建筑用高效高分子泡沫保溫材料的使用對策——一種新的墻體外保溫構造模式

■ 裘亦誠 Qiu Yicheng 常 征 Chang Zheng

0 引言

由于建筑節能主要依靠改善建筑物圍護結構的熱工性能實現，世界建筑領域實踐證明，為提高建筑節能率，以輕質高效高分子泡沫保溫材料作為隔熱保溫的主體材料，與承重結構復合，形成具有高熱阻的圍護結構，是滿足現代節能建筑的最佳方案。早在半個多世紀前，聚苯乙烯（PS）的模塑發泡制品（EPS板）被引入建筑節能領域，聚氨酯硬質泡沫塑料（PURF）則在20世紀50年代被相繼采用[1]。由于這些泡沫材料質輕、節能效果顯著，獲得了建筑業的青睞。20世紀70年代的石油危機，推動了世界性的建筑節能，全球用量劇增，歷經數十年的發展，不同國家的泡沫制品及其原料的生產已上升到數十萬噸級規模，生產和使用技術日趨成熟，作為建筑節能主體材料，滿足了世界建筑業的巨大需求。當前中國建筑業也正同樣面臨這一現實,中國建筑占全球建筑總量的1/2，預計保溫材料的使用量約為世界需求總量的30%，每年至少達數百萬噸，當前中國乃至世界，從資源、生產和使用技術方面，還不可能有完全取代PURF、EPS和XPS等的高效節能產品來滿足中國當前節能減排進程中的巨大需求。同時由于建筑業的快速發展，建筑規模和模式的轉變，對建筑節能工程的結構穩定和防火安全提出了更為苛刻的條件,因此亦共同面臨如何提高對高分子泡沫保溫材料的使用對策，彌補某些性能的不足，進一步滿足現代建筑使用要求。

1 國內墻體外保溫的主要模式和存在的缺陷

當前國內墻體外保溫的主要模式，以90年代從美國Dryvit Systems Inc.公司引進的“專威特”技術體系，即《外墻外保溫工程技術規程》（JGJ144-2004）中推薦的EPS板薄抹灰外墻外保溫系統為主要模式，它以輕質高分子泡沫保溫材料EPS板為保溫主體材料，外保溫系統由墻體結構層、保溫層、保護層和飾面層四部分構成，其中保溫層與結構層、保溫層與保護層采用水性聚合物分散體改性水泥和水泥砂漿作為黏結和抹面材料，以界面黏結方式，現場人工作業完成外保溫系統的施工。該系統引進后在墻體外保溫中被作為主流技術大力推廣使用，但在大量工程實踐中出現了保溫層從墻體整體脫落、墻面開裂、墻體滲水等諸多工程質量問題,究其原因除現場人工作業施工達不到規范要求外，主要與使用的界面黏結材料與被黏材質的匹配性有關。眾所周知，液態膠黏劑對被黏基材表面的浸潤是兩者之間賴以形成黏結力的基本條件，浸潤越好，越易形成黏結力，因水具有相當高的表面張力，而屬低表面能的EPS板是具有低表面張力物質，其表面不能被以水為載體的水性膠液浸潤，因而難以產生黏結力。同時水性膠液在被使用的場合，必須具備充分的透水和水蒸汽的條件，否則難以連片黏結使用。EPS板薄抹灰系統施工中，為形成水性膠液透水、汽通道，采用點黏和條黏，使EPS板用于黏貼的使用面積僅能達到40%，因而EPS板與墻體的黏結力學性能極限從0.1MPa下降至0.04MPa，大大降低了保溫層與墻體的結合力，并造成了墻體面積60%的大面積連通的空鼓，給保溫層從墻體脫落和防火安全留下了明顯的隱患。綜上所述，由于結構材料與保溫材料兩者截然不同的物性，界面黏結材料的選用、黏結方式及其形成的界面連接層結構是使用高分子泡沫保溫材料十分重要的環節，涉及工程的結構穩定和防火安全。水性聚合物分散體改性水泥和水泥砂漿對泡沫保溫材料，特別是屬低表面能的泡沫保溫材料存在明顯的不相容性，顯然不是理想的匹配材料。

2 聚氨酯界面黏結膠漿簡介

2.1 性能

聚氨酯界面黏結膠漿（PUA-Ⅱ），屬無溶劑雙組份反應固化型厚質膠黏劑，可在接觸壓力下室溫固化獲得需要的黏結強度，能微發泡，具有一定的膨脹性，不會因滲透溶蝕等因素造成被黏泡沫材料的性能變化和表面缺陷，固結時間可調，用于PURF、EPS和XPS板等高效泡沫保溫材料，對水泥砂漿、砂、石、木材、陶瓷、鋼、鋁等建筑材料的界面黏結（表1）。

