■山東省建築科學研究院有限公司 曹 楊 吳美升
岩棉板保溫體系的優勢與短板
岩棉板保溫體系對比節能市場上的有機類保溫體系而言，最大優勢就是其體系的防火安全。這是因為岩棉作為一種理想的A級保溫材料，具有不燃、透氣、吸音、熱穩定性高等優點。另外，與發泡水泥保溫板、膨脹珍珠岩板、玻化微珠等A級保溫材料相比，岩棉保溫板導熱係數較小，保溫隔熱效能優異，在常溫條件下（25℃左右）岩棉的導熱係數通常在0.036W/(m·K）至0.040W/(m·K）之間。但同時，岩棉板保溫體系亦存在著比較明顯的短板，尤其是岩棉板薄抹灰保溫體系，無論是岩棉板雙層耐鹼玻纖網構造體系還是岩棉板單層耐鹼玻纖網構造體系，在近些年的工程應用中暴露出諸多問題，已發生過多起岩棉薄抹灰保溫體系脫落事故，主要原因有：
1.岩棉板自身抗拉強度低，強度範圍約7.5kPa至15kPa，雖然岩棉板薄抹灰保溫體系構造做法定義為以錨固為主，貼上為輔，但或因施工人員自身技術素質較低或因施工現場條件受限等因素，往往造成錨固數量及錨固強度很難達到標準要求，存在安全隱患；
2.岩棉板作為較為鬆散的軟質纖維狀保溫材料，具有較高的吸水、吸溼特性，對施工質量和配套材料質量要求極為嚴格，施工工序較為複雜。如果體系抹面層、飾面層、網格布等配套材料產品質量及施工存在缺陷出現微裂縫或體系與其他部位相接處防水措施處理不當，外部水分浸入岩棉板內部並逐漸累積，再加上風壓、耐候等外部影響，極易造成體系不可逆的破壞；
3.在“雙碳”目標的新形勢下，建築節能標準必然會進一步提高，要想達到新的節能標準要求，常規做法勢必需要增加岩棉板的厚度，這樣岩棉板薄抹灰保溫體系自重變得更大，工程質量隱患顯著增加。
上述問題的存在，以及市面上充斥著偷工減料、以次充好的岩棉板及體系配套材料，對岩棉板用於外保溫體系造成了極大的不良影響。
豎絲岩棉複合板構造設計
為解決岩棉板自身抗拉強度低、裸板上牆無保護及高節能設計標準要求下導熱係數偏大等不利影響，研究設計了一種新型豎絲岩棉複合板。豎絲岩棉：將岩棉板按一定的間距切割，翻轉90度使用的條狀製品，其主要纖維層方向與表面垂直。豎絲岩棉與岩棉板相比，抗拉強度大幅增加，達到0.10MPa以上，可與常規EPS保溫板相媲美，但其缺點一是豎絲岩棉的寬度目前最大隻能到200mm，多為150mm；二是導熱係數變大，約為0.043W/(m·K）至0.045W/(m·K）。為此，根據不同的節能設計標準，研製了兩種豎絲岩棉複合板，一種是以豎絲岩棉為芯材，兩面複合玻纖網增強聚合物膠漿或專用柔性水泥基片材形成的複合保溫板材，標記為A型豎絲岩棉複合板，其基本構造見圖1，重點解決豎絲岩棉自身尺寸小、裸板狀態下施工缺少必要防護層的問題。
▲圖1 豎絲岩棉複合板（A型）構造示意圖
1- 玻纖網增強聚合物膠漿（2mm至3mm）或柔性水泥基片材（1mm至2mm）
2- 豎絲岩棉條
另一種是以豎絲岩棉與有機保溫材料複合而成的保溫板為芯材，兩面複合玻纖網增強聚合物膠漿或專用柔性水泥基片材形成的複合保溫板材，標記為AB型豎絲岩棉複合板，其基本構造見圖2，除具有A型複合板優勢外，主要是基於無機/有機複合的技術思路，充分發揮無機材料的防火優勢與有機材料的保溫優勢，重點解決豎絲岩棉導熱係數偏大，高節能設計標準下無法應用的問題。
