■山东省建筑科学研究院有限公司 曹 杨 吴美升

岩棉板保温体系的优势与短板

岩棉板保温体系对比节能市场上的有机类保温体系而言,最大优势就是其体系的防火安全。这是因为岩棉作为一种理想的A级保温材料,具有不燃、透气、吸音、热稳定性高等优点。另外,与发泡水泥保温板、膨胀珍珠岩板、玻化微珠等A级保温材料相比,岩棉保温板导热系数较小,保温隔热性能优异,在常温条件下(25℃左右)岩棉的导热系数通常在0.036W/(m·K)至0.040W/(m·K)之间。但同时,岩棉板保温体系亦存在着比较明显的短板,尤其是岩棉板薄抹灰保温体系,无论是岩棉板双层耐碱玻纤网构造体系还是岩棉板单层耐碱玻纤网构造体系,在近些年的工程应用中暴露出诸多问题,已发生过多起岩棉薄抹灰保温体系脱落事故,主要原因有:

1.岩棉板自身抗拉强度低,强度范围约7.5kPa至15kPa,虽然岩棉板薄抹灰保温体系构造做法定义为以锚固为主,粘贴为辅,但或因施工人员自身技术素质较低或因施工现场条件受限等因素,往往造成锚固数量及锚固强度很难达到标准要求,存在安全隐患;

2.岩棉板作为较为松散的软质纤维状保温材料,具有较高的吸水、吸湿特性,对施工质量和配套材料质量要求极为严格,施工工序较为复杂。如果体系抹面层、饰面层、网格布等配套材料产品质量及施工存在缺陷出现微裂缝或体系与其他部位相接处防水措施处理不当,外部水分浸入岩棉板内部并逐渐累积,再加上风压、耐候等外部影响,极易造成体系不可逆的破坏;

3.在“双碳”目标的新形势下,建筑节能标准必然会进一步提高,要想达到新的节能标准要求,常规做法势必需要增加岩棉板的厚度,这样岩棉板薄抹灰保温体系自重变得更大,工程质量隐患显著增加。

上述问题的存在,以及市面上充斥着偷工减料、以次充好的岩棉板及体系配套材料,对岩棉板用于外保温体系造成了极大的不良影响。

竖丝岩棉复合板构造设计

为解决岩棉板自身抗拉强度低、裸板上墙无保护及高节能设计标准要求下导热系数偏大等不利影响,研究设计了一种新型竖丝岩棉复合板。竖丝岩棉:将岩棉板按一定的间距切割,翻转90度使用的条状制品,其主要纤维层方向与表面垂直。竖丝岩棉与岩棉板相比,抗拉强度大幅增加,达到0.10MPa以上,可与常规EPS保温板相媲美,但其缺点一是竖丝岩棉的宽度目前最大只能到200mm,多为150mm;二是导热系数变大,约为0.043W/(m·K)至0.045W/(m·K)。为此,根据不同的节能设计标准,研制了两种竖丝岩棉复合板,一种是以竖丝岩棉为芯材,两面复合玻纤网增强聚合物胶浆或专用柔性水泥基片材形成的复合保温板材,标记为A型竖丝岩棉复合板,其基本构造见图1,重点解决竖丝岩棉自身尺寸小、裸板状态下施工缺少必要防护层的问题。

▲图1 竖丝岩棉复合板(A型)构造示意图

1- 玻纤网增强聚合物胶浆(2mm至3mm)或柔性水泥基片材(1mm至2mm)

2- 竖丝岩棉条

另一种是以竖丝岩棉与有机保温材料复合而成的保温板为芯材,两面复合玻纤网增强聚合物胶浆或专用柔性水泥基片材形成的复合保温板材,标记为AB型竖丝岩棉复合板,其基本构造见图2,除具有A型复合板优势外,主要是基于无机/有机复合的技术思路,充分发挥无机材料的防火优势与有机材料的保温优势,重点解决竖丝岩棉导热系数偏大,高节能设计标准下无法应用的问题。

