外墙外保温体系保温层与基层墙体的联接机理研究.docx

外墙外保温体系保温层与基层墙体的联接机理研究张春侠，王命平（青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 $II,）摘要：介绍国内常用的 种外墙外保温体系混凝土外墙复合现浇浅槽聚苯板外保温体系、粘贴聚苯板外保温体系、混凝土外墙复合现浇聚苯板外保温体系与机械固定聚苯板外保温体系，研究外墙外保温体系保温层与基层墙体的联接机理。关键词：外墙外保温体系；保温层；基层墙体；连接机理中图分类号()*!#文献标识码(+文章编号(!,!&-,$.（$,）,/&,&,!#$%&$(0123 45678 19 :;%= :;:3513 5682=%516 8?8: 282%=? 28:7 56 AB56% %3: 563172C:7 5#:#C16C3:;%= C1D1267 C%8&56&85 8=1 D1=?DB:6?= D%6:=E%7B:85F: D1=?DB:6?= D%6:=EC16C3: :;%= C1G D1267 C%8&56&852 D1=?DB:6?= D%6:= %67 :CB%65C%=? 95;:7 D1=?DB:6?= D%6:= :;:3513 5682=%516 8?8:8#)B: C166:C516:CB%658 H:6 5682=%516 =%?:3 19 :;%= :;:3513 5682=%516 8?8%= 58 8275:7#)*+ ,-%.#(:;%= :;:3513 5682=%516 8?8:；5682=%=；C166:C516 :CB%658随着建筑节能工作的进一步开展，外墙外保温作为一种主导性的节能措施被大量应用于各项建筑工程中。外墙保温材料 常用聚苯乙烯泡沫塑料板（简称聚苯板），而工程中需要保温的 墙体种类繁多，对于不同的基层墙体自然需要采取适用的外保 温方式。研究各种外保温体系的保温层与基层墙体的联接机 理，对深入探讨外墙外保温体系的可靠度具有重要意义。图 ! 浅槽聚苯板纵截面示意该体系适用于钢筋混凝土墙体。开有浅槽的聚苯板与基 层墙体一次性浇筑成型，使聚苯板与混凝土有机的结合在一 起，必要时辅以锚栓拉结。抹灰层采用聚合物抗裂砂浆，压入 耐碱玻纤网格布增强；涂料饰面。构造示意如图 $（%）所示。!国内常用的 种外墙外保温体系!#!混凝土外墙复合现浇浅槽聚苯板外保温体系在聚苯板上开出一些细窄的浅槽，称为浅槽聚苯板，浅 槽有平槽与燕尾槽 $ 种，其板型纵截面如图 ! 所示。图 $外保温体系构造示意!&基层墙体；$&保温层及联接固定方式；&抹灰层；&饰面层收稿日期：$,&,-&,I作者简介：张春侠，女，!/-J 年生，山东青岛人，硕士。地址：青岛市抚顺路 ! 号，电话：!K!K$I-!。! # $ % & ( & ! ) * + , - & + .保温材料与建筑节能!#$%&() *&+,(&%# &- .$(%-(/ 0+,/1 2&3(/!# 粘贴聚苯板外保温体系该体系适用于钢筋混凝土墙体及各种砌块墙体，施工时 直接将聚苯板粘贴于外墙表面，若外墙表面的抗拉强度小于$! %& 或表面不易粘贴聚苯板时，可用锚栓辅助固定聚苯 板(!)。其抹灰层采用聚合物抗裂砂浆薄抹灰，压入耐碱玻纤网 格布以增强抹灰层防裂及抗冲击性。饰面层为涂料。其构造 示意如图 #（*）所示。!+ 机械固定 ,-! 聚苯板外保温体系,-! 聚苯板为腹丝非穿透型的钢丝网架聚苯板，其断面 如图 +（）所示。