试点工程应用表明,发泡陶瓷保温板外墙保温系统具有防火、与建筑同寿命、质量通病少等优点,在节能工程和绿色建筑中将发挥重要的作用,在对外墙保温性能要求不太高的夏热冬冷地区和夏热冬暖地区,其应用前景将非常广阔。

 

(3)建议进一步加强对发泡陶瓷保温板及相关技术的研究,提升其热工性能及其它性能,完善应用技术。



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