发泡陶瓷在外墙保温中的应用及耐久性分析

王子夺,蓝亦睿

(江苏建筑职业技术学院,江苏 徐州 221116)

自国家“双碳”政策推行以来,建筑节能的低碳无污染重要性被推上了一个新的高度,在建筑外围护结构层面上,目前北方地区新建建筑基本已实现了建筑外保温全覆盖。外墙保温技术有效降低建筑能耗虽得到广泛应用,但粘接性能、锚固性能仍存在很多弊端和缺陷,诸如裂缝和保温材料的脱落、抹面层断开、保温材料未能达到设计使用年限即基本丧失保温效果等不容忽视现象。究其根本原因,在于保温材料与粘接砂浆由于热应力等长期作用下膨胀率不同而产生的空鼓、开裂现象,这类情况对建筑外围护结构保温性能影响较大,在冬季极端风速较大的地区甚至还有脱落风险[1]。面对既有建筑外墙保温技术安全性、功能性与耐久性这种问题,有效解决热桥效应,对建筑外围护结构保温系统进行既有建筑改造意味着较高的成本。基于此,本文主要研究如何在保证建筑外围护结构保温性能的前提下,综合考量建筑外围护结构后期维护等成本因素,通过分析市面上常见保温材料,根据地域性特征选择合理的保温材料,从而解决保温材料在建筑建成后的耐久性问题。

1 常用建筑保温材料应用分析

目前市场上常见保温材料品种较多,既有建筑外保温实际状况常见保温材料多为聚苯乙烯类、聚氨酯类、岩棉板、发泡陶瓷等。不同材料的物性参数并不相同,以下对目前常见材料进行分析。

1.1 聚苯乙烯类

聚苯乙烯类保温材料全称为聚苯乙烯泡沫塑料,是由聚苯乙烯为主要原料,经过不同工艺形成。目前常见的聚苯乙烯类保温材料有膨胀聚苯板(EPS)和挤塑聚苯板(XPS)2种,由于二者物性参数有较大差别,所以对其分开进行分析。

EPS保温材料导热系数约为0.04 W/(m·K),线膨胀系数为6×10-5K-1。由于EPS板是由加热膨胀而形成的蜂窝式结构,其抗压强度较差[2],不能作为上人屋面和地坪层保温的材料;作为外墙保温材料时,外立面也很难直接铺贴石材,否则易出现松动或脱落的情况。从防火性能来看,目前市面上常见的EPS材料绝大多数为B1等级,此等级为难燃等级,但作为外墙保温材料,B1防火等级依然有一定风险,作为保温材料来说,并不是最优选择[3]。目前市面上常用的粘接砂浆线膨胀系数约为12×10-6K-1,约为EPS板线膨胀系数的五分之一,在温度变化下粘接砂浆和EPS的粘接界面会产生剪力,在剪力的长期作用下,界面层极易发生剪切破坏,最终导致保温效果减弱,严重情况下甚至出现脱落情况。得益于EPS板内部的蜂窝状结构,EPS板的吸水率较小,在高湿度环境下对于其导热系数影响较小。

XPS保温材料导热系数约为0.03 W/(m·K),线膨胀系数与EPS材料相同。相比于EPS内部的蜂窝结构,XPS材料是挤压成型的,其抗压强度为500 kPa,可以作为上人屋面或地坪层保温层;但由于XPS聚苯板比EPS聚苯板密度大、强度高,产生的变形应力也大,更易造成板缝处开裂,进而导致面砖空鼓、脱落[4]。从防火等级上来说,XPS属于A级不燃材料,防火等级上是满足要求的。构造上不同于EPS的蜂窝状材料,XPS板的挤压成型致使其吸水率更低于EPS,高湿环境对于其自身导热系数几乎没有影响。

1.2 聚氨酯类

聚氨酯类材料的导热系数约为0.024 W/(m·K)[5],约为EPS保温板导热系数的一半。抗压强度为200 kPa,优良的抗压强度也使其能够承受建筑外围护结构当中需要进行保温处理且需要承压部位的荷载,如上人屋面及地坪层。聚氨酯材料的防火性能取决于制备材料时添加的阻燃剂多少,从B1到B3不等。聚氨酯类材料的线膨胀系数与聚苯乙烯类材料为同一数量级,其值约为8×10-5K-1,在温度变化时依然会与粘结砂浆产生一定的剪应力,长期作用下可导致破坏[6]。在吸水率方面,聚氨酯类材料同样与聚苯乙烯类材料类似,吸水率较低。

