《外墙外保温工程质量风险因素分析与控制研究》前期研究与研究计划

前期研究总结与试验计划
一、课题总体概况
本课题自2016年1月立项以来，课题组成员根据科研项目合同中规定的研究工作计划开展前期理论研究和调研工作。

并结合理论和调研所形成的成果，制定了总体的研究构架，详见图1-1。

本课题研究主要分为三个部分，分别为理论研究、实际调研和试验研究，理论研究和实际调研为试验研究提供理论依据和工程实际参考。

依据理论和工程实际研究所总结的影响因素进行试验研究，试验研究分为三个部分：材料自身性能对外保温工程质量影响因素研究、材料间协调性对外保温工程质量影响因素研究、风载荷因素的影响研究。

通过试验研究所形成的结论，总结影响外保温工程质量的关键因素并针对性的研究防控手段。

图1-1 课题整体研究构架
二理论与调研分析
外墙外保温系统作为建筑外墙节能的重要形式，因其具备诸多优势而被大面积推广使用，根据其所使用的保温材料以及构造的不同，形成了多种形式的外墙外保温系统，但不同的外保温系统的工程质量问题比较统一，主要集中在裂缝、空鼓、脱落以及保温材料的防火问题上，故本课题将以上问题作为主要研究对象，探讨其主要成因及相应的防控手段。

对于薄抹灰外墙外保温系统，目前国家和天津市均有相关的标准体系进行约束，总体上保障了外保温工程质量，但也有一些外保温工程质量问题还没有得到有效的解决，经分析主要原因是一些影响外保温工程质量的关键因素并没有得到足够重视，以及部分因素未被标准体系或管控体系所涵盖。

故通过对这些因素对工程质量的影响研究，采取相应措施来规避质量风险，使得外保温工程质量水平进一步提高。

当前大多数研究均将造成外墙外保温工程质量问题的主要原因归结为施工和材料质量问题，而材料自身以及材料间协调性对外墙外保温工程质量的影响研究较少，且多为理论性研究，缺乏有力的实验研究加以证明，故所形成的防控手段也多为施工质量控制和保证组成材料的某些性能，致使一些重要性能未受到足够重视。

所以，为进一步提高薄抹灰外墙外保温工程质量，对于外墙外保温所出现的问题，应结合标准体系要求、理论研究和外保温系统实际工程问题进行研究，主要依据被忽视却对外保温工程质量影响较大的
因素，着重系统的研究材料及材料间协调性对工程质量的影响，在此基础上研究针对性的防控手段，提高规避外保温工程质量风险的能力。

2.1材料自身性能对外保温工程质量影响因素研究
薄抹灰外墙外保温系统由胶粘剂、保温材料、抹面胶浆、耐碱网格布、锚栓、腻子、涂料等组成，根据理论研究和实际工程调研情况，确定本部分的主要研究对象为涂料、抹面胶浆、保温材料。

2.1.1 涂料
2.1.1.1 理论分析
饰面层处于外保温工程最外侧，是外墙外保温系统重要的保护结构，同时也是外部环境影响最直接的部位，故对其性能对工程质量问题的影响应着重研究，而目前饰面层，特别是其中的涂料层在外墙外保温系统中的作用常常被忽视，相关系统标准中对其要求往往比较笼统，甚至部分系统标准中没有提及对涂料的要求。

同时目前天津市对外墙外保温系统的管控系统中并未涵盖饰面层。

故对于饰面层性能对外保温质量的重要性与影响，需要进行进一步的研究。

涂料层处于外墙外保温系统的最外层，是饰面层最重要的组成部分，主要起装饰和防护的作用，为防止机械破坏，涂料层需要具备足够的强度，从外保温系统“应力柔性渐变，逐层释放”的原理角度出发，涂料层是释放和防控内应力破坏的最后保障，需要涂料层具备优良的柔韧性，即断裂伸长性。

外保温复合墙体强度低、密度小、变形量大，是一种典型的软质基层，为保证涂料层的抗机械破坏能力，涂
膜往往硬度较高，而较硬的漆膜涂覆在较软的基层上，墙体内外变形量不匹配，极易造成应力在涂料面层集中，不能有效地分散，进而无法抵抗内部变形所产生应力，从而造成装饰层开裂、脱落现象。

