環(huán)境對外墻外保溫系統(tǒng)失效影響的研究進展

王亞群?朱紹峰

摘 要：外墻外保溫系統(tǒng)是建筑節(jié)能領域重要的技術措施之一。外墻外保溫技術的推廣和使用，使建筑外圍結構的熱損耗不斷減小。經(jīng)過多年的研究，外墻外保溫技術迅速提高，推廣應用更為廣泛。但在實際使用時卻存在開裂、脫落等諸多問題，造成該現(xiàn)象的原因很多，其中溫度應力是造成外墻外保溫系統(tǒng)產(chǎn)生破裂的重要因素。本文對近年來環(huán)境對外墻外保溫系統(tǒng)失效影響的研究進行總結，闡述黏結層、保溫層、抹面層在不同環(huán)境下材料的物理性能，結合冷熱與干濕循環(huán)分析外墻外保溫系統(tǒng)失效的原因，同時對外墻外保溫系統(tǒng)中溫度應力的研究趨勢進行展望。

關鍵詞：外墻外保溫系統(tǒng);溫度;濕度;溫度應力;裂縫

中圖分類號：TU761.12文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0092-04

Abstract： External wall thermal insulation system is one of the important technical measures in the field of building energy saving. With the popularization and use of external thermal insulation technology， the heat loss of the outer structure of the building is continuously reduced. After years of research， external thermal insulation technology has rapidly improved， and the promotion is more extensive. However， there are many problems such as cracking， falling off when practical use， which have many reasons for this phenomenon， and the temperature stress is an important factor in which the outer insulation system produces cracks.This paper summarized the research on the influence of environment on the failure of external wall external insulation system in recent years， expounded the physical properties of materials in different environments， analyzed the failure reasons of external wall external insulation system combined with cold heat and dry wet cycle， and prospected the research trend of temperature stress in external wall external insulation system.

Keywords： external thermal insulation system;temperature;humidity;temperature stress;crack

1 研究背景

隨著人民對美好生活需求的日益增長，節(jié)能、環(huán)保、減排意識不斷提高，減少建筑外圍結構能耗刻不容緩。外墻外保溫技術是實現(xiàn)建筑節(jié)能的一種方式。外墻外保溫系統(tǒng)是由保溫層、防護層和固定材料構成的非承重保溫構造的總稱。它具有保溫隔熱、避免冷橋、增加室內空間等優(yōu)點。但是，建筑主體外圍結構常常經(jīng)受自然環(huán)境的影響，如晝夜溫差、雨水、冰雹、結露等現(xiàn)象引起保溫體系的冷熱循環(huán)和干濕循環(huán)，因此，外保溫系統(tǒng)各結構層會產(chǎn)生應力。太陽輻射、材料自身的堿腐蝕和外界微生物的腐蝕也會導致外墻保溫體系開裂、空鼓、剝落，影響工程結構耐久性和建筑外圍的美觀，甚至威脅人的生命安全。

對于外墻外保溫系統(tǒng)開裂、脫落的原因，人們經(jīng)常從施工質量方面進行考慮，往往忽略了保溫材料與基層墻體的吻合、保溫材料與其他各層之間物理性能以及保溫材料自身性能。通過研究外墻外保溫系統(tǒng)在不同環(huán)境下的失效過程和機理，揭示循環(huán)過程中系統(tǒng)單體的變化規(guī)律，提高保溫體系的壽命和安全，保障建筑節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展。

2 外墻外保溫系統(tǒng)失效的影響

外墻外保溫系統(tǒng)一般由基層墻體、黏結層、保溫層、抹面層和飾面層組成（見圖1）。建筑圍護結構通常直接受到外部環(huán)境影響，夏季高溫暴雨后墻體溫度迅速降低，墻體內外表面溫度波動大，溫度差高達50 ℃。冬季墻體會受到太陽輻射的作用，冬季太陽靠南方向，南墻的輻射強度最大，晝夜溫差可達-30 ℃，極易引起凍融現(xiàn)象。墻體內外溫差的存在會使保溫層產(chǎn)生應力導致保溫材料變形，保溫材料達到臨界變形狀態(tài)時產(chǎn)生裂縫，影響保溫效果。飾面層作為保溫系統(tǒng)的第一道防線，直接受到太陽照射。對于抹面層，夏季受壓應力，膨脹鼓起;冬季受拉應力作用，易產(chǎn)生開裂。涂料飾面層在高溫條件下施工，保水不足、失水太快會引起開裂;面磚飾面層受到熱應力的影響，形變得不到釋放，易產(chǎn)生空鼓開裂。

