硬质聚氨酯泡沫在节能建筑外墙外保温中的应用与相关标准

/PU是Polyurethane的缩写，中文名为聚氨基甲酸酯简称聚氨酯。硬质聚氨酯泡沫在节能建筑外墙外保温中的应用和相关标准——北京亿丰豪斯沃尔新型建材有限公司硬质聚氨酯泡沫具有良好的绝热性能及物理性能，它导热系数低、强度高，是建筑保温隔热低能耗住宅之首选材料。针对硬质聚氨酯泡沫所具有的特点及其在生产过程中的工艺要求，我们把硬质聚氨酯泡沫在建筑节能领域的应用重点放在其板材成型工艺加工和应用上。开发研制了两种应用体系：即硬聚氨酯保温装饰一体化体系和外贴硬质聚氨酯泡沫板薄抹灰体系。并在试验探讨应用的基础上制定了相关标准和重要参数。一硬质聚氨酯保温装饰一体化体系：（一）产品企业标准概括：1适用范围本标准规定了外墙外保温饰面一体墙板的定义、类别、技术要求、试验方法、检验规则及保温饰面墙板的标记、包装、运输和贮存。本标准适用于建筑装饰材料做表层，硬质聚氨酯泡沫塑料做保温层，用于各种建筑的外墙外保温装饰面层一体化的干作业和旧建筑外墙外保温装饰改造工程。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件,其随后全部的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，激励依据本标准达成协议的各方探讨是否可运用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。GB/T3810.3陶瓷砖试验方法GB/T4100.1干压陶瓷砖GB/T4100.2干压陶瓷砖GB/T4100.3干压陶瓷砖GB/T4100.4干压陶瓷砖QB/T3806-99建筑物隔热用硬聚氨酯泡沫塑料JGJ110-97建筑工程饰面砖粘结强度检验标准JGJ126-2000、J23-2000外墙饰面砖工程施工验收规程JC/T841-1999耐碱玻璃网格布DBJ/T01-50-2002外墙外保温施工技术规程（聚苯板玻纤网格布聚合物砂浆做法）DBJ01-62-2002外墙外保温用聚合物砂浆质量检验标准3．定义本标准接受以下定义：3.1保温饰面砖一体墙板，是由建筑外墙装饰面砖做面层，以多元醇化合物多异氰酸酯为主要原料，在催化剂、稳定剂、发泡剂等助剂的作用下，和外墙装饰材料、抗冲击玻璃纤维网格布复合成一体的外墙保温装饰墙板。3.2保温饰面一体墙板系列，是将预制好的“墙板”和已有的建筑外墙用Φ8mm的塑料胀栓通过“墙板”的预留点和建筑外墙锚固在一起，再将预留点用同类饰面材料粘贴补齐，用水泥勾缝，从而形成保温装饰一体化的墙体。规格尺寸表1长宽厚单位mm120060045600300456006004530030045阳角mm297×297×45×600阴角mm297×297×45×600备注：其它尺寸可依据建筑设计及客户的要求定型制作5．原材料质量要求：5.1外墙饰面砖：5.1.1吸水率：<６％5.1.2标准含水率：≤６％5.1.3冻融循环满足：４０次。5.1.4外墙砖宜接受背面有燕尾槽的产品。5.2硬质聚氨酯密度:5.2.1硬质聚氨酯持力层的密度为100-150kg/m35.2.2硬质聚氨酯保温层的密度为35-55kg/m35.3抗冲击玻璃纤维网格布：5.3.1经/纬向断裂强力:N/50mm≥12505.3.2网孔中心距4×4mm或5×5mm5.3.3单位面积重量≥160（g/m2）5.3.4涂塑量≥20（g/m2）5.4预留点补砖用聚合物砂浆:5.4.1平均粘结强度不应小于0.40Mpa技术要求6.1外观及性能标准6.1.1保温饰面一体墙板每平方米重量为15-17kg/m２6.1.2保温饰面一体墙板的外观应符合表2中的规定。