外墻外保溫系統分類特點及劣化機理分析

紀磊 高君仿 趙廣志 許國東 龔輝

江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司

0 引言

近年來，日益頻繁的外保溫材料墜落事故對人民的生命財產安全構成了很大隱患，外墻外保溫系統的安全評估與預警成為人們關注的焦點。2012 年任玲玲等[1]分析了外墻外保溫系統裂縫缺陷產生的原因，提出相應的預防對策。2008 年李玉玲[2]通過對寒冷地區外墻外保溫構造體系裂縫的界定分析，系統地從材料、構造、施工三個方面對其開裂原因進行了簡要分析。2011 年楊秀燕[3]針對EPS 薄抹灰外墻外保溫系統開裂問題進行了研究，總結了墻外保溫系統產生裂縫等缺陷的因素，并以此為基礎從設計及施工工藝等方面對 EPS 薄抹灰外墻外保溫系統開裂的防治提出了意見。2013 年周宇[4]深入分析了EPS 板薄抹灰系統以及 XPS 擠塑板薄抹灰外保溫系統中經常出現的質量通病，明確指出質量控制要點。2 009 年項道陽[5]首先對外墻外保溫體系雨循環和熱冷循環后破壞機理進行分析，應用ANSYS 有限元分析軟件對外墻外保溫體系進行建模分析，計算外墻外保溫體系的溫度場分布規律及其產生的變形和內力。

然而，國內外學者目前的研究大多集中于單一或者少數類型的外保溫系統質量缺陷，缺乏對目前常用外保溫系統質量安全的系統分析，因此很難對種類繁多的外墻外保溫系統安全隱患形成的誘因及劣化機理進行綜合分析。本文對不同外保溫系統的構造進行歸納，依據真實案例對不同類型的外保溫系統劣化機理進行分析，對其誘因和劣化機理進行發掘，對治理既有建筑外墻外保溫質量缺陷，提升其安全性，耐久性與功能性具有重要的意義。

1 外墻外保溫系統分類特點研究

1.1 塑板外墻外保溫系統

1.1.1 基本構造

擠塑板外墻外保溫系統，簡稱 EPS 板外墻外保溫系統，由 EPS 板保溫層、聚合物粘結砂漿粘結層、聚合物抗裂砂漿抹面層（中間滿鋪耐堿玻璃纖維網格布）及外墻飾面層構成[6]。EPS 板用聚合物粘結砂漿固定在基層上，需要時加設錨栓輔助固定見表1[7]。

表1 擠塑板薄抹灰系統涂料面層基本構造

1.1.2 常見缺陷及劣化原因分析

1）事故調研

案例一：濟南市某高層住宅樓發生保溫板脫落事故。該建筑結構設計使用年限為50 年。采用EPS 板薄抹灰外墻外保溫系統，EPS 板厚度為70 mm,采用彈性外墻涂料飾面（圖1）。

圖1 濟南某工程聚苯板脫落事故

案例二：江蘇省常州市新北區某工程，其兩層外側墻體的EPS 板脫落一大半（圖2）。

圖2 江蘇某工程聚苯板脫落事故

案例三：烏魯木齊市北京路某工程，其側面墻體EPS 板從一樓窗戶到六樓屋檐下全部脫落，高約15 m，面積約200 m（2圖3）。

圖3 新疆某工程聚苯板脫落事故

2）原因分析

EPS 板外墻外保溫系統的脫落大多數是由于粘貼方式及粘貼面積不符合設計及技術標準要求等因素造成的。粘貼面積過小時，EPS 板與墻體基層之間粘貼強度不夠，或留有連通空腔，加之粘貼方式不規范，密封性不好，使負風壓對保溫墻面的空腔影響明顯增大。從而引起風壓引起的應力集中在板縫處，造成板縫處開裂，最終導致EPS 板大面積脫落[7]。其事故誘因可歸納為以下兩種情況：

①風壓破壞：當負風壓對 EPS 板外墻外保溫系統的作用力大于粘結砂漿與基層墻體或粘結砂漿與 EPS板之間的粘結力時，EPS 板外墻外保溫系統會出現脫落，具體表現為，負風壓力在瞬間或者一次大風期間將EPS 板外墻外保溫系統破壞。

②連通空腔：我國技術標準規定采用EPS 板與基層墻體的粘貼方法主要有條粘法和點框法兩種。當現場實際施工操作過程中施工人員沒有按照點框粘工藝要求進行操作時，如有點無框的“純點粘”，便形成連通空腔，引發嚴重的質量事故。

1.2 巖棉板外保溫系統

1.2.1 基本構造

巖棉保溫板是一種憎水型保溫隔熱板。可應用于新建、擴建、改建的居住建筑和公共建筑外墻的節能保溫工程。其基本構造見表2[7]。

表2 巖棉板外保溫系統基本構造

1.2.2 常見缺陷及劣化原因分析

1）事故調研

案例一：濟南市某項目為框架抗震墻結構，采用巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統，其巖棉板厚度為60 mm，脫落位置在該樓的西山墻部位（圖4）。