2.2 黏結拉拔破壞試驗

作為界面黏結膠漿，首先應確保對泡沫保溫材料的黏接牢度，即其對泡沫保溫材料的拉伸黏結強度應大于被黏泡沫保溫材料的自身抗拉強度，在目前常用的PURF、EPS和XPS泡沫保溫材料中，PURF和PUA-Ⅱ屬同質材料，極性和表面張力相近，兩者有很強的親和性，結合牢固。為確證對低表面能的EPS和XPS板的黏結性能，參照《外墻外保溫專用砂漿技術要求》DB31/T366-2006，選用國內EPS和XPS板著名生產廠家產品進行拉伸黏結強度的拉拔破壞試驗，以顯示黏結的可靠性。

試驗選用泡沫保溫板：①XPS板：豪適板（HOSFOAM ），密度25～32kg/m3，板厚20mm，表面粗糙化，為禹昌國際集團（臺灣）產品；②XPS板：福滿樂（Foamular），密度25-32kg/m3，板厚30mm，表面光潔，為歐文斯科寧（南京）有限公司產品；③EPS板：圣奎聚苯板，密度20kg/m3，板厚25mm，為上海圣奎塑業有限公司產品。

表1 聚氨酯界面黏結膠漿（PUA-Ⅱ）性能

圖1 EPS板

圖2 XPS板

拉拔破壞試驗表明：PUA-Ⅱ對EPS和XPS保溫板的界面黏結，均以泡沫保溫層的深度錐形破壞為結果。特別是XPS板，兩種不同牌號和表面狀況的產品，有同樣的黏結破壞效果，顯現了化學黏結力特征。拉拔試樣破壞狀況見圖1和圖2。

2.3 黏結力的形成與比較

由于聚氨酯界面黏結膠漿對泡沫保溫板表面具有良好的浸潤和互溶滲透，并與其活性基化學反應，產生了牢固的主價鍵力（化學鍵力），反應生成的極性鍵則增強了膠層的內聚力，并以氫鍵吸附產生次價鍵力（第二化學鍵力），因此形成的黏結層具有化學黏結力特征。

國內相關研究表明[2][3]：水性聚合物改性專用黏結材料，對EPS板的黏結強度來自兩個方面：即聚合物膜對EPS板-砂漿界面處的收縮橋連產生的結合力以及砂漿嵌入EPS板干固后產生的機械咬合力，試驗表明，咬合力的產生明顯與EPS板形成的顆粒狀態相關，顆粒間邊界結構明顯較疏松的板，咬合力明顯大于顆粒聚合緊密、顆粒間界面不明顯的板。由此說明，改性專用砂漿對PURF噴涂形成的不平整但又十分堅韌光滑的表皮和硬度高、表面致密的XPS板的黏結力，僅能依靠聚合物膜收縮橋連產生的結合力，基本上是一種表面黏附，難以產生較強的黏結力。對照《外墻外保溫專用砂漿技術要求》（DB31/T366-2006），對以水性聚合物分散體改性的專用砂漿對EPS和XPS板黏結破壞形式要求的表述中得到印證。“……XPS板破壞時，只要求在黏結面上觀察到XPS板的表皮覆蓋面積大于50%，即可視為XPS板破壞。”這種黏結狀況和要求，對以主要依靠界面黏結形成的墻體外保溫工程，顯然難以確保工程結構的穩定性。

為增強改性水泥專用砂漿對泡沫保溫材料的黏結性，工程中常在抹專用砂漿前于泡沫保溫板先涂抹一層界面處理劑，而目前建筑業中使用的界面處理劑，多數亦使用水性聚合物分散體（一般選用聚合物乳液）作為改性劑，改性原理與抹面專用砂漿基本類似，如上海產保溫專用界面處理劑漢高塞力特CT19，即采用丙烯酸乳液，其作用為黏接橋架，即對低表面能泡沫材料EPS和XPS板的黏結，仍然是聚合物膜收縮橋連產生的結合力，并無根本性的改變。

3 墻體外保溫工程構造設計

3.1 界面連接層結構及其預制復合層的構成 [4][5]

在覆有玻纖網格布的泡沫保溫層表面，涂刮0.8～1.2mm 厚PUA-Ⅱ并鋪蓋一層勻凈干燥的硅砂，輕輕壓實，待膠漿固結后去除未被黏結的砂粒，即形成表面滿黏砂粒、內含玻纖網格布的具有微孔結構的強韌硬涂層，此涂層即為泡沫保溫層正面的界面連接層。除免覆玻纖網格布，涂層厚為0.5～0.8mm不同外，以同樣方法形成泡沫保溫層背面和周邊界面連接層，即構成以界面連接層整體包覆保溫層的預制復合層，明顯增強了保溫層的整體結構強度，是外保溫系統的核心預制構件。兩側及周邊的界面連接層，既是保溫層的增強保護層，又是優良的防水層，表面滿黏的砂粒層，則具有良好的界面連接功能，為泡沫保溫板使用傳統的水泥基材料與墻體基層黏貼和保護層及面層外裝飾提供了施工連接的良好條件。