表2序号项目质量要求mm1外观表面清洁平整，四周无飞边、无脱模剂、无网格布外露2修补保温层的修补密度要一样，补后凹凸度±23饰面平整度饰面和聚氨酯结合不平度凹凸±1.56.1.3保温饰面一体墙板的规格尺寸允许偏差见表3表3序号项目允许偏差mm1长±42宽±23厚（含饰面层）±24两对角线尺寸≤45饰面凹凸度≤1.56制品的形变度≤67持力层厚度10mm±26.1.4聚氨酯持力层保温层物理和机械性能应符合表4表4序号项目指标1持力层密度100kg/m3+50kg2保温层密度45kg/m3±10kg3保温层导热系数W/m.k4持力层粘结强度Mpa≥0.65保温层压缩性能，屈服点时或形变10%时的压缩应力Kpa不小于1006尺寸稳定性（70℃.48h）%不大于57水蒸气透湿系数（23±2℃10%-85%RH）ng/Ra.m.s不大于6.58体积吸水率Ｖ／Ｖ，%不大于3*要求每批400块板中随意取出一块做３组抗拔试验。工程试点应用作为一个新型保温体系的开发，产品研制和工程试点是两个不行分割的步骤，为此我们在北京地区进行了两种不同类型的试点工程，一是北京市建设工程质量监督总站办公楼的改造（以下简称质检站），二是望京南湖西园K5区高层住宅裙房506号楼（以下简称望京工程）。现将两试点工程的实践分别小结于下：1质检站工程1．1工程概况质检站工程系一办公楼建筑的改造工程，原建筑物为五层砖混结构，主楼南侧东西两端各跨出两层会议室，外墙为370实心砖墙体，外贴白色釉面砖装饰，建筑面积为4563m2,檐口高16.50m，外墙总面积、为2742.2m2，外墙门窗洞口面积为577.92m2，主楼外墙面积为2163.0m2，该工程在改造过程中将西端会议室向南进行了扩建，并拆除原传达室。在院墙入口处两侧新建两接待室，在主楼西侧又扩建一两层办公楼用房，均为砖混结构，墙体材料接受KP1多孔砖，外墙均接受保温装饰一体化构件，初步统计所用保温板材约2700m2。1.2选材和设计原主楼建筑外墙为370砖墙，20-30mm厚水泥砂浆找平层8mm装饰面砖，系非保温墙，扩建建筑系240KP1多孔砖外墙，此次工程改造的原则是以节能65％为目标，接受保温装饰一体化构件，施工全部接受干作业，以提高工效，实现文明施工，使我国外墙外保温工艺慢慢缩小和西方发达国家的差距。1.2.1材料选择为达到下步节能的目标，保温材料接受干密度为36kg/m3,导热系数为0.025w/m·k的发泡聚氨酯以及干密度为20kg/m3，导热系数为0.041w/m·k的泡沫聚苯板，但在构件生产中，前者的生产效率高和面砖的粘结力好，故在工程试点中还是接受发泡聚氨酯产品。1.2.2产品设计产品为“三明治”结构，由面砖、持力层和保温层三层有机的结合在一起，由工厂工业化方法生产的装配化构件，构件设计的规格尺寸主要依据：第一，保温层厚度依据建筑物所用墙体材料和本地区保温节能要求经计算确定。其次，构件长、宽尺寸，依据建筑层高，开间、门窗尺寸以及所选面砖尺寸，综合权宜订出，本工程开间、层高、门窗均为三模制，如开间为2400、3600和7200，层高为3300，窗户主规格为2100×1500，面砖选用45×195通体砖所以构件尺寸长宽定为1200×600，面砖纵向排块为12块，横向排块为6块，均为双数，便于切锯成各种符合三模的异形规格。1.2.3排块设计如前所述，本工程系办公楼建筑，立面形式比较简洁，且开间、进深、层高、门窗均为三模制，所以接受1200×600一种标准构件，通过切锯能生成多种异形规格，基本上能满足本工程规格尺寸要求。