增强竖丝岩棉复合板外保温系统的研究

1 前言

随着国家标准GB50016-2014《建筑设计防火规范》的实施，A级保温材料逐渐占据了市场主流地位。按照目前的节能要求，无机保温材料中岩棉需要10-12cm，而其他无机保温材料均超过12cm。因此，在防火和节能双重要求下，岩棉外保温系统已成为北方地区建筑节能保温系统设计的最佳选择[1]。

但是，普通岩棉板材自身强度低、防水性能差、保温体系稳定性较低、材料易引起皮肤过敏等问题仍急需解决。

2 岩棉板外保温系统问题分析

岩棉自身是松散的纤维材料，直接应用于外保温系统存在以下三个问题。

2.1 粘结强度低

普通岩棉保温板的抗拉强度不足0.01MPa，必须用大量的锚栓来固定岩棉板。例如，通过风荷载计算，北京地区混凝土基层需要锚栓约10个/平米。

2.2 岩棉与墙体连接的抗剪切力低，岩棉沉降风险大

一方面，岩棉板在自然环境特别是湿热条件下尺寸很不稳定，岩棉板主要由横向分布的纤维丝构成，纤维遇水后吸水分层、变形严重，岩棉吸水重量大、强度低，上墙后容易沉降导致空鼓、脱落。

另一方面，岩棉层与层之间通过树脂粘结而成，粘结力较低，在上墙之后，受重力影响，自身易产生沉降问题。如果在面层贴外墙砖增重，更加提高了沉降的剪切力，对整个外保温系统的稳定性和安全性产生非常不利的影响。

2.3 锚栓锚固点对板材的整体束缚弱

采用以锚为主的方式，粘结力基本可以忽略。由于岩棉材质松散，锚固点的辐射范围非常小，对整个板材的受力不能形成整体效果，板材下沉时，无法产生有效的作用。因此，系统粘结强度极低，对岩棉的固定效果基本可以忽略。而锚固的锚栓对岩棉的固定效果只能是点状受力，对松散的纤维材料作用十分有限。岩棉受力大或沉降到一定程度，棉体与锚固固定点之间会出现拉穿效果，产生外保温整体脱落现象[2]，从安全性上而言，风险极高。

综上所述，岩棉系统存在一定的风险，施工过程中的质量控制难度高，有必要对岩棉进行增强处理，降低过程控制难度，提高工程质量。

3 增强竖丝岩棉复合板研制

3.1 配套材料的技术研究

3.1.1 岩棉板排列方式

表面的抗拉强度是外墙保温板材重要的性能指标。对两个不同的生产厂家的不同密度、不同排列方式的岩棉的表面抗拉强度进行了测试如图1所示。

图1 岩棉板抗拉强度比较

由图1可知，在同等质量水平下，不同生产厂家的岩棉板抗拉强度相差不大。不论是岩棉板还是岩棉带，抗拉强度都随着岩棉密度的增加而增加。竖丝岩棉带的抗拉强度要远远大于岩棉板的抗拉强度。

3.1.2 岩棉板密度的选择

对不同密度的竖丝岩棉带的抗拉强度进行了测试，结果如图2所示。可知，当密度低于100kg/m³时，竖丝岩棉的抗拉强度较低，而当密度大于100kg/m³时，竖丝岩棉抗拉强度就达到100KPa以上，可以满足使用要求。

同时，对使用不同密度芯材制备成的增强竖丝岩棉复合板的表面抗拉强度进行了测试，结果如图3所示，随着芯材岩棉密度的增大，增强竖丝岩棉复合板的表面抗拉强度也会增大，当芯材岩棉密度为100Kg/m³时，增强竖丝岩棉复合板的表面抗拉强度可达到0.15MPa以上，完全可以满足外墙保温板的使用要求。

图2 密度对竖丝岩棉抗拉强度的影响

图3 密度对增强竖丝岩棉复合板表面抗拉强度的影响

最终通过试验数据对比，选择使用密度为100kg/m³的竖丝岩棉作为增强竖丝岩棉复合板的芯材。

3.1.3 网格布的选择

分别使用耐碱玻纤网格布，中碱玻纤网格布在水泥滤液中浸泡28天后，使用扫描电子显微镜观察浸泡前后的网格布纤维形貌。如图4和图5所示，耐碱玻纤网格布在经过浸泡之后，还可以比较完整地保持纤维的结构，而中碱玻纤网格布在浸泡之后纤维被腐蚀的比较严重，不能保持纤维的结构[3]。因此，选用耐碱玻纤网格布作为增强竖丝岩棉复合板的增强材料。

