0引言

我国建筑节能行业经过了二十多年的高速发展，目前已达到超低能耗建筑或近零能耗建筑的起步阶段，与建筑节能相关的各个领域都得到了较大进步。作为建筑节能的核心领域， 建筑围护结构已从20世纪80年代以前的不节能状态，逐步经过整体的30%节能，50%节能，到普遍的65%节能，甚至个别地区已经开始执行75%节能的要求。目前我国也已开始进行超低能耗建筑或近零能耗建筑试点工程建设，这些建筑的保温性能得到了大幅提升。从近年来我国颁布实施的国家、行业及各地方建筑节能相关标准来看，标准内容对外墙的热工参数限值要求越来越高，例如：严寒和寒冷地区的外墙热阻性能要求已从原来的0.5(m²·K) /W左右提升至2.0(m²·K) /W 左右，甚至更高，其保温性能相应地提高了四五倍以上。近零能耗建筑、超低能耗建筑围护结构使用的保温材料厚度远大于其他节能建筑。例如：秦皇岛“在水一方”被动房项目所使用的石墨聚苯板厚度已经达到250 mm，远大于寒冷地区节能建筑普遍采用的100～150 mm厚度。

从目前来看，近零能耗建筑外墙保温材料厚度的增加对材料自身性能及建筑保温系统的常规性能和抗剪切、防火等性能的影响尚未检验，且近零能耗建筑外墙保温材料产品及其系统参数基本停留在理论研究或项目试点阶段，经过实验室检测或者现场检测的验证还较少， 在应用中存在的问题尚未系统总结。随着建筑节能水平的要求不断提高，严寒和寒冷地区超厚型外墙外保温系统检测的市场需求将越来越多，因此有必要对近零能耗建筑外墙超厚保温材料及系统的耐候、抗剪、防火等性能进行检测研究。

1文献调研

前期通过查阅文献、书籍等方式收集了大量国内外相似地区现有近零能耗居住建筑的外墙保温材料、保温系统形式和防火构造做法等资料结合，对近零能耗建筑示范项目的外围护结构进行的现场检测，总结了现有文献研究和实际测试中存在的问题。

1.1外墙保温系统节能技术发展现状

根据德国被动房研究所的实践经验，寒冷地区外墙的平均传热系数应不大于0.15W /(m²·K)，如采用石墨聚苯板(EPS)作为保温材料，厚度在300 mm左右。我国的建筑外墙节能指标相对发达国家还有较大差距，表1给出了现阶段国内外建筑外墙节能设计指标对比值。

表1 国内外建筑外墙传热系数比较

目前，国内已获得被动房认证的项目有上海汉堡之家、乌鲁木齐幸福堡、长兴布鲁克、涿州新华办公楼、青岛生态城等项目，获得被动式低能耗建筑认证的有秦皇岛在水一方、哈尔滨溪树庭院等项目。处于规划、设计和施工阶段的被动式建筑项目还包括北京万科长阳紫云家园、天津武清文荟创意园、北京翠成残疾人托养所、北京百子湾保障房项目、哈尔滨森鹰办公楼及工厂项目等，北京市城市副中心也正在筹备建设超低能耗建筑。其中已建成的秦皇岛在水一方、哈尔滨溪树庭院和正在方案优化过程中的百子湾保障房项目为居住建筑；幸福堡、布鲁克等项目为公共建筑。上述项目中外墙多采用聚苯板或岩棉作为保温材料，外墙保温材料的厚度一般在200 mm以上。

目前还有其他一些保温材料已在现有近零能耗建筑示范工程上有所应用，如传统泡沫塑料类的石墨聚苯板(EPS)、挤塑聚苯板(XPS)和聚氨酯板(PU)等，也有燃烧性能更好的无机类保温砂浆、发泡水泥、岩棉、玻璃棉等，还有导热系数低于0.008 W/(m·K)的真空绝热板。

如果参照北京市现行的四步节能设计标准，考虑计算墙体平均传热系数时保温材料导热系数的修正系数，根据DB11/891—2012进行取值，300 mm厚的EPS板保温性能约与240 mm厚的挤塑聚苯板或180 mm厚的硬泡聚氨酯板的保温性能相当。如果采用真空绝热板，以导热系数为0.008 W/(m·K)计算，所需厚度约为60 mm。根据调研，近零能耗建筑保温材料的厚度又较现行四步节能设计标准有大幅提高，保温材料厚度大幅增加对大部分外墙外保温系统会存在一定影响。相比之下，对于厚度可任意调节的模塑聚苯板、硬泡聚氨酯板、岩棉带影响较小，对XPS、连续成型生产的PU板、岩棉板和真空绝热板的影响则较大，主要体现在材料、系统、施工难度和施工质量要求等方面。

首先，受生产工艺的影响， XPS板和连续成型生产的硬泡聚氨酯板的最大厚度约为100 mm，因此至少需要2～3层板材来满足近零能耗建筑热工要求。为保证外保温系统的联结安全性和使用耐久性，两种产品的尺寸稳定性应引起注意，通过生产工艺尽量避免XPS板材上墙后的变形和复合硬泡聚氨酯塌陷等问题；对于真空绝热板，产品的导热系数非常低，目前产品的最大厚度约为30 mm左右，要满足传热系数的要求，需要2层真空绝热板复合使用，其封边在使用过程中容易形成较大的热桥，穿墙孔洞等部位的异形板更需要贴合管道，以避免因采用导热系数差异较大的其他保温材料而形成较大的热桥。目前EPS、XPS和岩棉等保温材料虽已在试点工程上有一定应用，但热工性能效果如何还未得到检验。因此，保温材料厚度的增加对保温性能带来的影响需要进一步测试研究。