（#）物理机械锚固作用聚苯板是由可发性聚苯乙烯颗粒经加热预发泡后在模 具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料 板，其表面不可避免地存在一些孔隙与凹坑，如图 / 所示。 浇筑混凝土时，由于液体压力的作用，混凝土中的水泥浆便 渗透、填充进这些孔隙与凹坑中，当混凝土凝结后产生强 度，这些填充的水泥浆就在聚苯板表面形成了一种“爪抓” 作用。对于聚苯板这种多孔性材料来讲，聚苯乙烯颗粒越 大，颗粒间的孔隙也越大，所形成的物理机械锚固作用也越 大。图 / 聚苯板的表面状况（+）聚苯板与混凝土之间的摩擦阻力当聚苯板受到平行于粘结面的荷载作用时，除了前 # 种 粘结作用外，聚苯板与混凝土的粘结面上还存在摩擦阻力， 摩擦阻力只有当粘结面发生破坏时才发挥作用。粘结面上的 化学胶结力与物理锚固力先后失效后，粘结力由摩擦阻力来 提供，其作用的大小取决于聚苯板与混凝土之间的摩擦系数 以及粘结面上正应力的大小。如果最终破坏面发生在聚苯板 内，则粘结面上不产生摩擦阻力，极限破坏荷载取决于聚苯 板的抗剪强度。#!#齿槽聚苯板与混凝土联接机理(#)（!）化学胶结力与表面物理机械锚固作用其作用机理同平面聚苯板。浅槽聚苯板上细窄的浅槽增 加了聚苯板与混凝土粘结面积，其化学胶结力以及表面的物 理机械锚固作用要大于同样投影面积下的平面聚苯板。（#）摩擦阻力由于齿槽形聚苯板无论受到何种方向的荷载作用，总有 些粘结面垂直于荷载作用方向，有些粘结面平行于荷载作用 方向，故只要粘结面发生破坏，粘结面上就会产生摩擦阻力， 如图 1 所示。图 + 钢丝网架聚苯板断面示意该体系适用于钢筋混凝土及各种砌体墙。施工时将 ,-! 聚苯板用锚栓、网卡（或锚筋）固定于基层墙体上。抹灰层采 用水泥砂浆（掺抗裂剂），聚合物抗裂砂浆罩面，罩面层中压 入耐碱玻纤网格布以增强抹灰层的抗冲击性及抗裂性，采用 涂料饰面。构造示意如图 #（.）所示。!/ 混凝土外墙复合现浇 ,-# 聚苯板外保温体系,-# 聚苯板是以聚苯板为母材，其内分布双向斜插穿透 型的镀锌钢丝，外覆焊接的镀锌钢丝网片形成的钢丝网架聚 苯板，其断面如图 +（*）所示。该体系适用于钢筋混凝土墙体， 施工时将 ,-# 聚苯板与基层墙体一次浇筑成型，并辅以锚筋 拉结。抹灰层为掺抗裂剂的水泥砂浆时，可采用面砖饰面；抹 灰层采用水泥砂浆，并用聚合物抗裂砂浆罩面时可采用涂料 饰面。构造示意如图 #（0）。# 外保温体系保温层与基层墙体联接机理#! 齿槽联接这种联接方式是依靠齿槽聚苯板与现浇混凝土墙的粘 结力来固定保温层。#! 平面聚苯板与混凝土的粘结机理（!）聚苯板表面与混凝土之间的化学胶结力或称吸附力 这实际上是一种化学键作用机理，即混凝土与聚苯板通过分子间的范德华力或可反应官能团之间的化学键形成粘 结效果。这种化学胶结力或称吸附力由于产生在无机材料混 凝土与有机材料聚苯乙烯发泡板之间，因此数值非常小，当 粘结面发生相对位移而脱开时，该力自行消失。图 1摩擦力的产生示意+/新型建筑材料!#$%!#$%&() *&+,(&%# &- .$(%-(/ 0+,/1 2&3(/保温材料与建筑节能（!）机械咬合力齿槽聚苯板与混凝土的粘结试样在加载初期，随着荷载 增大，化学胶结力逐渐失效，粘结面开始滑移，混凝土肋对聚 苯板的挤压作用及粘结面上混凝土与周围聚苯板的摩擦力 构成了滑动阻力的主要部分。肋的斜向挤压力产生“楔”的作 用，其垂直加载方向的分量将不断挤压聚苯板，平行于加载 方向的分量构成了与摩擦阻力共同作用的滑动阻力，如图 所示。