同时，涂膜的透气性差，使得水蒸气聚集于装饰层与抹面层之间，可能是造成涂料空鼓的原因之一。

涂膜的强度除与涂料的组成有关，还与涂膜的厚度与形态有关，涂膜的厚度过薄，无法保证强度，涂膜过厚，成本提高且降低透气性，目前相关标准对涂膜厚度并无相关规定，只有对涂覆次数要求，故涂膜厚度对外保温开裂等问题影响值得研究；涂膜的形态与涂料的种类有关，目前外保温常有的涂料多为平装涂料和立体花纹涂料，区别在于平装涂料形成的涂膜平整，立体花纹涂料形成的涂膜凸凹不平，在受到内应力作用下，应力在平整的涂膜集中于一条线上，而凸凹不平的涂膜则将应力分散于不同的方向，在同等的应力作用下，凸凹不平的涂膜的抵抗拉伸断裂的能力会好于平整的涂膜，故哪种形式的涂膜对防控外保温工程质量风险更加有利值得研究。

涂膜的透气性也与涂膜厚度、微观结构有关，目前，无相关标准对涂膜的透气性进行规定，故涂膜透气性对外保温空鼓的影响以及涂膜厚度和种类对透气性的影响值得研究。

2.1.1.2 调研
在调研过程中，课题组对涂料性能对外保温工程质量的影响着重进行了研究，目前，天津市常用的涂料种类为平装涂料和立体花纹涂料，平装涂料使用比例居多，同时，出现涂层开裂、空鼓、脱落的外
保温工程多为平装涂料，在对德国外墙外保温施工技术的调研和学习过程中发现，其外墙外保温系统涂料层基本全部选用立体花纹状涂料，而且普遍涂层较厚，详见图1-2。

图1-2 德国外保温涂层局部
2.1.2 抹面胶浆
2.1.2.1 理论分析
抹面层做为外墙外保温防护层的重要组成，主要作用是保护保温层，同时为装饰层提供平整硬质的涂刷基础，外墙外保温开裂，除了涂料层自身开裂，另一个重要的原因就是抹面层开裂，抹面胶浆在干燥成型后，有时本身干缩开裂，亦或是保温层应力集中使得抹面层开裂，裂纹在保温层变形、干湿冻融循环的作用下，裂纹不断扩展，应力不断增大，当应力超过涂料层抗拉强度极限时，涂料会被拉裂，形成外部可见裂纹。

所以，抹面层需要具备较好的柔韧性和较低的干缩性，抹面层性能与抹面胶浆中的胶粉含量、纤维含量、纤维素醚含量、胶凝物质含量等有关，同时，在抹面层添加耐碱纤维网布也是增加抹
面层柔韧性的重要手段。

对于抹面胶浆中成分对抗裂性的影响研究，目前主要为胶粉含量、纤维含量的影响研究，并且天津市的相关标准也对抹面胶浆的聚合物有效成分含量进行了规定，故本研究不作为重点内容进行研究。

抹面层的干缩、柔韧性与抹面层厚度有关，随着厚度增加，砂浆收缩性增大，开裂的可能性增强，但厚度过小，强度相对较低，不足以抵抗系统内应力，也容易出现裂缝，相关标准中要求抹面胶浆的涂抹厚度为3~5mm，工程中普遍使用的经验值厚度为3mm左右，需要经过进一步的试验加以验证，确定合理的厚度。

而对不同厚度的抹面层的柔韧性、干缩性能的研究方法，目前标准中的检测方法主要针对抹面胶浆柔韧性检测（压折比）和耐碱网格布抗拉性能检测，但针对抹面层没有相关标准提出相应的检测方法，需要进一步研究探讨。

2.1.2.1 调研
在对多项出现工程质量问题的外保温工程进行调研中，发现抹面层的性能是影响外保温工程问题的重要影响因素，其中最主要的因素为抹面的柔韧性与干缩性，而影响柔韧性与干缩性的主要因素为抹面的厚度与耐碱网格布层数，在调研过程中，发现出现裂纹较多的外保温工程，抹面层通常较薄，3mm厚的抹面层配备单层网格布居多，故容易出现内应力拉裂抹面层开裂。

图1-3 某项目外保温脱落保温板与抹面层
在对某小区的调研过程中，抹面层脱落、开裂严重，具体可见图1-3，该项目抹面约为3mm ，配备一层网格布，网格布纤维分散严重，网孔较大，对网格布的力学性能和耐碱性造成了一定影响。