在排块设计中先以北立面为示例，其板块总量为1198块，规格仅五种，其中标准板为943块，占总量的78.8％，而其它规格均能用标准板经切锯组合满足立面要求，如600×300规格（即将板在中间一分为二）共160块，占总数的13.3％，标准板加1/2标准板总数就占整个北立面块数92％，所以只要立面各部位尺寸符合模数，选择面砖恰当，就能做到既标准化又多样化。1.2.4细部构造主要解决以下部位：（1）接缝部位：端头缝在板材制作时其面砖均做成锯齿型，有半砖缺口两端头对缝后正好是一块整面砖，用专用粘砖砂浆粘砖后补这一缺口（当板材须要切锯时，板材在切锯部位同样也要形成锯齿形缺口），板缝之间用专用砂浆勾缝。（2）阳角部位：首先要求角部位竖缝平直，锯齿形缺口错缝排列，板端打磨成45°角磨砖对缝，用尼龙锚栓锚固，然后勾缝。（3）门窗部位，因本工程为旧楼改造，窗口误差较大，未留有保温余量，所以窗周边外墙板只能在安装完门窗后剔凿掉原有面砖，水泥砂浆找平后，四周粘贴面砖，阳角部位磨砖对缝。1.3构件安装该外保温做法的优点之一，特适宜旧房改造，可以在不改动或剔凿原有外装修的原则下，进行保温改造，其安装方法是用尼龙锚栓，干脆锚固在墙上，因此，尼龙锚栓的质量至关重要，其尼龙部分需用尼龙6和尼龙66。钢质锚栓涂锌厚度不得小于5μm，所用锚栓的长度和直径视保温板的厚度和所锚入的墙体材料而定，本工程接受长80尼龙锚栓，埋入墙体深度≥50mm。安装依次是墙上按设计图纸放线，自下而上安装板材，本工程勒脚部分接受蘑菇石，安装时留出蘑菇石高度位置，以上为保温板的起始部位，在该部位用钢质锚栓锚固50×50角钢作为承托件，在承托件上安装最下层保温板，原保温板材用5个锚栓锚固，从力学性能完全满足构件要求，但由于该工程为旧楼改造，本身墙身平整度不志向，同时对板材的变形性估计不足，安装完毕后发觉有的板材水平缝出现起鼓现象，后经改进将原五个锚固点改成9个锚固点，基本上解决了这一问题。2.望京工程2.1工程概况该工程是望京新城K5区的一附属工程，底层为热力点和便电室、二层为便民店，框架结构，外墙为陶粒混凝土空心砌块填充墙，总建筑面积573.73m2,檐高8.7m，外墙总面积为1010.37m2，去除外墙窗面积总保温面积约800m2。2.2选材和设计该工程外墙接受陶粒混凝土空心砌块，外抹水泥砂浆找平层，在总结质检站工程的基础上，对产品进行了两方面的改进，首先为提高板材的平整度和削减板材由于温差的变型性，对持力层进行加强，其次，适当增加板材的锚固点和分布位置，事实证明这一措施特别有效，在质检站工程中出现的问题基本上得到克服，保温层仍接受干密度为36kg/m2的发泡聚氨酯，面砖也为45×195深棕色通体砖。2.2.1排块设计本工程因为框架结构，因此给立面的创作带来较大的自由度，如南立面首层有三个附壁柱，上支承7.2m弧形发券，门窗大部分接受西方古典式窗套。开间、柱距、门窗虽然基本符合三模模数，但由于这些装饰配件完全打破了墙体三模制格局，因为建筑设计事先并没有考虑接受这种保温形式。但反之也是对这种体系的一种挑战，即能否适应困难的立面，该工程经排块设计，总块数达917块，规格多达26种，其中标准板为579块，占总数的63％，因此标准板还占大多数，同时，大部分异型规格均能由标准板切锯，但在实际施工中由于抹灰造成的误差，又增加了一部分规格，但虽然立面困难，接受这一体系在实践中还是可行。2.2.2细部构造该工程和质检站工程不同之处主要在两部分，一是窗户，因该工程均有窗套，而且有确定的造型，其构造处理是在窗套外粘贴锚固泡沫聚苯板，聚合物水泥砂浆玻纤网格布加强，刮腻子外做涂料；二是线条，尤其是7.2米跨度较大的发券以及檐口线脚，同样接受粘锚聚苯条的方法，发券弧线的施工方法是将条形聚苯板，沿弧线粘锚结合，最终用聚合物水泥砂浆玻纤网格布加强，取得了较为志向的效果。