1-玻纖網增強聚合物膠漿（2mm至3mm）或柔性水泥基片材（1mm至2mm）
2-豎絲岩棉
3-有機保溫材料
4-介面
▲圖2 豎絲岩棉複合板（AB型）構造示意圖
經實驗研究證明，AB型豎絲岩棉複合板有機保溫材料以硬泡聚氨酯（PU）為首要選擇，一是聚氨酯導熱係數低、保溫效能優異，二是聚氨酯可直接發泡滲透到岩棉纖維中，結合緊密，複合板整體效能優良。經熱工計算表明70mm厚AB型岩棉聚氨酯複合板的保溫效果要優於厚度110mm的A型豎絲岩棉複合板。
豎絲岩棉複合板效能研究
為了檢驗岩棉複合板的複合技術質量，我們分別對A型、AB型岩棉複合保溫板的拉伸粘結強度和剪下強度效能指標進行了試驗研究。其中剪下強度試驗方法採用了GB/T32382-2015《建築用絕熱製品 剪下效能的測定》中的雙試樣法進行。試驗結果見表1。
同時，為了對比不同複合方式的優劣，我們對AB型岩棉/聚氨酯複合板分別採用了聚氨酯發泡直接粘接方式和岩棉與聚氨酯板粘結砂漿粘接方式兩種複合方式，並分別測試了其拉伸粘結強度，試驗結果見表2。
從上述試驗結果我們可以看出，岩棉複合保溫板A型，AB型，無論是在抗拉破壞，還是在更接近實際工程應用情況的豎向剪下破壞時均沒有出現雙側無機面層與保溫層脫開的情況，說明我們採用的複合技術是安全可行的。
同時表明對於AB型岩棉/聚氨酯複合保溫板來說，採用聚氨酯直接發泡粘接的複合工藝要明顯好於用砂漿粘接複合工藝，這主要是因為，岩棉本身的多孔纖維結構在聚氨酯發泡時，聚氨酯組份會滲入到岩棉纖維中，形成一個整體，起到了相互增強的作用。
豎絲岩棉複合板保溫體系安全性、耐久性研究
豎絲岩棉複合板保溫體系的基本效能應滿足其使用功能和工作環境要求，主要包括保溫效能、安全效能和耐久效能等。保溫效能主要取決於保溫材料的密度、厚度和導熱係數等，AB型豎絲岩棉複合板的目的亦是在不增加保溫層厚度的情況下來提高體系的整體保溫效能。安全性及耐久效能則主要指保溫體系應能適應長期溫溼度變化、日曬雨淋及反覆凍融等惡劣自然條件的作用及其他設計要求允許的荷載作用而不致產生有害損壞。另外，對AB型豎絲岩棉複合板保溫體系來說，有機保溫材料/無機保溫材料複合在一起後會不會因兩者存在較大形變差而導致體系破壞是其中關鍵。
雖然試驗已經證明AB型豎絲岩棉/聚氨酯複合板，特別是利用聚氨酯現發泡粘接技術複合後，各層材料複合連線強度無論是垂直於板面方向的抗拉強度還是豎向剪下強度均是安全可靠的。但我們知道，對這種有機/無機複合保溫材料而言，最容易導致其不穩定，不安全的影響因素是面對外界環境變化，兩種材料因各自材性特質差異懸殊會產生較大的尺寸變化率差，進而可能出現破壞。
為了研究AB型豎絲岩棉複合板保溫體系應用的安全耐久性，我們將透過大型耐候性來進行試驗。保溫體系基本構造做法為：基層牆體+豎絲岩棉複合板（豎絲岩棉35mm、聚氨酯35mm）+10mm厚膠粉聚苯顆粒漿料+5mm抹面膠漿（內複合耐鹼玻纖網）+飾面塗料。
同時，為了研究AB型岩棉複合板保溫系統在外界溫度變化時各材料層的溫度分佈情況，我們在進行耐候性試驗的同時進行了溫度測點佈置，所用儀器為北京東方奧達儀器裝置有限公司產JW-Ⅱ型建築熱工溫度熱流巡迴檢測儀。測點位置分別位於，1#測點：（基層牆體與聚氨酯間），2#測點（聚氨酯中間），3#測點（豎絲岩棉中間），4#測點（聚苯顆粒漿料間），5#測點（抹面膠漿間），6#測點（試驗裝置內部空間）。