该项目外保温工程多见大面积网格状裂纹，脱落部分网格布脆性断裂，说明抹面层构造薄弱，柔韧性无法承受保温板变形所所产生的应力，造成了抹面的开裂脱落现象。

同时，对其抹面胶浆进行了现场取样，检测其聚合物有效成分含量为 2.2%，不符合≥3.0%的要求，表明聚合物含量是影响抹面层柔韧性的重要因素，同时也证明，抹面层柔韧性是影响外保温开裂的重要因素。

2.1.3 保温材料
2.1.
3.1 理论研究
1）形变
在外保温系统中，保温材料主要起隔热保温作用，保温材料强度低，变形大，是整个系统中最薄弱的部分，同时也是外保温内应力产生的主要来源之一。

保温材料，特别是有机质保温材料，易受到温
湿度变化产生较大形变，从而在系统中形成较大的内应力，进而对抹面层和饰面层产生一定破坏。

目前无相关标准要求有机保温材料在湿度条件下的形变要求，也无湿度对有机保温材料的形变性能研究，故掌握温度湿度对不同材料的影响规律对研究材料变形可对外保温工程质量问题的影响及相应防控手段奠定基础。

材料组成与形态是影响材料受热形变最根本的原因，通常塑料的变形与材料的分子组成和分子微观形态有关，而分子组成又影响分子微观形态，通常用玻璃化转变温度来表征材料分子变形能力与温度的关系，玻璃化转变温度是材料的特有属性，在玻璃化转变温度以下，分子侧链运动，分子链不运动，故材料强度大，变形小，变形可恢复；在玻璃化转变温度以上，分子链可运动，变形能力增强，且变形部分不可恢复，理论上，保温材料的玻璃化转变温度越大越好。

故研究不同材料的组成与结构对材料变形能力的影响，对研究保温材料变形对外保温质量影响具有一定的理论意义。

温湿度变化，特别是升温是保温材料形变的主要诱因，而升降温循环所产生的膨胀收缩是造成外保温开裂等质量问题的原因之一，不同材料在温度升降的过程中形变能力和形变方式有较大的区别，外墙外保温在实际使用过程中，日间表面最高温度可达到70℃，夜晚表面温度下降，故不同材料在温度循环过程中的变形特征应准确系统掌握，为后续研究奠定基础。

由于有机保温材料生产成型后，会产生较大形变，故相关产品标准要求保温材料生产后要进行一定时间的陈化，但实际施工过程中
存在保温材料出厂后陈化不充分即被使用的情况，从而产生较大变形，进而产生内应力破坏外保温。

但目前并没有研究准确的表征保温材料在陈化过程中性能的变化规律以及陈化不充分对保温材料性能的影响。

2）表面性能
保温材料的表面性能是影响保温板与胶粘剂、抹面胶浆的粘结强度的重要因素，保温板表面越粗糙，表面所具备的锚固点越多，胶粘剂、抹面胶浆与保温材料结合越牢固，有的保温材料，如EPS、GEPS，表面本身的粗糙程度足以满足胶粘剂的锚固要求，不需要进行表面处理，有的保温材料，如XPS板，表面平整光滑，不足以满足符合力学性能的锚固要求，需要进行表面处理。

在相关标准中提到乳液界面剂的养护时间为1.5~2h，但现场不具备大面积涂覆界面剂操作的空间，可操作性不强，且乳液界面剂养护1.5~2h不足以充分发挥其作用，故研究如何使得界面剂更好地发挥作用，对外保温工程质量的防控起到一定积极作用。

材料的表面性能还受到老化的影响，研究表明保温材料置于阳光曝晒下，理论上可能会引起材料表面粉化，降低表面强度，但阳光（紫外、高温）对保温材料表面的影响实际规律并不知晓，值得研究。

3）剪切强度
保温材料处于胶粘层与抹面层之间，由于材料自重、抹面层饰面层负重以及粘接作用，保温材料、保温材料与胶粘剂抹面胶浆的结合界面主要受到剪切应力的作用，长期的剪切力作用会对保温材料及
结合界面造成一定的破坏，故抵抗剪切应力的能力对外保温系统有非常重要的作用，而目前相关标准中，多以垂直表面的抗拉强度表征保温材料抵抗剪切力破坏能力，缺乏科学性，而现只有岩棉制品有相关标准对其剪切性能进行要求，故其他保温材料抗剪切破坏的能力对外保温质量的影响以及作为管控的重要性有待研究。

