环境对外墙外保温系统失效影响的研究进展

2021-06-15王亚群朱绍峰

河南科技 2021年5期

王亚群?朱绍峰

摘要：外墙外保温系统是建筑节能领域重要的技术措施之一。外墙外保温技术的推广和使用，使建筑外围结构的热损耗不断减小。经过多年的研究，外墙外保温技术迅速提高，推广应用更为广泛。但在实际使用时却存在开裂、脱落等诸多问题，造成该现象的原因很多，其中温度应力是造成外墙外保温系统产生破裂的重要因素。本文对近年来环境对外墙外保温系统失效影响的研究进行总结，阐述黏结层、保温层、抹面层在不同环境下材料的物理性能，结合冷热与干湿循环分析外墙外保温系统失效的原因，同时对外墙外保温系统中温度应力的研究趋势进行展望。

关键词：外墙外保温系统;温度;湿度;温度应力;裂缝

中图分类号：TU761.12文献标识码：A文章编号：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

隨着人民对美好生活需求的日益增长，节能、环保、减排意识不断提高，减少建筑外围结构能耗刻不容缓。外墙外保温技术是实现建筑节能的一种方式。外墙外保温系统是由保温层、防护层和固定材料构成的非承重保温构造的总称。它具有保温隔热、避免冷桥、增加室内空间等优点。但是，建筑主体外围结构常常经受自然环境的影响，如昼夜温差、雨水、冰雹、结露等现象引起保温体系的冷热循环和干湿循环，因此，外保温系统各结构层会产生应力。太阳辐射、材料自身的碱腐蚀和外界微生物的腐蚀也会导致外墙保温体系开裂、空鼓、剥落，影响工程结构耐久性和建筑外围的美观，甚至威胁人的生命安全。

对于外墙外保温系统开裂、脱落的原因，人们经常从施工质量方面进行考虑，往往忽略了保温材料与基层墙体的吻合、保温材料与其他各层之间物理性能以及保温材料自身性能。通过研究外墙外保温系统在不同环境下的失效过程和机理，揭示循环过程中系统单体的变化规律，提高保温体系的寿命和安全，保障建筑节能的可持续发展。

2 外墙外保温系统失效的影响

外墙外保温系统一般由基层墙体、黏结层、保温层、抹面层和饰面层组成（见图1）。建筑围护结构通常直接受到外部环境影响，夏季高温暴雨后墙体温度迅速降低，墙体内外表面温度波动大，温度差高达50 ℃。冬季墙体会受到太阳辐射的作用，冬季太阳靠南方向，南墙的辐射强度最大，昼夜温差可达-30 ℃，极易引起冻融现象。墙体内外温差的存在会使保温层产生应力导致保温材料变形，保温材料达到临界变形状态时产生裂缝，影响保温效果。饰面层作为保温系统的第一道防线，直接受到太阳照射。对于抹面层，夏季受压应力，膨胀鼓起;冬季受拉应力作用，易产生开裂。涂料饰面层在高温条件下施工，保水不足、失水太快会引起开裂;面砖饰面层受到热应力的影响，形变得不到释放，易产生空鼓开裂。

2.1 环境对黏结层的影响

外墙外保温系统在节能减排方面贡献突出，但在使用过程中长期受到环境的考验。北方地区冬季白天温度在零上，夜晚最低可达到零下20 ℃;夏季高温、暴雨。长期反复的昼夜更替、冷热交替、冻融循环，极大地影响黏结效果，降低了黏结强度。保温层与结构层黏结不牢固，导致保温板与黏结界面出现空鼓、脱落等质量问题。外保温工程往往很难达到25年的使用年限，因此探究环境对外墙外保温系统黏结强度的影响具有重要意义。

王诗萌等研究玻化微珠外保温系统各层在不同环境下的拉伸黏结强度变化规律。研究结果表明，各层的拉伸黏结强度随着热雨、热冷循环次数的增加逐步降低[1]。殷明研究了在冻融条件下保温板与结构层之间的黏结强度，通过数据分析得到黏结强度与冻融循环次数的关系，并通过数学推导得出黏结强度损失公式[2]。史建军等人为了分析冻融环境对外墙外保温系统中聚合物水泥砂浆黏结强度的影响，根据寒冷地区温度变化情况，设计了聚合物水泥砂浆的配合比，在冻融环境条件下进行了不同冻融循环次数时聚合物水泥砂浆的黏结强度试验。结果表明，随着冻融循环次数的增加，聚合物水泥砂浆的黏结强度逐步降低[3]。Yuanzhen L等人研究了反复冻融循环作用下玻化微珠保温砂浆的抗拉黏结强度，结果表明，拉伸黏结强度随冻融循环次数的增加呈线性下降的趋势[4]。

