挤塑聚苯板(完善和发展挤塑聚苯板薄抹灰外墙外保温标准（上）)

挤塑聚苯板
完善和发展挤塑聚苯板薄抹灰外墙外保温标准（上）作者：杨军 高巍 孙桂芳 付海明 刘祥枝一、行业标准技术特征1、挤塑板材料性能特征
挤塑板由聚苯乙烯树脂及其它添加剂经加热，螺杆混炼、挤出，滚筒压制，锯片裁切等连续过程制造而成的，具有均匀表层及闭孔式蜂窝结构的泡沫塑料板材。这种闭孔式结构的保温材料，使其抗压、抗拉、密度、吸水率、导热系数及蒸汽渗透率等性能相比于其他类型的保温材料，具有突出优势。
国内现行关于挤塑板材料性能的标准主要有三个，GB/T30595-2014《挤塑聚苯板（XPS）薄抹灰外墙外保温系统材料》、GB/T10801.2-2018《绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）》、JC/T2084-2011《挤塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统用砂浆》。通常情况下，行业内以GB/T30595-2014规定的指标为主要执行依据，其他标准规定的指标不一致，以此为准。其中关于挤塑板性能指标规定：
5.2挤塑板
挤塑板应为阻燃型, 且应为不掺加非本厂挤塑板产品回收料的不带表皮的毛面板或带表皮的开槽板
表 3 挤塑板性能要求

综合比较各标准的相关规定，可以总结出以下几方面挤塑板材料性能优势：
1）保温隔热性能
挤塑板表面致密光滑，内部具有连续紧密排列的完全闭孔式的蜂窝状物理结构，表观密度22～35kg/m3。泡孔内部形成闭孔构造，阻断空气对流散热，保温性能稳定、持久。在常用有机保温材料中，挤塑板导热系数≤0.030 W/(m·K)，保温性能优于模塑聚苯板（导热系数≤0.039 W/(m·K)）和模塑石墨聚苯板（导热系数≤0.033 W/(m·K)），比硬泡聚氨酯板（≤0.024W/(m·K)）导热系数略高一些。因此挤塑板是目前建筑保温领域应用十分广泛，市场占有率极高的主要保温材料之一。
2）抗拉强度、抗压强度
挤塑板、模塑聚苯板本质上都属于聚苯乙烯泡沫塑料，都是通过内部连续的闭孔结构实现阻断空气对流传导而达到绝热保温的目的。由于挤塑板的制造工艺和成型机理与后者完全不同，使其形成了轻质、均匀、致密的特殊结构，抗拉、抗压强度极高，抗冲击性极强，垂直于表面的抗拉强度可以达到0.2MPa，而建筑保温常用的模塑聚苯板、模塑石墨聚苯板的垂直于表面抗拉强度只有0.1MPa，硬泡聚氨酯板也是0.1MPa，是它们的2倍。
3）吸水率、透气性
模塑聚苯板、模塑石墨聚苯板是预发泡小球体在固定尺寸的模具内受热、体积膨胀、彼此挤压粘连在一起，形成一定机械强度的泡沫塑料板材。板材密度不同，小球体之间挤压、粘连的强度有所不同，但小球体之间存在“物理缝隙”。其连续闭孔结构只存在于每个独立的小球体内，彼此又是分隔开的。而挤塑板则是在加热、加压条件下连续挤出成型的，内部的小泡孔是封闭、连续一体的，小泡孔之间不存在“物理缝隙”。因此，同是聚苯乙烯泡沫塑料保温材料，吸水率、透气性存在显著差别。挤塑板的吸水率（V/V，%）≤1.5，水蒸气渗透系数3.5～1.5。模塑聚苯板、模塑石墨聚苯板的吸水率（V/V，%）≤3，水蒸气渗透系数（ng/(Pa·m·s)）≤4.5。两者吸水率相差一倍。而硬泡聚氨酯板材，是双组份液料连续浇注、层压机覆膜压制成型的，内部泡孔也是高闭孔率、连续紧密排列的，泡孔之间也不存在“物理缝隙”。
聚氨酯树脂分子与聚苯乙烯树脂的分子结构是不同的，前者具有更高的亲水性，吸水率指标与模塑聚苯板、模塑石墨聚苯板吸水率（V/V，% ≤3）相同，水蒸气渗透系数比模塑聚苯板、 石墨聚苯板还要高，达到≤6.5ng/(Pa·m·s)。由此可见，挤塑板具有极低的吸水率和更好的憎水性和防潮性，加之具有很好的机械强度，使其成为在特别强调防水、防潮等情况下首选保温材料。
2、挤塑板薄抹灰外墙外保温系统构造特征
挤塑板薄抹灰外墙外保温系统构造提出如下技术要求：
1）GB/T30595-2014《挤塑聚苯板(XPS)薄抹灰外墙外保温系统材料》
4.1 挤塑板外保温系统应由 粘结层、保温层、抹面层和饰面层构成, 其基本构造应符合表 1 的要求。基层墙体的耐火极限应符合现行防火设计规范的有关规定。
表 1 挤塑板外保温系统基本构造

