外墙外保温材料保温抗裂技术研究

外墙外保温材料保温抗裂技术研究 武汉理工大学 硕士学位论文 外墙外保温材料保温抗裂技术的研究 姓名:朱艳超 申请学位级别:硕士 专业:材料学 指导教师:马保国 20090501武汉理工大学硕七学位论文 摘要 目前建筑节能已成为影响我国经济可持续发展的重要影响因素之一,外墙 外保温技术是建筑节能体系的重要组成部分,本论文在先期取得的以“柔性 抗 裂、应力逐层释放”为标志的外墙外保温抗裂材料成果的基础上,进行了更 深 一步的研究。 本论文拟综合利用本地可再生资源研制开发新型外墙外保温隔热材料系 统,该系统具有保温隔热、优良的抗裂性、环保节能且施工简单等特点。其 技 术体系组成为:外墙外保温系统保温材料研究,外墙外保温抗裂材料研究。通 过“高效释水、收缩补偿、纤维增强、裂缝愈合和聚合物增韧五种技术路线 复合代替传统单一的柔性抗裂技术路线,配制了高效抗裂收缩抑制剂。在掺量 较低水平时,其抗裂性能满足外墙外保温系统相关的技术指标要求,为节 能材料的开发提供了重要的技术支持。 外墙外保温系统研究:保温隔热结构设计及理论研究、利用玻化微珠开发 具有保温和隔热性能的无机保温砂浆和施工工艺。具体特点:提出保温隔热系 统结构设计理论、保温隔热层厚度等;对玻化微珠和胶凝材料配比进行设计, 使该保温隔热材料各项性能指标,都得到了优化起到了保温隔热作用,研究表 明:对于不同基层墙体,选用不超过该无机保温砂浆,即可达到标准中关 于墙体传热系数与蓄热系数的要求。 外墙外保温抗裂材料研究:通过无机组分的矿物组成、化学组成以及物理 特性研究,将其与有合理溶解性的有机成分进行配合比优化,配制了具有高效 释水率和合理释水速度的、与水泥一聚合物体系相容性好的高效释水材料。通过 将微膨胀剂、钢渣粉等进行物理、化学活化,配制了用于保温隔热抗裂材料的 收缩补偿剂,并研究了其安定性和水化活性。纤维在砂浆中分散可以减少开 裂 几率,通过研究纤维在抗裂砂浆中的合理掺量范围和比例,增强抗裂砂浆的抗 裂能力。最后将结晶渗透材料和聚合物引入整个体系,进一步达到抗裂的目的。武汉理工大学硕士学位论文 “五代一的技术路线研究结果表明,研制新型复合抗裂体系材料可以使砂浆 的压折比降低到.以下,使砂浆的收缩降低%以上,且各项性能指标满足 现行节能标准要求。 本论文项目已在武汉科华高新材料发展有限公司和武汉公济墙体节能材料 有限公司等进行了实际应用,取得了显著的经济效益。 关键词:保温隔热、抗裂、外墙外保温、研究、导热系数武汉理工大学硕十学位论文 . ”. “ . ,? ‘ . ,, , ’ .. . : , : ,.、?? , ;, ; , , :,. ...武汉理工大学硕士学位论文弱: ,. ..王.,. ? ? . ? . : ? .%. 血. .曲 . . ; : ;;; . ..独创性声明 本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保 留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部 分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名:尢雌导师签名骝日期:塑争辛』翻武汉理工大学硕七学位论文 第章绪论 .研究的背景 能源是关系我国经济社会发展全局的一个重大战略问,是建立资源节约 型、环境友好型社会的一个重要组成部分。建材工业是典型的能源消耗型产 业, 占全国能源消耗总量的%左右。在全国积极开展节能降耗的形势下,分析和研 究建材工业的能源消耗状况,对完成”十一五”时期的节能目标具有重要的 现实意 义。近年来,在不断增长的国民经济的强劲拉动下,建材市场需求和应用领域 不断扩大,建材产品产量快速增长,建材能源消耗总量亦相应增加。据中国建 筑材料联合会信息部统计,按电热当量法计算,年规模以上建材企业能源 消耗为.亿标准煤,比上年增长.%。~年规模以上建材工业 能源消耗总量及增长率见图.。 当前,我国能源供应与经济社会发展的矛盾己十分突出,城镇民用建筑非 工业建筑运行耗电占我国总发 ’ 一建睾虢躺量一戢霉 电量的%左右,北方地区城镇鼍等: 煤量的 %建筑消耗的能 :裟: 、?,? :: 源占全国商品能源的 ? ?。 ’焱一 。这些数值仅为建筑运 淼? ? ?二 三 一哟 口 蠢篓蒌蒸蓁篓霎粪蓁;,%。/旷% 行所消耗的能源,不包括建筑材武汉理工大 学硕士学位论文 现建筑节能的最基本的条件,我国加大在此方面的重视。在建筑物的围护结 构 中,不论是商用建筑还是民用建筑,逐步推广使用轻质高效的玻璃棉、岩棉、 泡沫塑料等保温材料,以尽可能的降低建筑物的能耗。建筑节能的核心减少 建 筑能耗,提高建筑中的能源利用效率。同时,建筑节能需以不影响人们感觉舒 适度为前提,即室温冬季不低于?,夏季不高于?。 、建筑节能是实现可持续发展战略的重大举措之一 世纪,世界建筑科学技术突飞猛进,采暖、空调、照明及围护结构的保 温隔热性能方面都有极大进步,人们有了更为舒适的室内环境,然而,我们也 看到其严重的负面影响,人的一生中%%的时间是在室内度过的,建筑作 为人类生存的人工环境,对自然环境影响巨大,建筑消耗了世界上/的净水供 应、/的木材、/的材料与能量,同时简化组结构也在较大的范围内影响了 水域、空气质量以及社会群体的结构。