2.3构件安装该工程的安装是先放线后做窗套线条，保温板原则上从窗间墙取中线向左右安装，先安装标准板，后安装异型板，而不能象质检站工程完全按排块图规格安装，但其优点是窗口因有窗套，窗口部分处理比较简洁，由于总结了质检站工程的阅历，改进了板材质量，增设了锚固点，安装时用2m靠尺逐块检查表面平整度，经检验，基本符合《外墙饰面砖工程施工及验收规程》JGJ126-2000标准。2.4造价本工程和质检站在产品价格上有所不同，前者是甲方选择面砖形式后由生产单位承包产品生产和施工，后者则由甲方供应面砖，由生产单位负责生产板材和施工，但两者除面砖价格略有差异外，造价大致相同。3.小结在产品开发和一系列科学探讨的基础上，进行两个试点工程，共3000多m2的工程实践，虽然在起始阶段存在一些不足，但通过不断总结阅历，改进产品和施工工艺基本上达到了北京墙改办对本课题提出的要求。3.1体会产品设计合理首先是结构合理保证和墙体连接的牢靠性和平安性；其次，规格尺寸合理，能做到满足标准化和多标化的要求；第三，接受高效保温材料，工厂标准化生产能确保满足北京地区下一步节能目标的要求。施工工艺全面实现了干作业、全天候、工效高、工序少、劳动强度低。初步摸索出一套对该体系的设计和施工工艺，尤其是对困难立面细部构造、装饰部件的处理方法。综合经济造价较为合理。3.2不足之处和改进（1）产品生产和施工基本上实现工业化，但是还有一部分手工操作工艺，如勾缝，应进一步探讨。使其大部分在工厂完成。（2）和产品配套的配件必需进一步工厂化生产，如角部构件，门窗套等以进一步提高装配化程度。二、硬质PU切割板体系在建筑外墙保温中应用的探讨（一）主要探讨内容：1.本课题目的在于通过一种高效节能材料作为该体系的介质，并配有抗裂面层及配套材料形成一种可持续发展的高效节能保温体系。2.体系的确定及定义:将预制好的硬质块状泡沫，依据保温设计的须要，经机械切割的方式依据确定的尺寸加工而成，并以此为外墙外保温体系中的保温材料。在此基础上复合加强层装饰层，从而形成“改性硬质PU切割板建筑外墙外保温体系”。3.选择硬质聚氨酯泡沫塑料，并为满足体系须要进行材料改性。4.探讨工业化生产的可行性。5.探讨在外墙上应用中的构造节点（阴阳角、窗口、檐口等）6.和之配套的界面层、粘结剂、防护层的生产及工艺。（二）改性硬质PU切割板体系探讨过程硬质PU泡沫塑料有很好的物化性能，但在探讨中我们认为：在硬质PU运用中不同行业指标应有侧重。1.硬泡在我国的应用有近三十年的历史了，但建筑用硬泡做保温材料的历史很短。大多硬泡是用在“制冷行业”如“冷库的保温，冰箱，冷冻周转箱”等，在这个行业中有大批的技术人员，并在几十年的不断实践中积累了较为丰富的阅历，从而制定了其更为符合这个行业的硬泡性能指标及标准。近年来硬泡发展突飞猛进，并在不少行业有所应用。如建筑上用的“夹心板，直埋管道的保温”等，这些行业对硬泡的应用依据不同的须要其硬泡指标也均有侧重，如：制冷保温行业侧重于导热系数，吸水率，低温尺寸稳定性，建筑夹心板直埋管道除必要的指标外更侧重于抗压强度，屋顶硬泡保温除必要的性能指标外则更多的侧重于防水性。2.硬泡用在建筑外墙做保温材料也应有所侧重。上述我们讲到的不同行业硬泡的应用指标有所侧重，将硬泡用在建筑外墙做为保温材料运用时，我们认为也应依据其要求有所侧重。硬泡因其优良的性能指标在上述行业中发挥着不行替代的作用，但有些指标用在建筑外墙外保温中运用未必是优秀的。