图4 耐碱玻纤网格布浸泡对比

图5 中碱玻纤网格布浸泡对比

按GB29906检试结果如图6所示。随着网格布克重的增加，复合板的抗拉强度逐渐增大。但是当网格布克重越大时，网格布越硬，施工性变差，因此综合考虑选择网格布克重为100，达到大于0.15MPa的要求。

图6  网格布克重对复合板抗拉强度的影响

最终通过试验数据对比，选择使用克重为100g的耐碱玻纤网格布作为增强竖丝岩棉复合板的网格布。

3.1.4 增强竖丝岩棉复合板面层防护材料选择

适用于增强竖丝岩棉复合板的防护面层材料首先要具有良好的施工性能，其次必须具有良好的柔韧性以及优异的憎水性。根据增强竖丝岩棉复合板的用途不同，选用两种材料作为其面层防护材料。

（1）外墙保温板用增强竖丝岩棉复合板面层防护材料的选择

采用无机保温砂浆作为增强竖丝岩棉复合板的面层防护材料，保温性能良好，用该材料作为增强竖丝岩棉复合板防护材料可有效地解决板缝出热桥问题。

（2）岩棉复合板防火隔离带面层防护材料的选择

岩棉复合板防火隔离带面层防护材料选择聚合物乳液复合水泥做成的防护材料，该材料的压折比指标小于2.5，具有非常高的柔韧性，如图7所示，可有效地防护该成品板材，降低储运过程中破损率。

图7 岩棉复合板防火隔离带面层防护材料的柔韧性

3.2 增强竖丝岩棉复合板的性能研究

3.2.1 热工性能研究

在厚度为200mm的加气混凝土砌块上分别粘贴100mm厚的膨胀聚苯板和增强竖丝岩棉复合板，然后分别测试其传热系数。经过测试，膨胀聚苯板样块的传热系数K为0.37W/m².K，增强竖丝岩棉复合板样块的传热系数K为0.39W/㎡.K。

由此可知，在经过无机保温材料包覆之后的增强竖丝岩棉复合板的保温性能与膨胀聚苯板基本接近。

3.2.2 憎水性能研究

增强竖丝岩棉复合板是通过在面层防护材料中掺加一定量的憎水材料，使面层防护材料（厚度2～4mm）具有非常优异的憎水效果，并且不会因为表面一层破坏而丧失憎水效果。通过喷淋测试，在加入憎水剂之后的面层防护材料的憎水性会大幅度提高，对不同憎水剂掺加量的增强竖丝岩棉复合板的憎水性进行了测试，如图8所示。

图8 憎水剂掺量对憎水率的影响

加入憎水剂前后增强竖丝岩棉复合板的憎水效果的对比如图9所示。

图9 加入憎水剂前后的憎水效果

试验表明，当憎水剂掺量达到3‰，增强竖丝岩棉复合板的憎水率可达到98%，效果如图9所示，因此采用憎水剂掺量为3‰。

4 增强竖丝岩棉复合板的应用

4.1 增强竖丝岩棉复合板特点

竖丝岩棉经过网格布抗裂砂浆四面包裹之后，物理性能大幅度提升，应用过程中具有以下优势。

4.1.1 高强

由于增强竖丝岩棉复合板的芯材丝径垂直于板面呈竖向排列，将岩棉丝垂直于墙面，改变了岩棉的纤维分布方向，从而改变了纤维的受力方向和运动方向，改变了岩棉的物理性能指标。从根本上解决了纤维分层、膨胀变形的问题，同时极大地增强了抗拉强度。

使用无机保温浆料复合耐碱网格布包覆后，板面材料的抗拉强度高达0.10MPa，是普通岩棉的13倍。

4.1.2 防水

有效的包裹岩棉，使岩棉与外界水隔离，同时面层无机保温砂浆是一种优异的防水保温砂浆，通过在砂浆中掺加憎水材料，使无机保温砂浆复合增强网防护层（厚度3~5mm）具有憎水效果。即使芯材憎水性只有30%，其短时间浸泡吸水率和憎水率都成倍地提高。