圖4 濟南某工程巖棉板脫落事故

案例二：沈陽某工程采用的是巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統，巖棉板面層采用聚合物水泥砂漿抹灰，該工程墻面上脫落比較明顯（圖5）。

圖5 沈陽某工程巖棉板脫落事故

案例三：北京某工程外保溫工程中，巖棉板采用膠粘劑粘貼并加以錨栓輔助固定。但工程未能經受住外界作用力的影響，一場大風就使 55 m 高處的巖棉板脫落墜地（圖6）。

圖6 北京某工程巖棉板脫落事故

2）原因分析

自身缺陷：巖棉板與其他保溫板相比，巖棉板在自然環境特別是濕熱條件下尺寸很不穩定。巖棉板主要由橫向分布的纖維絲構成，纖維遇到水后吸水分層，變形嚴重[8]。巖棉板纖維與纖維之間存在著連通空氣，在熱漲冷縮及負風壓作用下極易鼓脹。如果其應用于外墻工程中時，其面層難以抵御鼓脹的應力變形，上墻后勢必造成外飾面效果不佳，出現鼓包、板縫明顯等現象[7]。

風壓破壞：由于巖棉板構造疏松，垂直板面方向的抗拉強度低的同時密度也比較大。因此，無法直接采用膠粘劑將其粘貼固定在基層墻體上，必須用一定數量的錨栓來固定巖棉板。若巖棉板與基層墻體結合力不夠大，無法承受最大負風壓作用時，必然會被刮落。同時巖棉板強度比較低時，也易被大風撕裂[7]。

1.3 酚醛保溫板外墻保溫系統

1.3.1 基本構造

酚醛保溫板外墻保溫系統一般由基層、保溫層、防護層、飾面層組成。基層包含基層墻體和水泥砂漿找平層，保溫層含膠粘劑、酚醛防火保溫板，防護層含抹面膠漿、內嵌網格布，飾面層可以選擇涂料或飾面磚[9]（見表3[7]）。

表3 酚醛保溫板外墻保溫系統基本構造

1.3.2 常見缺陷及劣化原因分析

1）事故調研

案例一：北京市某工程發生外保溫系統保溫層脫落事故，脫落位置在該樓的東山墻部位，該建筑采用酚醛板外墻外保溫系統。事故造成樓下的 4 輛轎車被砸（圖7）。

圖7 北京某工程酚醛板外保溫系統脫落事故

案例二：上海某工程采用酚醛板保溫裝飾一體化設計，裝飾板和酚醛板出現了大面積脫落事故，酚醛板也被撕裂損壞。裝飾板與酚醛板由于溫度變化產生了變形破壞，在構造上存在連通空腔時，受到負風壓的影響發生脫落（圖8）。

圖8 上海某工程酚醛板外保溫系統脫落事故

案列三：北京某工程酚醛板外保溫兩年多就出現了大面積酚醛板脫落現象，未脫落部分空鼓情況也十分嚴重。該工程中酚醛板涂刷了相應的界面劑，但仍然無法使抹面膠漿、粘接砂漿與酚醛板形成有效粘接，從照片上可以看出，粘接砂漿與基層墻面的粘貼十分牢固，酚醛板也采用了錨栓輔助固定，但錨栓僅能錨固住錨栓盤覆蓋的區域，而隨著大面積的脫落，部分錨栓也會被拔出（圖9）。

圖9 北京某工程酚醛板外保溫系統脫落事故

2）原因分析

由于酚醛板具有導熱系數低、難燃、低煙、耐高溫等優點的同時，其自身又存在著易降解粉化、彎曲變形小。尺寸穩定性差、吸水率高、抗拉強度低等缺陷，與EPS 板的性能相差比較大[7]。其劣化機理主要為：

①吸水率高：酚醛板的化學成分和孔隙率決定了酚醛板具有較高的吸水率，吸水后的酚醛板干燥后質量下降，粉化降解加速，其壓縮強度會變小，粘貼性能也會受到影響，并會影響到酚醛板的保溫性能。同時，酚醛板吸水后，降解粉化現象會加劇[7]。

②強度低：酚醛板強度比較低，受外力影響較大，極易遭到破壞。

③尺寸穩定性差：酚醛板的泊松比比較大，其尺寸變化率為EPS 板的 3.3 倍，泊松比為 EPS 板的 2.4倍。因此，酚醛板用于外保溫工程中在溫度多變的外部環境下極易發生變形。

④彎曲變形小：酚醛板彎曲變形小，脆性高，易碎，柔韌性差[7]。因此，吸收內應力和釋放變形的能力均比較差，應用于外墻外保溫工程中時，酚醛板易斷裂破壞，從而引起保護面層開裂。

1.4 無機保溫砂漿外墻外保溫系統

1.4.1 基本構造

無機保溫砂漿與基層墻體結合緊密，抗風壓、抗震能力墻、施工速度快，價格低，具有良好的防火、隔熱性能，防火性能好，克服了傳統材料吸水性大、易粉化的缺點，且材料漿料收縮性小，施工方便，工藝成孰[7]。其基本構造見表4[7]。

