玻璃棉板和岩棉板在外墙外保温系统中应用关键技术研究

摘要：对玻璃棉板和岩棉板应用于外墙外保温系统中存在的吸水量大、实际节能效果不佳，板材拉拔强度不高、体系抗风荷载能力不强、板材湿流密度大、适用于EPS外保温体系的饰面层不一定适用于无机棉板材外保温体系等问题进行了系统研究。研究结果显示，玻璃棉板和岩棉板应用于外墙外保温体系时，应在EPS外保温体系的系统构造和性能要求上做适当调整：板材应该进行界面增强处理；体系应该采用粘结、机械固定相结合的方式提高系统抗风荷载能力，锚固件应该穿透增强网；无机棉板材透气性良好，为减少因饰面层湿流密度太小导致的面层空鼓脱落，应该尽量配套粉状彩色砂浆、真石漆等湿流密度不低于2.5g/(m2·h)的饰面材料。

关键词：玻璃棉板；岩棉板；外墙外保温；体系构造；湿流密度

0引言

根据京公消字[2012]391号文件，北京市老旧小区节能改造工程要求全部使用(复合)A级保温材料，玻璃棉板和岩棉板这两种无机保温板材因保温性能优异，在外墙外保温领域有着良好的应用前景，但国内外应用案例较少，业内也因为板材本体拉拔强度低对其体系安全性存在质疑。

对此，本文从2种板材的本体拉拔强度、压缩强度、吸水性能、酸度系数等性能出发，采用调研、研究相结合的方式，论证了玻璃棉板、岩棉板在外墙外保温领域应用的安全性能，主要体现在以下3个方面：①针对玻璃棉板耐碱性能不佳，会影响外保温体系耐久性能，本文研究了低碱界面剂封闭隔离对其用作外墙保温板时受碱侵蚀的缓解作用；②针对板材的本体拉拔强度不高、体系耐风压存在风险的问题，拟通过改变体系构造以提高系统抗风压能力，并通过锚固件的穿透试验进行了定量论证；③通过测试板材和典型饰面材料的湿流密度，拟对饰面层提出要求以解决板材与饰面层湿流密度不匹配引起的饰面层起鼓问题。

1试验方法

1.1本体拉拔强度

板材本体拉拔强度参考JG 149-2003《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》附录D进行测试，有机保温板材的试件尺寸为100 mm×l00mm，厚度为7cm；岩棉板、玻璃棉板的试件尺寸为200mm×200mm，厚度均为10cm。

1.2吸水性

体积吸水率按照GB/T 8810-2005《硬质泡沫吸水率的测定》进行测试；24h吸水量按照GB/T 25975-2010《建筑外墙外保温用岩棉制品》中附录B进行测试。

1.3碱稳定性

将无机保温板材在饱和灰钙水中分别浸泡28d和180d，将浸泡试样取出直接制样或取出后在蒸馏水中浸泡24h后制样，制样时均沿着平行于板面方向的中间层进行，将样品烘干后在扫描电镜下进行表面形貌观察。其中饱和灰钙水的配制是将1份灰钙与l份水混合，搅拌30min后，静置24h，滤去表层漂浮物后，取上层清液。

1.4锚固件穿透试验

按照ETG 004 《External Thernaln Insulation Composite Systems with Ren-dering》中5.1.4.3.1试验方法进行，其中试件规格为350mm×350mm×l0cm，每种试验工况制备5个样品。

1.5水蒸气湿流密度

参照JGJ 144-2004《外墙外保温工程技术规程》中A.11方法进行制样，试样规格为Φ10cm×(5~8)mm，其中抹面砂浆的厚度为4～5 mm，饰面层的厚度约为2 mm(平面涂料小于1mm)。为方便去除保温基层，板材仍然是用EPS板材，抹面砂浆为岩棉板配套的憎水型抹面砂浆，饰面层分别为粉状彩色砂浆、质感涂料、真石漆、平面涂料等透气性差异较大的材料。

2试验结果与讨论

2.1保温板材常规性能研究

从市场上收集了不同厂家的岩棉板和玻璃棉板，进行板材本体拉拔强度、吸水率、吸水量、压缩强度等性能测试。作为对比，从市场上收集了EPS、XPS、PU、PF等有机板材进行板材基本性能测试，结果见表1。