1-玻纤网增强聚合物胶浆(2mm至3mm)或柔性水泥基片材(1mm至2mm)

2-竖丝岩棉

3-有机保温材料

4-界面

▲图2 竖丝岩棉复合板(AB型)构造示意图

经实验研究证明,AB型竖丝岩棉复合板有机保温材料以硬泡聚氨酯(PU)为首要选择,一是聚氨酯导热系数低、保温性能优异,二是聚氨酯可直接发泡渗透到岩棉纤维中,结合紧密,复合板整体性能优良。经热工计算表明70mm厚AB型岩棉聚氨酯复合板的保温效果要优于厚度110mm的A型竖丝岩棉复合板。

竖丝岩棉复合板性能研究

为了检验岩棉复合板的复合技术质量,我们分别对A型、AB型岩棉复合保温板的拉伸粘结强度和剪切强度性能指标进行了试验研究。其中剪切强度试验方法采用了GB/T32382-2015《建筑用绝热制品 剪切性能的测定》中的双试样法进行。试验结果见表1。

同时,为了对比不同复合方式的优劣,我们对AB型岩棉/聚氨酯复合板分别采用了聚氨酯发泡直接粘接方式和岩棉与聚氨酯板粘结砂浆粘接方式两种复合方式,并分别测试了其拉伸粘结强度,试验结果见表2。

从上述试验结果我们可以看出,岩棉复合保温板A型,AB型,无论是在抗拉破坏,还是在更接近实际工程应用情况的竖向剪切破坏时均没有出现双侧无机面层与保温层脱开的情况,说明我们采用的复合技术是安全可行的。

同时表明对于AB型岩棉/聚氨酯复合保温板来说,采用聚氨酯直接发泡粘接的复合工艺要明显好于用砂浆粘接复合工艺,这主要是因为,岩棉本身的多孔纤维结构在聚氨酯发泡时,聚氨酯组份会渗入到岩棉纤维中,形成一个整体,起到了相互增强的作用。

竖丝岩棉复合板保温体系安全性、耐久性研究

竖丝岩棉复合板保温体系的基本性能应满足其使用功能和工作环境要求,主要包括保温性能、安全性能和耐久性能等。保温性能主要取决于保温材料的密度、厚度和导热系数等,AB型竖丝岩棉复合板的目的亦是在不增加保温层厚度的情况下来提高体系的整体保温性能。安全性及耐久性能则主要指保温体系应能适应长期温湿度变化、日晒雨淋及反复冻融等恶劣自然条件的作用及其他设计要求允许的荷载作用而不致产生有害损坏。另外,对AB型竖丝岩棉复合板保温体系来说,有机保温材料/无机保温材料复合在一起后会不会因两者存在较大形变差而导致体系破坏是其中关键。

虽然试验已经证明AB型竖丝岩棉/聚氨酯复合板,特别是利用聚氨酯现发泡粘接技术复合后,各层材料复合连接强度无论是垂直于板面方向的抗拉强度还是竖向剪切强度均是安全可靠的。但我们知道,对这种有机/无机复合保温材料而言,最容易导致其不稳定,不安全的影响因素是面对外界环境变化,两种材料因各自材性特质差异悬殊会产生较大的尺寸变化率差,进而可能出现破坏。

为了研究AB型竖丝岩棉复合板保温体系应用的安全耐久性,我们将通过大型耐候性来进行试验。保温体系基本构造做法为:基层墙体+竖丝岩棉复合板(竖丝岩棉35mm、聚氨酯35mm)+10mm厚胶粉聚苯颗粒浆料+5mm抹面胶浆(内复合耐碱玻纤网)+饰面涂料。

同时,为了研究AB型岩棉复合板保温系统在外界温度变化时各材料层的温度分布情况,我们在进行耐候性试验的同时进行了温度测点布置,所用仪器为北京东方奥达仪器设备有限公司产JW-Ⅱ型建筑热工温度热流巡回检测仪。测点位置分别位于,1#测点:(基层墙体与聚氨酯间),2#测点(聚氨酯中间),3#测点(竖丝岩棉中间),4#测点(聚苯颗粒浆料间),5#测点(抹面胶浆间),6#测点(试验装置内部空间)。