2）JGJ144-2019《外墙外保温工程技术标准》
6.1.3保温板应采用点框粘法或条粘法固定在基层墙体上，挤塑板与基层墙体的有效粘结面积不得小于保温板面积的50%，并应使用锚栓辅助固定。（与挤塑板无关内容略）
6.1.4受负风压作用较大的部位宜增加锚栓辅助固定。
6.1.5保温板宽度不宜大于1200mm，高度不宜大于600mm。
6.1.6保温板应按顺砌方式粘贴，竖缝应逐行错缝。保温板应粘结牢固，不得有松动。
6.1.7挤塑板内外表面应做界面处理。
6.1.8墙角处保温板应交错互锁。门窗洞口四角处保温板不得拼接，应采用整块保温板切割成形。
挤塑板薄抹灰外墙外保温系统构造设计技术特征：
1）规定挤塑板厚度，控制板缝偏差，阻断热桥等措施保证挤塑板外墙外保温系统保温有效性。
2）通过挤塑板内外表面涂刷专用界面剂，提高挤塑板与胶粘剂、抹面胶浆粘结强度，增加粘结面积，挤塑板错缝排布、阴阳角处交错互锁、门窗洞口刀把设置，机械锚固件辅助固定，特殊部位增加锚固件数量等措施增加和增强挤塑板外墙外保温系统与基层墙体的连接可靠性。
二、易发生质量事故潜在风险1、材料方面潜在风险
1.1粘结亲和性差
挤塑板制造工艺决定了其表面致密光滑、吸水率极低、亲和渗透性差，胶粘剂、抹面胶浆无法实现同挤塑板的牢固粘结，最终导致抹面防护层剥离或挤塑板脱落等问题。通过涂刷专用界面剂可以解决挤塑板粘结牢固性问题，其中挤塑板界面剂是关键，如果界面剂自身质量不合格，或存在界面剂漏刷同样不能解决挤塑板有效粘结问题。
标准明确规定，挤塑板与基层连接以粘结为主、锚固为辅。胶粘剂、界面剂、挤塑板、界面剂、抹面胶浆的相互粘结承载了系统的全部重力荷载。静止状态下，锚固件、托架处于不受力状态。锚固件辅助连接作用有效但有限。可以在挤塑板首层初始粘贴时设置起步托架，防止挤塑板滑坠，托架对系统粘结安全不起作用。
1.2尺寸稳定性差
GB/T30595-2014《挤塑聚苯板(XPS)薄抹灰外墙外保温系统材料》规定挤塑板尺寸稳定性≤1.2%。
GB/T29906-2013《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》规定模塑聚苯板尺寸稳定性≤0.3%。
与模塑聚苯板、模塑石墨聚苯板相比，挤塑板尺寸稳定性差，与成型机理，所用原料（原生料大白、二白、杂料），设备、工艺，养护时间，养护方式等因素有关。
与硬泡聚氨酯板及酚醛板相比，制造工艺方面，都属于外部稳定压力条件下成型的连续紧密排列、蜂窝状闭孔结构的板材，所以尺寸稳定性均较差。
1.2.1温度变化对挤塑板尺寸稳定性影响
北京工业大学材料科学与工程学院王昭君等人对模塑聚苯板材料和挤塑聚苯板材料受热变形情况进行了分析[1]，材料变形情况如图1和2所示。
   图1  模塑聚苯板泡沫塑料热解变形过程
图1显示了模塑聚苯板在30℃～200℃的热解变形过程。模塑聚苯板在100℃时开始变形；在100℃～200℃范围内收缩变形趋势明显。
图2显示了挤塑聚苯板30℃～170℃的变形过程。挤塑聚苯板在45℃～106℃范围内表现为膨胀变形趋势明显；在106℃～170℃范围内转为收缩变形趋势。
图2  挤塑聚苯板泡沫塑料热解变形过程