2.1 環(huán)境對黏結層的影響

外墻外保溫系統(tǒng)在節(jié)能減排方面貢獻突出，但在使用過程中長期受到環(huán)境的考驗。北方地區(qū)冬季白天溫度在零上，夜晚最低可達到零下20 ℃;夏季高溫、暴雨。長期反復的晝夜更替、冷熱交替、凍融循環(huán)，極大地影響?zhàn)そY效果，降低了黏結強度。保溫層與結構層黏結不牢固，導致保溫板與黏結界面出現(xiàn)空鼓、脫落等質量問題。外保溫工程往往很難達到25年的使用年限，因此探究環(huán)境對外墻外保溫系統(tǒng)黏結強度的影響具有重要意義。

王詩萌等研究玻化微珠外保溫系統(tǒng)各層在不同環(huán)境下的拉伸黏結強度變化規(guī)律。研究結果表明，各層的拉伸黏結強度隨著熱雨、熱冷循環(huán)次數(shù)的增加逐步降低[1]。殷明研究了在凍融條件下保溫板與結構層之間的黏結強度，通過數(shù)據(jù)分析得到黏結強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關系，并通過數(shù)學推導得出黏結強度損失公式[2]。史建軍等人為了分析凍融環(huán)境對外墻外保溫系統(tǒng)中聚合物水泥砂漿黏結強度的影響，根據(jù)寒冷地區(qū)溫度變化情況，設計了聚合物水泥砂漿的配合比，在凍融環(huán)境條件下進行了不同凍融循環(huán)次數(shù)時聚合物水泥砂漿的黏結強度試驗。結果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，聚合物水泥砂漿的黏結強度逐步降低[3]。Yuanzhen L等人研究了反復凍融循環(huán)作用下?；⒅楸厣皾{的抗拉黏結強度，結果表明，拉伸黏結強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈線性下降的趨勢[4]。

黏結砂漿在凝結時會出現(xiàn)細微的縫隙，砂漿受到反復的融化結冰、溫差作用會擴展膠層裂紋，直接弱化了砂漿的黏結強度，導致保溫板與結構層之間牢固性變差，久而久之，保溫板脫落，影響外墻外保溫系統(tǒng)的安全性和耐久性。

2.2 環(huán)境對保溫材料的影響

2.2.1 溫度/濕度對保溫材料導熱系數(shù)的影響。導熱系數(shù)是反映材料導熱能力的物理量，是熱工計算的重要參數(shù)。導熱系數(shù)越小，材料保溫效果越好。導熱系數(shù)標準值是在溫度25 ℃、相對濕度60%條件下測試的，常用的幾種保溫材料的性能要求如表1所示。在使用過程中，保溫材料的導熱系數(shù)會隨著環(huán)境溫度、濕度的變化而變化，導致材料實際的導熱系數(shù)與設計值存在偏差，不同條件下選取的導熱系數(shù)修正值直接影響保溫層的厚度設計。研究環(huán)境因素對保溫材料導熱系數(shù)的影響，有利于提高熱工性能計算和構造設計的精確性。

保溫材料導熱系數(shù)易受溫度的影響，一般情況下，導熱系數(shù)與溫度呈正相關。環(huán)境溫度升高，材料分子運動劇烈，多孔結構材料增強了孔隙空氣導熱對流，導致保溫材料導熱系數(shù)增加。孫立新等選取三種代表性材料即EPS、巖棉、泡沫玻璃，研究不同溫度下導熱系數(shù)變化規(guī)律。結果表明：夏季溫度高，材料導熱系數(shù)變大;冬季溫度低，材料導熱系數(shù)下降[5]。王浩通過數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)玻璃纖維棉板導熱系數(shù)隨著溫度升高而變大[6]。