各类建筑的采暖、空调、照明等设施 消 耗了全球/的能源,主要是化工能源。世界各国房屋在能源使用中所排放的 约占全球排放量的/,其中住宅大体占/,公共建筑占/。可见建 筑能耗对温室效应的影响巨大【训。建筑节能有利于缓解能源危机、改善空 间环 境、提高人们生活质量,对可持续发展战略计划有重要的意义。 、建筑节能是发展国民经济的需要。 我国能源形势严峻。我国能源总量丰富,但人均能源可采储量远低于 世界平均水平。年人均石油可采储量只有.,人均天然气可采储量 时,人均煤炭可采储量,分别为世界平均值的.%、.%和.%。排名 上,年,人均石油最终可采储量居世界第位。一旦平均到个人消费量, 我国能源并非地大物博。建筑能耗的增长速度远高于能源增长速度。我国 原有建筑及每年新建建筑量巨大,加之居住人口众多,特别是高能耗建筑大 量 建造,建筑能耗的增长速度远高于能源增长速度,尤其是电力、燃气、热力等 优质能源的需求急剧增加。建筑节能是提高经济效益的重要措施。实践证 明,选择适合当地条件的节能技术,使用‰%的建筑造价,可达到%的节 能指标。建筑节能的回收期一般为巧年,与建筑物使用周期年相比具 有良好的经济效益【?。 、建筑节能是改善空间环境重要途径。 建筑节能可改善大气环境。我国建筑采暖能源以煤炭为主,约占%。 目前我国采暖燃煤排放每年约.亿,排放近万,烟尘约 万,采暖期城市大气污染指数标准普遍超标,造成严重大气环境污染。建武汉理工大学硕七学位论文 筑节能可改善室内热环境。室内热环境是对室内温度、空气湿度、气流速度和 环境热辐射的总称。适宜的室内热环境可使人体易于保持平衡,从而使人产生 舒适感。节能建筑可做到冬暖夏?,改善室内热环境。 、我国建筑节能起步较晚,节能技术发展空间广阔 我国从世纪年代中期开始重视建筑节能,建筑节能工作起步较晚, 还处在发展初期,从地域、建筑类型、围护结构与设备系统、设计施工和运行 等各方面均有十分广阔的发展空间。建筑节能是综合性学科,它涉及到建 筑、施工、采暖、通风、空调、照明、电器、建材、热工、能源、环境、检测、 计算机应用等许多专业内容,是在许多学科边缘的交叉和结合后形成的,因此 建筑节能技术也是综合性的技术,包含了多个领域。 目前,建筑节能发展的重点领域为研究新型低能耗的围护结构包括墙体、 门窗、屋面体系成套节能技术及产品;新型能源的开发和能源的综合利用, 包括太阳能、地下能源开发利用和能源综合利用,室内环境控制成套节能技术 的研究和设备开发;利用计算机模拟仿真技术分析制冷空调系统,对制冷空调 系统进行智能控制,最大限度减低运行能源;现有建筑的节能改造成套技术, 特别是围护结构和采暖空调系统改造;建筑物室内温度和湿度控制技术和冷热 量计量收费技术及产品。 建筑能耗包括用于建造建筑物所用材料及设备的生产和运输能耗、施工能 耗、建筑物在使用过程中的能耗以及拆除时的能耗。其中使用能耗占建筑总能 耗的%左右,而使用能耗主要用于室内的温热控制,即用于冬季取暖和夏季 制冷。因此,各国非常重视开发具有高效保温、隔热性能好的建筑材料,以减 少建筑能耗,这种思想被称为被动的空调系统,即利用房屋的围护结构材料的 热容量保持室内温度。世界能源危机促进建筑节能材料和结构形式的开发研究, 其中最重要的是研究保温隔热材料、密闭性好、热量损失小的新型围护结构。 因此,墙体材料改革是我国建设领域的一项基本国策,是实施可持续发展战略 的重大举措【。 .研究意义 从建筑保温节能的观点出发,针对我国北方地区,尤其是部分夏热冬冷地 区的气候条件而研制的一种具有保温性能好、相关技术性能优良、施工方便、 成本低、便于推广等优点的节能环保型保温材料和抗裂材料。该材料的成功研武汉理工大学硕士学位论文 制及推广必将对广大地区的墙体改革的顺利进行和建筑节能事业的发展产生一 定的推动作用。近年来由于工业的高速发展,聚苯乙烯的生产和使用日益增大, 由此造成大量废弃的聚苯乙烯,已成为严重影响生态环境良性发展的“白色垃 圾,,。而本课题所研制的节能环保型保温材料是以废弃的颗粒为主要原料, 变废为宝,综合利用资源,具有积极的环保作用。同时,保温材料符合我国国 情,研制和开发高性能节能环保型保温材料,推动墙体材料的改革以满足对建 筑保温及环境保护的要求,具有重要的现实意义。 、建筑物通过外墙外保温隔热节能,具有显著的经济效益 建筑通过保温隔热节能,投资少、收益大,短期投资、长期受益。节约 吨标准煤,就节约了元的购煤费用。据统计,采暖运行费用系数为. 的地区,节约吨采暖用的标准煤,就相当于节约了元的采暖费。所以, 我国己建的节能建筑在今后年的使用中将节约亿元采暖费用。 、建筑物通过保温隔热节能,具有良好的环保效果 节约了大量的能源,自然就较多的减少了能源燃烧产物的排放,就能减轻 ,、和悬浮颗粒物对大气的污染【。如北京市的大气质量检测表明:采暖 期的浓度为非采暖期的倍;的浓度为非采暖期的.倍;悬浮颗粒物 为非采暖期的.倍。 、建筑物通过保温隔热节能,有利于改善居住热环境 我国与同纬度其他国家相比,具有夏季炎热、冬季寒冷的特点,所以发展 保温隔热材料,有利于改善居住热环境。 图.我国部分城市与世界上同纬度地区平均温度相比 图表明我国世界上同纬度地区平均温度相比,夏季温度高而冬季温度 低,尤其冬季,寒冷地区和夏热冬冷地区,气候条件更加恶劣。 