建筑节能用竖丝岩棉复合板节能性能研究

建筑节能用竖丝岩棉复合板节能性能 研究

李军华 1 马彪 2 郭磊 2 宋健 2

1 天津天大建设工程科技有限公司， 2 天津建科建筑节能环境检测有限公司

摘要：本文主要结合建筑节能中外墙外保温系统技术体系对于保温材料的节能性能要求，针对竖丝岩棉复合板的节能性能进行研究，通过检测研究，研究分析了竖丝岩棉复合板的节能性能，以及建筑节能应用中的热缺陷效果，讨论了作为节能材料应用于建筑节能领域的可行性。通过综合分析，认为较之普通岩棉材料，竖丝岩棉复合板具有较好的节能性能，对于建筑节能构造，特别是外墙外保温系统中采用该材料具有较好的适用性和经济性。

关键字： 建筑节能 节能性能 热缺陷

Study on energy saving performance of vertical rock wool composite board for building energy saving

LI Jun-hua MA Biao GUO Lei Song Jian

Abstract：In this paper, combined the technology of exterior insulation system in building energy saving system for energy-saving performance requirement of thermal insulation material, energy-saving performance of wire for vertical rock wool composite panels, through test research, studied and analyzed the energy-saving performance of vertical wire rock wool composite panels, as well as the thermal defects of building energy saving application effect, discussed the feasibility as energy-saving materials applied in the field of building energy efficiency. Through comprehensive analysis, it is concluded that compared with ordinary rock wool material, the composite board of vertical silk rock wool has better energy saving performance, and it has better applicability and economy for building energy saving structure, especially for external insulation system of external wall.

Key words: Building energy conservation Energy-saving performance Thermal defects

一、前言

随着我国建筑外墙外保温技术的不断发展，建筑外墙保温材料的得到广泛的应用，其中岩棉材料因其优良的防火性能，较好的保温隔热性，特别是新版《建筑设计防火规范》GB50016-2014(2018版)^[1]发布实施以后，建筑外保温用岩棉制品在建筑围护结构技术领域得到大面积的推广和使用。岩棉制品是采用天然火成岩石（玄武岩、辉绿岩、安山岩等）经高温熔融，用离心力、高压载能气体喷吹而制成的纤维，加入适量热固性树脂胶粘剂及憎水剂后，经压制、固化、切割制成的材料制品^[2]。常用外墙外保温岩棉制品主要包括岩棉板和岩棉条，两者之间没有本质上的区别，岩棉条是将岩棉板以一定的间距切割成条状翻转90°使用的制品，该制品的厚度为切割间距，宽度为原岩棉板的厚度。

在岩棉制品在外墙外保温系统的应用过程中，该材料本身的一些缺点也逐渐显现，这些缺点主要是材料自身属性决定的。应用的缺点之一是岩棉材料自身力学强度不高^[3]，特别是岩棉板，抗拉强度和剪切强度表现较差，主要原因为岩棉制品是松散的纤维材料，纤维之间由热固性树脂胶粘剂粘结，在受到外部荷载作用下，抵抗荷载作用的主要为纤维之间的树脂粘接作用；其次是岩棉材料防水性能较差，高吸水性是无机多孔材料的通性，虽然岩棉制品在生产过程中加入了憎水剂，但只能赋予材料短期憎水能力，在长期浸水或高湿环境下，但由于材料本身的多孔性，该材料仍具有较强的吸水或吸湿能力

^[4]，并会产生较大的形变甚至破坏现象；第三，相对于有机保温板材，自重较大，对于整个外保温系统负荷远高于有机保温板材系统。第四，是岩棉材料在施工过程中，容易造成操作人员皮肤过敏等^[5]，主要是岩棉纤维收到外力，部分纤维端口发生断裂产生的碎屑，对人体的皮肤具有较强的刺激作用。

二、建筑节能用岩棉材料复合技术研究

近年来对于岩棉材料的改性研究逐渐成为热点问题，对于岩棉的改性，一些改性的方式在外墙外保温工程中已经得到广泛的应用。随着岩棉材料应用技术的不断发展，逐渐形成用岩棉条取代岩棉板的外墙外保温技术，主要原因为岩棉条的构造特点优是使用时岩棉纤维垂直于墙面，使得材料抵抗应力的方式由依靠岩棉纤维间的交接材料受力变为岩棉纤维受力，大大提高了材料的力学性能，特别是抗拉强度较高，但也损失了其节能性能，导热系数变高。同时由于目前岩棉制品生产工艺的局限，岩棉条的宽度（岩棉板的厚度），要达到质量要求，常用生产工艺只能生产150mm以下，较少厂家能够生产200mm宽的岩棉条，故外保温系统若大面积铺设岩棉条，施工程序将会增加，施工时间和成本势必将有所增加。