3.2 具有防火構造的多功能預制構件

采用不同厚度的玻鎂防火板復合構成不同的結構層，在預制復合層正面的砂粒面用專用水泥砂漿找平并與玻鎂板復合結構連接，再在玻鎂板的外側面制作不同的外飾面層，即可構成具有隔熱保溫、防水、防火功能和外飾面層一體化的多功能預制構件。預制復合層和多功能預制構件的構造圖分別由圖3和圖4表示。

3.3 施工方法

采用鋪貼墻體面磚的薄層黏貼工藝，以專用水泥砂漿用方齒鏝刀直接涂刮在墻體的找平層上，把多功能預制構件按一定的基準黏貼上墻，形成無空腔連接，經配套的專用密封膠按常規嵌縫，即可完成具有隔熱保溫、防水、防火功能和外飾面層的墻體外保溫工程。其構造如圖5所示。

4 結構和防火安全對策討論

由結構層、保溫層、保護層和飾面層復合構成的墻體外保溫系統是目前國內外認定比較合理的模式。有機泡沫材料的使用提升了節能效果，但其力學和易燃特性給工程結構和防火安全提出了更為苛刻的要求。因此必須強調對工程構造和防火技術途徑的研究。

4.1 增強結構安全對策

4.1.1 界面連接及其可行模式

由復合構成的外保溫工程結構，界面連接成為結構穩定的關鍵因素，聚氨酯界面黏接膠漿對有機泡沫材料的良好黏結性能及其特殊的界面連接結構模式，即利用預制復合層的砂粒面用傳統的水泥砂漿與結構層和保護層進行無空腔連接，使泡沫保溫層與不同性能界面的黏結形成了良好的匹配性，提升了界面連接的可靠性，為工程結構穩定創造了基本條件。這一有機泡沫材料與無機建材表面連接的獨特模式，制作簡便，簡化了工程結構和施工程序，并符合一定的經濟合理性。

4.1.2 提升結構力學性能

聚氨酯是介于硬塑料和軟橡膠之間的高性能高聚物，即在高硬度和高強度下仍能保持其優良的韌性，其性能有寬廣的可調性。預制復合層正面涂刮的0.8～1.2mm 的厚質膠漿，在形成具有微孔結構的膠層時產生一定的膨脹率，促使膠漿充滿玻纖網格布和砂粒間隙，增加了黏結面積和黏結強度，增強了界面連接層結構的力學性能，杜絕了墻面開裂、墻體滲水等弊病。界面連接層是保溫層的增強保護層，是提供力學性能的主體,外墻外保溫系統性能要求中抗沖擊性規定，首層墻體應符合10J級要求，二層以上為3J級，經豎直自由落體沖擊方法對預制復合層的抗沖擊性能測定，完全符合首層墻體10J級要求。

4.2 防火安全對策

有機泡沫材料的燃燒特性和系統構造的抗火功能是防火安全的主要因素。根據相關建筑設計防火規范規定的非承重外墻耐火極限要求，結合工程構造模式，對保溫層作多層次的耐火隔熱保護作為構造防火，構成工程整體的防火構造。

4.2.1 構造防火之一：物理覆蓋防火

在泡沫體表面覆蓋具有耐火和隔熱性能的無機板材，使泡沫體不接觸火焰，防止或推遲其燃燒發煙。國外一些國家建筑規范要求，對泡沫體覆蓋一定厚度的石膏板，如美國現行規范規定，建筑用泡沫材料必須覆蓋1/2吋厚的阻燃性石膏板作為防火保護。石膏板質輕耐火，導熱系數0.2W/（m·k），是較理想的耐火隔熱材料。本課題則選用玻鎂無機不燃板，耐火性佳，密度≤1g/cm3，導熱系數≤0.3W/（m·k）。采用不同厚度玻鎂板復合構成空腔或無空腔多種結構形式，以減輕其重量和增加隔熱性能。

4.2.2 構造防火之二：化學涂膜防火

對具有閉孔結構的硬泡制品，涂膜防火是一種十分有效的防火途徑，即在硬泡體表面涂敷一層樹脂涂敷液形成一定厚度的難燃性涂膜，燃燒受熱時使其生成阻火隔熱的炭化層，抑制內層泡沫的燃燒熱分解和發煙。應用這一技術的關鍵是選用與泡沫材料有較強黏結力和易形成炭化層的高分子樹脂作為涂膜材料，并可在涂敷液中加少量添加劑提高涂膜的難燃化并促使炭化層的生成，使泡沫體形成難燃性夾芯板塊。

