屋面喷涂硬泡聚氨酯的保温防水机理及应用分析

秦景燕，王传辉，江　波，储劲松（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068）

屋面喷涂硬泡聚氨酯的保温防水机理及应用分析

秦景燕，王传辉，江波，储劲松
（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068）

阐述了屋面喷涂硬泡聚氨酯的保温防水机理，分析了该材料用于屋面系统的技术优势及材料配方、屋面构造设计及施工等应用注意问题，为在建筑节能领域推广硬泡聚氨酯屋面保温防水一体化材料提供参考。

喷涂硬泡聚氨酯；防水保温一体化；屋面；节能

喷涂硬泡聚氨酯材料导热系数极低，既保温又防水，易满足建筑节能要求，是目前实现建筑屋面保温防水一体化的新型节能建筑材料。硬泡聚氨酯屋面保温防水技术在我国新建和既有房屋修缮改造工程的应用上已积累了许多成功经验，其中采用喷涂工艺的硬泡聚氨酯保温、防水及节能效果更显著。本文阐述了屋面喷涂硬泡聚氨酯的保温防水机理，分析了该材料用于屋面系统的技术优势及其施工应用，为在建筑节能领域推广硬泡聚氨酯屋面保温防水一体化材料提供参考。

1　屋面喷涂硬泡聚氨酯的保温防水机理

喷涂硬泡聚氨酯是采用异氰酸酯、多元醇及发泡剂等添加剂，现场使用专用喷涂设备，在基层上连续多遍喷涂发泡聚氨酯后，形成的致密无接缝的硬质泡沫体。屋面用喷涂硬泡聚氨酯按材料物理性能可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3种类型，其物理性能要求见表1。Ⅰ型具有优异保温性能，用作屋面和外墙保温层；Ⅱ型除优异保温性能外，还具有一定防水功能，与抗裂聚合物水泥砂浆复合使用，用作屋面复合保温防水层；Ⅲ型除优异保温性能外，还具有较好的防水性能，是一种保温防水功能一体化材料，用作屋面保温防水层［1］。

表1　屋面用喷涂硬泡聚氨酯物理性能

1.1防水机理

（1）硬泡聚氨酯属于高分子泡沫塑料，具有憎水性，其自身吸水率极低（≤1%），闭孔率高达95%以上，具有较低的水蒸气渗透性和优良的不透水性。

（2）聚氨酯硬泡体为连续致密、无接缝的完整不透水层，具备一定防水功能，在屋面系统中可代替1道防水层使用。

（3）硬泡体具有一定弹性，延伸率达10%以上，能适应屋面基层变形，避免开裂渗漏。

（4）硬泡聚氨酯与混凝土、金属、木材、砖石、砌块等多种基面均有良好粘结力。现场高压喷涂发泡固化技术使发泡体能渗入主体结构缝隙，起到密封作用，其与基层面的粘结强度大于硬泡体本身的撕裂强度，硬泡层底面能与屋面基层牢固粘结，顶面能与材料性质相匹配的保护层紧密结合，屋面整体性好，无分层现象，可避免屋面水沿层间缝隙渗透。

1.2保温机理

（1）硬泡聚氨酯闭孔率高、密度小、导热系数低、隔热保温性能好。聚氨酯硬泡体是由聚氨酯构成众多闭口微孔骨架，气孔内为导热系数很低的发泡剂蒸汽的泡沫体。聚氨酯硬泡体的导热系数主要由充填气体的导热系数来决定。采用无氟发泡剂形成的均匀致密闭口孔内充满了导热系数极低的发泡剂蒸汽，当密度为35～40 kg/m3时，其导热系数仅为0.018～0.027 W/（m·K）。

（2）聚氨酯硬泡体表面致密憎水、耐水、抗冻和耐腐蚀性好，避免了材料因受潮受冻而使保温性能下降［2］。

2　喷涂硬泡聚氨酯防水保温一体化屋面系统的技术优势

屋面防水与保温是相互依存、相互影响的，防水层破坏渗水会造成保温层失效，保温层失效含水也会导致防水层破坏，屋面工程应同时兼顾防水及保温两方面。传统屋面系统防水和保温是2个独立体系，其存在的问题是：屋面构造复杂，维修困难，成本高；采用的无机保温材料寿命太短，有机保温材料又污染环境。喷涂硬泡聚氨酯克服了传统建筑材料功能单一，即保温材料不防水、防水材料不保温的局限性，真正实现材料防水保温一体化。喷涂硬泡聚氨酯防水保温一体化屋面系统的技术优势如下：

