寒冷及严寒地区建筑外墙节能保温材料
5.1.1 引言
我国于1993年10月1日起实施的“民用建筑热工设计规范”(GB 50176-93)，对全国建筑热工设计进行了分区，并对不同区域建筑的冬季保温、夏季防热提出了设计要求(见表5-1-1)，其主要目的在于逐步提高室内的热环境质量，降低建筑能耗，创造健康、舒适的生活环境。
表5-1-1 建筑热工设计分区及设计要求
分区名称 分区指标 设计要求 主要指标 辅助指标
严寒地区 最冷月平均温度≤-10℃ 日平均温度≤5℃的天数≥145d 必须充分满足冬季保温要求，一般不考虑夏季防热
寒冷地区 最冷月平均温度0～-10℃ 日平均温度≤5℃的天数90～145d 应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季防热
夏热冬冷地区 最冷月平均温度0～-10℃，最热月平均温度25～30℃ 日平均温度≤5℃(0～90d)，日平均温度≥25℃(40～110d) 必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温
夏热冬暖地区 最冷月平均温度＞10℃，最热月平均温度25～29℃ 日平均温度≥25℃的天数100～200d 必须充分满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温
温和地区 最冷月平均温度0～13℃，最热月平均温度18～25℃ 日平均温度≤5℃的天数0～90d 部分地区应注意冬季保温，一般可不考虑夏季防热
在表5-1-1中严寒及寒冷地区涵盖了西安、郑州、徐州及其以北的北京、天津等城市建筑热工设计要求，应充分满足冬季保温，部分地区兼顾夏季防热。针对这项要求我们研制了寒冷及严寒地区建筑节能保温涂料。
5.1.2 保温涂料的研究
建筑物的能耗系指建筑物在使用过程中的能耗，主要包括采暖、通风、空调、照明、炊事燃料、家用电器和热水供应等能耗，其中以采暖和空调能耗为主，因此，建筑物节能的重点就是降低采暖和降温的能耗。保温涂料的作用就是对建筑物的围护结构实施保温，以减少建筑物内部的能量损失，达到节能的目的。
根据施涂的位置不同，保温涂料可分为建筑外墙外保温涂料和建筑外墙内保温涂料。由于在建筑物围护结构中包含金属、钢筋混凝土或混凝土的梁、柱、肋等部位，而钢筋的导热系数为混凝土的120倍，混凝土的导热系数为发泡聚苯乙烯板的40倍。在室内外温差的作用下，导热系数大的材料会形成热流密集（称为热桥）。采用外墙内保温不能避免热桥的产生，且外墙内保温的墙面上难以吊挂物件，影响用户的二次装修。而采用外墙外保温技术（即外墙外保温涂料）具有一系列优越性，加上我国外墙主体基本上采用重质材料这个有利条件，因此在学习、吸收国内外外保温技术的基础上，我们对外保温涂料进行了较为深入的研究。
5.1.2.1 外墙保温的优越性
5.1.2.1.1 避免产生热桥
外保温涂料处于建筑物围护结构的最外层，能够形成一个封闭的保温涂层体系，采用高效保温材料后，能够有效地切断纵墙、柱、楼板和梁等部位产生的结构性热桥。如果将窗、门口侧面及外部连接件做好相应的保温处理，整幢建筑物的围护结构就形成全封闭的保温体系，达到全面降低建筑物能耗的目的。
5.1.2.1.2 提高建筑物使用的舒适度
进行外保温后，墙体自身的温度变化减缓。冬季当室温高于外界温度时，通过墙体热传导散失的热量少，使室内温度变化减小，有利于节能；而在夏季，当室外温度高于室内温度时，外保温涂料又能减少太阳辐射热的进入，外墙内表面温度和室内温度得以降低，使建筑物冬暖夏凉，创造了良好的居住氛围(见图5-1-1)。
图5-1-1 墙体外保温效果示意图
未经保温的建筑外墙，温度变化直接作用于墙体，室内温差大，冬冷夏热，能耗高，舒适度低；经外保温的建筑外墙，温度变化直接作用于保温层，室内温差小，冬暖夏凉，能耗低，舒适度高。
5.1.2.1.3 减轻温差引起的建筑物损伤
由于采用外墙外保温技术，围护结构受到保护，室外气候的变化发生在保温层，内侧墙体温度应力减少，所以墙体产生裂缝、变形的程度大大减轻，其使用寿命得以延长。
5.1.2.1.4 可以进行建筑物的改造
“民用建筑热工设计规范”实施前的建筑热工性能标准较低，能耗损失严重，如果进行改造，在外墙面施工对业主的影响最小。规范的施工管理对业主的正常工作、生活不会有很大干扰，使保温工程能顺利进行。
5.1.1.2 外墙保温涂料的组成及其技术性能
外墙外保温涂料由保温轻骨料、胶粘材料和助剂混合而成，以抹涂方式涂装，该涂料的配方见表5-1-2。
