岩棉复合板外墙保温系统优势及安全验算分析

岩棉复合板外墙保温系统优势及安全验算分析

白玉庆,王志强, 苏承颂

中建八局东北公司，130000

[摘要]随着国家大力推广建筑物节能环保技术，以及对建筑防火安全的高度重视，岩棉复合板作为传统岩棉板的改进型产品，发展越来越好。本文结合规范、设计及北方内陆地区实际项目应用，与岩棉板材料保温系统对比，阐述岩棉复合板外保温系统优势，并进行抗风压和组合荷载作用安全验算，为该材料保温防火系统在北方内陆地区工程项目的设计选用和施工推广提供参考。

[关键词] 岩棉复合板；外墙保温；安全验算；系统优势；

一、引言

当前,随着建筑节能技术的不断完善和发展,外墙外保温技术逐渐成为建筑保温节能形式的主流。从科学的合理性而言,外墙外保温是一种先进的,有应用前景的保温节能技术（1）。与此同时，随着国家对建筑节能与建筑防火安全的高度重视，一批成熟的保温防火复合板产品及其保温系统在建筑保温工程中被广泛应用，其中岩棉复合板作为传统岩棉板的改进型产品，以其良好的材料性能和施工优势，在外墙保温系统的应用中发展越来越好。

本文根据在北方内陆地区工程实践中岩棉复合板外保温系统的应用，归纳分析该材料保温防火系统的优势，并对该系统的抗风性能和组合荷载作用下的安全性进行验算分析，为岩棉复合板外保温的推广应用提供参考。

二、项目工程概况

（一）项目基本信息

长春国际影都A-14地块住宅工程，位于吉林省长春市净月开发区，建筑面积36万平方米，包括16栋住宅建筑、地下车库及商业，最大建筑高度约为80米。

（二）外墙外保温系统

本工程住宅主楼外墙保温工程设计采用岩棉符合板薄抹灰外墙外保温系统，基本构造见下表。复合岩棉板外保温系统与基层之间连接应采用胶粘剂粘结和锚栓锚固相结合方式。复合岩棉板与基层之间有效粘结面积不应小于复合岩棉板面积的 70%。

表 1 岩棉复合板外墙外保温系统基本构造

表 2 复合岩棉板外保温系统材料性质

三、岩棉复合板外保温系统优势

（一）岩棉复合板与传统岩棉薄抹灰外墙外保温系统对比

岩棉作为传统无机保温材料,具有较多的应用案例,相对成熟。但岩棉自身强度差,吸水量高,施工过程难度大,质量难以控制（3）。传统的岩棉板生产工艺及原材先天缺陷导致其外保温系统有以下缺点：

1、吸水率较高，受冻融破坏的影响大，保温性能衰减快；

2、板抗拉强度低，抗风压能力差；

3、岩棉纤维易引起操作人员皮肤瘙痒、过敏症状。

4、施工较复杂，岩棉板需经过界面剂处理才可与砂浆更好的粘接。

图 1 岩棉薄抹灰外墙外保温系统构造示意图

岩棉复合板是传统岩棉板的改进型产品，以竖丝岩棉条为保温芯材，通过芯材排列拼装，采用双面涂覆网格布和特种柔性防水抗裂砂浆进行抗裂防水处理，制作而成的具有保温隔热及阻燃功能，且抗拉强度高、吸水率低的新型竖丝岩棉防火保温板。岩棉复合板作为一种新型的保温材料,能够克服传统岩棉板的缺点,具有良好的安全性,耐久性以及防火性,将其应用在建筑外墙保温装饰中,能够形成良好的装饰效果,有效提高性价比,减少施工工序（2）。

图 2 岩棉复合板薄抹灰外墙外保温系统构造示意图

（二）岩棉复合板外保温系统优势

1、岩棉复合板的抗拉强度高，粘接力强

网格布包裹竖丝岩棉带增强复合板改变了岩棉的纤维分布方向，一方面改变了岩棉的纤维分布方向和运动方向，提升了板材的抗拉强度，避免了分层脱落；另一方面，改变了岩棉以锚固为主的粘接方式，每一块板材形成一个相对独立的受力单元，由于网格布整体受力，板材受力的整体性会大大提高。

图 3 岩棉复合板构造示意图

2、岩棉复合板平整度、平直度好

竖丝岩棉复合砂浆增强网格布，本身强度高，施工涂抹砂浆粘贴保温板时不会因为砂浆的自重而产生变形，保障施工的便捷，无需对基层剔凿和找平，板尺寸使操作工艺易施工，防止砂浆虚粘。同时，由于岩棉复合板采用高精度全自动机械化流水线加工生产，确保板面平整度，因此保证了岩棉复合板上墙后的阴阳角顺直方正和墙面的平整度。

图 4 岩棉复合板与岩棉板平整度施工实例对比

3、岩棉复合板防水性能好、吸水率低

抹面胶浆与耐碱网格布复合有效包裹岩棉带，使岩棉与水隔离，克服了岩棉易吸水潮解的缺陷，同时，通过在抹面砂浆中添加憎水材料使复合砂浆防护层具有憎水效果，提高了岩棉复合板的防水性能，保障了材料保温性能的持久性。