整个过程中，斜向挤压力的作用方向不断调整，最终可 能导致聚苯板与混凝土的拉脱，也可能造成混凝土肋脊处聚 苯板由于应力集中而破坏。图 ,齿槽聚苯板与混凝土粘结试件破坏曲线从图 , 可以看出，初始施加拉力时，化学胶结力占主导地位，随着荷载的加大，化学胶结力逐渐失效，物理机械锚固力开 始起作用，直到粘结面脱开。粘结面一旦脱开，齿槽肩部的摩擦 力开始起作用，平槽聚苯板与混凝土粘结试样在克服摩擦力后 直接沿粘结面拉脱，表现在破坏曲线上是下降段陡直；而燕尾 槽聚苯板与混凝土粘结试样则继续由机械咬合力发挥作用，直 至破坏。燕尾槽聚苯板与混凝土粘结试样的负荷位移曲线的 下降段先陡后缓，这是由于曲线在达到最大值后摩擦力迅速失 效，此时只有聚苯板齿槽部位依靠其变形能力来承担负荷，而 齿槽的破坏具有一定的延性，因此其下降段的尾部变得平缓。 试验结果表明，燕尾槽的极限抗拉强度比平槽的约高 #-.；从 破坏形式上看，平槽聚苯板与混凝土在粘结面处完全拉脱，聚 苯板凸脊有轻微破坏；燕尾槽聚苯板与混凝土拉脱后凸脊处被 剪坏。这说明在燕尾槽的凸脊保存完好的情况下，燕尾槽聚苯 板的机械咬合力大于平槽聚苯板的机械咬合力。本试验测得齿槽聚苯板与混凝土的拉伸粘结强度约为-$%! /01，而平面聚苯板与混凝土的拉伸粘结强度约为 -$-/01，足见机械咬合力在齿槽聚苯板与混凝土的联接中的重 要作用。#$#胶粘剂粘接2#3这里的胶粘剂是以含一定量石英砂的聚合物为主与水 泥和水混合而成的聚合物水泥胶浆，也称粘结胶浆。粘结剂 中所含的聚合物必须满足以下要求：一是聚合物可以溶于水 中，或者在水溶液中可以均匀地分散成悬浮的乳液；二是聚 合物粘结胶浆具有优良的粘结性能以及良好的耐候性、耐水 性等特点；三是满足与聚苯板等有机材料的相容性。目前，以 水性的丙烯酸乳液配制的胶粘剂使用最为广泛。在聚苯乙烯保温板外保温体系中，需要粘结的材料主要 有 # 种：基层墙体和聚苯板。这 # 种材料中，聚苯板是非极性 材料，即低表面能材料，而基层墙体为极性材料即高表面能材 料。丙烯酸系聚合物是极性的，并具有高表面能，所以，它与基 层墙体有较好的粘结性能，而与聚苯板的粘结性能较差。胶粘剂充当基层墙体与保温层的联接媒介，同时要保证 与基层墙体及与聚苯板粘结牢固。丙烯酸乳液配制的胶粘剂图 机械咬合力示意根据现场拉拔试验，浇筑在混凝土中的燕尾槽聚苯板其 凹底与混凝土界面处均完好脱离，而凸脊处均被拉坏，证明 齿槽聚苯板与混凝土之间的吸附力并不可靠，二者联接主要 依靠齿槽产生的机械咬合力。#$%$!齿槽聚苯板与混凝土联接力的影响因素（%）聚苯板的密度建筑保温工程常用的聚苯板密度一般为 %&# () * +!， 不同密度的聚苯板与混凝土之间的粘结破坏方式有所不同。 低密度聚苯板与混凝土的粘结试样，其破坏一般发生在聚苯 板内部；高密度聚苯板与混凝土粘结试样，其破坏一般发生 在聚苯板与混凝土的粘结面上。究竟发生何种形式的破坏取决于粘结力及聚苯板本身 抗拉强度的大小。低密度聚苯板抗拉强度较低，其颗粒较粗 大，且颗粒间结合松散，其表面的孔隙与凹坑也较大；高密度 聚苯板抗拉强度高，其颗粒间结合较为紧密，其表面的孔隙 与凹坑相对较小。这样，一方面，低密度聚苯板能够与混凝土 形成的有效粘结面积大于高密度聚苯板；另一方面，低密度 聚苯板表面形成的机械锚固作用也大于高密度聚苯板。低密 度聚苯板与混凝土粘结试样的拉伸粘结强度实际为聚苯板 的抗拉强度，破坏自然发生在聚苯板内部；而高密度聚苯板 其抗拉强度大于粘结强度，因此，破坏发生在粘结面。