、建筑物通过保温隔热节能,促进了建筑业的发展】武汉理工大学硕士学位 论文 在设计和建设节能建筑中,在新型墙材的开发和应用中,取得了大量的科 研成果和科技专利,同时引进、吸收和消化了很多国外的先进技术,提高了我 国建筑技术的科技水平和创新能力。 同时,国家和部分地区先后颁布了很多政策法规,都体现了提高居住规划、 提高设计水平,改善居住环境和住房的居住功能,合理安排居住空间,力求在 较小的空间内创造较高的居住生活舒适度。 .研究现状及存在的问题 ..国外的外墙保温技术研究现状 外墙外保温体系起源于年代的欧洲,上世纪年代初第一次能源危机 以后得到重视和发展,以欧洲的体系比较领先。目前,在欧洲国家广泛应用的 外墙外保温系统主要为外贴保温板薄抹灰方式,有二种保温材料:阻燃型的 膨 胀聚苯板,及不燃型的岩棉板,均以涂料为外饰层。美国则以轻钢结构填充保 温材料居多。 外墙外保温系统在欧洲的应用,最初是为了弥补墙体裂缝。通过实际应用 后发现,当把这种泡沫塑料板粘贴到建筑墙面以后,的确能够有效地遮蔽墙体 出现的裂缝等问题,同时又发现,这种复合的墙体材料具有良好的保温隔热性 能,节约了能耗。同时,重质的墙体外侧复合轻质的保温系统又是最合理的墙 体结构组合方式。外保温不但解决了保温问题,又减薄了对力学要求来说过于 富足的墙体厚度,减少了土建成本;而这种复合的墙体结构在满足力学要求的 同时还在隔音、防火防潮、热舒适性等各方面都具有最佳性能【】。 世纪年代,美国从欧洲引入此项技术,并根据本国的具体气候条件和 建筑体系特点进行了改进和发展。同样在上世纪年代初的能源危机期间,由 于建筑节能的要求,外墙外保温及装饰系统在美国的应用不断增加,至九十年 代末,其平均年增长率达到了~%。至今此项技术在美国的应用也达四十多 年之久,最高建筑达层,并在美国南部的炎热地区和寒冷的北部地区均有广 泛的应用,效果显著。 欧美在余年的应用历史中,对外墙外保温系统进行了大量的基础研究, 如薄抹灰外墙外保温系统的耐久性的问题;在寒冷地区中的露点问题;不同类 型的系统在不同冲击荷载下的反应;试验室的测试结果与实际工程中性能的相 。 关性等【武汉理工大学硕士学位论文 在大量的实验研究的基础上,目前,欧洲和美国对外墙外保温已有严格的 立法工作,其中包括要求对外墙外保温系统的强制认证标准,以及对于系统中 相关组成材料的标准等。由于欧美国家有着相应健全的标准、严格的立法,对 于外墙外保温系统的耐久性,一般都可以保证有年的使用年限。事实上,这 种系统在上述地区的实际应用历史已大大超过年。年欧洲技术许可审批 组织发布了名称为《带抹灰层的墙体外保温复合体系技术许可》 的标准。这个标准是欧洲外墙外保温体系几十年来成功实践的技 术总结和。一批从事外保温技术的龙头企业,如美国专威特、德国巴斯夫、 德国申得欧、美国泰富龙,掌握最先进的外保温技术并在外保温市场中占据相 当大的份额【州引。 ..国内的外墙保温技术研究现状 年月日国务院办公厅以国发办号文件国务院办公厅转 发建设部等部门关于推广住宅产业现代化、提高住宅质量若干意见的通知中, 明确要求积极开展和推广新材料、新技术、完善住宅的建筑和产品体系。世 纪年代初,外墙保温技术开始在我国推广并表现出良好的保温节能效果。外 墙保温技术本质就是一种复合墙体技术,用承重材料砖或砌块与高效保温 材料聚苯板、岩棉板或玻璃棉板等进行复合,组成复合墙体。在复合墙体 中,由于保温材料所处的位置不同,又有外墙外保温、外墙内保温以及外墙夹 体结播 结构 处理 层处理 层 溢鹱 裂眇浆层 砂浆层 丝州粲 布、拌性底?,腻予 砖甚 层 图.外墙外保温结构图 心保温。 外墙外保温系统即保温材料处于外墙的外侧由于其具有优良的保温节能效 果,并可以消除结构性冷热桥,保护了主体结构。,且不占室内使用空间因而 具武汉理工大学硕士学位论文 备了综合经济效益高等优点并被建设部广泛推广,结构如图。客观地说,从 理论上分析外墙外保温的确是非常合理的,但实际操作却并非易事,尤其在 施 工的可操作性及产品的耐候性和安全性等方面尚存在一些问题,有待于迸一步 一 完善解决【】。 随着外墙外保温技术的大力发展和应用,人们对外墙外保温体系的设计由 早期的“刚性抗裂路线’’逐渐转向“逐层渐变柔性抗裂的技术路线”,达到释放 应力的目的,这样既增强保温层的耐候能力,又增加使用寿命。外保温是将保 温体系置于外墙外侧从而使主体结构所受温差作用大幅度下降,温度变形减小, 对结构墙体起到保护作用并可有效隔断冷、热桥,有利于结构寿命的延长。在 进行保温层的结构和材料设计时,如果不遵循“逐层渐变,柔性释放应力的 原则,将会导致保温层耐候能力不够,寿命短。由于保温层一般密度轻、强度 低,受温度和湿度变形影响造成的外形尺寸不稳定问题,要求与之配套的抹面 层、腻子层、涂料层必须能有效地适应这种变化。各构造层的形变量设计见表 .: 表.外墙外保温各构造层的形变量 外墙外保温各层构造 形变量% . 承重墙体 保温层 .?. 抗裂砂浆层 . 柔性腻子层 涂料层 . 自世纪年代以来,我国在外墙保温方面出台了一系列政策,广大设 计、施工单位高度重视了节能工作。到年底,全国累计建成节能住宅达数 亿平方米,大量节能建筑的建成,明显改善了居住舒适度。节能建筑冬季平均 室内温度提高到?以上,节能要求从节能%提高到%,外墙外保温的做 法也由单一型逐步发展为多种各具特色的工艺做法。