改性聚苯板外墻外保溫系統(tǒng)的保溫隔熱性試驗(yàn)研究

(南陽師范學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

隨著建筑節(jié)能水平的不斷提升，很多外墻外保溫系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到了大量民用建筑領(lǐng)域，極大促進(jìn)了居住環(huán)境的優(yōu)化[1-3]。但是經(jīng)過長期外部環(huán)境作用后，一些建筑外墻開始發(fā)生破壞，這引起人們對外保溫系統(tǒng)使用耐久性更加關(guān)注，對建筑保溫系統(tǒng)的長期使用穩(wěn)定性的研究工作也獲得更加深入的研究[4-6]。一些地區(qū)在夏季與冬季的溫度變化非常明顯，形成了很大的年溫差，因此外墻保溫系統(tǒng)必須承受溫度變化反復(fù)作用，容易形成較大的內(nèi)應(yīng)力而受到破壞，使外保溫系統(tǒng)無法繼續(xù)發(fā)揮保溫功能[7]。還有一些雨量較大的地區(qū)，處于高溫狀態(tài)下的墻體受到暴雨天氣的影響溫度急劇降低，也會使外保溫系統(tǒng)發(fā)生損壞，氣 候環(huán)境對于外保溫系統(tǒng)發(fā)揮著顯著影響，使其壽命發(fā)生改變。為了確保新型保溫材料能夠滿足實(shí)際使用條件，需要對保溫系統(tǒng)實(shí)施耐候性測試，通常是按照規(guī)范測試要求來測試外保溫系統(tǒng)的耐候性能[8-11]。

現(xiàn)階段，多種不同類型的新型保溫材料被不斷開發(fā)出來并獲得了大量使用，但是一些由聚合物等有機(jī)材料組成的保溫材料在使用過程中也面臨著潛在安全問題，例如獲得廣泛應(yīng)用的聚苯板在使用階段會引起較多火災(zāi)事件[12-13]。為克服上述缺陷，一些科研人員開始研究無機(jī)保溫材料，并逐漸在建筑領(lǐng)域推廣無機(jī)保溫材料，使系統(tǒng)的保溫能力獲得顯著提高。但從我國的保溫材料發(fā)展情況分析，相關(guān)技術(shù)積累還較少，尤其是缺少無機(jī)保溫材料的核心生產(chǎn)工藝，還不能完全自主設(shè)計(jì)新型的高性能保溫材料，需要進(jìn)一步強(qiáng)化這方面的經(jīng)驗(yàn)[14-15]。進(jìn)行測試的時候，為保溫系統(tǒng)的不同構(gòu)造層設(shè)置了溫度傳感器與應(yīng)變片，可以實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變的實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)實(shí)際測試數(shù)據(jù)的對比結(jié)果可以獲得這兩類保溫系統(tǒng)的性能，通過研究建筑領(lǐng)域的無機(jī)保溫材料使用可行性，可以使后續(xù)進(jìn)一步推廣使用獲得更可靠的依據(jù)，同時也能夠促進(jìn)無機(jī)保溫材料的理論發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

改性聚苯板屬于一種在聚苯板基體中添加無機(jī)顆粒后得到的一種復(fù)合材料，本研究選擇改性聚苯板來開發(fā)保溫材料。其中，基體材料由聚苯板構(gòu)成，并對該材料采用無機(jī)成分實(shí)現(xiàn)改性的過程。經(jīng)過以上性能優(yōu)化后能夠獲得更加優(yōu)異的保溫性能，同時獲得良好的耐火特性。

1.2 工藝流程

(1)清理基層混凝土的墻面→將溫度探測器與應(yīng)變片貼附在基層區(qū)域→涂覆一層界面劑→將改性后的聚苯板進(jìn)行緊密貼附→錨固。圖1給出了界面劑和錨固照片。

(2)貼附聚苯板：實(shí)施滿粘后，再通過砂漿對其進(jìn)行全部覆蓋，先把其中一面涂上砂漿，之后迅速把板按照平貼的模式在墻體上滑動至要求達(dá)到的位置。控制砂漿厚度至少達(dá)到5 mm。進(jìn)行施工時，需通過靠尺保證壓平狀態(tài)。通過順砌的形式完成改性聚苯板的貼附，按照逐行錯縫的方式設(shè)置豎縫，避免發(fā)生松動或產(chǎn)生空泡的情況。

(3)涂覆抗裂砂漿，并貼附飾面磚。

圖1 界面劑和錨固照片

1.3 組合材料施工

在測試以上保溫材料的耐候性能的時候，需深入分析各構(gòu)層之間粘結(jié)強(qiáng)度與外保溫系統(tǒng)在耐候測試過程中受到的抗沖擊載荷，本實(shí)驗(yàn)總共包含了由兩類組合材料構(gòu)成的試樣。

先制備得到具有立方結(jié)構(gòu)的混凝土塊狀試樣，將其邊長控制為150 mm，以此構(gòu)建得到混凝土基層，根據(jù)C30 等級標(biāo)準(zhǔn)配制得到混凝土結(jié)構(gòu)。之后為試塊表面構(gòu)建外保溫結(jié)構(gòu)，按照如下方式進(jìn)行：

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式對混凝土試塊實(shí)施一周時間保養(yǎng)，之后將其轉(zhuǎn)移至外部空曠地區(qū)，并對外部保溫層施工；

(2)將試塊擺放到正確位置后，應(yīng)使其表面處于平整狀態(tài)，之后根據(jù)以上工藝條件完成試塊表面的施工處理，形成由界面層、保溫層、抗裂層與飾面層組成的結(jié)構(gòu)，同時確保和保溫層結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)同步施工；