图 5 岩棉复合板面层憎水防水性

4、工艺成熟、施工效率高  

岩棉复合板采用传统薄抹灰工艺（工艺同聚苯板），岩棉复合板系统采用“粘贴+锚固”的固定方式，以粘结为主，锚固为辅，任何锚固不得以牺牲粘结强度为代价的原则。辅助锚固件在胶粘剂终凝前起稳定作用，并作为临时连接以防止脱开。胶粘剂凝固后，各种锚固件就成为保温板固定的安全储备，即在最不利的条件下（胶粘剂完全脱落）也能够保证板材不会有脱落的情况发生，保障系统的安全可靠性。

图 6 固定方式对比

5、施工方便，人员损害和环境影响小

岩棉复合板板材切割方便、施工工序简单，可有效缩减现场安装施工工期。与此同时，岩棉复合板双面的复合包裹可以有效避免施工现场棉絮飞扬及对人体皮肤的直接刺激，更加环保，避免施工中对工人的伤害和岩棉粉尘对环境的影响。缩短施工周期，降低施工成本。

四、岩棉复合板外保温安全验算

（一）岩棉复合板外保温系统风荷载验算

1、风荷载对外墙外保温系统的影响

外墙外保温系统是附着在基层上的非承重构造，因此，对外保温系统与基层墙体之间的连接安全性必须加以重视。外保温系统与基层之间的连接方式主要有两种：一是采用胶粘剂直接把外墙外保温系统粘贴在基面上；二是采用胶粘剂并辅以锚栓把外墙外保温系统粘贴在基面上。由于材料的强度不够高、粘结面积过小、虚粘等原因造成外保温系统脱落的工程案例并不少见，分析其原因主要有以下三点：

(1)外墙外保温系统的自重大于外保温系统组成材料或界面的抗剪强度。

(2)有空腔构造的外墙外保温系统，当产生垂直于墙面的负风压力时，其值大于外保温系统组成材料或界面的抗拉强度。

(3)外墙外保温系统各层材料在温度变化时，它们的热胀冷缩变形不一致；在水分变化下，它们的湿胀干缩变形不一致，从而导致相互约束(或者是变形受基层约束)，因此就会产生温度应力和湿胀应力，这些作用力大于外保温系统组成材料或界面的抗剪强度。

由外墙外保温系统脱落造成的工程事故，给人们的生命财产造成了威胁。因此，必须确保外保温系统与基层墙体的可靠连接。对于带空腔构造的外墙外保温系统的风荷载值进行计算，并结合目前的外墙外保温相关标准来分析外保温系统的安全性。

正负风压产生的原因：建筑物的风荷载是指空气流动形成的风遇到建筑物时， 在建筑物表面产生的推力由基层向外保温系统或由外保温系统向基层的推力。风 荷载与风的性质(风速、风向)，与建筑物所在地的地貌及周围环境，与建筑物本身的高度、形状等有关。风荷载作用于建筑物的压力分布是不均匀的，侧风面和背风面受到由基层向外保温系统的推力，为负风压力；迎风面受到由外保温系统向基层的推力，为正风压力。带空腔的外保温系统，在负风压区，空腔内空气压强大于外界空气压强，从而对外保温系统产生由空腔向外保温系统的推力，即负风压力； 在正风压区，空腔内空气压强小于外界空气压强，从而对外保温系统产生由外保温系统向空腔的推力，即正风压力。无空腔的外保温系统，正负风压力一般只对基层墙体有作用效果，对外保温系统没有破坏作用。因此，在外墙外保温系统抗风压设计时只需考虑有空腔的系统即可。

正负风压力只对有空腔构造（空腔构造就是代表基层与保温板之间有空腔） 的外保温系统才会有破坏作用。正风压力作用于外保温系统上会使保温板弯曲变形，挤压保温板与粘结砂浆的粘结点。负风压力有由空腔向外保温系统的推力， 当负风压力大于粘结砂浆与基层、粘结砂浆与保温板粘结力时，外保温系统会出现脱落。负风压力在瞬间或者一次大风期间（即短时间内）将外保温系统破坏， 通常见到的外保温系统被风吹掉的工程案例都是负风压力作用的结果。本项目为薄抹灰系统，采用点框法，正是此处说的带空腔外保温系统。下面分析负风压力对外保温系统的破坏。

2、风压计算

本项目保温板采用复合岩棉板，因复合岩棉板保温芯材为岩棉条，所以复合岩棉的热工及强度等效于岩棉条，复合岩棉板暂无相关标准规定，其安全计算方法与判定依据同岩棉条。复合岩棉板外墙外保温系统的风压计算公式根据(建筑结构荷载规范) (GB 50009)  围护结构的风压为：

