近零能耗建筑用无机塑化保温板性能的试验研究

徐长春，郭向勇，赵振波，于跃洋，王浩旭，张松浩，杨永

（1.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013；
2.建科环能科技有限公司，北京 100013；
3.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；
4.郑州工大高新材料科技有限公司，河南 郑州 450002）

我国建筑节能工作从20世纪80年代初开始发展至今，已经完成了建筑节能率从30%到65%三步走的跨越[1]，部分地区已经开始执行75%和80%的建筑节能标准。GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的发布和实施，表明我国已进入超低能耗、近零能耗、零能耗建筑的起步阶段[2]。随着建筑节能标准的不断提高，对建筑外围护结构的热工性能提出了更高的要求，为了满足要求，行业内基本采取大幅增加保温材料厚度的方法来提高热工性能。以干密度为140kg/m3的无机塑化保温板为例，要满足严寒地区建筑围护结构的热工性能要求时，在不考虑修正系数的情况下，所需无机塑化保温板的厚度要达到100～300 mm（见表1）。

表1 无机塑化保温板满足严寒和寒冷地区外保温系统不同节能要求的厚度

无机塑化保温板外保温系统虽然已在北方部分地区开始应用，并且也发布了相应的地方标准，如河南省地方标准DBJ41/T 200—2018《无机塑化微孔保温板的应用技术规程》，但对于无机塑化保温板在近零能耗建筑中应用时，保温厚度的增加对保温性能、燃烧性能和安全性能的影响尚未有相关研究。随着国家对近零能耗建筑的大力推广，对于大厚度无机塑化保温板外保温系统的性能研究也显得尤为必要。

无机塑化保温板属于水泥基泡沫混凝土[3]，是以无机胶凝材料为主要原材料，附加化学添加剂及纤维材料经湿磨制浆和物理发泡后加入一定比例聚苯颗粒进行混合并注模，在规定的时间和环境条件下养护后进行脱模和切割，制成具有良好塑性的微孔保温板材。

已有的研究表明[3]，无机塑化保温板中的无机胶凝材料经过水化反应后与化学添加剂中的高分子材料发生物理化学反应，形成网状结构及孔径小于0.1 mm的微孔，并且在微孔表面形成完整密实的膜结构，大大提高微孔封闭性[见图1（b）]。

图1 无机塑化保温板

由于无机塑化保温板的主要组成材料是无机胶凝材料，并且经过特殊工艺处理后进行物理化学反应最终形成封闭微孔结构，使其具有较低的吸水性、良好的保温性，同时也具有较高的强度和优异的防火性能。

2.1 保温性能

选取常用的燃烧性能为A级的岩棉条、热固复合聚苯板2种保温材料，选取了3个不同生产厂家，密度均为140kg/m3，测试其导热系数和体积吸水率，并与无机塑化保温板进行对比（见表2）。同时对无机塑化保温板按薄抹灰外墙外保温系统构造制备的试件进行热阻和传热系数测试，系统构件尺寸为1 m×1 m，无机塑化保温板厚度为300 mm，防护层由抹面砂浆复合单层耐碱玻璃纤维网格布，表面涂抹外墙平面涂料构成，厚度4 mm（见图2）。

表2 保温材料导热系数和体积吸水率

图2 热阻及传热系数测试构件

由表2可见，无机塑化保温板的导热系数与岩棉条、热固复合聚苯板相差不大，位于二者之间，但无机塑化保温板的体积吸水率明显低于岩棉条和热固复合聚苯板，说明无机塑化保温板在使用中能够具有更稳定的保温性能，同时也具有更好的抗冻性能，能够有效减少系统冻害的发生，降低系统脱落的风险。

从无机塑化保温板外保温系统构件的热阻和传热系数的测试结果来看（见表3），300 mm无机塑化保温板组成的外保温系统能够满足严寒地区公共建筑和寒冷地区居住建筑中近零能耗建筑规定的下限（见表4）。如要应用在严寒地区居住建筑上，由测试结果来计算保温板厚度需达到400 mm左右，但超厚保温层对系统的连接安全也带来极大的隐患。

表3 无机塑化保温板外保温系统构件的热阻和传热系数

表4 GB/T 51350—2019中对非透光围护结构平均传热系数的要求 W/（m2·K）

2.2 燃烧性能

燃烧性能GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》对A2级测试项目分类的规定，对无机塑化保温板进行单体燃烧试验和热值试验测试，受GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的单体燃烧试验》试验方法的限制（试样的最大厚度为200 mm），本次选用150、200 mm厚的无机塑化保温板进行测试。