经过耐候性试验后的AB型竖丝岩棉复合板保温系统试验墙完好,未出现饰面层起泡、粉化,抹面层空鼓、脱落、开裂等破坏现象。窗口与外保温系统连接处表面无裂缝、无损坏。表明使用了AB型竖丝岩棉/聚氨酯复合板的外墙保温系统经受住了严格的耐候性试验测试,是安全、稳定可靠的,反过来,也表明AB型岩棉/聚氨酯复合板是稳定可靠的,是可以用于外墙保温体系的。为了进一步验证AB型岩棉/聚氨酯复合板的稳定可靠性,我们分别选取了加热升温阶段、加热恒温阶段、喷淋降温阶段3组测点温度数据,见表3。

从表3中数据可以看出,最外侧抹面胶浆层(5#测点)直接面对环境温度(6#测点)的变化,在不同升降温阶段的变化是比较显著的,这也反过来要求抹面胶浆必须要具备优异的柔韧抗裂性能,这也是所有的保温系统标准均要求抹面胶浆的压折比必须≤3.0的缘由。而聚氨酯(2#测点)因其前面有岩棉和聚苯颗粒浆料,在不同升降温阶段温度变化相对均匀平缓,最高40.6℃,最低35.8℃。岩棉(3#测点)的变化也相对比较平缓,最高51.3℃,最低40.2℃。

对于有机/无机复合保温材料而言,两者的尺寸变化率差,是影响其安全稳定的主要影响因素。在同为70℃的测试条件下,因岩棉是经高温烧结熔融而成,所以尺寸变化率较小,长度、宽度、厚度方向尺寸变化率分别为0.1%、0.1%、0.2%,而聚氨酯则分别为0.5%、0.4%、0.8%,两者相差比较悬殊,但为什么AB型竖丝岩棉/聚氨酯复合板保温系统在严酷的耐候性试验中并没有因两者悬殊的形变差异而导致出现开裂或破坏现象呢?这主要是因为竖丝岩棉与聚氨酯复合后,工程应用时竖丝岩棉层处于外侧,因有竖丝岩棉保温层的保护作用,在面对外界环境温度变化时,聚氨酯一方面不会出现较高的温度,另一方面其温度变化速率也变得较为平缓,表3中的测试数据亦证明了这一点。而有机保温材料的尺寸稳定性是和其所处的环境温度条件密切相关的。

我们在实验室对保温体系用聚氨酯在不同温度下的尺寸稳定性进行了测试,测试数据见表4。

表4测试数据表明聚氨酯在50℃以下时,尺寸变化率是较小的,特别是在40℃左右及以下时,最大尺寸变化率低于0.15%,与竖丝岩棉的尺寸变化率相近。因此,综合耐候性试验结果、保温体系各材料测点温度数据及聚氨酯在不同温度下的尺寸变化率测试数据,相互印证,AB型竖丝岩棉复合板用于外墙保温体系是切实可行、安全稳定的,这也表明无机/有机复合保温材料这一技术思路可很好地融合有机保温材料与无机保温材料各自的优点,减少各自单一使用时的不利因素。

基于上述研究,竖丝岩棉复合板可被用于多种外墙保温体系,如薄抹灰体系、现浇混凝土体系及保温装饰一体化体系等。当竖丝岩棉复合板用于不同类型的外墙保温体系时,均可通过调整竖丝岩棉层与聚氨酯层各自的厚度来满足国家《建筑设计防火规范》GB50016的相关防火规定和建筑节能设计标准进一步提高的要求,同时在安全性耐久性上都有稳定的表现,能够消除目前市场上对于岩棉制品用于外墙保温的诸多疑虑,具有较好的市场推广应用价值。

责编:张玲玲 安晓光

校对:张健

监审:韩凤凤

来源:中国建材报