表1典型保温板材基本性能对比

项目		拉拔强度/kPa	压缩强度/kPa	酸度系数	体积吸水率/%	24h吸水量/(kg/m2)	尺寸稳定性
							长	宽	高
EPS板		130			0.65	0.003	0.26	0.42	0.63
XPS板		250			0.39		0.94	1.07	1.35
PU板		120			0.70		0.90	1.74	0.80
PF板		140			6.67	0.580	1.67	2.90	0.87
岩棉板（140kg/m3）	厂家A	9.0	86	1.9		0.190
	厂家B	7.7	73	1.8		0.079
	厂家C	2.3	53	1.5		0.092
玻璃棉板（100kg/m3）		4.4	51			0.390

从表1可以看出，与有机保温板材相比，岩棉板和玻璃棉板最大的弱点是本体拉拔强度低，玻璃棉板在形变10％条件下的压缩强度也不高：同时，2种无机板材的吸水量(率)显著高于有机保温板材(PF板除外)。而且在试验测试过程中还发现，即使是同一厂家、相同密度的产品，岩棉板和玻璃棉板的拉拔强度波动较大，特别是玻璃棉板，这与岩棉板丝径短、生产工艺存在打褶加压环节，而玻璃棉板的丝径长、集棉后直接固化成型有一定关系。

比较2种无机板材与有机板材性能可知，玻璃棉板和岩棉板在外墙外保温中应用时，存在以下几个问题：板材本体拉拔强度较低，如何保证体系抗风压安全系数；板材吸水量大，当体系开裂、板材有一定含水率时，体系的保温效果能否得到保证；玻璃棉板的抗碱侵蚀能力如何得到保证；岩棉板在高温高湿情况下的强度保留率；无机板材因为结构疏松，湿流密度较大，对饰面层的湿流密度是否不同于有机保温板材隋机保温板材外墙保温体系的湿流密度低限为0.85/(m2·h)。

2.2玻璃棉板的碱稳定性研究

目前市场上常见的玻璃棉板都是中碱玻璃制成，如果直接与界面砂浆或者抹面砂浆等碱性水泥砂浆接触，由于质量较好玻璃棉板的24h吸水量仍约为0.4 kg/m2，而且有一定蓄水能力，OH-对Si-O键的侵蚀导致界面砂浆或抹灰砂浆与玻璃棉板的界面粘结破坏不容忽视。葛敦世的研究给出了无碱玻璃、中碱玻璃、耐碱玻璃在不同龄期、不同条件的碱溶液中SiO2和Al203的溶解速度，并测算了3种玻璃在碱溶液中的反应活化能，其中中碱玻璃在碱溶液中的反应活化能高于无碱玻璃，在常温混合碱溶液中浸泡28d后进入溶液中Si02含量已高达0.061mg/ml。我们观察了岩棉板和玻璃棉板在饱和氢氧化钙溶液中浸泡不同龄期后的表观形貌，岩棉板泡碱180d前后形貌基本无变化，而玻璃棉板微观形貌出现显著改变，结果见图1所示。

 

 (a)未浸泡                   (b)浸泡28d                   (c)浸泡180 d

图l玻璃棉板在饱和氢氧化钙溶液中浸泡处理后的SEM照片

从图1可以看出，玻璃棉板在浸泡28 d后玻璃棉束丝的壁上出现星星点点微小新物质，浸泡至180 d后，已经发生了明显改变，管壁上长出了连续的新物相。若从Si02在碱溶液中的溶解过程来看，应该是Si-O-Si+OH-→Si-O-+HO-Si，玻璃网络开始解体，在表面生成小分子的硅酸离子，这些可溶的硅酸离子或其它阴、阳离子附着在玻璃纤维的表面，逐渐形成一种成分复杂的硅酸盐粉化层。