4.1.3 粘结力强

四面包裹增强竖丝岩棉复合板通过网格布复合防护砂浆的四面包覆，每一块板材形成一个相对独立的受力单元，由于网格布整体受力，板材受力的整体性会大大提高。

如果网格布采用双面复合，两个大面与岩棉板的粘接仅仅是岩棉板的表面粘接，随着岩棉在湿热状态下产生不稳定，同样会产生前述岩棉板的一系列问题。同时，由于面层防护砂浆的收缩变形，双面复合板的边角会产生一定的翘曲。双面复合竖丝岩棉，受到悬挑受力的破坏，构造很不稳定，容易产生分层滑坠现象。

网格布四面包裹增强竖丝岩棉复合板与网格布双面包裹岩棉板、岩棉板受力对比如图10所示。网格布四面包裹增强竖丝岩棉复合板与双面包裹和岩棉板不同，除了受到自身重力和向上的粘接力之外，还增加了网格布向上的拉力和向墙体方向的拉力。

图10 几种岩棉板的受力对比分析

4.2 增强竖丝岩棉复合板的构造设计

该板材既可以选用砂浆点框粘构造，又可以选用胶粉聚苯颗粒满粘的贴砌构造[4]。

为了确保系统的稳定性，提高系统的耐候防裂性能，增强竖丝岩棉复合板面层宜采用10～20mm厚的胶粉聚苯颗粒浆料找平过渡。为防止增强竖丝岩棉复合板下坠，并提升板材与基层墙体的结合力，在楼层的最底层增强竖丝岩棉复合板的下侧安装“L”形托架，如图11和图12所示。

增强竖丝岩棉复合板外保温系统科学合理，可以更为有效地解决岩棉的系统问题，其优势如下：

（1）系统采用A级保温材料，能满足建筑防火要求；

（2）无空腔或小空腔的岩棉保温系统，解决了风压安全性；

（3）网格布四面包裹之后，每块板材形成一个独立的受力单元，改变岩棉板锚固受力方式为增强竖丝岩棉复合板粘接受力方式；

图11 粘贴锚固增强竖丝岩棉复合板构造

图12 聚苯颗粒贴砌增强竖丝岩棉复合板构造

（4）抗裂构造设计，通过表面胶粉聚苯颗粒找平层的过渡，能够很好地消除板材变形应力，提高系统整体的抗裂性能；

（5）找平作用，由于增强竖丝岩棉复合板外表面无法打磨和裁切，因此通过胶粉聚苯颗粒找平层施工能够更好地满足系统表面的平整性要求，避免了锚栓对保温系统的负面影响；

（6）施工适应性优异，无需对基层剔凿和找平，板尺寸使操作工艺易施工，不易出现虚贴，工人更易操作，更利于环境友好。

5 结论

（1）增强竖丝岩棉复合板通过网格布复合防护砂浆的四面包覆，全面提升了岩棉板的各种物理性能指标；

（2）增强竖丝岩棉复合板通过网格布四面包裹解决了工程应用中给工人带来的施工不便问题，利于环境友好和工人身体健康；

（3）增强竖丝岩棉复合板改变了岩棉板以锚固为主的粘接方式，依靠粘接受力，安全稳定，解决了岩棉板及双面复合砂浆的岩棉复合板在使用过程中的弊病，提升了岩棉在建筑节能应用领域里的技术水平；

（4）增强竖丝岩棉复合板贴砌做法从构造上进一步提升了系统的安全性、合理性，构造设计合理。

参考文献

[1]王川,任琳,郭开凤,杨晋.北方地区岩棉外保温系统应用研究[J].墙材革新与建筑节能.2016(09):52-55.

[2]周红燕.岩棉板工程事故分析及解决方案.住宅产业[J],2014(11):104-109.

[3]王家赫,张君,黄振利,王川.基于耐候性试验的外墙外保温体系性能研究.工业建筑.201511(45):70-77.

[4]黄振利.外保温技术理论与应用.北京:中国建筑工业出版社[M].2015

作者

北京振利节能环保科技股份有限公司 王川 任琳

北京振利建筑工程有限责任公司 李晓亮

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