本文3.1節界面連接及其預制復合層的構成，即是符合涂膜防火的典型模式。界面連接層PUA-Ⅱ中的聚氨酯黏結膠漿是一種易引起高溫炭化的樹脂材料，并與PURF、EPS和XPS有良好的黏結性能，是一種理想的涂敷材料。耐火模擬試驗證明，用天然氣噴燒預制復合層正面砂粒層，受熱后會很快生成灰白色的耐火炭化層，炭化過程中黏結膠漿與界面連接層中的砂粒、玻纖網格布以及黏結膠漿中的無機礦粉填料一起固結形成有玻纖網作支撐的阻火隔熱層，隔斷空氣進入，有效地阻止火焰穿透擴散。尤其在PURF泡沫體使用時，涂膜燃燒溫升至較高溫度后，PURF自身表層也會在高溫下炭化，并與涂膜炭化層一起形成更為致密堅實的阻火隔熱層，達到更高的阻燃性能。對照《建筑構件耐火試驗方法》（GB/T9978），表明其耐火穩定性和完整性可達到非承重外墻60min以上的耐火時間要求。這一方法與整體提升泡沫塑料的化學阻燃性比較，其防火功能和經濟合理性是十分明顯的。PUA-Ⅱ形成的界面連接層，既提升了界面連接的可靠性和工程結構的力學性能，火災發生時則可形成防火用耐火炭化層，達到一物多用的效果。

4.2.3 構造防火之三：耐火隔熱砂漿防火

按照界面連接層結構模式，預制復合層與玻鎂板找平連接用專用砂漿，可采用具有隔熱性能的輕質水泥砂漿，既作為找平連接層，也是耐火隔熱保護的構造防火,可在砂漿層適用厚度范圍內進行調節，滿足找平連接和防火隔熱需要。

本文3.2節具有防火構造的多功能預制構件，即是由4.2.1～4.2.3構造防火組成的外保溫系統整體的防火構造，并可對各層次構造防火進行調整，以滿足不同耐火極限要求。即以多種防火技術組合方式，達到相應的防火安全等級。

4.2.4 合理的防火構造是墻體外保溫系統防火安全的保證

由于國內尚未有針對墻體外保溫的防?耐火規范出臺，按照現行規范，系統的防火構造，應符合《高層民用建筑設計防火規范》（GB50045），《建筑設計防火規范》（GB50016）等規范規定的非承重外墻耐火極限要求，并經《建筑構件耐火試驗方法》（GB/T9978）判定具有耐火穩定性、完整性和耐火隔熱性，不具備三個判定條件則沒有系統防火構造的防火功能。以EPS板薄抹灰保護層為例，由于其不具備三個判定條件，特別是耐火隔熱性。試驗證明，當其表面受火攻擊后，抹面砂漿層的背火面會迅速升溫，被保護的EPS板受熱后即蜷縮脫離保護層并熔融流淌。另薄抹灰砂漿中作為改性劑的水性聚合物分散體，屬熱塑性聚合物，既不耐溫，也沒有高溫下結成耐火炭化層的功能，高溫燃燒會使砂漿層潰散垮塌，即失去保護層的耐火穩定性和完整性。因此薄抹灰保護層，僅僅是力學性能的結構保護，并無防火功能。EPS和XPS為熱塑性泡沫塑料，軟化熔融溫度僅80℃，PURF雖屬熱固性泡沫，但當溫度升至120℃以上時也會產生軟化形變，因此對泡沫保溫材料，判定條件中的耐火隔熱性顯得尤為重要，應按照泡沫材料的耐熱性能，設計構成相應的防火構造，并在不同的建筑類別和地域環境區別使用。

5 結語

高效泡沫保溫材料仍然是當前多數國家建筑節能的主選。中國建筑節能量大面廣，節能主體材料的更替使用，必須有可靠的可供資源、成熟的使用技術和一定的經濟合理性。改進使用技術，完善政策法規，根治監管缺失，強化建設建筑節能的安全保障體系，是應對當前節能減排的較好對策。新材料、新技術，更期待于國人的共同創造。

[1]David Eaves，Handbook of Polymer Foams. [M]Harbury，UK，2003.11.

[2]姚利君，張惠，高向方.聚合物砂漿與膨脹聚苯板黏結強度的研究[J].化學建材，2006.6.

[3]張春俠，王命平.外墻外保溫體系保溫層與基層墻體的連接機理研究 [J]. 新型建筑材料，2004.9.

[4]裘亦誠，張東亮.聚氨酯界面黏結膠漿及其界面連接層結構[J]. 化學建材，2008.1.

[5]裘亦誠，楊全根.聚氨酯界面黏結膠漿在墻體外保溫中的應用[J].墻體革新與建筑節能，2010.10.