1.3 岩棉板

岩棉板不同于聚苯乙烯类和聚氨酯类材料,由岩棉纤维组成。其导热系数约为0.04 W/(m·K)[7],优良的导热性能主要依靠纤维之间大量的空气间层来实现。力学性能相比于前2类材料较为特殊,根据《岩棉薄抹灰外墙外保温系统材料》JG/T 483—2015中查得,岩棉板中抗压强度最大值为15 kPa,表面很难承担其他竖向荷载,所以不能作为屋面保温材料使用。由于其特殊的纤维构造,在作为建筑外围护结构保温构造时,也无法在外饰面层采用瓷砖等装饰类贴面。从防火等级上来说,岩棉板的耐火等级为A级,防火性能优异。岩棉板与基层墙体的结合力不强,易剥离分层,抗风压破坏能力不足,无法满足最大负风压作用时导致的开裂及破坏。岩棉材料自身吸水率很低,但由于岩棉纤维之间含有大量缝隙,所以整板的吸水率较高,并且在吸水后自重加大,保温性能急剧减弱,在高湿环境下很难起到保温隔热作用。

1.4 发泡陶瓷

发泡陶瓷材料是由高温烧制的,具有高气孔率的闭孔陶瓷材料。它的导热系数约为0.06 W/(m·K),略大于聚苯乙烯类、聚氨酯类和岩棉板保温材料。其抗压强度为400 kPa,仅较XPS稍低,也可作为承压位置的保温材料使用[8]。防火等级为A级,优于目前要求的外墙保温材料防火等级要求。线膨胀系数与混凝土及粘结砂浆基本相同,能进行很好的粘结,相容性好,不会出现由于线膨胀率不同产生的应力与应变导致的开裂现象,不变形,不收缩,耐久性好,可以做到与建筑同寿命,施工工序少,大大降低了建筑外墙外保温系统后期的维护成本。由于发泡陶瓷为闭孔结构,其吸水率相对于其他几种材料最低,几乎不吸水,适合在高温高湿环境下作为保温材料使用。

2 发泡陶瓷保温材料应用分析

通过上述的分析,不难看出目前常用保温材料的导热系数、抗压强度、防火等级、线膨胀系数和吸水率各不相同,为方便统计分析,以上物性参数如表1所示。

表1 常用保温材料物性参数Tab.1 Physical properties parameters of common insulation materials

从表1可看出,从保温材料与水泥砂浆的线膨胀系数拟合程度上来看,应当选择发泡陶瓷材料作为外墙保温系统的首选材料,但目前从市场占有率来看,发泡陶瓷的市场占有率极低。

2.1 成本价格高

由于发泡陶瓷材料为无机的高温烧结多孔材料,其原材料主要为抛光砖废渣泥,由于原材料生产的限制,运输成本、生产效率、原料来源均受制于其他企业,严重影响其产能,导致其价格远高于其他保温材料[9]。

2.2 导热系数大

由于发泡陶瓷本身导热系数较高,相比于其他保温材料,想要达到同样的效果,厚度更大,在体积上不占具优势,尤其在严寒及寒冷地区,此劣势被进一步放大。随着我国颁布“75”节能标准,此种材料在严寒及寒冷地区的应用场景会越来越少。

3 发泡陶瓷应用优化策略分析

3.1 发泡陶瓷保温系统“安装-运行周期”经济性分析

根据上述总结的发泡陶瓷线膨胀系数可以看出,从建筑外围护结构保温系统安装到建筑拆除的整个过程中,发泡陶瓷可以与建筑主体结构保持基本一致的膨胀率与收缩率。且发泡陶瓷的耐候性远优于其他保温材料,尤其体现在抗冻融性上[10];而长期冻融作用下会严重降低保温板与粘接砂浆的粘接强度,最终导致保温板松动、脱落[11]。基于上述原因,在考虑外围护结构保温系统整体经济性时,宜围绕“安装-运行”周期进行经济性分析,以新建建筑寿命为70年为例,进行多保温材料“安装-运行”周期经济性分析,结果如表2所示。

表2 多保温材料“安装-运行”周期经济性分析表Tab.2 Economic analysis of the “installation-operation”cycle of multiple insulation materials

从表2不难得知,随着建筑外立面后期维护,伴随着拆除、建筑垃圾处理、建筑环境破坏、维护安装人工等二次成本的计入,在综合造价层面优势较为明显。

3.2 发泡陶瓷一体板研发与应用

虽然从综合造价角度,发泡陶瓷有较大优势,但考虑到其导热系数稍大,在严寒及寒冷地区推广还存在着一定的局限性,可以采用保温装饰一体板的形式对其进行改善,进行成品生产与安装,结合目前装配式建筑行业飞速发展,且已有众多学者针对保温装饰一体板研发及施工进行了一定深度的研究[12-19],未来可针对不同气候分区设计不同构造的保温装饰一体板,以期取得更理想的节能效果。

4 结语

基于目前建筑外保温工程项目中常用保温材料,采用比较分析法对影响其耐久性的物性参数进行分析比对,以建筑保温材料耐久性为切入点,明确了各类常用保温材料的物理性质特点及适用环境。考虑建筑外墙保温系统内部极易遭受冻融循环,确定了发泡陶瓷从建筑的“安装-运行”周期作用下是经济性较高的一种保温材料。