在受热过程中，挤塑板变化形态表现为先膨胀后收缩，而模塑聚苯板则呈连续收缩状态，两者受热变化形态差异很大。因此，挤塑板薄抹灰系统的构造设计及施工工艺不能直接套用模塑聚苯板板薄抹灰系统做法，而应该考虑到挤塑板自身特点，选择不同的构造设计。
1.2.2板材温差变形大引发剪切应力破坏
挤塑板线性膨胀系数≥0.07mm/(m·K)，即温度变化一度时每延长米的胀缩值大于等于0.07mm。挤塑板导热系数低，绝热性能优异，而饰面层和抗裂层不具有隔热作用，夏季时外表面温度可高达到70℃左右，但内表面温度基本上维持在20～30℃，内外表面温差50℃，尺寸变形相差0.07×50=3.5（mm），导致挤塑板出现翘曲的现象。冬季时挤塑板外表面温度-10℃左右（北京地区为例），冬夏季板材尺寸变形0.07×80=5.6（mm）。
在挤塑板薄抹灰保温系统中，抹面胶浆与挤塑板直接接触，两者导热系数相差较大，热变形速度也存在明显差异。环境温度变化时，相邻材料变形速度不同，使抹面胶浆与挤塑板之间产生剪切应力，影响它们之间的粘结强度，当抹面胶浆变形能力及粘结强度不能抵御温度应力破坏时，将导致面层开裂和空鼓（见图3）。

图3  抹面砂浆层出现裂纹空鼓
挤塑板内部为独立的蜂窝状密闭式气泡结构，板的正反两面都没有缝隙，没有透气性。
模塑聚苯板与挤塑板都属于聚苯乙烯泡沫塑料，但成型机理、生产工艺却不相同。模塑聚苯板是由聚苯乙烯小球，经预发泡、陈化、干燥、模压、切割而成板材。聚苯乙烯膨胀小球具有闭孔式组织结构，内部充满气体，小球壁之间彼此融合，其间可以形成水分侵入的空间和路径，使得模塑聚苯板具备了较好的透气性能。而挤塑板成形工艺造成了它具有十分连续完整的闭孔式组织结构，各泡孔之间基本没有空隙存在，具有均匀的横截面和连续平滑的表面。挤塑板与模塑聚苯板之间结构不同，决定了它们在物理性能上存在较大差异，尤其在透气性和粘结性能方面的差异明显（图4、图5）。挤塑板吸水率低，透气性差，与砂浆粘结亲和性差，极容易引发空鼓、开裂、剥离、脱落等质量问题。
图4  挤塑板透气原理示意图 
 
 图5  模塑聚苯板透气原理示意图
2构造方面潜在风险
挤塑板薄抹灰外墙外保温系统构造，是直接套用模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统构造而成的。对于挤塑聚苯板板材变形大、热应力高；吸水率低、粘结亲和力差等特性而言，点框粘法的空腔构造，仅3mm厚抗裂防护层中找平过渡层缺失，使挤塑聚苯板外保温工程极易出现开裂、起鼓、脱落等安全质量问题。
2.1挤塑聚苯板外保温工程质量问题案例
挤塑板外保温工程在外界环境变化引起的热应力的反复作用下，面层的开裂、脱落十分严重，如图6、图7。
图6  挤塑板外保温饰面层开裂   

图7  挤塑板外保温饰面层开裂及脱落
挤塑板外保温系统粘结层若形成了连通空腔，在负风压作用下更容易被破坏，会出现挤塑板大面积脱落现象，如图8。
挤塑板的表面很光滑，吸水率低，难与面层材料形成牢固粘结，因而容易造成饰面层脱落，如图9。
图8 连通空腔使挤塑板大面积脱落    