（#）聚苯板的齿槽形状对高密度燕尾槽聚苯板、平槽聚苯板与混凝土的粘结试 样分别进行拉伸粘结试验，得出二者的破坏曲线如图 , 所 示。!4! # $ % & ( & ! ) * + , - & + .保温材料与建筑节能!#$%&() *&+,(&%# &- .$(%-(/ 0+,/1 2&3(/具有良好的亲水性，能完全浸润砂浆或混凝土等固体表面，因此与基层墙体的粘结强度较高，标准状 态 下 不 小 于 !#$%&，浸水后强度不小于 ! $%&()*；而水性的乳液不能完全 浸润聚苯板等有机材料，因此，与聚苯板的粘结强度相对较 低，只能保证在干燥状态下与浸水后的强度不小于 !) $%&。 具体来讲，粘结剂的粘结作用来自于以下 + 个方面：（)）表面机械结合砌体材料、混凝土为多孔类材料，其表面比较粗糙，在表 面分布众多的贯通型或非贯通型的孔洞，当水性乳液类建筑 粘结剂均匀抹涂到砂浆、混凝土表面时，胶粘剂会渗透到这 些凹凸不平的孔洞中，固化后就象众多的“微钩”，把胶粘剂 与被粘物类似机械力联接在一起。聚苯板虽然也是多孔类材 料，与结构材料不同的是，其分子为非极性的，不能被水性胶 粘剂所浸润，胶粘剂也不易达到聚苯板的孔隙中，因而难于 以这种机械作用结合。（,）表面吸附结合砌体、混凝土等固体的表面由于范德华力的物理作用， 能够吸附液体和气体。在粘贴聚苯板时，粘结剂中所含的水 性乳液能够完全浸润基层墙体的表面，使基层墙体牢牢吸附 这层胶；而聚苯板的表面由于不能完全被水性乳液所浸润， 其产生的吸附作用即范德华力的作用较小，聚苯板与胶粘剂 的粘结强度自然也较小。这种表面吸附结合属于物理吸附作用，其特点是容易发 生解吸。在墙面粘贴好的聚苯板，如有水汽经常存在的状况 下，易发生解吸，这是由于水对高能表面（墙基体）的吸附热， 远远超过许多有机物；加之聚苯板与胶粘剂的粘结强度较 低，从而使聚苯板在有水汽存在状况下，容易产生脱落现象， 这也进一步说明聚苯板与胶粘剂的结合是表面吸附的结合。（+）表面扩散结合由于水性乳液类胶粘剂的水分逐渐渗透到多孔性的聚苯 板材料与基层墙体材料中去，并逐步挥发掉，从而使粘结剂浓 度不断增大，再由于表面张力作用，使粘结剂中的高分子乳胶 微粒发生凝聚，这种凝胶作用分别在基层墙体材料与聚苯板 中发挥作用，使聚苯板与基层墙体紧密地粘结在一起。在这 + 种结合方式中，基层墙体材料与胶粘剂能以多种 方式进行结合，其中以表面机械结合为主，因此，胶粘剂与基 层墙体的粘结强度高；而聚苯板与胶粘剂的粘结只能依靠表 面吸附结合与表面扩散结合，以表面吸附结合为主，因此，二 者之间的粘结强度相对较低，而且受水分的影响较大。,+斜插钢丝锚固联接-., 聚苯板中的斜插钢丝一方面与覆面钢丝网形成三 维网架，使得聚苯板具有较好的刚度；另一方面通过钢丝在混凝土中的锚固力（或称粘结力）将聚苯板与混凝土墙体牢固地联接在一起。斜插钢丝与混凝土的粘结力和光圆钢筋与混凝土的粘 结力相类似，主要来自于以下 + 个方面：（)）水泥凝胶体与钢 丝表面的化学胶着力；（,）钢丝与混凝土接触面间的摩擦力；（+）钢丝表面粗糙不平的机械咬合作用。斜插钢丝的粘结强度在钢丝滑动前取决于化学胶着力，滑动后则取决于摩擦力 和与钢丝表面状况有关的机械咬合力。斜插钢丝与混凝土的锚固力既能抵抗体系自重引起的 剪力，也能抵抗水平风荷载以及地震作用引起的拉力。据有 关资料(+*表明，-., 聚苯板中每根斜插钢丝的抗拉拔力可达),/0 1，若以每平方米 ,! 根计算，则斜插钢丝提供的抗拉拔