4）防火性能
对外保温的防火性能的主要影响因素是保温材料的防火性能，国家和天津市颁布多项规章和标准保证建筑的防火性能，但很少涉及对保温材料长期使用过程中防火性能的管控，相关研究也不多见，而实际使用过程中，防火材料的燃烧性能随陈化及使用不断衰减，主要原因是阻燃剂的挥发和衰减。

故研究保温材料在陈化及使用过程中的变化规律，对火灾防控及预防有着非常重要的研究价值。

2.1.
3.2 调研
在调研过程中发现，保温材料的变形性能、表面性能等因素是影响外墙外保温工程质量的重要因素。

在对某外保温工程的调研过程中，发现该项目外保温脱落、防护层开裂严重，对其XPS进行现场取样，在实验室检测其玻璃化转变温度和受热残重进行检测，该XPS与原料的玻璃化转变温差为6.0℃，受热残重差为6.0%。

受热残重不合格，说明该XPS所掺加的再生料过大，造成XPS内部孔壁不均匀，使得内部应力分布不均匀，导致出现后期变形。

充分说明材料的组成与形态是影响变形的重要原因，同时也说明材料变形是造成外保温开裂的重要因素。

图1-4 保温板与胶粘层破坏界面 图1-5 保温板与抹面层破坏界面
在对该工程调研时还发现，胶粘剂、抹面胶浆与保温板破坏多发生于界面，见图1-4、1-5，进一步研究发现，该XPS 板表面未做任何界面处理，造成与保温材料的连接作用减弱，易在外部风压等因素作用下界面破坏而脱落。

这一问题充分说明保温材料界面对外保温工程质量的重要性。

2.2 材料间协调性对外保温工程质量影响因素研究
外墙外保温各种材料间协调性的重要性被广泛认同，这也是相关标准中要求薄抹灰外墙外保温系统组成材料配套供应的主要原因，目前外墙外保温相关标准重点考虑各个组成材料自身性能对系统的影响，并对其进行了规定，但没有充分考虑材料间性能的协调性影响。

而目前厂家配套供应系统配套材料多数依靠经验选择搭配，虽前期经过系统性能检测，一旦选择配备的某些材料的性能在合格的范围内发生改变，可能会造成材料间不协调，进而系统产生开裂、脱落等质量问题，故需要对系统组成材料间的协调性进行系统的研究。

2.2.1 保温材料间的协调性研究
2.2.1.1理论研究
保温材料间性能的不协调的最主要的因素是保温板间变形的不协调，外保温在使用环境中表面最高温度可达70℃，保温材料，特别是有机类保温材料，在此高温和低温循环下在平面二维方向易发生收缩或膨胀，由于保温板相互连接且固定，无法抵消温度变化过程中产生的形变，进而在板缝处产生应力集中，造成防护层开裂等质量问题，因此，研究保温板的协调性问题，应在研究保温板的变形特征的基础上，研究板缝的设置问题，从而解决保温板形变不协调性对外保温质量产生的影响。

对于保温材料形变协调性研究，不同保温材料受热变形性质不同（XPS膨胀、EPS收缩），变形能力也不同，需要根据相邻材料的具体特征对板缝针对性的处理研究，板缝处理包括板缝宽度设置、板缝填充材料选择，目前天津市外墙外保温标准要求板缝不得大于2mm，板缝填充聚氨酯，由于可操作性不强，实际施工中很少对板缝填充聚氨酯处理，故针对不同保温材料，如何进行合理可行的板缝处理需要进行系统的研究。

2.2.1.2 调研
在调研过程中，发现由于板缝处理不当，在保温板形变不协调的作用下，产生的外保温工程质量问题，见图1-6。

图1-6 外保温工程裂纹情况
图中为两个不同的工程，但外保温都出现了一个统一的问题，即涂料层出现整齐的长向裂纹，其中左图的规整裂纹程度严重，且横纵裂纹交织，将保温材料的排列的边缘轮廓显现了出来，故怀疑该问题主要的原因是保温材料间的形变不协调且板缝处理不当造成的，可见板缝处理对协调板缝变形的重要性。

2.2.2 保温材料与抹面层的协调性研究
在外墙外保温系统中，保温材料与抹面层之间的协调性对外保温工程的质量影响非常重要，保温材料密度小、强度低，容易发生形变，保温材料变形所产生的应力最先作用于抹面层，根据外保温工程应力“逐层渐变，柔性释放”原理，抹面层的柔韧性或抗拉裂性应适应由保温板变形所产生的应力。