保温性能的优劣取决于涂料的导热系数以及涂料使用工程中的稳定性、耐久性。
表5-1-2
保温涂料的组成
原料名称 用量/%
硅酸盐水泥 60
粉煤 20
氢氧化钙 10
可再分散胶 2
甲基纤维素 1
纤维 1
保温轻骨料
5.1.2.2.1 导热系数
导热系数是在稳定条件下，1m厚度的物体，两侧温差为1K，1h内通过1㎡面积传递的热量。导热系数越小，传递的热量越少，保温隔热性能越好。通常导热系数又与材料本身的成分、表观密度、内部结构、气孔率、含水率有关。因此，选择表观密度小、内部结构疏松、气孔率高、含水率小的材料作为轻骨料填充于保温涂料中，才能降低涂料的导热系数，使其保温隔热效果好。
常用保温材料的主要物理性质见表5-1-3。
表5-1-3 常用保温材料的主要物理性质
材料名称 外观状态 结构特点 表观密度/(kg.m-3) 常温导热系数/W.(m.K)-1
膨胀珍珠岩 松散颗粒 内部呈气泡状，多孔结构 80 0.042
膨胀蛭石 松散颗粒 细薄的叠层结构，其间充满微细孔隙 80 0.047
发泡聚苯乙烯 松散颗粒 蜂窝状微细闭孔结构 20 0.043
矿岩棉 絮状纤维 纤维平均直径≤7μm 150 0.07
通过对比发现，膨胀珍珠岩、膨胀蛭石和发泡聚苯乙烯这3种材料的常温导热系数低，表观密度相对小，且外观为松散颗粒状，易于添加到保温涂料中，但是膨胀珍珠岩的微孔结构在外力作用下容易受到破坏；膨胀蛭石的吸湿性强，这会大降低材料的保温隔热性；
而发泡聚苯乙烯内部为完全封闭的多面体蜂窝结构，蜂窝直径0.2～0.5mm，蜂窝壁厚0.001mm，内部98%为空气，空气可长期滞留在蜂窝内，所以保温效果十分稳定。
研制的保温涂料中首选发泡聚苯乙烯作为保温轻骨料，使保温涂料的导热系数得以控制得较低。此外，为充分利用再生资源，变废为宝，我们大量使用了废旧聚苯乙烯板材作为保温轻骨料，既保温节能，又节约了资源，取得了很好的经济效益。
5.1.2.2.2 稳定性保温涂料在建筑物的外立面形成保温隔热层，长期处于雨、雪、冻、晒、四季气候变化之中，且主体结构受各种应力作用而产生正常形变，这些都会对保温层产生不利影响。因此，在保温隔热层的外侧还需有个辅助配套的防护层(见图5-1-2)，以形成一个保温体系，并且要求这个防护层具有一定的水密性，用于防止保温层吸湿、渗水，以及具有一定的强度和变形性，用于分散主体结构应力、承受外力碰撞、防止保温层开裂，以使整个保温体系达到抗开裂、抗风压、抗冻融、防水性等多项指标要求，处于稳定的工作状态之中。
图5-1-2 外墙保温隔热层的辅助配套防护层
5.1.2.2.3 耐久性通常外墙保温有一个设计使用年限要求，在正常使用和维修条件下，要达到这一使用年限，就需要保温涂料具有一定的耐久性。因此，要求它的各种组成材料（包括辅助部分）都要具有稳定的物理和化学性能；在长期经受干-湿、冻-融、冷-热、高温-降雨的循环变化，各种应力的反复作用，太阳光辐射的作用，雨水的侵蚀，材料自身的碱腐蚀，外界微生物的腐蚀之后，仍具有很好的强度，保证整个体系不开裂、不脱落、不粉化、保温隔热性好。
保温涂料的主要性能指标见表5-1-4。
表5-1-4 保温涂料的主要性能指标
5.1.2.3 影响保温效果的关键问题及解决办法
5.1.2.3.1防止面层产生开裂为满足节能规范指标的要求，一般设计保温涂层的厚度为4cm左右，因此涂层在干燥过程中会因内部体系收缩不一致而产生开裂。此外，建筑物受各种应力的作用产生形变会引起开裂，从而使保温层渗水、受冻、脱落，降低保温效果。为此，需要在保温涂料中增加纤维物质，在内部形成纵横交错的网状结构，以抵抗涂料在干燥过程中的收缩应力。同时在抗裂防护层中使用高分子弹性聚合物改性水泥砂浆，以降低防护层的弹性模量，增大变形能力，并使用强度好的耐碱玻纤网布作为软筋，提高纵向和横向的抗拉强度，达到全面阻止开裂的目的。
5.1.2.3.2 围护结构的传热系数保温涂料与建筑主体结构部位结合形成一个保温层，其保温隔热效果会因施工、环境、温度、湿度的影响而异，实地测量围护结构的传热系数很重要。因此，除涂料自身的导热系数、防水性、抗渗性达到一定指标要求外，还要在施工时保证使涂层达到设计厚度，并做好门、窗口等内外交接部位的保温处理，避免热桥产生，才能使围护结构的传热系数最终达到规范要求。5.1.3 小结外墙外保温涂料保温效果好，性能稳定，涂覆在粘土砖、粉煤灰砖、混凝土砌块及钢筋混凝土等各种基底墙面上，涂层厚度约4cm，围护结构的传热系数即可达到“民用建筑节能设计标准”要求，用于建筑物外墙，可取得良好的经济效益。