针对材料本身的多孔性，材料具有较强的吸水或吸湿能力，针对这一缺陷，目前采取生产过程中加入憎水剂，以解决岩棉材料短期的防水问题。对于岩棉材料自身的憎水功能而产生的与砂浆结合不良的问题，通常应用岩棉材料的表面涂布界面剂的处理技术，一定程度的解决了岩棉材料与砂浆（胶粘剂和抹面胶浆）界面形容性问题。

传统的对于岩棉应用缺陷的解决方案，并没有彻底的解决现有岩棉材料在应用中存在的问题，而要解决岩棉材料应用的缺陷，研究认为应该从问题的本质即岩棉材料本身出发，因此，近年来对于岩棉材料的改性研究逐渐成为热点问题，对于岩棉的改性，一些改性的方式已经得到广泛的应用，比如在岩棉生产过程中加入憎水剂，以及在使用前在岩棉材料的表面涂布界面剂，这两种措施主要解决了岩棉材料短期的防水问题和与砂浆（胶粘剂和抹面胶浆）界面形容性问题，对于整体性问题尚不能全面解决。

对于岩棉材料实质性的改性研究，目前主要的技术手段是采用复合其他材料的技术路线，主要的方式有两种：一种为将岩棉材料以填料的形式复合其他无机保温颗粒如膨胀珍珠岩、膨胀玻化微珠等，并通过无机胶凝材料粘结形成新型材料，该技术中，岩棉纤维与其他材料均匀的分布在材料体系中，无宏观上的界面，避免因界面结合不良产生材料结构或性能隐患，目前开展该技术措施的研究较多，但多处于研究阶段，未形成性能稳定可大面积推广的产品，其中最主要的原因是未解决保温隔热性能提升和降低吸水性问题；另一种技术措施，是将岩棉材料与其他材料在宏观层面上的复合，根据期望或要求，在岩棉表面附加一种或多种材料层，形成岩棉复合材料，如为提升整体的保温隔热性能，在岩棉外表面喷涂硬泡聚氨酯或粘接硬泡聚氨酯板、涂布保温砂浆、铝箔等。为提升整体的力学性能或抗裂性能，在岩棉材料两面或多个表面复合砂浆等具有一定力学强度的材料，如保温装饰板、增强岩棉复合板等，该技术措施的产品目前在行业内应用较为广泛，但仍存在自重较大的问题。

综合对于岩棉应用缺陷以及岩棉材料复合技术的研究，对于岩棉材料应用缺陷，采用复合的技术路线是解决应用缺陷的有效途径之一，若要进一步提升岩棉材料的使用性能，应该综合岩棉材料自身性能提升以及复合技术优化两个技术层面开展，近年来通过行业内对于岩棉复合材料的深入研究，研发出一种技术较为成熟的竖丝岩棉复合保温材料，该类材料将高性能岩棉条通过高强度胶粘剂粘接形成芯板，上下两表面喷涂聚氨酯粘结剂，将界面材料与芯材复合而成，界面材料通常由玻璃纤维、水泥等材料组成。该材料的结构及外形图见图1、图2。

图1 一种典型的竖丝岩棉复合板

该岩棉复合材料，岩棉芯材采用力学性能和保温性能相对较好的岩棉条（竖丝岩棉），进而保证整体材料的力学性能和保温隔热性能。并将岩棉条整合形成大面积芯板，使之材料更易于施工，克服了岩棉条施工复杂的缺点。外表面以低发泡的聚氨酯胶粘剂复合界面材料，一方面能够增强材料整体的保温隔热性能，另一方面对于岩棉条贯通的热桥起到封闭作用，第三低发泡聚氨酯胶粘剂具有较强的粘接能力，能够有效的连接芯材与界面材料。复合的界面材料，多为无机胶凝材料（如水泥）复合纤维材料（如玻璃纤维布等）并添加一定的防水剂等有机外加剂，在保证材料整体性的同时，能够提升材料的力学性能、防水性能和防火性能。

三、材料节能性能研究

材料的节能性能，一般指保温隔热性能，是影响围护结构或保温墙体保温性能的主要指标，对于保温材料而言，材料的保温隔热性能通常用导热系数或热阻（或传热系数）来表征，根据竖丝岩棉复合材料的结构特性，以及相关复合材料的指标配备情况，对于该材料，应该对其芯材（竖丝岩棉或岩棉条）的导热系数以及整板的传热系数分别进行要求。

根据研究前期设定的研究方法，将相关标准进行指标要求进行综合性研究，各标准对材料保温隔热性能的要求见表1

表1 岩棉条（或岩棉条复合材料）保温隔热性能要求

通过对以上各类标准对于岩棉条保温隔热性能要求的综合研究，发现目前最新（2018年以后）关于岩棉条导热系数的要求均为≤0.046W/(m·K)，因此针对于竖丝岩棉复合板芯材而言，应参照此规定进行，同时按照《外墙保温复合板通用技术要求》JG/T 480-2015要求，对于整体的复合板的热阻进行要求，要求应为“符合设计要求”。

为了验证该指标设置的合理性，抽取了3个厂家的竖丝岩棉制品，对其芯材岩棉条进行导热系数的检测，检测方法采用表3-1涉及标准中均采用的《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》GB/T 10294-2008进行检测，检测数据见表3-2。采用《绝热 稳态传热性质的测定 标定和防护热箱法》GB/T 13475-2008对厂家A不同厚度的竖丝岩棉复合板的热阻进行了检测，检测过程及数据见表2-3和图2-2.