 图9挤塑板吸水率低导致饰面层脱落
2.2挤塑板薄抹灰系统构造方面潜在风险点分析
2.2.1 挤塑板应变剧烈及温差变形引起的薄抹灰系统开裂、剥离、脱落
组成保温系统材料的温度应变存在差异，温度变化时外保温材料之间会产生应力，容易引起裂缝，影响系统的耐久性。
从表1中模塑聚苯板应变的10组数据可以看出，在20℃时模塑聚苯板表面应变波动不大，平均值在24微应变左右；随着温度的升高，其应变波动变大，到达70℃后，应变峰值达到2670微应变，平均值也达到了2340微应变。
模塑聚苯板应变   表1
从表2中的挤塑板应变的10组数据可以看出，挤塑板的应变剧烈，20℃时峰值为159微应变，70℃时就达到4571微应变，应变平均值达到4036微应变，接近模塑聚苯板平均应变的2倍。当自然界的温度产生剧烈变化时，挤塑板的体积会发生较大的变化，在用做墙体保温材料时，必须考虑到这种变化，选用适宜的保温构造和配套材料。
挤塑板应变       表2
由以上结果可以看出，挤塑板、模塑聚苯板在温度出现变化时的体积变化明显，抹面层砂浆若与保温板直接接触，在温度发生变化时，由于抹面层砂浆与保温板之间的温度应变差别十分显著，因此应采取相应的有效措施，才能保证墙面不会出现裂缝而影响系统的正常使用。由于在受到温度影响时，挤塑板比模塑聚苯板的温度应变变化大，体积变形也比模塑聚苯板大，相对于模塑聚苯板更加不稳定，受到环境影响的变化更加复杂，因此对抹面层砂浆的技术要求更高，抹面层砂浆若达不到相应的技术要求，则必然会因挤塑板巨大的温度应变影响而开裂。
温差变形方面，在不同材料的界面上，温差变形在约束条件下产生剪应力。产生较大相对变形的前提是温差和两种材料的线膨胀系数差异都大，而产生较大应力的必要条件是它们之间存在较大的约束。在挤塑板薄抹灰外保温系统中，挤塑板内侧温度变化很小，基本上稳定在20～30℃，各界面上温差应力不大；挤塑板外侧温差很大（夏季时，外墙表面温度可达到70℃左右，由于抗裂层和饰面层没有隔热作用，挤塑板外侧温度也基本上可以达到70℃左右，而冬季时挤塑板外侧温度可降至-20℃以下，年温差高达90℃，昼夜温差也达到50℃），挤塑板抹面砂浆界面，线膨胀系数差异大，但挤塑板弹性模量高（超过20MPa），它对抹面砂浆有很强的约束。因此，界面应力大，并且在板缝处产生大量的应力集中，导致板缝处应力状态极不稳定，引起开裂，图11-2-5为保温板不同季节受温差影响变形示意图。
图10保温板不同季节受温差影响变形示意图
2.2.1.1挤塑板等常见有机保温材料上墙后温差变形计算比较
按照高层建筑75%节能标准，混凝土墙体厚度180mm，分别计算得出4种常见有机保温板的厚度，抗裂防护层厚度为3mm。
表4 保温层厚度
分别计算保温板外表面的伸长及应力，保温板尺寸为1200mm*600mm，按照低温20℃，墙面温度70℃计算。
保温板外表面的伸长ΔL：
ΔL=α（t2-t1）L
式中
α——保温板的线膨胀系数，mm/m·K
t1、t2——保温板表面的温度变化值，℃
L——保温板的长度，m
保温板在限制伸长的情况下保温板表面的温度应力σ：
σ= Eε
式中
E——保温板的弹性模量，MPa
ε——保温板的应变，无量纲
表5墙体上的保温板变形与应力估算比较

图11墙体上的保温板变形与应力估算比较柱状图
从计算结果上分析：
聚氨酯复合板表面变形最大，是聚苯板1.5倍，挤塑板和酚醛板表面变形居中。
墙体上保温板表面的温度应力聚氨酯复合板最大是模塑聚苯板的4.3倍，挤塑聚苯板是模塑聚苯板的2.2倍，酚醛板的温度应力是模塑聚苯板的2.4倍。
2.2.1.2挤塑板等常见有机保温材料与抹面胶浆之间温差变形应力计算比较
由于保温板与抹面胶浆的线膨胀系数不同，当受到湿度和温度变化时伴随着体积收缩和膨胀，受彼此之间的相互约束会产生温度应力。针对保温板的线膨胀系数不同，在相同保温构造做法比较保温板与砂浆之间的应力，建立简单数学模型进行估算比较。
假设自由伸长为L1、L2（假设L1≥L2），此时无温度应力