黏结砂浆在凝结时会出现细微的缝隙，砂浆受到反复的融化结冰、温差作用会扩展胶层裂纹，直接弱化了砂浆的黏结强度，导致保温板与结构层之间牢固性变差，久而久之，保温板脱落，影响外墙外保温系统的安全性和耐久性。

2.2 环境对保温材料的影响

2.2.1 温度/湿度对保温材料导热系数的影响。导热系数是反映材料导热能力的物理量，是热工计算的重要参数。导热系数越小，材料保温效果越好。导热系数标准值是在温度25 ℃、相对湿度60%条件下测试的，常用的几种保温材料的性能要求如表1所示。在使用过程中，保温材料的导热系数会随着环境温度、湿度的变化而变化，导致材料实际的导热系数与设计值存在偏差，不同条件下选取的导热系数修正值直接影响保温层的厚度设计。研究环境因素对保温材料导热系数的影响，有利于提高热工性能计算和构造设计的精确性。

保温材料导热系数易受温度的影响，一般情况下，导热系数与温度呈正相关。环境温度升高，材料分子运动剧烈，多孔结构材料增强了孔隙空气导热对流，导致保温材料导热系数增加。孙立新等选取三种代表性材料即EPS、岩棉、泡沫玻璃，研究不同温度下导热系数变化规律。结果表明：夏季温度高，材料导热系数变大;冬季温度低，材料导热系数下降[5]。王浩通过数据拟合发现玻璃纤维棉板导热系数随着温度升高而变大[6]。

保温材料导热系数还受环境相对湿度的影响，环境湿度升高时，开孔保温材料容易吸收水气，水气会沿着孔进入材料内部，吸水膨胀，材料含湿率增大，导致材料导热系数变大。A Abdou等人发现保温材料内部湿含量影响导热系数[7]。丁杨等通过拟合已有导热系数总结出，对于挤塑板、泡沫板、玻璃板等非吸湿材料，环境湿度对保温材料导热系数影响不大;对于吸湿性材料，吸湿受潮，环境湿度增加，导热系数也增加[8]。王芳对硅酸铝板、泡沫玻璃、橡塑海绵进行干湿试验，发现材料吸水膨胀，内部结构破坏，三种保温材料的导热系数都不同程度地变大。对于高湿度地区，应选取非吸湿材料，提高保温隔热效果;对于低湿度地区，吸湿性材料和非吸湿性材料均可使用[9]。

2.2.2 温度对保温材料尺寸的影响。外墙外保温系统是建筑最外围的结构，直接受到外部环境的影响，温度的变化是影响保温板性能的重要因素，不同温度下，保温材料尺寸的稳定关系到外保温系统整体的稳定性。保温材料在外保温系统中起到至关重要的作用，一旦材料变形、保温隔热效果差，使用年限大大缩减，将会造成巨大损失。

赵莹等对有机保温材料挤塑聚苯板、模塑聚苯板、聚氨酯进行高温下尺寸变化测试，对于有机保温板出厂未陈化或者陈化时间较短，直接施工贴墙后板尺寸收缩存在潜在风险。夏季高温环境下，保温材料表面超过一定温度产生不可逆的收缩变形，极大地影响保温系统的稳定性[10]。张肖明等通过试验研究温度和尺寸对EPS保温板形变的影响，发现EPS板形变随着温度的升高而增大，临界温度在80～85 ℃，超过临界温度EPS板会发生不可逆的变形[11]。邱军付等通过试验研究，对聚氨酯复合板芯材的热稳定性、4种不同的外墙外保温系统构造的样板墙特点及保温系统的耐候性进行了分析，并将研究成果应用于工程实践[12]。吴美升等提出了无机/有机复合保温材料的技术思路，将岩棉与聚氨酯等有机保温材料进行复合，并通过耐候性和尺寸稳定性等试验验证了岩棉复合板及其现浇保温系统的安全与稳定，证明了无机/有机复合保温材料技术的可行性[13]。

2.2.3 温度/湿度对保温板处产生应力的影响。外墙外保温系统中出现裂缝是比较常见的，昼夜更替、季节变化引起保温系统各构造层产生温度应力，极大地威胁保温系统的安全性和耐久性。保温板再经历季节温差变化，热胀冷缩，各构造层膨胀系数各异，材料变形量不同，保温层处会形成强烈的应力集中。