𝜔𝑘=𝛽𝑔𝑧× 𝜇𝑠𝑙× 𝜇𝑧× 𝜔0                      （式 4-1）

式中：

𝛽𝑔𝑧——高度 Z处的阵风系数；

𝜇𝑠𝑙——局部风压体型系数；

𝜇𝑧——风压高度变化系数；

𝜔0——基本风压，𝑘𝑁/𝑚2。

通过上式知道，风压与地理环境、建筑环境、建筑形状等有关。基本风压值内陆地区一般要小于沿海地区。风压高度变化系数和阵风系数与建筑所在环境有关。

本项目相关信息如下： 项目所在地为长春，海拔高度236.8米，地面粗糙度为C类，设计年限为50年，基本风压：0.65 𝑘𝑁/𝑚2（50 年一遇）

岩棉条外保温工程的抗风荷载承载力标准值𝑅𝑘按下式计算:

𝑅𝑘 = 𝜎𝑇 × 𝜌𝐴                                   (式 4-2)

式中：

𝑅𝑘——岩棉外保温工程抗风荷载承载力标准值（𝑘𝑁/𝑚2);

𝜎𝑇——复合岩棉板抗拉强度标准值，取 100𝑘𝑁/𝑚2;

𝜌𝐴——复合岩棉板有效粘结面积率，取 70%。

在此系统完全满足标准要求的情况下；系统单位面积上的抗风荷载承载力为：

𝑅𝑘=100×70%=70𝑘𝑁/𝑚2

此系统抗负风压力的安全系数为：K=𝑅𝑘/𝜔𝑘。

表 3 抗风荷载计算汇总表

3、结论

按照 JGJT480-2019 《岩棉薄抹灰外墙外保温工程技术标准》对岩棉条外保温工程抗风荷载安全系数的要求取值 11.7，该系统所有部位的安全性均满足要求。

（二）岩棉复合板外保温系统组合荷载安全验算

岩棉外保温系统在重力和风荷载、温湿度、地震以及主体结构变形等的作用下应与主体结构安全连接；在正常使用状态下，不应产生裂缝、空鼓或脱落。现考虑自重和风荷载协同作用的系统安全验证。现将系统自重和抗风压同时考虑验证该系统的安全性。

1、岩棉复合包外保温系统自重值计算

复合岩棉板外保温系统的构造为：混凝土墙+水泥砂浆找平层+胶粘剂+复合岩棉板+抗裂砂浆(复合玻纤网格布加锚栓) +涂料饰面。

按照以上构造计算复合岩棉外保温系统的自重 G 为：

（式 4-3）

式中

𝑖——材料序号；

𝜌𝑖——材料密度，kg/𝑚3；ℎ𝑖——材料厚度，m；

𝑔——重力加速度，10𝑚/𝑠2；

G——外保温系统的重力，𝑁/𝑚2，方向竖直向下。则外保温系统每平方米自重为： G =905 𝑁/𝑚2。

2、工程各部位负风压𝜔𝑘见表4。

3、组合荷载效应设计值

荷载基本组合的效应设计值𝑆𝑑，应从可变荷载和永久荷载组合值中取用最不利的效应设计值确定：

其中由可变荷载控制的效应设计值,应按下式进行计算：

（式 4-4）

基本组合的荷载分项系数，按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011)中 3.2.4 规定取值：自重产生的永久荷载分项系数取1.2；风压引起的可变荷载的分项系数取1.4。工程各部位组合荷载设计值和安全系数见下表。

表 4 组合荷载安全系数汇总表

4、结论

按照 JGJT480-2019 《岩棉薄抹灰外墙外保温工程技术标准》对岩棉条外保温工程抗风荷载安全系数的要求取值 11.7，即使考虑系统自重和抗风压组合效应该系统所有部位的安全性仍然满足要求。

以上计算考虑保温板上的负风压全部由粘接承担，但实际因采用了粘结和锚固结合的方式,一部分负风压可由锚栓抵抗，在40~80米位置处增加锚栓的承载力结果符合标准要求。因此实际使用锚栓数量能满足设计及规范要求，按照每平米8个锚栓设计排版如下图。

图 7 岩棉复合板锚栓排布图

五、结语

岩棉复合板作为传统岩棉板的改进型产品，以其良好的材料性能和施工优势，在外墙保温系统的应用中得到越来越多的应用。项目从设计论证入手，深入分析岩棉复合板外保温系统的材料和构造优势，结合项目地域和结构特点，进行系统性安全验算分析，充分论证了该系统的安全性和可用性，为岩棉复合板外保温系统在北方地区工程中推广应用提供技术参考。

参考文献

（1） 张良. 浅论建筑外墙外保温系统[J]. 中小企业管理与科技, 2010(10):1.

（2） 张丁. 建筑外墙保温岩棉复合板应用效果解析[J]. 建筑工程技术与设计, 2016, 000(027):2070-2070.

（3） 王川, 任琳, 李晓亮. 增强竖丝岩棉复合板外保温系统的研究[J]. 保温材料与节能技术, 2019(1):6.