在相同pH值的溶液中，硅氧四面体被一价碱金属离子的侵蚀速度快于二价阳离子，而硅酸盐水泥以二价离子为主，因此，为减轻玻璃棉板受碱侵蚀程度，我们研制了以二价阳离子为主的低碱界面剂。水泥砂浆的pH值一般在12~13，从图l可以看出，玻璃棉在pH值为13的碱溶液中、并采取加热措施促进碱侵蚀的情况下，玻璃棉受侵蚀明显。对此，我们将界面剂的pH值控制在10～11，将玻璃棉板在pH值为1l的弱碱性水中浸泡180d，玻璃棉受侵蚀前后的微观形貌照片如图2所示，浸泡180d后，玻璃棉的管壁只能看见被碱侵蚀后出现少许的管壁沉淀。对比图l和图2可知，低碱界面剂的使用能大大减轻玻璃棉板受侵蚀程度，但不能完全消除保温体系中当有明水存在时玻璃棉板被碱侵蚀危害。

 

（a）浸泡前              （b）浸泡后

图2玻璃棉在pH值为11的碱溶液中加速侵蚀180d前后的SEM照片

2.3体系抗风荷载能力分析及加强措施研究

建筑外墙承受风荷载，墙体部分会产生很大负风压(吸力)，可能造成外保温破坏甚至脱落。因此，在进行外保温设计时，应根据不同地区、不同建筑高度的风荷载值计算出最大负风压设计值，并根据该值及系统特点选择适当的保温系统连接方式，以保证系统的连接安全性。北京市百米高层建筑物所承受的风压值为3.85 kN/m2，如果体系以粘结为主，体系最小试验风荷载值不得低于6.71 kN/m2；如果以机械固定为主，体系最小试验风荷载值不得低于8.95 kN/m2。从表1可以看出，岩棉板(140kg/m3)和玻璃棉板的本体拉拔强度均低于10kPa。如果体系以粘结为主，体系拉拔强度的薄弱环节为保温板与粘结砂浆的界面，鉴于粘结面积不可能达到100％，体系的拉拔强度会低于7.5 kPa，体系抗风荷载能力存在风险。

对此，建议无机棉的外墙保温体系采用粘锚结合的方式，并研究了锚固件的规格和锚固件是否穿透增强网对体系抗风压能力的影响。为定量表征不同体系构造的安全性能，进行了锚固件的穿透试验，板材采用7.5 kPa和10.0kPa的岩棉板，锚固件为Φ60mm和Φ140mm 2种锚盘，并对比锚固件是否穿透增强网2种工况，试验结果见表2，测试照片及典型破坏状态见图3。

表2岩棉板外墙外保温体系锚固件穿透试验结果

实验条件	拔出力/kN	破坏状态
板材7.5kPa，Φ60mm（国产），未穿透增强网	0.75	5c
板材7.5kPa，Φ60mm（国产），穿透增强网	0.96	5b
板材10.0kPa，Φ60mm（国产），未穿透增强网	0.82	5c
板材10.0kPa，Φ60mm（国产），穿透增强网	1.04	4b1c
板材7.5kPa，Φ140mm（国产），未穿透增强网	1.08	5c
板材7.5kPa，Φ140mm（国产），穿透增强网	1.48	4b1c
板材7.5kPa，Φ140mm（国产），穿透增强网	0.97	4b1c

注：破坏状态b为锚固件套筒断裂；破坏状态C为锚盘陷入板材中，锚固件周围板材破坏；破坏状态d为锚盘被拉出(该破坏状态在本实验中未出现)。

从表2可以看出，在锚盘直径、锚盘是否穿透增强网、锚固件的质量(因生产厂家不同而不同)、板材强度这4个影响因素中，如按照贡献从大至小排序，为锚固件质量>锚固件穿透增强网>板材强度>锚盘直径，其中锚盘直径几乎对锚固件自板材中拔出力无影响。

对于考虑锚固件机械固定作用的外保温体系，在抵抗风压破坏时，锚固件的作用取决于其白墙体基层中拔出力和自保温板材中拔出力这两者间的低值。北京市建筑物多为现浇混凝土结构，根据北京市岩棉板外保温系统导则要求，锚固件自混凝土墙中拔出力不得低于0.6 kN，结合表2中数据，当锚固件穿透增强网时，锚固件自板材中的拔出力约为1.0 kN，如采用国外锚固件，可达1.5 kN。因此，如锚固件穿透增强网，当锚固件用量为8个/m2时，机械固定可为保温系统增加拉拔力约8 kN，与板材采用粘结砂浆满粘时粘结砂浆所起的作用相当，能显著提高体系抗风荷载能力。