如硬泡有很好的气密性能，这对于制冷保温行业是最好的指标，但用在外墙外保温中如硬泡气密性过好，就会造成墙体中的水分扩散受阻，硬泡同墙体的粘结性能下降，这样会产生平安隐患。因此我们认为要将硬泡推广到建筑外墙外保温中去运用还有不少问题有待于探讨。（三）未经改性的硬质PU在外墙外保温中应用存在的问题1、硬泡的“气密性”问题这个问题在前边所说的行业中的要求是气密性越高越好，这是行业要求而确定的，制冷保温中，冷库等大都是外墙内保温或“夹心”保温，库内湿度很大（如速冻库、冷冻库、保鲜库，都须要确定的湿度，有的则喷淋水雾），假如硬泡的气密性不高，在库内制冷过程中，水分就会停留在泡孔内造成结冰，甚至还可将硬泡保温性能破坏，或形成局部开裂、空鼓、脱落。而在建筑外墙保温中硬泡则须要有确定的透气性，也就是说应降低其气密性，这样可将墙体内所含的水分或粘结材料所含的水分通过硬泡的透气性能扩散出来，只有这样才能较好使硬泡同主体结构的粘结性坚实，爱惜外墙保温体系的质量。2、硬泡的“弹性”问题硬泡的弹性问题事实上是由于硬泡的“脆性”而引起的。这个问题在上述行业中不是主要问题，因这些行业用硬泡的环境上没有“风压”“负载”等问题，因此硬泡的“脆性”在这里可以忽视不计。而硬泡用在外墙外保温中它就应是一个主要指标。在外墙上有负风压，正风压，有硬泡面层上的负载，有混凝浇注过程中对硬泡的侧压力等，这些力反映在硬泡上事实上都是对硬泡“脆性”的一种考验。（“脆性”可引发剪切力的下降，又在力的作用下使硬泡断裂。）另外由于脆性硬泡易折断，运输施工中也造成大量材料奢侈。3、硬泡的表面处理问题硬泡的表面处理是为了加强和其他材料的粘结性能，但这一问题在其它应用硬泡行业不存在。应用在外墙外保温中就很突出，假如硬泡表面处理不好，就会造成其同墙体的粘结性能下降造成平安隐患，同时也对硬泡表面复合加强层和装饰层的粘结性能有很大的影响。造成保温体系整体性能下降。（四）针对上述硬泡用于外墙外保温中存在的问题我们做了如下探讨1.硬泡”气密性”的探讨：硬泡在外墙外保温中的应用能否解决气密性问题是关键。在建筑墙体中体内含有较高的水分，假如硬泡气密性过好，其水分就不会通过硬泡的透气性扩散出来，这样就会造成硬泡和墙体的粘结问题。另外在制备硬泡时水可以作为发泡剂运用。假如墙体含水较高硬泡透气性又差，这样就在确定的环境条件下造成水和硬泡的表面“二次反应”。为证明上述观点我们做了如下试验：“将制备好的硬泡切割成片，放在相对封闭且温湿度较高的环境下，10天左右发觉片材表面有局部鼓起，且表层密度下降。”这说明水分子同硬泡中的游离异氰酸根发生了化学反应，它表明硬泡完全意义上的熟化是一个较长的过程。由于上述硬泡表面和水分子发生了化学反应，造成表面密度下降，以32㎏/m3硬泡为例其密度可下降20％。硬泡同墙体的粘结性能是靠自身的强度，而强度来自于其密度的大小，密度下降了其粘结强度自然下降，其结果是：拉拔强度，剪切指标大副下降，（假如“二次发泡”造成原32㎏/m3密度的表面密度下降至25㎏/m3时，其检测指标，拉拨强度只有0.07Mpa，指标不行能满足现行的保温材料有关标准。）上述指标下降主要缘由是由于硬泡“透气性”差所产生的。解决上述问题，通过分析探讨我们发觉，透气性问题主要来源于硬泡的闭孔率，假如适当的使硬泡的闭孔率下降到一个合理的范围是解决“透气性”问题最简洁和最经济的方法。适当的降低闭孔率，必需对现有生产硬泡原辅料进行改性：①.改性多元醇及异氰酸酯。②.改性发泡剂，使其同时具有不同的气化时间。③.改性表面稳定剂，限制成核过程④.降低确定指数，满足发泡体系的须要。