节能背景下的建筑外墙保温层剪切粘接强度研究

2022-11-23姚震杰

粘接 2022年11期

姚震杰

(山东省东营市利津县博物馆，山东东营 257400)

建筑外墙保温系统的组成主要为保温层、保护层以及固定材料，保温层主要是对建筑物起到保护作用。其中保温层的粘接强度直接决定着保温层和结构层之间能否有效粘在一起。因此，需要研究外部保温层的粘接性能[1]。对于外保温的效果大部分重点都关注抗拉粘接强度，但鉴于各种材料的性质不同，对研究剪切粘接强度进行的实验也各有不同，具体方案仍需根据实验材料量身设计[2]。进行结构层与保温层之间的剪切粘接强度的研究，有利于完善外墙保温系统工程，而且能进一步确保外部保温工程施工质量，提高外墙保温系统的整体性能和建筑外表面的美观[3-4]。本文针对当前市面上常用的3种保温材料：挤出聚苯乙烯板(XPS)、膨胀聚苯乙烯板(EPS)和硬质泡沫聚氨酯板(PUR)作为研究对象，对其不同缺陷位置及其剪切粘接强度展开研究，以此对绿色节能背景下的建筑外墙外保温系统保温层剪切粘接强度整体认识。

1 外墙保温层种类

目前市场上的外墙外保温材料种类很种，本实验主要对以下3种外墙保温材料的相关性能及参数进行分析研究，其中：一种是板材保温材料；另一种是砂浆涂层保温材料[5]。在板材保温材料中，膨胀聚苯乙烯板和挤出聚苯乙烯板价格相对其他材料较低，具有较好的粘接性能；另一种PUR的粘接性能好，但价格相对较高。

1.1 挤出聚苯乙烯板(XPS)

挤压板(Extrude polystyrene)通常是用聚苯乙烯催化合成，在其中添加其他辅助材料聚合物，最后再通过挤压催化后的材料形成硬质泡沫板。这种材料表面上覆盖一层匀称的硬膜，内部形成蜂窝状的结构。通过这种特殊合成方式形成的保温层材料具有高压缩率、质量轻、不易吸收、相对耐磨、不分解等优质特性。XPS重要的一些性能参数如表1所示。

表1 XPS的技术性能Tab.1 The technical characteristicsof the extrude polystyrene board

1.2 膨胀聚苯乙烯板(EPS)

膨胀聚苯乙烯泡沫板[6]，这种材料的孔及其微小，符合保温层材料的性质，适用于建筑的外墙体保温系统和屋内的地暖等；EPS的主要性能指标如表2所示。

表2 EPS的主要性能指标Tab.2 The performance index of expandedpolystyrene board

1.3 硬质泡沫聚氨酯(PUR)

PUR产品市面上有2类：发泡材料产品和非发泡材料产品。发泡产品主要包括软质材料、硬质材料和半质PUR泡沫材料；非发泡产品有外墙、胶粘剂、粘接剂等。PUR板的性能参数如表3所示。

表3 硬泡聚氨酯板的主要性能指标Tab.3 The main performance index of rigid polyurethane foam board

2 影响保温层剪切粘接强度的因素

2.1 起鼓

由于各类建筑材料的发展，外部保温系统的材料逐渐普及，外墙保温系统也随着出现各式各样的问题，主要是保温板和外表层的大面积脱落、起鼓或开裂。鼓的类型是保温板的空鼓、虚拟贴纸、饰面层的鼓。

2.2 起缝

外墙保温技术在应用过程中由于材料的粘接强度的影响很容易出现起缝，墙保温层和耐久性会受到起缝的影响，严重的还可能减少建筑工程的整体寿命。外墙保温造成的起缝主要出现在水管、山墙、阳台和窗户墙[7]。产生的裂缝主要类型：墙起缝保护层(保护层)起缝、保温层引起的起缝和饰面层原因引起的起缝[8]。

3 XPS隔热层剪切粘接特性

由XPS板材料构成的薄抹灰外墙外保温系[9-11]，在材料的生产过程中加入多种助剂来挤出聚苯乙烯，以辅助粘接再加上机械固定的方法将保温板牢牢地固定在墙壁的外表面。用聚合物改性面团砂浆和内玻璃纤维网将复合材料嵌入涂层，可用作外表面装饰材料或轻质砖体结构的外墙保温系统[12-13]。关于XPS材料的外墙保温系统的主要性能如表4所示。

表4 挤塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统性能要求Tab.4 The capability of external thermal insulation composite systems based on extrude polystyrene