保溫材料導熱系數(shù)還受環(huán)境相對濕度的影響，環(huán)境濕度升高時，開孔保溫材料容易吸收水氣，水氣會沿著孔進入材料內部，吸水膨脹，材料含濕率增大，導致材料導熱系數(shù)變大。A Abdou等人發(fā)現(xiàn)保溫材料內部濕含量影響導熱系數(shù)[7]。丁楊等通過擬合已有導熱系數(shù)總結出，對于擠塑板、泡沫板、玻璃板等非吸濕材料，環(huán)境濕度對保溫材料導熱系數(shù)影響不大;對于吸濕性材料，吸濕受潮，環(huán)境濕度增加，導熱系數(shù)也增加[8]。王芳對硅酸鋁板、泡沫玻璃、橡塑海綿進行干濕試驗，發(fā)現(xiàn)材料吸水膨脹，內部結構破壞，三種保溫材料的導熱系數(shù)都不同程度地變大。對于高濕度地區(qū)，應選取非吸濕材料，提高保溫隔熱效果;對于低濕度地區(qū)，吸濕性材料和非吸濕性材料均可使用[9]。

2.2.2 溫度對保溫材料尺寸的影響。外墻外保溫系統(tǒng)是建筑最外圍的結構，直接受到外部環(huán)境的影響，溫度的變化是影響保溫板性能的重要因素，不同溫度下，保溫材料尺寸的穩(wěn)定關系到外保溫系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。保溫材料在外保溫系統(tǒng)中起到至關重要的作用，一旦材料變形、保溫隔熱效果差，使用年限大大縮減，將會造成巨大損失。

趙瑩等對有機保溫材料擠塑聚苯板、模塑聚苯板、聚氨酯進行高溫下尺寸變化測試，對于有機保溫板出廠未陳化或者陳化時間較短，直接施工貼墻后板尺寸收縮存在潛在風險。夏季高溫環(huán)境下，保溫材料表面超過一定溫度產(chǎn)生不可逆的收縮變形，極大地影響保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]。張肖明等通過試驗研究溫度和尺寸對EPS保溫板形變的影響，發(fā)現(xiàn)EPS板形變隨著溫度的升高而增大，臨界溫度在80～85 ℃，超過臨界溫度EPS板會發(fā)生不可逆的變形[11]。邱軍付等通過試驗研究，對聚氨酯復合板芯材的熱穩(wěn)定性、4種不同的外墻外保溫系統(tǒng)構造的樣板墻特點及保溫系統(tǒng)的耐候性進行了分析，并將研究成果應用于工程實踐[12]。吳美升等提出了無機/有機復合保溫材料的技術思路，將巖棉與聚氨酯等有機保溫材料進行復合，并通過耐候性和尺寸穩(wěn)定性等試驗驗證了巖棉復合板及其現(xiàn)澆保溫系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，證明了無機/有機復合保溫材料技術的可行性[13]。

2.2.3 溫度/濕度對保溫板處產(chǎn)生應力的影響。外墻外保溫系統(tǒng)中出現(xiàn)裂縫是比較常見的，晝夜更替、季節(jié)變化引起保溫系統(tǒng)各構造層產(chǎn)生溫度應力，極大地威脅保溫系統(tǒng)的安全性和耐久性。保溫板再經(jīng)歷季節(jié)溫差變化，熱脹冷縮，各構造層膨脹系數(shù)各異，材料變形量不同，保溫層處會形成強烈的應力集中。