通过上述方案和工艺手段，我们就利用了不同发泡剂的汽化时间，扩散速度，并在改性稳定剂的调整下，对发泡成核进行影响，从而使泡沫的闭孔律从97％左右下降到90％左右，并且开孔分布较均衡，且实现了平行于发泡上升方向上的泡孔壁有微孔结构。这一结果不言自明它将满足于硬泡在外墙保温中的“透气性”的须要。2.硬泡的“脆性”（弹性）问题探讨①.所谓硬泡的“脆性”就是指其在确定的压力、扭曲力、弯曲力的作用下泡沫孔壁发生断裂，从表面上看下压后有凹陷，并且不能回弹或发生断裂现象泡孔在受压时发生断裂，它将预意着其用在外墙保温，主体结构发生形变或沉降时，硬泡可由于“脆性”的因素而被拉断或开裂；②.在做硬泡粘贴体系时，在正负风压的作用下，使硬泡的局部泡孔裂开。这些问题的产生将大大降低硬泡的强度，因而对主体结构的维护和保温体系平安，都是极大的威逼。解决这一问题是硬泡能否在外墙外保温中体系上的运用关键问题。目前的外墙保温材料大都用的是“聚苯乙烯”它除了有确定的优秀指标外，还有硬泡所不具备的柔韧性也就是回弹性，因而这种柔韧性或说弹性，无论是在现浇体系中还是在外贴体系中，它都起到了一个“气垫效应”，能抵抗“侧压力”并且在受确定外力作用下不裂开且有确定的“回弹性”，起到了对外力的缓冲作用。所以这种材料才能得以大量的推广运用。为了解决上述分析硬泡的“脆性”问题，着重做了以下探讨:1.分析硬泡“脆性”的产生缘由①从理论上讲，硬泡发泡时交链度的大小，干脆影响它的性能指标，而交链度的大小又取决于所选用的原辅料，以及生产的工艺配方和环境温度。②从试验中得到：硬泡中的原料不同的当量和功能，能限制不同交链度，从而制成不同性能的硬泡，通过试验也证明白其理论的正确性。有了上述理论和试验的指导，我们作了不同交链度生产硬泡的对比，从而选择适合硬泡用在外墙保温体系中的工艺配方。试验状况：a.低交链度的试验：生产出来的硬泡较为软，低温弯曲度，扭曲度，均较好。“脆性”大副降低“气垫”效应大副提高。但导热系数，抗压强定度，抗拉强度等指标均下降，如：30×30×280（㎜）试件其弯曲度150°以上，扭曲度120°以上但抗压强度0.07Mpa,拉拔强度0.1Mpa导热系数0.027W/(m.k).因此上述结果不能满足于外墙外保温体系的须要.b.实行较高交链度生产的硬泡，抗拉、抗压强度、导热系数较志向，然而脆性也大幅提高，回弹性大幅降低,测试中其抗压强度到0.15Mpa时硬泡孔壁发生断裂,下压10％时没有回弹,因此这一结果也不能满足于外墙外保温体系的须要.产生这些问题的主要缘由是:A.原材料分子量含量和起始温度过高B.过氧化合物含量不准C.异氰酸酯指数有问题D.工艺配方有问题这几种因素影响着泡沫的交链度和成型过程，发泡时就使泡沫内温度上升,到达确定高温时，分子链起先断裂,因此硬泡的脆性也就产生了。有了上述的试验和分析,我们在生产硬泡时对原料的指标进行了科学选择，并结合上述讲的第一个问题“气密性”的探讨对原材料的改进进行了补充,并在生产中对料温,环境温度，以及生产工艺上加以限制,较好的生产出了符合外墙外保温体系中所用的硬泡，其指标如下:导热.0.022－0.024W/(m.k)抗压强度.0.18Mpa下压10％时有回弹性抗拉强度.0.22Mpa弯曲度.30×30×280（㎜）90°以上扭曲度.30×30×280（㎜）70°以上开孔率10％左右且透气性良好阻燃性能达到B2级通过上述指标的实现解决了硬泡在用外墙外保温体系中的以下问题：①.主体结构变形时，硬泡可以通过其弯曲度，扭曲度将产生的应力释放，而不会断裂。②.在侧压力下由于削减的脆性有了“气垫效应“不会发生泡孔裂开，而保持原来状态。③.受外力冲击时，有了“气垫效应”起到了缓冲外力作用