（1）简化屋面构造，使防水保温一体化。改变了传统屋面防水、保温分层做法，使保温层和防水层合二为一，可使屋面构造简化，经济适用。

（2）粘结牢固，抗风揭能力强，方便屋面改造及维修。硬泡体具有良好粘结力，适用多高层建筑和风较大地区建筑物外墙及屋顶保温，特别是沥青类和高分子类防水卷材与防水涂料旧防水层，只需清除起鼓、疏松部分，与基层结合牢固的部位可直接在其表面喷涂硬泡聚氨酯，这对旧屋面修缮十分方便，且可减少垃圾清运量。

（3）防水、保温及节能效果好。高闭孔率、憎水、无拼接缝、整体性好的硬泡体防水性能可靠。硬质聚氨酯泡沫是国内现有建筑保温材料中密度小、导热系数最小、热阻值最高的保温材料。硬质聚氨酯泡沫25℃时的导热系数低至0.024W/（m·K）以下，而聚苯乙烯泡沫板导热系数为0.05 W/（m·K），水泥珍珠岩导热系数为0.1 W/（m·K）。用于建筑屋面或外墙时厚度小、热阻大，保温、隔热、隔声性好，可减缓热胀冷缩变形，具有长期节能效益。在一般居住建筑物中使用硬泡聚氨酯做防水保温层，其厚度仅为传统材料厚度的1/3，其热阻值却是传统材料的3倍。在同样节能要求前提下，硬泡聚氨酯的厚度最小或在同样厚度前提下硬泡聚氨酯节能效果最好。

（4）施工快捷，适应性强。采用机械化喷涂施工，速度快，工期短；一套进口设备在良好条件下每天理论喷涂面积为800～1000 m2，比传统防水、保温材料施工时间节省80%。适于各种形状及材质屋面，特别是构造物较多的屋面、别墅、异型屋面等更具优越防水保温性能。

（5）比强度高，自重轻，屋面荷载轻，安全性好。屋面荷载是使用传统材料的1/3，更适合大跨度、薄壳建筑屋面的防水保温。在设计屋面板或用于钢结构大跨度屋面时可减少钢材用量，降低工程造价。

（6）抗压强度较高，尺寸稳定性好。抗压强度≥0.3 MPa，低温时强度还会有所提高，可满足屋面不同使用功能需求。在-20℃存放24 h，硬泡体线性变化率小于1%，尺寸稳定性好。

（7）环保，性能稳定，寿命长。无氟发泡技术，不破坏大气层。耐弱酸、耐碱，低温-50℃不脆裂，高温150℃不流淌，阻燃性能B2级，遇明火只碳化，且碳化的聚氨酯硬泡可阻隔火势蔓延。屋面使用寿命超过30年。

喷涂硬泡聚氨酯适用于各种不同气候条件工业与民用建筑屋面和外墙的保温防水工程，其保温隔热效果可满足我国建筑节能标准要求；尤其适用于高层和风较大地区建筑外墙及屋面的保温防水一体化工程；也可与其它防水材料复合，适于防水等级为Ⅰ～Ⅳ级、各种材质（混凝土、金属、木材等）及基层形状（平、斜、大跨度金属网架结构、异型）屋面及外墙的防水保温工程，特别适合低建筑荷载要求、异型复杂、施工周期要求短的屋面和旧屋面维修翻建等工程［3］。

3　屋面喷涂硬泡聚氨酯的应用分析

3.1配方研究

喷涂硬泡聚氨酯的配方一般为A、B两组分，A组分为含异氰酸酯基的二元或多元有机异氰酸酯，B组分为含活泼氢的聚醚多元醇或聚酯多元醇和发泡助剂等，A、B两组分在现场混合，边施工边发泡。喷涂硬泡聚氨酯的配方设计要点如下：

（1）多元醇：选用相对分子质量为400～800、官能度为3～8的聚醚型多元醇，具体品种为（3～8）羟基聚氧化丙烯醚，也可用多种聚醚搭配使用，一般以其100份为基准。