孫曉強對兩種保溫材料進行熱雨和熱冷循環(huán)，通過對比分析各層溫度與應變變化，發(fā)現(xiàn)聚苯板保溫效果和絕熱性能優(yōu)于?；⒅樯皾{板[14]。劉東亮利用ANSYS模擬發(fā)現(xiàn)，窗角處的溫度應力最大，外保溫系統(tǒng)內部冷凝結露與保溫層的厚度無關[15]。程杰等通過保溫層應力分布云圖和沿墻體厚度方向位移圖分析了保溫板破壞的成因，發(fā)現(xiàn)保溫漿料與界面砂漿交界處應力集中，容易導致保溫板損壞[16]。熊厚仁等對泡沫玻璃外保溫系統(tǒng)進行耐候性試驗，用溫度傳感器檢測各構造層的溫度變化。試驗表明，由于泡沫玻璃材料的保溫作用，界面層與保溫層之間的溫差高達50 ℃，會產(chǎn)生溫度應力，一旦應力得不到釋放，保溫層就會產(chǎn)生變形[17]。楊璐等人為研究XPS板保溫材料在不同季節(jié)溫度應力的變化情況，在典型外保溫墻體溫度場計算的基礎上，采用傅里葉方程及能量守恒定律建立理論模型，選取XPS板外墻外保溫系統(tǒng)三個施工方案進行數(shù)值模擬。結果表明：方案1溫度梯度最小，保溫效果最好[18]。霍英濤等人通過模擬太陽輻射對?；⒅橥鈮ν獗亟Y構的影響，發(fā)現(xiàn)保溫層內外溫度差較大而溫度應力卻很小，主要是因為?；⒅楸厣皾{隔熱性能好、彈性模量小[19]。趙敏等人計算分析三種外墻外保溫系統(tǒng)在溫差作用下，沿墻體厚度溫度場的分布規(guī)律及產(chǎn)生的應力、變形等物理量。結果表明：在保證內外墻主體傳熱系數(shù)及保溫板厚度相同的情況下，三種保溫系統(tǒng)均滿足強度要求，其中聚氨酯外墻外保溫系統(tǒng)保溫性能最優(yōu)，墻體變形量最小[20]。

2.3 環(huán)境對抹面層的影響

抹面層是抹在保溫層上，中間夾有玻璃纖維網(wǎng)布，保護保溫層并起防裂、防水、抗沖擊和防火作用的構造層。若墻外保溫系統(tǒng)抹面層開裂嚴重，會影響工程質量。已有研究表明，墻體結構內部形成較大的溫度變化與差異，是造成結構開裂的原因之一。在溫度的影響下，抹面層應力集中，一旦聚合物抹面砂漿層柔韌性不足，應力難以釋放，就會引起開裂。目前，針對外保溫系統(tǒng)抹面層溫度和應力場的研究主要包括試驗研究和仿真模擬。

蘇志杰等人研究了凍融循環(huán)條件下聚合物抹面砂漿的應變和力學性能，經(jīng)過30次循環(huán)后，專用抹面砂漿內部薄膜結構連續(xù)完整，微應變量小;而普通抹面砂漿隨著凍融次數(shù)的增加，內部薄膜結構逐步破損，強度下降，抗凍性能降低，表面開裂可能性較大[21]。項道陽等人對外墻外保溫體系用聚合物抹面砂漿在耐候性試驗環(huán)境下的力學性能進行研究。試驗結果表明：外墻外保溫體系用聚合物抹面砂漿經(jīng)歷一定次數(shù)的熱雨循環(huán)和熱冷循環(huán)后，抗壓強度、抗折強度及黏結強度均有不同程度的下降，壓折比提高。同時，對外墻外保溫用聚合物砂漿耐候性破壞機理進行了研究分析[22]。劉永健等人對厚抹灰與薄抹灰構造的面層溫度應力進行對比，發(fā)現(xiàn)厚抹灰構造面層應力小，抗裂能力強，選取20 mm厚膠粉聚苯顆粒層抗凍防裂效果更佳[23]。王家赫等人對外保溫系統(tǒng)進行數(shù)值模擬和耐候性試驗，發(fā)現(xiàn)抗裂砂漿層的溫度應力與墻體外表面裂縫數(shù)量相關，面層涂飾膠粉聚苯顆?？梢苑雷o面層開裂空鼓[24]。任玲玲等人通過分析EPS板薄抹灰外墻外保溫復合墻體在夏季極端環(huán)境下的熱耦合，發(fā)現(xiàn)抹面砂漿層溫度變化劇烈，熱應力集中，溫度驟降，砂漿變形受到周圍約束，抹面層會首先開裂[25]。

3 結語

目前，針對外墻外保溫系統(tǒng)的失效研究，多數(shù)集中在對單體材料的性能研究以及考慮系統(tǒng)內部各層熱應力的影響方面，而且多數(shù)是研究常用的保溫材料，對于新型環(huán)保材料的性能研究較少，大部分研究注重保溫系統(tǒng)的宏觀方面。一方面，今后學者可以針對新型環(huán)保材料進行研究，找到與建筑圍護結構相適用的新型環(huán)保材料，減少建筑熱損耗;另一方面，考慮外保溫系統(tǒng)性能與微觀結構隨環(huán)境變化的規(guī)律，為外保溫系統(tǒng)失效提供理論依據(jù)。

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