 

a-测试中；b、c、d-表2注中的3种破坏状态

图3锚固件穿透试验测试前后照片

2.4玻璃棉板、岩棉板外墙外保温体系湿流密度研究

从JG 149-2003的规定可以看出，外墙外保温系统的吸水性是外层吸水量低于内层，这样才能使比较少的水进入保温系统和墙体；对于体系的透气性(用水蒸气湿流密度表征)，一般为外层湿流密度高于内层，即外饰涂层应高于抹面砂浆防护层，这样水蒸气才能畅通无阻地排出，不在保温体系内聚集。EPS和XPS的湿流密度见表3，JGJ 144-2004和JG 149-2003要求其外墙保温体系的湿流密度不得小于0.85g/(m2·h)。

表3 EPS和XPS板材的湿流密度

板材种类	EPS-1	EPS-2	XPS单面带皮-1	XPS单面带皮-2	XPS不带皮
湿流密度/[g/(m2·h)]	1.66	1.58	0.86	0.59	1.21

因为玻璃棉板、岩棉板的抗剪切强度较低，业内在配套饰面材料时均避开瓷砖饰面，选择薄层涂料。鉴于这2种板材结构疏松，且湿流密度远高于有机板材(见表4)，如果系统湿流密度仍然沿用0.85 g/(m2·h)，将会出现部分涂料与岩棉板的湿流密度不配套，从而出现涂料起鼓、脱落问题。对此，测试了粉状彩色砂浆、质感涂料、真石漆、水性乳胶漆(普通水性平面涂料)4种饰面层的湿流密度，结果见表4。

表4玻璃棉板、岩棉板、典型饰面层湿流密度

试件组成	湿流密度/[g/(m2·h)]
岩棉板	9.25
玻璃面板	8.60
45mm抹面砂浆+水性丙烯酸底漆+水性乳胶漆（＜0.5mm）	2.18
45mm抹面砂浆+水性丙烯酸底漆+弹性质感涂料（约1.5mm）	1.15
45mm抹面砂浆+有机硅底漆+粉状彩色砂浆（约2.5mm）	4.21
45mm抹面砂浆+水性丙烯酸底漆+真石漆（约2.0mm）	3.13

 

饰面层的湿流密度由其结构致密性和厚度决定，一般涂层结构越致密、涂层厚度越大，湿流密度越小。结合表3、表4的数据，建议玻璃棉板和岩棉板的外墙外保温体系尽量选用真石漆、粉状彩色砂浆等湿流密度在2.5 g/[g/(m2·h)]以上的饰面材料。

3结语

1) 对比玻璃棉板、岩棉板与有机板材的常规性能，2种无机板材的本体拉拔强度、压缩强度均低于有机板材，吸水率高于有机板材(PF板除外)，当应用于外墙外保温系统时，不能照搬JG 144-2004中有机保温板材薄抹灰系统的体系构造及性能要求。

2) 玻璃棉板在饱和灰钙水中浸泡28 d后，在玻璃纤维的壁上出现SiO2，在OH-侵蚀下形成的复杂硅酸盐粉化层，当用作外墙保温板时，应使用pH值不超过11的低碱界面剂进行封闭隔离，可有效缓解SiO2的受碱侵蚀。

3) 锚固件厂家、板材强度、锚固件在保温体系中的位置都会影响锚固件自板材中的拔出力，如按照贡献大小排序，为锚固件质量>锚固件穿透增强网>板材强度>锚盘直径，其中锚盘直径对拔出力影响不大。为提高玻璃棉板、岩棉板外墙外保温系统的安全性能，建议在体系构造中采取锚固件穿透增强网的做法。

4) 玻璃棉板和岩棉板的湿流密度约为EPS板材的6倍，为了使涂料层的湿流密度与保温板材相匹配，建议玻璃棉板、岩棉板的外墙外保温体系应尽量选用粉状彩色砂浆、真石漆等湿流密度不低于2.5[g/(m2·h)]的饰面材料。为确定玻璃棉板、岩棉板外墙外保温体系的湿流密度数值，作者将进一步开展典型轻质饰面的玻璃棉板、岩棉板外保温体系耐候性研究。

 

 

 

    

 

 

 ---摘自《新型建筑材料》