（2）异氰酸酯：可选用TDI、MDI及PAPI三类，用量为多元醇聚醚的1.3～1.5倍。

（3）发泡剂：以外加物理发泡剂为主，有二氯乙烷、异戊烷等，用量为40份左右。另外可加入少量水。

（4）催化剂：胺类和锡类并用，如N，N一二甲基环己胺、三亚乙基二胺等胺类及二月桂酸二丁基锡催化剂，用量为0.5～5份。

（5）泡沫稳定剂：常用硅油及硅酮类，有有机硅、丙二酮等，用量为0.5～1.5份［4］。

改变异氰酸酯类化合物和多元醇的化学特性、结构、分子大小和配比可得到不同性能的聚氨酯泡沫体。在聚醚或异氰酸键上引入卤素、磷、锑等阻燃元素或添加二氯乙基磷酸酯等阻燃剂可得到阻燃硬泡配方。针对低于15℃低温环境下硬泡聚氨酯喷涂不能施工的限制问题，南京初牛科技有限公司制备了一种非热敏催化剂，经试验表明：该催化剂对温度不敏感。通过适当调整配方，采用该催化剂配制的硬泡聚氨酯在环境温度11℃下不仅能施工，而且性能完全满足标准要求，从而解决了施工现场随环境温度降低需增加催化剂用量和硬泡体质量不合格的问题［5］。

3.2施工条件要求

（1）屋面基层

硬泡聚氨酯保温防水层必须在屋面其它设备安装结束，屋面天沟、阴阳角、水落管等节点按规范处理，找平层完工满足屋面排水要求后才能施工。为保证形成的泡沫层厚度均匀且与屋面基层粘结牢固，要求屋面基层表面平整、牢固、干燥、无油污、干净。

（2）环境条件

施工环境温度过低或空气相对湿度过大均会影响发泡反应，尤其是环境温度对聚氨酯发泡影响很大。环境温度高可加快反应速度，泡沫发泡充分，泡沫表层和芯部密度接近；环境温度低，部分反应热会散发到环境中，不但使泡沫成型变慢，收缩率增大，也增加了材料用量。施工时喷涂发泡机将原料混合后以雾化状态喷出，若风速过大将会吹走雾化颗粒和反应热量，不但使产品表面变脆，难以形成均匀壳体，而且泡沫四处飞扬，将造成原料损耗和环境污染。喷涂硬泡聚氨酯施工时要求环境温度≥10℃，以15～30℃为宜，风力不得大于3级，风速在5 m/s以下，空气相对湿度宜小于85%。气温过低或雨、雪、雾天气不能进行喷涂，当施工中途下雨、下雪时要采取覆盖措施，风速大于3级时应采取挡风措施。

3.3屋面构造设计

喷涂硬泡聚氨酯屋面保温防水工程应根据工程特点、地区自然条件、使用功能等情况进行构造层次设计。保温防水层的设计厚度，应根据国家和本地区现行建筑节能设计标准规定的屋面传热系数限值进行热工计算确定。在硬泡聚氨酯表面涂刷界面剂、刮涂抗裂聚合物水泥砂浆复合层、涂刷防护涂料或做其它防水层时，为保证粘结紧密，应考虑相邻材料的相容性，不得使用会溶解、腐蚀或与硬泡聚氨酯发生化学反应的材料。喷涂硬泡聚氨酯屋面保温防水工程构造见表2。

表2　喷涂硬泡聚氨酯屋面保温防水工程构造

硬泡聚氨酯不耐紫外线老化，在阳光长期照射下易粉化影响寿命，因此其表面要设保护层。非上人屋面喷涂Ⅲ型硬泡聚氨酯做保温防水层时，应在其表面涂刷耐紫外线的防护涂料；喷涂Ⅱ型硬泡聚氨酯时，应在其上刮涂3～5 mm厚抗裂聚合物水泥砂浆，构成复合保温防水层。抗裂聚合物水泥砂浆层兼有防水和保护层作用，其内部网络结构能承受一定的弹性变形，若受到外力作用碎裂时，因砂浆层厚度较小也不易形成尖锐棱角而破坏结皮层。上人屋面用细石混凝土或块体材料作保护层，因硬泡体表面凹凸不平，硬泡体和细石混凝土的膨胀收缩应力不同，因此在两者间要设置隔离材料。严禁在硬泡体上直接浇筑混凝土做保护层。如某写字楼工程在40 mm厚硬泡聚氨酯保温防水层上直接浇筑40 mm厚C20混凝土保护层，在混凝土浇筑过程中破坏了结皮层而出现屋面严重渗漏。沈阳军区某营房改造在屋面喷涂30 mm厚硬泡聚氨酯保温防水层，并在其上抹20 mm厚水泥砂浆保护层。经5年检验无渗漏，防水节能保温效果显著［6］。