(3)利用切割機(jī)對試塊縫隙實(shí)施平穩(wěn)切割，獲得具有平齊結(jié)構(gòu)的切割面，將切割速度控制在一個相對緩慢的狀態(tài)，防止保溫系統(tǒng)受到明顯損害。

切割結(jié)束后，再對飾面層進(jìn)行處理，貼附飾面磚。圖2給出了組合材料試塊的表面和內(nèi)部照片。

2 保溫隔熱性能評價

2.1 能耗模型

用于構(gòu)建圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料類型較多，可以按照不同的特點(diǎn)將其分成三種類型，具體包括勻質(zhì)實(shí)體層、封閉空氣層以及兩向非勻質(zhì)層。本實(shí)驗(yàn)中的無機(jī)改性聚苯板與材料?；⒅楸厣皾{和都是實(shí)體層材料。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總熱阻可表示為

熱阻的確定根據(jù)下式計(jì)算

據(jù)此可得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總熱阻表達(dá)式，如下

式中Ri和Re——內(nèi)外表面換熱阻。

2.2 保溫性能分析

測試保溫系統(tǒng)實(shí)際能夠達(dá)到的保溫性能已經(jīng)成為一項(xiàng)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，對于分析系統(tǒng)的整體優(yōu)劣性具有明顯作用。為了更加精確分析保溫性能，需對各層結(jié)構(gòu)熱屬性進(jìn)行深入研究，包括保溫系統(tǒng)的各類材料及其構(gòu)造組成。從圖3中可以看到本文采用的保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，同時表1中包含了各材料性能參數(shù)。

圖3 改性聚苯板外保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表1改性聚苯板外保溫系統(tǒng)材料參數(shù)

參數(shù)厚度/mm密度/kg·m-1導(dǎo)熱系數(shù)/K混凝土墻體22028001.68界面劑122000.02粘結(jié)砂漿+改性聚苯板3616000.05抗裂砂漿+鋼絲網(wǎng)1685001.35粘結(jié)砂漿+飾面磚612001.26

之后計(jì)算得到本文保溫系統(tǒng)的傳熱系數(shù)，并對材料熱阻進(jìn)行分析，由此獲得系統(tǒng)傳熱系數(shù)。計(jì)算出每一層熱阻值，由此計(jì)算得到系統(tǒng)傳熱系數(shù)。結(jié)果顯示見表2，對改性聚苯板外墻的外保溫系統(tǒng)進(jìn)行測試得到其總熱阻等于1.032 m2·K/W，傳熱系數(shù)等于1.016 W·m-2·K-1。已經(jīng)滿足規(guī)范要求達(dá)到的外墻保溫性能。

表2材料熱阻

參數(shù)熱阻值混凝土墻體0.126界面劑0.065粘結(jié)砂漿+改性聚苯板0.008抗裂砂漿+鋼絲網(wǎng)0.0024粘結(jié)砂漿+飾面磚0.0022

進(jìn)行耐候測試的過程中，需要測定飾面磚粘結(jié)力以及抹面層和保溫層之間的粘結(jié)強(qiáng)度，對各組試樣分別選擇5個測試區(qū)實(shí)施拉拔測試，并對各區(qū)域粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算平均值。采用上述方式進(jìn)行處理獲得測試結(jié)果，表3給出了材料粘結(jié)強(qiáng)度實(shí)際測試結(jié)果。

表3材料粘結(jié)強(qiáng)度

耐候試驗(yàn)階段平均粘結(jié)強(qiáng)度值/MPa10.57920.52630.49640.47550.46260.458

由改性聚苯板構(gòu)成的飾面磚出現(xiàn)了粘結(jié)強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，由0.579 MPa變?yōu)?.458 MPa，通過對比可知，這種飾面磚發(fā)生了比保溫砂漿更快的粘結(jié)強(qiáng)度降低趨勢。這主要是因?yàn)椋男跃郾桨灞匦阅軆?yōu)于保溫砂漿，能夠發(fā)揮更優(yōu)異的隔熱性能。由此可見，當(dāng)在外墻上使用上述保溫材料時，需對其外觀與性能變化進(jìn)行定期分析，特別是對于一些使用年限較長的建筑結(jié)構(gòu)，更應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注，有效防止發(fā)生瓷磚脫落的情況而引起人員傷害事故。根據(jù)實(shí)際測試可知，經(jīng)耐候測試得到飾面磚達(dá)到了0.4 MPa以上的粘結(jié)強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1)本研究選擇改性聚苯板來開發(fā)保溫材料，設(shè)計(jì)了工藝流程，并對組合材料試樣進(jìn)行施工。建立了能耗模型，用于構(gòu)建圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料類型較多，可以按照不同的特點(diǎn)將其分成三種類型，具體包括勻質(zhì)實(shí)體層、封閉空氣層以及兩向非勻質(zhì)層。

(2)對各層結(jié)構(gòu)熱屬性進(jìn)行深入研究，包括保溫系統(tǒng)的各類材料及其構(gòu)造組成。對改性聚苯板外墻的外保溫系統(tǒng)進(jìn)行測試得到其總熱阻等于 1.032 m2·K/W，傳熱系數(shù)等于1.016 W·m-2·K-1。已經(jīng)滿足規(guī)范要求達(dá)到的外墻保溫性能。

(3)通過耐候試驗(yàn)得到粘結(jié)強(qiáng)度降低由0.579 MPa變?yōu)?.458 MPa，這種飾面磚發(fā)生了比保溫砂漿更快的粘結(jié)強(qiáng)度降低趨勢。