3.1 不同缺陷面积对于XPS保温层剪切粘接强度的影响

3.1.1试验方法

试件由经过标准调配的结构混凝土基层统一组成材料的粘接层和XPS保温层3个部分组成。本试验有8个组，每组有3个样本块。每组试验样品缺陷形式设置为统一的方形，样本块放置中均保持缺陷部位在中间靠下位置。各组试验样本情况如表5所示。

表5 各组试验样本块缺陷情况Tab.5 Test samples of each group

3.1.2粘接强度试验结果与分析

保温层的抗剪切强度根据式(1)计算，精度为0.001 MPa。

(1)

式中：f为抗剪切强度，MPa；P为最大破坏荷载，kN；L为受剪面的长度，mm；B为受剪面的宽度，mm。

图1为不同缺陷面积导致XPS保温层剪切粘接强度的变化情况。

图1 不同缺陷面积对XPS保温层剪切粘接强度的影响Fig.1 Effect of different defect areas on shear bondstrength of XPS insulation layer

由图1可知，在相同缺陷形状的情况下，随着缺陷区域增大的同时，样品的剪切粘接强度在一定范围内波动，最大位移和与苯板整个条带相对应的位移向右移动。当试验样品的缺陷面积超过62%时，由于缺陷面积过大，使得XPS隔热层剪切粘接强度出现很大的偏差。剪切粘接强度从原来的0.031 MPa直接下降为0.020 MPa；这种非线性的下降幅度在工程中上一定要避免的。

3.2 不同缺陷部位对XPS绝热层剪切粘接强度的影响

如图2所示，剪切粘接强度在很大程度取决于缺陷部分的位置，缺陷位置越在中心，保温层承受的剪切粘接强度就越小。

ZJ为中间以下靠近中心位置；ZX为左下方位置且靠近边角位置；ZZ为中间和下边缘中间位置。图2 不同缺陷位置对XPS保温层剪切粘接强度的影响Fig.2 Effect of different defect locations on shear bondstrength of XPS insulation layer

如果缺陷部件在中间以下，相对与中心位置的强度有所减少，XPS板保温层剪切粘接强度为0.029 MPa，前位移量为4.31 mm。如果缺陷部分位于左下方位置且靠近边角，XPS板保温层剪切粘接强度为0.018 MPa，前位移量为4.11 mm。缺陷部分在侧面时，XPS板保温层剪切粘接强度为0.023 MPa，前位移量为4.24 mm。这表明缺陷位置越靠近下边边缘位置，材料受力越不均匀，粘接强度也越小。当缺陷在保温板边上时，XPS保温层剪切粘接强度最小。

3.3 不同缺陷形状对XPS保温层剪切粘接强度的影响

剪切粘接强度取决于材料的缺陷形状，当缺陷形状不同时，相应的变形量也会有所不同。缺陷形状不同的剪切粘接强度大小：椭圆为0.039 MPa、正方形为0.027 MPa、菱形为0.064和三角形为0.015 MPa，相应的前位移分别为4.68、4.21、4.21和4.10 mm；根据调查结果可发现，保温层剪切粘接强度波动较大。由此表明，缺陷形状为矩形或者方形时剪切粘接强度较高，这也与其力学性能相符合；缺陷形状为菱形、三角形等，具有尖角形状的剪切粘接强度最低。

4 试验结果与分析

4.1 EPS隔热层剪切粘接特性

同XPS所进行的试验一样，研究对EPS保温层剪切粘接强度的影响。将EPS保温层剪切粘接强度与XPS剪切粘接强度进行对比，发现二者保温层剪切粘接强度变化曲线基本一致，在此不再赘述。不过，EPS由于材质的原因更容易发生形变，自身的形变会改变原来设置的目的影响因素；这对于试验的目的因素形成很大干扰，因此剪切粘接强度受各种影响因素变化小[14-16]。

4.2 PUR保温层剪切粘接性能

PUR板保温层剪切粘接强度也取决于缺陷形状、缺陷部分和缺陷形状。在本试验中，其试验步骤也和XPS、EPS完全一样，在此不再赘述。

根据缺陷区域、缺陷部分、缺陷形状等PUR剪切粘接强度，保温层基本上与XPS和EPS的试验结果相同[17-20]，但测试结果表明XPS保温层剪切粘接强度为0.017～0.039 MPa，EPS保温层剪切粘接强度为0.009～0.015 MPa，PUR保温层剪切粘接强度为0.037 ～0.049 MPa；这说明在所有影响因素相同的情况下，在控制变量范围内PUR保温层剪切粘接强度最大，EPS板最小。