經過耐候性試驗後的AB型豎絲岩棉複合板保溫系統試驗牆完好，未出現飾面層起泡、粉化，抹面層空鼓、脫落、開裂等破壞現象。視窗與外保溫系統連線處表面無裂縫、無損壞。表明使用了AB型豎絲岩棉/聚氨酯複合板的外牆保溫系統經受住了嚴格的耐候性試驗測試，是安全、穩定可靠的，反過來，也表明AB型岩棉/聚氨酯複合板是穩定可靠的，是可以用於外牆保溫體系的。為了進一步驗證AB型岩棉/聚氨酯複合板的穩定可靠性，我們分別選取了加熱升溫階段、加熱恆溫階段、噴淋降溫階段3組測點溫度資料，見表3。
從表3中資料可以看出，最外側抹面膠漿層（5#測點）直接面對環境溫度（6#測點）的變化，在不同升降溫階段的變化是比較顯著的，這也反過來要求抹面膠漿必須要具備優異的柔韌抗裂效能，這也是所有的保溫系統標準均要求抹面膠漿的壓折比必須≤3.0的緣由。而聚氨酯（2#測點）因其前面有岩棉和聚苯顆粒漿料，在不同升降溫階段溫度變化相對均勻平緩，最高40.6℃，最低35.8℃。岩棉（3#測點）的變化也相對比較平緩，最高51.3℃，最低40.2℃。
對於有機/無機複合保溫材料而言，兩者的尺寸變化率差，是影響其安全穩定的主要影響因素。在同為70℃的測試條件下，因岩棉是經高溫燒結熔融而成，所以尺寸變化率較小，長度、寬度、厚度方向尺寸變化率分別為0.1%、0.1%、0.2%，而聚氨酯則分別為0.5%、0.4%、0.8%，兩者相差比較懸殊，但為什麼AB型豎絲岩棉/聚氨酯複合板保溫系統在嚴酷的耐候性試驗中並沒有因兩者懸殊的形變差異而導致出現開裂或破壞現象呢？這主要是因為豎絲岩棉與聚氨酯複合後，工程應用時豎絲岩棉層處於外側，因有豎絲岩棉保溫層的保護作用，在面對外界環境溫度變化時，聚氨酯一方面不會出現較高的溫度，另一方面其溫度變化速率也變得較為平緩，表3中的測試資料亦證明了這一點。而有機保溫材料的尺寸穩定性是和其所處的環境溫度條件密切相關的。
我們在實驗室對保溫體系用聚氨酯在不同溫度下的尺寸穩定性進行了測試，測試資料見表4。
表4測試資料表明聚氨酯在50℃以下時，尺寸變化率是較小的，特別是在40℃左右及以下時，最大尺寸變化率低於0.15%，與豎絲岩棉的尺寸變化率相近。因此，綜合耐候性試驗結果、保溫體系各材料測點溫度資料及聚氨酯在不同溫度下的尺寸變化率測試資料，相互印證，AB型豎絲岩棉複合板用於外牆保溫體系是切實可行、安全穩定的，這也表明無機/有機複合保溫材料這一技術思路可很好地融合有機保溫材料與無機保溫材料各自的優點，減少各自單一使用時的不利因素。
基於上述研究，豎絲岩棉複合板可被用於多種外牆保溫體系，如薄抹灰體系、現澆混凝土體系及保溫裝飾一體化體系等。當豎絲岩棉複合板用於不同型別的外牆保溫體系時，均可透過調整豎絲岩棉層與聚氨酯層各自的厚度來滿足國家《建築設計防火規範》GB50016的相關防火規定和建築節能設計標準進一步提高的要求，同時在安全性耐久性上都有穩定的表現，能夠消除目前市場上對於岩棉製品用於外牆保溫的諸多疑慮，具有較好的市場推廣應用價值。
責編：張玲玲 安曉光
校對：張健
監審：韓鳳鳳