但两者相互接触，最后长度为L，并且
根据力学平衡，两温度应力相等:
  
F1= F2
得到
代入力学式子为：
 
式中
F——温度应力，ｋPa
——温度变化，℃
Ｅ１Ｅ２——弹性模量，ＭＰａ
——线膨胀系数差值，ｍｍ／ｍ·K
、——材料的泊松比，无量纲
（1）模塑板与抹面胶浆
模塑板的线膨胀系数为6×10-5/℃，抹面胶浆的线膨胀系数为1×10-5/℃，它们的线膨胀系数差值为，取温度变化为，水泥砂浆的弹性模量为E=6GPa，水泥砂浆的泊松比取为0.28，则此时水泥砂浆的平均温度应力：
（2）挤塑板与抹面胶浆
挤塑板的线膨胀系数为7×10-5/℃，抹面胶浆的线膨胀系数为1×10-5/℃，它们的线膨胀系数差值为，取温度变化为，水泥砂浆的弹性模量为E=6GPa，水泥砂浆的泊松比取为0.28，则此时水泥砂浆的平均温度应力：
（3）聚氨酯复合板与抹面胶浆
聚氨酯复合板的线膨胀系数为9×10-5/℃，抹面胶浆的线膨胀系数为1×10-5/℃，它们的线膨胀系数差值为，取温度变化为，水泥砂浆的弹性模量为E=6GPa，水泥砂浆的泊松比取为0.28，则此时水泥砂浆的平均温度应力：
（4）酚醛板与抹面胶浆
酚醛板的线膨胀系数为8×10-5/℃，抹面胶浆的线膨胀系数为1×10-5/℃，它们的线膨胀系数差值为，取温度变化为，水泥砂浆的弹性模量为E=6GPa，水泥砂浆的泊松比取为0.28，则此时水泥砂浆的平均温度应力：

图12保温板与砂浆之间的应力

从以上计算可以看出，不同保温板与抹面胶浆之间产生的应力差别较大。外墙外保温系统，在夏季和冬季，由于保温层的隔热和保温作用，使得保温层以外的部分温度过高或过低，这时不易用线膨胀系数相差太远的材料做为相邻材料，否则会出现温度应力过大，造成空鼓、裂缝、脱落等现象。图12保温板与砂浆之间的应力 2.2.2风压对挤塑板薄抹灰系统连通空腔构造的破坏性
挤塑板薄抹灰外墙外保温系统的粘结方法主要是点框粘法，容易形成连通空腔。在现场实际操作时，板材尺寸过大，操作困难，易发生偷工减料，点框粘往往会变成纯点粘，即有点无框，加剧连通空腔形成。
在此情况下，挤塑板的四个周边没有与基层粘结，使挤塑板的变形没有约束支点，从受力角度看相当于简支梁变成了悬臂梁，在正负风压力的作用下，使挤塑板变形幅度比点框粘法的要大得多，呈几何倍数地增加了开裂的可能性和裂缝程度；同时，纯点粘法将点框粘法的小空腔变成了贯通的大空腔，一块板的松动或开裂透风，连通空腔产生的负风压便会以整体施力的形式，施加于粘结力较为薄弱的粘结点，破坏其粘接力，会把各个胶粘剂点逐个击破，加上外保温防护面层无法束缚大空腔的外保温系统在垂直于墙面方向的自由度，导致从大面积来看粘结面积不够。在负压易发生区位置，如果采用有连通空腔的保温层做法，负压产生的拉力会集中在负压最大的位置，导致负压易发生部位的破坏，造成开裂或脱落。
2.2.3 结露问题对挤塑板薄抹灰系统破坏性影响
外墙结露是指当外墙某处的温度低于该处空气的露点温度时，该处水蒸气液化的现象。
但挤塑板外表面温度低于结露温度，空气湿度较大时，容易在挤塑板外表面抹面胶浆层产生结露，形成结露水。由于抹面胶浆层厚度很薄，能吸收的液态水量很少，抹面胶浆将处在液态水的长期反复浸润作用下而降低强度和粘结力；另外，干燥时还会产生干湿变形，极易引起空鼓和脱落现象。图11-2-10就是结露水对挤塑板薄抹灰系统产生的破坏。

图13  结露水对挤塑板薄抹灰系统的破坏

未完待续

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