在对前期保温材料形变规律的研究以及对抹面层柔韧性的研究的基础上，研究保温材料与抹面层的协调性研究。

图1-3中抹面层开裂严重，与挤塑板的变形大和抹面层薄弱有关，
但最本质原因应为保温板与抹面的不协调造成的，材料的变形性无法改变，只能在掌握其变形特征基础上，通过合理匹配保温材料和抹面层来增强系统抵抗内应力破坏的能力。

2.2.3抹面层与装饰层协调性研究
抹面层和装饰层的协调性对外墙外保温工程质量影响，与保温材料和抹面层的协调性影响在理论上是相似的，对外墙外保温工程质量的影响，主要是两者在柔韧性的协调性问题，涂料层、腻子层组合所形成的饰面层的柔韧性应具备抵抗抹面形变及抹面层开裂后产生的应力的能力，而针对不同柔韧性的抹面层，应选择适宜的饰面材料。

同时，一些研究认为抹面层未充分干燥即进行涂装施工，吐碱不充分，造成饰面层与抹面层不能达到有效连接，造成二者之间界面的不协调性，进而造成空鼓等质量问题，有待进行验证研究。

目前，所调研的外墙外保温饰面层开裂，大多是与抹面层与饰面层间的不协调性有关，饰面层柔韧性差，特别是平壁状涂料，不能有效的抵御抹面开裂后以及其他内应力的破坏，故对抹面层与饰面层的协调性研究对外保温工程质量的影响较大，应进行系统研究。

2.3风载荷对外保温质量问题影响研究
调研过程中，一些建筑的外保温系统在较强风力作用下出现保温板大面积脱落和空鼓问题，见图1-7，在对这些建筑现场调研分析时，发现这些保温板脱落部位多出现于风力集聚区域两侧，分析原因可能是风速过大造成局部产生较大负风压，负风压过大或负风压较大区域构造薄弱，就会造成保温板被负风压产生的拉力破坏进而撕裂。

故对典型建筑案例的整体进行风环境模拟，模拟后风压分布布局图见图1-8。

通过比对该建筑实际脱落位置与风压布局图，发现保温板脱落位置大多出现于负风压较大区域，负风压造成保温板大面积脱落的可能性增大。

图1-7 外保温脱落及大面积空鼓现象
图1-8 典型案例风环境模拟效果图
负风压造成外保温脱落的可能原因，是风速较大的风吹过外保温表面，瞬时形成较大负风压区域，而外墙外保温内部空腔气压不会
改变，如此，外保温内外产生较大压差，压差较小时外保温可能产生空鼓，压差较大时，保温板被拉出破坏。

同时，在对一些出现外保温质量问题的工程调研中，发现保温保温板脱落出现于建筑拐角处，拐角处一侧多出现大量裂纹，分析可能是裂纹使得拐角处一侧形成气流通道，在较大风速作用下，风沿气流进入气流通道，进而对拐角另一侧的保温板产生较大破坏力，进而造成破坏。

故研究风荷载的影响对外保温工程问题的防控具有非常实用的研究意义，在《外墙外保温系统材料安全性评价方法》GB/T 31435-2015中，作为外墙外保温系统材料进行安全性评价一部分，连接的可靠性评价是重要组成部分，在进行连接可靠性评价时，标准提出了系统与基层墙体之间的机械锚固力评价，指标是机械锚固力不小于垂直建筑物表面风载荷设计值，足见风载荷影响的重要性。

但目前整个行业对外墙外保温系统风载荷的影响并不重视，如GB/T 29906中取消了抗风压的检测，有的系统虽然进行了抗风压检测，但检测是在理想状态下进行的，未考虑外保温局部风载荷影响和部分结构薄弱情况。

对于防控风载荷对外保温工程质量的防控手段，理论上应在建筑风载荷计算和风环境模拟的基础上，通过设计锚栓配备和胶粘剂粘贴面，使其机械锚固力高于设计风载荷，并对负风压较大区域进行局部加固处理，并通过特殊构造设置平衡风压，进一步增强系统抵抗风载荷破坏的能力。

本研究旨在通过对风载荷对外墙外保温影响研究，验证风载荷对外保温工程质量问题的影响程度以及理论防控手段的有效性。