表4 無機保溫砂漿外墻外保溫系統基本構造

1.4.2 常見缺陷及劣化原因分析

1）案例調研

上海某大學教學樓發生外保溫系統脫落，主要脫落部分為無機保溫漿料系統（玻化微珠或珍珠巖）和仿瓷磚飾面涂料系統。由圖10 可知，保溫漿料系統與基層和飾面層都斷裂情況較為嚴重。

圖10 無機保溫砂漿脫落事故

2）原因分析

由于無機保溫砂漿外墻外保溫系統現場施工難以滿足設計要求，系統吸水率指標容易不合格，系統施工完成后會出現導熱系數指標不合格的情況，對無機外保溫砂漿系統所用耐堿網布質量和抗裂砂漿要求高等原因，質量不合格產品難以滿足其安全性要求[7]。其主要破壞機理如下：

①基層處理不到位：基層平整度不夠、表面浮灰或未按要求進行界面處理，均有可能造成保溫層與基層粘結力不足，造成空鼓、開裂、脫落等情況。

②材料自身缺陷：原材料質量差異大，房屋外墻飾面材料受風壓溫差的長期綜合作用，雨水沖刷后滲入保溫層內部，保溫材料吸水受潮后，受溫度影響熱脹冷縮容易發生變形。再加上增強網受潮后長期處于潮濕高堿環境中，強度降低失去防護作用，隨時間的推移保溫板材膨脹開裂[7]。

2 劣化機理分析

我國外墻外保溫系統繁多，破壞原因也是多種多樣，通過對上述外保溫系統的分類及事故原因的分析抗壓發現，除去材料自身可能存在的缺陷外，目前對建筑外墻外保溫粘結質量影響的主要誘因可以分為水原因，風原因和溫度原因三方面。

1）水原因：保溫材料內部存在空腔，水汽進入后會產生虹吸作用，使水汽向四周擴散，直到水的質量超過材料的表面張力，形成滲水使保溫材料膨脹或收縮，材料剝落、粘結強度降低。水的遷移運動，重力作用，滲透作用，動能和氣壓共同作用，均能使“ 水”產生流動或移動，如圖 11 所示[10]。雨水在外保溫層面上的作用力，可以分解為兩個方向，垂直作用在保溫層面上的作用力會擠壓內部，加速水汽擴散，豎直方向作用力會對面層形成沖刷，如圖12 所示，因此強風下降雨的較大垂直作用力使其對外墻保溫層破壞尤其嚴重[11]。

圖11 保溫系統水汽流動圖

圖12 雨水作用分解圖

2）風原因：建筑外墻外保溫系統是多層復合結構，對風荷載十分敏感。風荷載的長時間頻繁作用將導致保溫層間歇性不定向運動，即正風壓和負風壓。負風壓對保溫材料有撕裂作用，使外保溫層與墻體之間粘接力下降，形成空腔。而正風壓對保溫材料有擠壓作用，在擠壓作用下，使保溫層和墻體之間的積水會向四周擴散。正風壓的撕裂和負風壓的擠壓反復作用，會使外保溫層和墻體的粘接性能嚴重下降，加速保溫層的脫落[12]。

3）溫度原因：溫度變形帶來的最大問題是外墻保溫層內會產生隨時存在、具有危害性的應力變化。它會隨著季節溫差、早晚溫差而不斷變化，產生分布不均勻的作用力，對保溫材料層產生拉裂，并加劇保溫材料變形的程度。保溫材料吸水后體積膨脹，會損傷保溫材料與墻體的接觸界面，使保溫層產生翹曲。保溫層在干燥收縮時，由于空腔存在、變形很大，產生附加應力也可使保溫層破壞。干、濕反復循環，會加劇保溫材料層的破壞，見圖13[12]。

圖13 溫度綜合作用示意圖

3 結語

本文對常用的保溫系統進行分類，通過實際案例對其劣化機理進行分析，結果如下：

1）外墻外保溫系統安全事故的根源在于材料性能不夠全面，材料的防水性及抗疲勞性是外墻外保溫系統事故的根源所在。

2）滲水是導致保溫層脫落的重要原因。外部環境中的水汽會利用保溫材料內部的空腔產生虹吸作用，增加材料自重，誘發外保溫系統安全問題。

3）風荷載的長時間頻繁作用將導致保溫層間歇性不定向運動，形成正風壓和負風壓，負風壓對保溫材料有撕裂作用，影響外墻外保溫系統的安全使用。

4）外部環境的溫度變化將在外保溫系統中形成具有危害性的應力變化，產生分布不均勻的作用力，對保溫材料層產生拉裂，并加劇保溫材料變形的程度。

綜上所述，解決外墻外保溫系統安全問題的治本之道是研發更加完善的外保溫材料，研究重點應著重于質量輕，強度高，抗滲性高及溫度變形小等方面。