在已有的研究中指出[4]，对于模塑聚苯板和石墨聚苯板这类有机泡沫保温材料，燃烧性能会随厚度的增大而变差，但从无机塑化保温板燃烧性能的测试结果（见表5）来看，其单体燃烧和热值的4项控制指标均符合燃烧性能A2级的技术要求，并且随保温板厚度的增加指标变化不大，说明无机塑化保温板的燃烧性能不随保温板厚度增大而变差，在近零能耗建筑中应用时相对于有机泡沫保温材料具有更优异的防火性能。

表5 无机塑化保温板的燃烧性能

2.3 耐候性

本次测试耐候性试验墙尺寸为3.36 m×2.40 m，组成构造与热阻和传热系数试件一致，试样受检部位宽度3.00 m、高度2.00 m，试验墙洞口部位侧面及外侧面进行外墙外保温系统测试（见图3），试样洞口宽度0.40 m、高度0.60 m，养护28 d。试验按JGJ144—2019《外墙外保温工程技术标准》的规定进行，结果见表6。

图3 耐候性测试

表6 耐候性试验和抗风荷载试验测试结果

由表6可见，防护层未发现空鼓、剥落或脱落等破坏，同时墙面未发现裂缝，并且系统防护层与保温层的拉伸粘结强度试验破坏部位也位于无机塑化保温板内，说明无机塑化保温板自身具有一定的强度和稳定性，能够很好地消纳恶劣环境下高低温循环交替造成的温度内应力，同时经过这种温度内应力破坏后还能够保留有足够的强度并且满足系统的使用安全。

从拉伸粘结强度的破坏部位[见图3（d）]看，相较于岩棉、真空绝热板和挤塑聚苯板，无机塑化保温板与粘结和抹面砂浆具有更好的相容性，在施工过程中不需要涂刷界面剂来辅助提高各结构层间的粘结强度，良好的相容性也使系统在使用过程中能够有效防止饰面层脱落，保证系统的使用安全，同时也减少了施工工序，降低建设成本。

2.4 抗风荷载性能

外保温系统抗风荷载的性能是系统各组成材料抵抗风荷载作用下的综合体现，是衡量系统连接安全的一项重要指标，可通过大型的动态风压试验进行测试，也可通过小型试验，将系统分解成单一材料、材料与材料之间的连接强度试验进行测试，依据最不利条件荷载计算系统抗风荷载[5]。本次测试的大型动态风压试验的试验墙体制作与耐候性试验墙一致，保温板厚度分为150、300 mm，试验按GB/T 36585—2018《外墙外保温系统动态风压试验方法》规定进行。对于小型试验，连接强度主要体现在抗拉强度和剪切强度方面，因此主要针对无机塑化保温板的抗拉强度和剪切强度进行测试，抗拉强度试样尺寸为100 mm×100 mm，对于剪切强度由于现行标准中均未提出相应的技术指标要求和试验方法，通过对比其他材料的剪切强度试验方法，并结合墙角墙边处无机塑化保温板在受风荷载作用下的受力特点，本次剪切强度的测试选择了更能反映保温板系统实际受力情况的方法，依据GB/T 32382—2015《建筑用绝热制品 剪切性能的测定》规定的双试样法进行，试样尺寸为200 mm×100 mm，剪切强度测试见图4，结果见表7。

图4 剪切强度测试

表7 抗拉强度和剪切强度测试结果

由表7可见，无机塑化保温板的抗拉强度基本不受试件厚度影响，但剪切强度会随试件厚度增大而降低，反映到系统抗风荷载的性能上，则是，对于墙体大面主要受到垂直于墙体的风压荷载，此时系统的厚度不影响其抗风荷载的能力，但在墙体的墙角和墙边处，主要是系统侧面受到风压荷载，由于风荷载的作用力平行于板面固定端，此时系统各结构层则会产生抵抗外力的剪切力，剪切力大小与系统厚度和风荷载大小成正比，并且越靠近固定端剪切力越大，当系统厚度增加到一定程度时，受剪切力最大的固定端则会产生剪切破坏，此时保温板固定端承受剪切力的能力会成为影响系统风荷载最不利因素。