根据近几年来外墙外保 温 的发展,主要有以下几种作法【卅甜。 ...聚合物砂浆加强面层外保温 这是直接将聚苯板板或挤塑聚苯板一般质量为 // 用聚合物水泥砂浆粘贴在结构层的基底上条点粘法,砂浆层厚度,, 表面用聚合物水泥砂浆加玻纤网格布薄抹灰厚左右。这种方法目前在武汉理 工大学硕士学位论文 全国使用得最多,造价在元/.元/之间,价差幅度与采用的聚合物 水泥砂浆中聚合物的成分多少有关,有的用一般建筑胶来替代,因此造成过 早 开裂,质量低劣,耐久性差。个别工程由于质量低劣,面层粘贴面砖被大风刮 掉。但从整体来看,这种作法推广的比较普遍,实用性强,不论在钢筋混凝土 剪力墙结构和砖混结构中均可推广使用。 ...现浇混凝土模板内置保温板 这是将保温层聚苯板外附钢筋网架和钢筋混凝土外墙浇筑在一起的工 艺。聚苯板与钢丝网架由专业加工厂负责生产。这种做法的最大优点是能更好 地把保温层与结构层紧紧锚和在一起,不存在保温层脱落的质量问题,没有保 温层下坠的风险,可以取消粘贴保温层工艺,在外饰面粘贴面砖,加快装修进 度。但存在着在混凝土结构施工时增加了工序,掉落的聚苯颗粒在模板内不易 清理干净;另外在浇筑混凝土时下部侧压力大聚苯压缩变形大,上部侧压力 小,拆模后上部回弹小、下部回弹大,造成外侧面不平整,只能用外侧抹灰来 找平,并且大面积外侧摸灰砂浆不容易粘结好,往往容易使水泥砂浆开裂起鼓, 因此这种作法开始时使用得较普遍,目前有下降的趋势。 ...聚氨酯发泡喷涂外墙 这种做法是在现浇混凝土墙上喷涂发泡聚氨酯,再抹聚苯颗粒保温浆料找 平层,外侧再作聚合物砂浆纤维网格布加强面层。许多地方采用了聚氨酯和浆 料结合的夹心做法,效果很好,已推广使用。聚氨酯是一种较好的保温材料, 但价格较高,全部使用不易被接受,采取二层做法价格就可以降下来,厚度可 减薄,各层粘结效果好,并且可以防止开裂。另外还可以粘贴面砖因面层设 有金属钢丝网和聚合物水泥砂浆抹灰。 ...夹心钢筋混凝土外墙工艺 这种工艺是将保温层聚苯板夹在钢筋混凝土外墙中间,聚苯板内外两 侧均为钢筋混凝土。外侧一般为,内侧为。根据结构设 计要求,这种工艺与上述第种做法相似,只是省去了外墙外侧抹灰层,结构、 保温、粗装修一次成型,外侧也可作石材、面砖等不同材料的饰面。其最大的 优点是保温层与结构同寿命,不需经常维修,更不存在保温层脱落下坠或裂缝 起鼓等质量通病,大大提高了饰面层的耐久性。据介绍这种做法比传统钢筋混 凝土剪力墙可以减少钢筋用量,降低成本,此工艺在石家庄及青岛等地已大面武汉理工大学硕七学位论文 积推广应用,并有专业加工厂制作带有钢丝网片的保温板,且有一定规模。另 外,河北省建设厅还制定了该体系的地方设计规范,为大面积推广创造了条件。 其缺点是施工较麻烦,未大面积推广应用。 ...轻质砌块填充墙和岩棉或聚苯保温 在公共建筑框架剪力墙结构中,由于石材、幕墙等饰面较多,填充墙一般 均使用轻质砌块,保温材料为岩棉或聚苯,装饰层固定在锚固于钢筋混凝土 结 构上的钢骨架上,保温材料填充在钢骨架槽钢内,在保温层与石材及金属 板饰面工程中已普遍采用。 此外还有预制带饰面的保温板干挂或湿贴工艺、节能装饰板或其 他外保温做法, 如各种保温砌块在轻型空心砌块的空腔内填充聚苯颗粒或 岩 棉材料等。以上各种外墙外保温作法和工艺,从总体来讲都是成熟或较成熟 的,但是又各有缺点,需要继续改进,可以根据工程的具体情况采用。 ..存在的问题 尽管我国保温隔热材料研究工作取得了很大的成就,但是在使用过程中还 是存在着以下问题: .保温隔热材料系统价格偏高,直接影响了建筑节能的推广应用。 根据已有的工作和市场调查,目前保温隔热材料的核心聚合物材料大 都从国外进口,以仅占材料总量的%的成分占据了%甚至更高的经济成本, 使我国建筑节能材料成本占整个建筑成本的~%,远高于国外~%的平均 。 水平和目前我国要求控制在%以下的目标【 .保温隔热材料系统使用安全性不能得到保证 在外墙外保温大力发展的同时,技术上仍然存在着若干隐患:高层建筑 抗风压,特别是负风压的问题。特别是高层建筑,对保温系统的粘结力就有了 更高的要求,有时必须采取加固措施。外保温层表面贴瓷砖。对于低层建筑, 如果材料、施工工艺等得当,则不会出现问题,但是用于高层建筑,所有面砖 粘结层必须能经受多年风雨侵蚀、气候变化,若粘结层耐久性较差,则必然造 成瓷砖脱落,造成严重的事故。所以对其构造设计、粘结材料、施工工艺等都 必须高度注意【。 .抗裂保护层出现难以控制的裂缝 在推广使用新型墙体材料的过程中,出现了普遍的墙体开裂问题,制约了武汉理工大学硕士学位论文 新型墙体材料的推广使用。裂缝的存在降低了砌体结构的强度,降低了墙体的 质量,如整体性、耐久性和抗震性能,同时墙体的裂缝也给居民在视觉上和心 理上造成不良影响。特别是随着我国墙体材料改革、住房商品化的发展,人们 对居住环境和建筑质量的要求不断提高,这就要求对建筑物墙体裂缝的控制更 为严格‘“。 为了解决新型墙体材料开裂这个问题,一是要从设计和构造上加以考虑; 二是采用与新型墙体材料相配套的砂浆【。从目前现状看,仅采用前一种方法 会增加施工难度和成本,须研制和应用新型特种砂浆,改善砌筑砂浆的粘结性 能,提高墙体的抗裂能力,再辅以“分散应力’’的耐碱网格布或纤维,从而进 一步达到控制裂缝的目的。 .研究内容、指标与技术路线 ..研究内容 目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式, 是缓解能源紧张、解决社会经济发展与能源供应不足这对矛盾的最有效措施 之 一。相对其他部分建筑节能,外墙外保温的优越性十分明显:能避免产生建筑 热桥,避免内墙面冬季结露:有利于保护主体结构,大大减少温度应力对结构 的破坏作用,增加结构寿命;便于进行外装饰,可以使建筑物更为美观等。 根据外墙外保温结构的特点,确定了本课题的研究内容为: 外墙外保温材料保温隔热层研究与热桥处理,主要包括提出保温隔热 系统结构设计理论、保温隔热材料选用原则、无机保温砂浆进行热工性能评 价 四方面的内容; 抗裂防护层抗裂关键技术的研究,主要包括高效释水因子制备技术研 究、收缩补偿材料的研究、纤维增强抗裂能力的研究、聚醚类材料在抗裂砂 浆 中的应用研究和聚合物在砂浆中的应用研究五方面的内容。 ..研究指标 本课题的研究指标为: 对外墙外保温体系中保温材料的原材料进行优化,使增加保温材料体 系的施工性、安全性和抗裂性。武汉理丁大学硕士学位论文 采用高效释水、纤维增强、收缩补偿、聚合物增韧等几个因素共同作 用,配制的高效抗裂添加剂,可降低抗裂层自收缩%以上; 采用高效抗裂添加剂、结晶渗透材料、弹性底涂材料共同制备抗裂层, 可满足现行建筑节能标准对相关材料体系的性能要求; ..拟采取的技术路线 本论文的技术路线如图所示。 图技术路线图武汉理工大学硕士学位论文 第章原材料与试验方法 原材料 ..水泥 武汉亚东水泥有限公司生产的?.水泥,其化学组成见表,物理性 能见表.。水泥作为外墙保温用保温砂浆、抗裂抹面砂浆和粘接砂浆的主要 胶 凝材料使用。 表?水泥的化学组成 化学细成% 水泥. . . ?. . . . . . . 注:碱含量按. 计算值表示,.水泥碱含量为.。 表水泥的物理性能 凝结时间: 比表面积 抗折强度 抗压强度 水泥 安定性 / 初凝 终凝 : : . . . .. 合格 ..矿物掺合料 粉煤灰:武汉阳逻热电厂的级粉煤灰。 矿渣微粉:武汉钢铁公司产高炉矿渣。 表矿物掺合料的化学组成 化学组成% 比表面积 . / . . . . . . . . 粉煤灰 . . . . . . . . . . 矿粉 . . . . . . . . . 硅灰 一 ??????????一 硅粉:武汉钢铁集团森泰冶金有限责任公司产中密质硅灰。 .. 原材料一武汉理工大学硕士学位论文 粉煤灰、矿粉和硅粉的化学组成见表.。矿粉用作抗裂保温材料矿物增强 组分,粉煤灰和硅粉用作抗裂砂浆材料的填充密实组分。 ..细集料 细集料:巴河中砂与特细石英砂。河砂细度模数.,含泥量.%,泥块含 量.%,主要作为抗裂砂浆的细集料;石英砂:目即..., 主要用于抗裂砂浆细颗粒材料,使抗裂砂浆的砂子有良好的级配。 ..化学外加剂 减水剂:武汉浩源化学建材有限公司生产的萘系高效减水剂粉 剂,其性能指标见表。 表.减水剂的性能指标 胶粉:易来泰生产的可分散性胶粉,是以乙烯、醋酸乙烯等 单体为基础采用喷雾干燥技术生产的粉末状聚合物,这种粉末在与水接触后 能 迅速还原成乳液并保持与初始乳液相同的性质,即水分蒸发后会形成膜,这 种 膜具有高柔韧性、高耐候性和对各种基材的高粘接性,其各项性能指标见 表.。 ..纤维 武汉天汇纤维材料有限公司生产的聚丙烯纤维,密度为./,推荐体 积掺量为每立方砂浆掺./.%,推荐质量掺量为每立方砂浆掺..。 聚丙烯纤维的物理性能见表。 表聚丙烯纤维的物理性能 复合纤维长度由长度和的聚丙烯纤维按质量比:配制而成。 复合纤维长度用作抗裂砂浆的抗裂组分。 .试验方法武汉理大学硕士学位论文 ..胶砂干燥收缩测试方法 按照标准/.《水泥胶砂干缩试验方法》,采用尺寸为 的试件来测量收缩。试件两端预埋测头,脱模后测量其长 度作为初始读数,并转移至干燥环境下温度士。,相对湿度:%继续 养护分别测量其相应龄期的长度值。 ..胶砂自收缩变形 按照标准厂.《水泥胶砂干缩试验方法》,成型×试 样,养护后拆模,用铝箔胶带密封试件,置于的环境模拟箱.后 测定初始长度后,分别在相应龄期时测试件长度,直到收缩值稳定。 ..力学性能测试方法 抗裂材料的抗压强度和抗折强度参照国家标准/ .《水泥胶砂 强度检验方法法》进行测试,抗折试件采用的棱柱体试样, 抗压试件采用的立方体试样。养护后测量其、的强 度值。 拉伸粘接强度按照/ 二中的规定进行测试和评定,试件采用粘 贴在砂浆试块和粘接在聚苯板上 的试件,试 件及试验模具见图.,试件成型 后将试件装入塑料袋中在试验室 温度条件下养护天,将试件取 出继续在试验室标准条件下养护 天。然后用材料拉力试验测试 其拉伸粘接强度。 ..水化热测试 水化热测定采用自行改制的 图.拉伸专用夹具的装配 自动高效水化热测定仪,仪器示 意图见图.。该仪器通过数据模块自动在线检测浆体水化温升,同时在线描绘 武汉理工大学硕士学位论文 水化温升及放热速率曲线,可同时对组试样进行测试,减少了人为误差与系 ? 瀑度传憨器 回 采集模块 觋场 《 ~口 哆 /\,荔誊. 图.自动高效水化热测定仪 统误差,提高了测试效率及测试精度。本实验按.进行测试,水固比为 .。 ..椭圆环约束开裂实验 本文采用多通道椭圆环约 束开裂实验装置模拟砂浆在 椭圆环约束下的早期开裂情 、 咫摹鳖翻々一 况,如图.