3.4喷涂施工

（1）原材料

喷涂硬泡聚氨酯所用的MDI（黑料）一般属于通用料，而组合多元醇（白料）则是各企业根据自己配方混合而成。不同的黑白料配方需要使用与之相匹配的喷涂设备和喷涂参数才能保证硬泡聚氨酯的质量。因此，原材料最好采用同一厂家配套黑白料。

（2）喷涂设备及人员

要采用专用喷涂设备和专业施工人员，施工人员应了解产品及设备使用基本知识，能根据环境变化调节黑白料配比及设备温度和压力。施工前，技术主管人员应根据使用材料及施工环境条件提出施工参数和欲调方案。

（3）施工操作

施工人员要确保黑、白料配比准确，压缩空气压力稳定。喷嘴与施工基面间距宜在800～1200 mm，以保证聚氨酯硬泡体厚度均匀又不会使材料飞散。施工要分3～4遍喷涂。一是为及时控制、调整喷涂层厚度，减少收缩影响；二是可增加结皮层，提高防水效果。每遍喷涂厚度宜控制在10～15 mm，每遍喷涂间隔时间必须大于20 min，上下相邻层喷涂方向要互相垂直。当日施工作业面必须于当日连续喷涂完毕。喷涂施工时周围应采取遮挡措施，避免物料飞散污染环境，并采取有效防火措施。施工完成后20 min内严禁站人及行走，应及时做好成品保护；严禁在硬泡体上明火及电焊作业、凿孔打洞、增设构筑物、重物撞击或热熔施工。

3.5质量验收

喷涂硬泡聚氨酯保温防水工程施工应按层次、工序进行过程控制和质量检查，不允许在全部工程完工后才进行一次性的检查与验收。施工的每道工序完成后，应经监理或建设单位检查验收，合格后方可进行下一道工序施工。

4　结语

随着人们节能和环保意识的不断提高，研制和开发多功能新型建筑材料，将成为改善建筑人居环境、降低建筑能耗的有效途径。在全球节能减排的大趋势下，建筑节能标准将会随着时间的推移不断提高。喷涂硬泡聚氨酯集保温、防水等多功能于一体，是一种能减轻建筑物自重、降低造价、节能降耗、操作简便、适应性强且耐用的保温防水一体化材料，已成为我国新、旧建筑屋面防水保温工程中推荐采用的节能产品，其市场潜力广阔。

［1］GB 50404—2007，硬泡聚氨酯保温防水工程技术规范［S］.

［2］沈春林.聚氨酯硬泡防水保温材料［M］.北京：中国质检（标准）出版社，2014.

［3］裘著崑.聚氨酯硬泡体防水保温一体化屋面系统及其应用［J］.中国建筑防水，2009（增刊）：16-19.

［4］田雁晨.建筑保温泡沫塑料配方设计［J］.化学建材，2007（6）：29-31.

［5］郑生力.非热敏催化剂型喷涂聚氨酯硬泡研究［J］.中国建筑防水，2012（6）：4-6.

［6］刘美丽，平玉柱，李效华，等.聚氨酯泡沫在屋面保温防水中的应用［J］.聚氨酯工业，2002（3）：35-37.

Waterproofing and insulation mechanism and application analysis of spraying rigid polyurethane foam on roof

QIN Jingyan，WANG Chuanhui，JIANG Bo，CHU Jingsong
（College of Civil Engineering&Architecture，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，Hubei，China）

The waterproofing and insulation mechanism of spraying rigid polyurethane foam on roof is elaborated in this paper.The technical advantages of applying this material in roof engineering are analyzed.The material formulation，roof designing and constructing and other related issues in application are discussed.This paper provides a reference to promoting rigid polyurethane foam in integration of waterproof and insulation in building energy conservation

rigid polyurethane foam，integration of waterproof and insulation，roof，energy saving

TU56+1.65

A

1001-702X（2015）12-0086-04

2015-09-06

秦景燕，女，1964年生，河南偃师人，副教授，主要从事防水材料与工程专业教学和科研工作。