表2 竖丝岩棉复合板芯材导热系数检测数据汇总表

表3 厂家A竖丝岩棉复合板热阻检测数据汇总表

图2 竖丝岩棉复合板热阻测试

通过对不同厂家的竖丝岩棉复合板芯材岩棉条进行导热系数的检测，研究发现，用于生产竖丝岩棉复合板的岩棉条的导热系数均满足≤0.046W/(m·K)的要求充分验证了该指标设置的合理性。部分厂家产品可达到对于岩棉板导热系数≤0.040W/(m·K)的标准，显示其优良的保温隔热性能。

对于复合板的热阻要求，按照《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021，按照天津地区外墙传热系数最高要求（≤0.35W/(m²·K)），以200mm厚的混凝土墙体复合20mm找平砂浆基层墙体为基层，达到要求的保温层热阻须达到2.5(m²·K)/W，若采用岩棉条，需要120mm，若采用竖丝岩棉复合板，100mm即可，基本与岩棉板和模塑聚苯板的厚度一致。通过以上分析，竖丝岩棉复合板具有具有较好的保温性能和经济性。

四、节能

缺陷研究

本文在上一节研究了竖丝岩棉复合板的节能性能，研究表明该材料具有较好的节能性能指标，为了进一步研究该材料在应用中的节能性能，本研究继续开展了应用该材料所形成的的外墙外保温系统的节能缺陷研究。

本研究采用《居住建筑节能检测标准》JGJ/T 132-2009中外围护结构热工缺陷的检测方法，对于采用竖丝岩棉复合板为保温材料的建筑外墙外保温系统试件采用红外热像仪进行热工缺陷测试，检测结果见图3。

图3 外热像仪测试热工缺陷图

通过对热缺陷检测形成的红外热线图进行分析，表明应用竖丝岩棉复合板形成的外墙外保温构造的热缺陷效果与常用保温材料形成的外保温节能构造系统无较大的区别，如图，室内热桥区域，主要为红色区域和黄色区域，红色区域表面温度高于黄色区域，说明红色部位的热桥效应更高，热流失更多，红色区域主要分布在试件边缘，黄色区域主要分布在保温板接缝处，经分析红色部位主要为试件与设备安装密封不完善造成，而黄色部位主要为保温板接缝处未进行密封处理产生，因此在应用过程中，产生类似于红色部位的热桥可能会出现在空调孔洞等需要破坏保温构造的部位，而对于保温材料的板缝，由于保温板之间无法实现完全闭合，出现热桥是符合客观规律的，因此在使用时可采用聚氨酯泡沫密封胶进行密封。

通过计算受检外表面的热缺陷区域，其热缺陷区域占到的受检区域总面积的13%，居住建筑节能检测标准》JGJ/T 132-2009中小于20%的要求，同时，还要考虑到因实验室安装试件的原因，热缺陷区域面积比例可能比实际使用中立略大。综合以上分析，建筑外墙外保温节能构造中应用竖丝岩棉复合板，与其他保温材料在保温系统中产生的热缺陷类别相一致，不会造成额外的热缺陷。

四、小结

综合对于竖丝岩棉复合板的特性研究，结合建筑节能中外墙外保温系统技术体系对于保温材料的节能性能研究，通过检测研究，研究分析了竖丝岩棉复合板的节能性能，以及建筑节能应用中的热缺陷效果，讨论了作为节能材料应用于建筑节能领域的可行性。通过综合分析，研究认为较之普通岩棉材料，竖丝岩棉复合板具有较好的节能性能，对于建筑节能构造，特别是外墙外保温系统中采用该材料具有较好的适用性和经济性。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑设计防火规范GB50016-2014(2018版) [S].中国计划出版社，2018

[2]天津市住房和城乡建设委员会.天津市岩棉外墙外保温系统应用技术规程 DB/T 29-217-2019 [S].天津市建材业协会，2019

[3]彭罗文等.建筑外墙保温岩棉应用存在的若干问题及解决方案探讨[J].墙材革新与建筑节能，2018,9

[4]马彪，郭磊等.高温高湿条件下薄抹灰外墙外保温系统抹面层与保温材料协调性研究[J].绿色建筑，2018（3）

[5] 王川等.增强竖丝岩棉复合板外保温系统的研究[J].建设科技，2018,6