所示。椭圆环试 ? 件成型后放入标准养护室室 /?:一.// ;, \ 温??,相对湿度%%以 上养护,脱模后转移至 干燥环境中,并在试件表面涂 ?群品 ?特鬣纶衬板: 上水玻璃以起到密封作用。试 ?信号采集器: 卜导电胶 件侧表面涂有无弹性导电胶 图.椭圆环开裂测试装置 并在通电后形成导电回路。试 验过程中,由连接到计算机的 信号采集器对回路的电阻进行连续检测,当试件出现开裂时,计算机将记录 电 阻的突变时间,作为试件的初始开裂时间。 ..工作性能测试方法武汉理工大学硕士学位论文 外墙外保温抗裂砂浆的流动度和扩展度参照国家标准/ .《水泥 胶砂流动度测定方法》进行测量,凝结时问按照.《建筑砂浆基本性能 试验方法》进行测量。 ..扫描电镜 从破型后的试样中部取.粒状样品,在真空度真 空干燥至恒重,用导电胶将样品粘贴在铜质样品座上,采用日本电子株式会社 生产的. 型扫描电子显微镜 , 简称观察样品微观形貌,仪器加速电压为。武汉理工大学硕士学位论文 第章建筑节能基本原理与设计原则 建筑节能材料的开发是以建筑节能整体设计为基础的,本章在分析建筑能 耗构成的前提下,根据对建筑节能的基本原理,提出了建筑节能材料的设计原 则。 .建筑类型及建筑能耗的构成和趋势 建筑按使用功能的不同,可分为工业建筑与民用建筑。工业建筑指各种厂 房车间及附属用房等。民用建筑又可分为居住建筑和公共建筑。居住建筑主要 指居民住宅和集体宿舍,公共建筑包括商业建筑、办公建筑、科教文化建筑、 邮电、通讯、广播电视建筑用房以及交通运输用房等。 ..建筑能耗的构成 不同用途的建筑,能耗的构成及比重是有差异的。在居住建筑能耗中,采 暖和空调约占建筑能耗构成的%,热水供应约占%,电气照明约占%, 炊事约占%。公共建筑能耗中,采暖和空调约占%,照明约占%。从获取 的数据来看,不论是居住建筑还是公共建筑,不论是既有建筑还是新建建筑, 不论是严寒、寒冷地区还是夏热冬冷地区和夏热冬暖地区,采暖和空调的能 耗 占建筑能耗的比值都非常大,均在%以上。夏季的空调制冷能耗近年来增长 尤甚,导致许多地方热天拉闸限电。年夏季,各地空调的用电高峰负荷共 达万,相当于.个三峡电站满负荷出力。预计年空调高峰负荷 将相当于个、年将相当于个三峡电站的满负荷出力。 建筑能耗呈现快速增长的趋势。目前,我国现有房屋建筑数量巨大。一是 我国城乡既有建筑面积达亿。年全国城市房屋建筑面积.亿 ,其中:住宅建筑面积.亿,公共建筑及工业建筑面积.亿。 二是我国建筑规模庞大,是世界上最大的建筑市场,每年新建建筑面积近亿 平方米。每年新建建筑竣工面积大于各发达国家每年新建建筑竣工面积之 和。 年房屋建筑竣工面积.亿,其中:城镇新建住宅面积.亿, 农村新建住宅面积.亿,公共建筑及工业建筑面积.亿。随着居民武汉理工大 学硕士学位论文 生活水平的提高,对室内舒适性环境提出的要求越来越高,导致采暖、空调、 照明、炊事热水、家用电器等建筑能耗迅速提高【。因此,建筑能耗将成为未 来年我国能源消费的主要增长点之一。 据统计,到年末,我国建筑年消耗商品能源共计.亿吨标准煤,占 全社会终端能耗总量的.%。如果建筑节能工作仍维持目前状况,年建 筑能耗将达到.亿吨标准煤,为年的倍以上;如果国家抓紧建筑节 能工作,则年建筑能耗达到.亿吨标准煤,增长约为倍。 表. .全国建筑能耗 建筑能耗的高低取决于建筑围护结构的保温隔热性能、建筑的密闭性等。 由于建筑围护结构的保温隔热性能不高、建筑的密闭性差等因素,造成我国建 筑能耗总量居高不下。我国建筑物外墙热损失是加拿大和其它北半球国家同类 建筑物的~倍,窗的热损失在倍以上。 ..建筑围护结构的节能 我国建筑节能的重点应为:建筑围护结构的节能、建筑供暖系统的节能、 灯具和其他电器效率的提高、新建大型公共建筑的节能、既有大型公共建筑的 节能改造。上述诸项对实现前述建筑节能的目标的贡献大致分别为:%,%, %,%,%。 、墙体材料及结构 墙体是建筑外围护结构的主体,其所用材料的保温性能直接影响建筑的耗 热量。我国以实心粘土砖为墙体材料,保温性能不能满足设计标准。以外墙为 例,标准规定,在建筑物形体系数建筑物与室外大气接触的外表面 积与其所包围的体积的比值小于.时,北京地区传热系数不超./?,武汉理工大学硕士学位论文 而目前常用的内抹灰砖墙,传热系数都大于上述节能标准数值。若采用高效保 温的墙体材料或结构,可大大提高墙体的保温性能。 、门窗 门窗是外围护结构中绝热性能最薄弱的,过去采用空腹薄木板木门,现多 填充以聚苯板或岩棉板使户门具有保温、防盗、隔音等功能。阳台门下部加贴 绝热材料,使其传热系数大大降低。改善窗户的保温性能需解决镶嵌材料和窗 框扇型材两部分。增加玻璃层数,可大大提高窗户的保温性能。为增加窗户的 框扇型材部分的保温,可采用钢塑型、钢木型、木塑型等复合型窗扇。此外, 减少冷风渗透对门窗节能也很重要。 、屋顶 目前应用较多的是加气砂浆保温材料,但厚度增加。一些高效 保温材料已开始应用于屋面。如正铺法聚苯板保温屋面,在结构层上铺设 厚聚苯板做保温层,最上层为防水层;再如倒置型保温屋面,把聚苯板设在防 水层以上,使防水层不直接受太阳辐射,其表面温度升降幅度大为减小,延缓 了防水层老化进程。这种聚苯板外保温屋面,传热系数./?, 传统的 加气砂浆屋面,传热系数为./?