用表7中的抗拉强度计算无机塑化保温板的抗风荷载标准值，可参考JGJ/T 480—2019《岩棉薄抹灰外墙外保温工程技术标准》中的规定按式（1）进行计算：

式中：Rk——抗风荷载标准值，kPa；

σT——垂直于板面方向的抗拉强度，kPa；

ρA——外墙外保温系统与基层墙体的粘结面积率，对于不同保温材料的外墙外保温系统，国家现行标准都规定了不同的粘结面积率，但大部分标准对粘结面积率的规定都不低40%，因此本次计算中有效粘结面积率取50%；

K——安全系数，依据JGJ/T 480—2019中5.2.6条以粘结固定为主要连接方式时取11.7。

由于现行标准中均未考虑材料剪切强度对抗风荷载标准值的影响，也未提出用剪切强度计算材料抗风荷载标准值的计算方法，因此在本文中在用剪切强度计算抗风荷载时主要依据墙角和墙边处系统破坏时的状态是以单块保温板为破坏单元进行分析，并结合式（1）推导出计算公式图（2）：

式中：τ——无机塑化保温板的剪切强度，kPa；

L——无机塑化保温板单板常规长度，取0.6 m；

D——外墙外保温系统保温板厚度，m。

抗风荷载结果见表8。

表8 抗风荷载结果

由表8可见，大型动态风压试验和由抗拉强度计算的抗风荷载不受系统厚度增大的影响，测试结果基本一致，说明大型动态风压试验的本质也是通过系统材料的垂直抗拉强度的能力来反映系统的抗风荷载能力，而对于墙角和墙边的主要受剪切荷载部位抗风荷载能力不能得到有效的体现；
对于由剪切强度反映的系统抗风荷载的结果来看，抗风荷载随系统厚度增加而急剧降低，当厚度增加到300 mm时，系统墙边和墙角部位抗风荷载的剪切破坏会成为主要破坏因素。综上，对于应用在近零能耗建筑上时，建议充分考虑无机塑化保温板的剪切强度，在标准中增加材料剪切强度的测试项目。

外墙外保温系统可采用极限状态衡量系统是否失效[5]，通过表8抗风荷载的结果对比，用剪切强度计算的抗风荷载承载力标准值Rk与设计风荷载标准值Wk进行比较分析。当Rk＞Wk时，则外墙外保温系统未失效；
反之，则外墙外保温系统失效。设计风荷载标准值主要与建筑所在的地理位置、建设高度及区域等有关，本文中以有密集建筑群的城市市区建筑，离地面高度100 m位置的墙角和墙边部位的风荷载标准值Wk为例，按式（3）进行计算（参照JGJ/T 480—2009）。

式中：βgz——阵风系数，依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》规定，离地面100 m高度处、有密集建筑群的城市市区取1.69；

μsl——风荷载局部体型系数，按墙角、墙边部位取2.0；

μz——风压高度变化系数，按GB 50009—2012规定，离地面100m高度处、有密集建筑群的城市市区取1.5；

w0——基本风压，按50年重现期取值，kPa。

结合无机塑化保温板剪切强度计算的抗风荷载承载力标准值和式（3），要保证抗风荷载承载力标准值Rk不小于建筑设计风荷载标准值Wk，则建筑项目所在城市的基本风压w0需不大于0.8 kPa，经统计，无机塑化保温板的剪切强度能够抵御全国96%的城市市区50年重现期的风荷载。

（1）无机塑化保温板保温性能、耐候性能和燃烧性能都能满足在近零能耗建筑中应用的技术要求，燃烧性能相较于有机泡沫材料，不受保温板厚度增加的影响，在近零能耗建筑中应用更具防火安全性。

（2）无机塑化保温板应用在近零能耗建筑中时能够抵御全国96%的城市（除少数高海拔、沿海城市以外）市区50年重现期的风荷载。在基本风压值大于0.8 kPa的城市使用时，建议考虑增加托架来提高系统的安全性。

（3）无机塑化保温板的厚度达到300 mm时，其剪切强度成为影响抗风荷载的最不利因素之一，在近零能耗建筑中应用时，建议在标准中增加剪切强度的技术要求，以保证系统连接安全性。

（4）分析认为，现有外保温系统大型动态抗风荷载的试验方法本质上仅反映了垂直板面方向的抗拉强度对抗风荷载性能影响，建议通过剪切强度对抗风荷载的影响进行更深入的研究，制定科学合理的测试方法。

（5）本次试验研究仅针对无机塑化保温板，以上所有计算过程均建立在系统的其他组成材料能够满足相应强度要求的基础上，没有考虑保温工程施工过程的影响因素，因此应用在近零能耗建筑中的系统不但要保证各组成材料的相容性，还应严格控制施工质量。