孙晓强对两种保温材料进行热雨和热冷循环，通过对比分析各层温度与应变变化，发现聚苯板保温效果和绝热性能优于玻化微珠砂浆板[14]。刘东亮利用ANSYS模拟发现，窗角处的温度应力最大，外保温系统内部冷凝结露与保温层的厚度无关[15]。程杰等通过保温层应力分布云图和沿墙体厚度方向位移图分析了保温板破坏的成因，发现保温浆料与界面砂浆交界处应力集中，容易导致保温板损坏[16]。熊厚仁等对泡沫玻璃外保温系统进行耐候性试验，用温度传感器檢测各构造层的温度变化。试验表明，由于泡沫玻璃材料的保温作用，界面层与保温层之间的温差高达50 ℃，会产生温度应力，一旦应力得不到释放，保温层就会产生变形[17]。杨璐等人为研究XPS板保温材料在不同季节温度应力的变化情况，在典型外保温墙体温度场计算的基础上，采用傅里叶方程及能量守恒定律建立理论模型，选取XPS板外墙外保温系统三个施工方案进行数值模拟。结果表明：方案1温度梯度最小，保温效果最好[18]。霍英涛等人通过模拟太阳辐射对玻化微珠外墙外保温结构的影响，发现保温层内外温度差较大而温度应力却很小，主要是因为玻化微珠保温砂浆隔热性能好、弹性模量小[19]。赵敏等人计算分析三种外墙外保温系统在温差作用下，沿墙体厚度温度场的分布规律及产生的应力、变形等物理量。结果表明：在保证内外墙主体传热系数及保温板厚度相同的情况下，三种保温系统均满足强度要求，其中聚氨酯外墙外保温系统保温性能最优，墙体变形量最小[20]。

2.3 环境对抹面层的影响

抹面层是抹在保温层上，中间夹有玻璃纤维网布，保护保温层并起防裂、防水、抗冲击和防火作用的构造层。若墙外保温系统抹面层开裂严重，会影响工程质量。已有研究表明，墙体结构内部形成较大的温度变化与差异，是造成结构开裂的原因之一。在温度的影响下，抹面层应力集中，一旦聚合物抹面砂浆层柔韧性不足，应力难以释放，就会引起开裂。目前，针对外保温系统抹面层温度和应力场的研究主要包括试验研究和仿真模拟。

苏志杰等人研究了冻融循环条件下聚合物抹面砂浆的应变和力学性能，经过30次循环后，专用抹面砂浆内部薄膜结构连续完整，微应变量小;而普通抹面砂浆随着冻融次数的增加，内部薄膜结构逐步破损，强度下降，抗冻性能降低，表面开裂可能性较大[21]。项道阳等人对外墙外保温体系用聚合物抹面砂浆在耐候性试验环境下的力学性能进行研究。试验结果表明：外墙外保温体系用聚合物抹面砂浆经历一定次数的热雨循环和热冷循环后，抗压强度、抗折强度及黏结强度均有不同程度的下降，压折比提高。同时，对外墙外保温用聚合物砂浆耐候性破坏机理进行了研究分析[22]。刘永健等人对厚抹灰与薄抹灰构造的面层温度应力进行对比，发现厚抹灰构造面层应力小，抗裂能力强，选取20 mm厚胶粉聚苯颗粒层抗冻防裂效果更佳[23]。王家赫等人对外保温系统进行数值模拟和耐候性试验，发现抗裂砂浆层的温度应力与墙体外表面裂缝数量相关，面层涂饰胶粉聚苯颗粒可以防护面层开裂空鼓[24]。任玲玲等人通过分析EPS板薄抹灰外墙外保温复合墙体在夏季极端环境下的热耦合，发现抹面砂浆层温度变化剧烈，热应力集中，温度骤降，砂浆变形受到周围约束，抹面层会首先开裂[25]。

3 结语

目前，针对外墙外保温系统的失效研究，多数集中在对单体材料的性能研究以及考虑系统内部各层热应力的影响方面，而且多数是研究常用的保温材料，对于新型环保材料的性能研究较少，大部分研究注重保温系统的宏观方面。一方面，今后学者可以针对新型环保材料进行研究，找到与建筑围护结构相适用的新型环保材料，减少建筑热损耗;另一方面，考虑外保温系统性能与微观结构随环境变化的规律，为外保温系统失效提供理论依据。

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