保温屋面的节能效果是 。 非常明显的【 在设计节能建筑时都要选用保温隔热材料,其目的是:冬季减少热损失, 以保持室内需要的温度,夏季阻止太阳的辐射热;或在夏热冬暖地区的建筑 外 墙和屋面施工,阻止太阳的辐射热。 .保温隔热结构设计及理论基础研究 ..保温隔热材料的选用原则 .保温隔热材料需具有较小的导热系数、较大的蓄热系数【。在相同的保 温效果的前提下,导热系数小的材料保温层厚度可以更小,保温结构占的空 间 更小。 .保温隔热材料要具有良好的化学稳定性。保温隔热材料不能与周围环境 中的材料发生化学反应,影响其保温隔热性能。 .优选轻质密度/或超轻质密度不大于/保温隔 热材料。 .保温隔热材料的使用年限要与建筑使用年限相匹配。武汉理工大学硕士学 位论文 .保温隔热材料的价格要与其使用功能相适应。 .选用阻燃型或无机不燃型、无毒保温隔热材料。 .选用吸水率小的保温隔热材料。 .保温隔热材料要具有良好的施工性能。 ..建筑外墙保温隔热结构设计 建筑墙体由承重墙系统和保温隔热系统组成。保温隔热系统可以选用板材 或现抹灰浆保温隔热材料,板材可以选择干挂或粘结剂粘结,还可以选择锚 栓 等措施加固。在选用粘结剂粘结时,由于承重结构部位不同,保温隔热施工前 必须进行预处理,即基层处理。保温隔热材料一般选用高分子材料,所以保温 隔热施工后表面必须进行处理,该层施工要求砂浆具有良好的柔韧性,否则 表 面开裂除影响美观,还会对保温隔热层造成破坏,影响其耐久性;最后进行饰 面处理【。 保温隔热系统结构为:“基层处理.?保温隔热层?抗裂保护层一饰面层。 基层处理:根据不同建筑基体表面情况分别采用相应的处理方式,包括采 用普通水泥砂浆找平、聚合物水泥灰浆拉毛或者不处理,具体处理方法见表? 所示。 表.不同建筑结构表面的基层处理方法及效果 保温隔热施对于无机保温砂浆, 厚度以下的保温隔热层采用一次 抹面成型,对以上则分两次或多次抹面;对于板材,须按照施工规范用粘 结剂错缝粘结、按照高度的规定用锚栓加固处理【塑料膨胀螺栓与保温隔热 层成~。斜向下固定,最后找平;另外,对阴阳角、勒脚、分隔缝、窗洞 口、滴水线等地方进行特别加强处理。武汉理工大学硕士学位论文 抗裂层是由聚合物水泥砂浆、耐碱玻纤网格布、防水养护液表面的防水 和增强处理组成。 饰面层由柔性耐水腻子和色彩涂料或瓷砖组成。值得注意的是,用瓷砖作 为装饰层时,在抹抗裂砂浆之前要铺贴钢丝网,并用锚固膨胀螺栓加固,然后 抹抗裂砂浆、贴瓷砖并勾缝,粘结时要选用专用的瓷砖粘结剂,勾缝也要选用 专用的胶粉砂浆勾缝。 ...保温隔热材料设计原理 以聚苯为主要原材料来生产保温隔热材料在世界各地均比较盛行,产品形 式主要有聚苯板、聚苯复合材料、聚苯乙烯颗粒等,其中聚苯板目前使用比较 多。然而,聚苯板不适合外形不规则的建筑部位保温,聚苯板之间粘结处易开 裂,聚苯板与罩面砂浆亲和力差,综合成本较高,因而使用受到限制。聚苯颗 粒保温砂浆由于也是以有机材料作为轻骨料,故耐火和防老化性能差。玻化微 珠是一种非金属轻质保温绝热颗粒材,由火山岩矿石中的松脂岩经开采后破碎、 筛分、高温瞬时燃烧膨胀玻化而成。该材料呈不规则球状颗粒,内部为空腔结 构,表面玻化封闭;具有质轻、隔热防火、耐高低温、抗老化、吸水率小、理 化性能稳定等优良特性;可替代粉煤灰漂珠、玻璃漂珠、普通珍珠岩、聚苯颗 粒等诸多传统的轻质骨料应用于不同的制品中,是一种绿色环保型高性能无 机 轻质保温绝热材料。 无机保温砂浆设计主要考虑以下原则: .对无机轻骨料的性能进行了优化选择以及它和胶凝材料的配比的优化设 计,使得此材料的密度、导热系数、收缩率以及强度等各性能指标都得到了 优 化。 .由于外加剂的作用,引入了%~%的气泡,隔断了热传输通道,既达 到了保温隔热的效果,也起到了保水的效果,提高了水泥水化程度,增强了保 温层的强度。 .主要原料是废旧聚苯乙烯泡沫,既利用再生资源,又减少了白色污染, 所以此灰浆材料既是很好的环保产品,也很大程度的节约了资源。 .采用干粉料预混合干拌技术与玻化微珠分装工艺,现场只需按比例加水 搅拌即可施工,解决了传统工艺中生产搅拌期长、运输成本高、存放周期短、 现场配料计量不准确、施工不方便等技术经济问题。 .。.抗裂砂浆设计原理的提出武汉理工大学硕士学位论文 随着国家墙体材料的革新和节能建筑推广应用工作的深入,传统砂浆所暴 露出的许多缺陷,如因墙面空鼓、开裂、脱落等而引起墙体渗漏、透风、剥 落 等问题【,在建筑工程中越来越突出,严重影响了工程质量和正常使用,也制 约了保温隔热材料的推广应用。造成这些问题的主要原因,除了地基不均匀 沉 降等引起的结构裂缝外,主要可以归纳为以下两个方面:一是墙材自身吸水率 高、收缩大;二是所用砂浆保水性差、收缩变形大、粘结强度低、耐候抗裂性 差及匹配不合理等。 所研制得抗裂砂浆主要从以下几个方面对普通砂浆性能进行改善: .高效释水功能 在抗裂砂浆中加入保水剂,可以有效防止表面水分散失;同时在抗裂砂浆施 工完成后,马上在表面刷防水养护液,也能有效防止水分散失,同时形成新的 抗裂层,具有双层抗裂功能。 .材料补偿收缩机理 为达到抗裂砂浆早期零收缩的目的,在原料中引入体积稳定剂,由于在水 化后生成大量膨胀性晶体,产生体积膨胀,体内产生压应力和压应变,补偿了 各类收缩变形,抵消或部分抵消了相应的拉应力,从而提高了整体的抗裂性。 .应力分散机理 在抗裂砂浆施工中引入耐碱网格布,可以使抗裂砂浆的应力分散均匀,从 而避免因应力集中引起的开裂。还可以通过引入纤维达到应力分散的目的。 .聚合物改性机理 在水泥砂浆中掺入聚合物后,会引起水泥砂浆性质的一系列变化,诸如,抗 折强度提高、抗压强度降低、弹性模量降低、刚性降低、柔性增加、变形能力 提高、耐磨性增加、粘结强度提高、耐久性提高等。 ..保温隔热层厚度设计 国家标准 .《民用建筑热工设计规范》【引对围护结构保温和隔 热性能指标、、.一的计算方法和计算参数做出了规定;行业标准 .《民用建筑节能设计标准采暖居住建筑部分》【】对带有抗震柱、圈梁 等热桥部位的复合墙体的外墙平均传热系数的计算方法做出了规定;行业标 准 .《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》对夏热冬冷地区节能 %目标时的外墙传热系数和蓄热系数也做了规定,现引述如表.所示: 按照上述关于和的规定,根据以下的计算方式和材料本身的导热系数武汉理 工大学硕士学位论文 九,可以计算出保温隔热材料的厚度: 表围护结构各部分的传热系数/.和热惰性指标 、围护结构热阻的计算 :...月孚孚...拿 /厅 九 / 以 式中:、、??心一各材料层的热阻?洲 、、??、%一各材料层的厚度; 九、地、??、一各材料层的导热系数/?】。 、围护结构热惰性指标的计算 ? 岛?或?%?月% 式中:、、??、一各材料层的蓄热系数/】,空气间层的蓄热系 数取。 、传热系数的计算 /? ? 式中:为窗户、空气层等热阻 上述的计算方法适用于不带抗震柱、圈梁等热桥部位的多层结构。 对于该保温隔热层结构,根据对材料层厚度、导热系数和蓄热系数的测定 值,按公式.、公式.和公式.可以计算得到该保温隔热材料与 其他主体建筑配合使用形成的围护结构热阻、热惰性指标、传热系数以 及达到节能%节能目标时墙体的最小厚度的值,见表?。 在计算过程中忽略了薄板结构以及空气层对总体保温隔热性能的影响。其 中各部分的热物理性能参数分别为:粘土实心砖. /?,. /.;加气砂浆砌块./?,. /?;砂浆砌块九. /?,./;保温隔热材料九./?,./: 钢筋砂浆九. /?,. /?。 对夏热冬冷地区,规定外墙平均传热系数?./.、热惰性指标武汉理工大学硕 士学位论文 ?.或?./、?.。 从表可以看出,使用加气砂浆砌块作为墙体结构,若围护结构其他部分窗 户、屋面等能达到节能标准的相关规定,外墙不需要保温隔热施工即可达到 %的节能目标;而对于砂浆砌块或粘土实心砖,保温隔热层厚度需要分别增加 到.和.才能满足节能目标,同时这些传统材料尤其粘土实心砖, 既浪费能源,又对环境造成严重污染,不满足现阶段我国推广的“四节节能 产品的节能要求。 表?保温隔热材料与不同外墙主体搭配使用的热物理性能参数 钢筋砂浆主要用作建筑的梁和柱等承重、框架结构,从表中可以发现, 其热阻较小,为达到节能%的节能目标,其表层保温隔热层厚度不得小于 .:可见钢筋砂浆梁、柱是建筑物中最主要的“热桥”部位,保温隔热施工 中~定要尽量消除该种“热桥”。武汉理工大学硕学位论文 ..热桥研究 在保温节能建筑的外墙上,因建筑结构的需要,常在外墙设置钢筋砂浆梁、 柱及砂浆板伸入外墙体等, 室内的热流很容易从这些部 位通过,所以把这些部位通 称为热桥【】。也就是说,这 ? 些部位的保温差,对热的阻 碍小,通过的热损失多,内 表面的温度也低。但不允许 内表面的温度低于室内空气 抗震柱 露点温度,即这些部位的外 墙内表面不应结副】。 图.外墙主体部位和周边热桥部位示意图 外墙主体部位和周边热 桥部位如图.所示。 当外墙中带有抗震柱、圈梁等热桥部位时,其平均传热系数应按下式计 算:‘ 、? , ????万?瓦了万?瓦丁?一 式中:广外墙平均传热系数/?; 广外墙主体部位的传热系数/?,按规范的规定计算; 、毫、??外墙周边热桥部位的传热系数/?; 外墙主体部位的面积; 、、??外墙周边热桥部位面积。 按公式.计算得到的与标准中的传热系数相对应。 为了确定热桥部位是否需加强保温,需按公式.、.计算内表面温 度?,可据此温度与室内相对湿度查表求得露点温度进行比较,若低于 露点温度时,须对该热桥部位加强保温。 .当热桥宽度与结构层厚度比叫万小于等于.时: . ,, ,一。武汉理工大学硕士学位论文 其中:口,一热桥部位内表面温度,?; ,一室内计算温度,?; 。一室外计算温度,?; 。一非热桥部位外墙或屋顶主体部位的传热阻,?洲; ’一热桥部位的传热阻,?/; 尺,一内表面换热阻,取.,? 刁一修正系数,根据影万比值查表可得。 .当热桥宽度与结构层厚度比叫万大于.时: ’:妒哗 研究表明,内保温的热桥引起的热损失相当大,而且随着保温层热阻的增 大,热桥热损失的比例增大,外保温对改善热桥热损失有有很大改善,因此某 些对保温隔热要求不是很严格的地区,使用外保温施工后,不必要对热桥进 行 加强处理。 .本章小结 本章主要对保温隔热结构设计及理论研究进行阐述: 提出保温隔热系统结构设计理论、保温隔热材料选用原则、保温隔热 层厚度确定、热桥部位保温隔热处理等理论; 介绍了所设计的保温隔热材料用于不同基层墙体结构时,达到标准要 求的传热系数、热惰性指标时的厚度,计