其次，对外保温系统的防火性能影响也需要进一步验证。保温材料厚度大幅增加，会引起系统热值的提高，设置系统防火隔离带的方式是否还能满足外保温系统的防火性能要求需要通过实验验证。

1.2检测方法研究现状

目前，国家没有专门的针对近零能耗建筑外保温系统及所用保温材料的检测标准，使用比较广泛的常规材料检测标准是,JGJ 144—2004《外墙外保温工程技术规程》，以及近两年新推出的针对不同类型保温材料及系统制定的标准，比如 GB/T25975—2010《建筑外墙保温用岩棉制品》、GB/T 29906—2013《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》、GB/T30595—2014《挤塑聚苯板(XPS)薄抹灰外墙外保温外保温材料》、JG/T 420—2014《硬泡聚氨酯板薄抹灰外墙外保温系统材料》和 JG/T 438—2014《建筑用真空绝热板》等。参阅上述标准可知，除不同保温材料本身性能有较大的差别外，外保温系统的构造及其系统性能试验方法基本类似，均参考JGJ144—2014《外墙外保温工程技术规程》中附录A的项目和方法。而近零能耗建筑外墙外保温系统最大特点是为实现节能效果，而采用了较厚的保温材料，但保温层厚度如果超出一定范围，其应用的技术条件会发生较大变化。

保温材料自身要符合产品标准要求外，外墙外保温系统的整体性能也要满足标准要求。从外墙外保温系统的构造特点和功能来看，外保温系统测试核心参数是系统热阻(或传热系数)，特别是对保温性能较好(高热阻)的建筑墙体系统。对于外墙外保温系统性能参数的测试，目前《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》《挤塑聚苯板(XPS)薄抹灰外墙外保温系统材料》和《硬泡聚氨酯板薄抹灰外墙外保温系统材料》等标准给出了系统耐候性、抗风压性能等常规性能检测要求，没有涉及保温材料抗压剪性检测。现有标准中的检测条件和检测参数是否能满足近零能耗建筑保温材料和保温系统的检测要求，需进一步验证。

相对来说，粘贴保温板+薄抹灰式的系统构造形式在我国应用最广，目前各类近零能耗建筑的外墙围护结构保温形式大多也采用了这种方式。因此，本文的测试研究将基于该保温系统形式开展。

1.3小结

针对上述近零能耗建筑用保温材料及系统和检测方法方面存在的问题，本文外墙保温材料及保温系统的测试目的主要是：①对现行传统薄抹灰标准中保温材料的一些常规性能指标进行测试，检验是否符合现有标准要求；②检验超厚保温材料及构成的近零能耗建筑外墙外保温系统的耐久、安全、防火等方面性能；③研究近零能耗建筑外墙外保温系统其他性能评价指标。

2近零能耗建筑外墙保温材料性能指标检测对象及方法

2.1材料传统常规性能检测

根据GB/T 30595—2014《挤塑聚苯板(XPS) 薄抹灰外墙外保温系统材料》、GB/T 29906—2013《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》、JG/T 420—2013《硬泡聚氨酯板薄抹灰外墙外保温系统材料》、GB/T25975—2010《建筑外墙保温用岩棉制品》、JG/T 438—2014《建筑用真空绝热板》等标准，对保温材料的表观密度、导热系数、尺寸稳定性、抗拉强度、吸水率等参数进行传统性能指标测试。本文选择了七种可在近零能耗建筑上应用且性能比较稳定的保温材料(挤塑聚苯板、模塑聚苯板、石墨模塑聚苯板、聚氨酯板、岩棉板、岩棉带和真空绝热板，见图1) 来进行性能的测试与研究，测试材料的规格如表2所示。

图 1 测试用的保温材料

表 2 常规性能测试用保温材料的规格

注：表2中的理论厚度值参考《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)》严寒和寒冷地区外墙传热系数限值范围选取0.2 W/(m²·K) 计算所得。

2.2材料抗压剪性能检测

对于模塑聚苯板、石墨聚苯板、挤塑聚苯板和聚氨酯复合板，各选择板材的三种规格(长×宽×厚度)，分别为100 mm×50 mm×50 mm、100 mm×50 mm×30 mm和100 mm×50 mm ×15 mm，其中100 mm×50 mm的测试面与原板材大面相平行。对于岩棉板、岩棉带、真空绝热板，无法将材料加工成较小的厚度，或者加工后严重影响材料的性能，所以选择样品原始厚度进行试验。由于岩棉带多数为长条形板材，具有各向异性，对材料分别进行纵向及横向两组试验，纵向试验样品尺寸为200 mm×100 mm×50 mm，横向试样样品尺寸为150 mm× 100 mm×50 mm和200 mm×100 mm×100 mm，并采用双试件试验。岩棉板试验部分样品尺寸采用100 mm×100 mm×50 mm，单试件试验；部分采用200 mm×100 mm×100 mm，双试件试验。由于真空绝热板具有不能裁切的特殊性，试验样品尺寸采用100 mm×100 mm×10 mm的特制样品，单试件试验。

测试方法是：用两块100 mm×100 mm×10 mm的水泥纤维板将样品用环氧树脂胶错开间隙粘贴在中间，待环氧树脂胶完全固化后将粘贴好的样品安装在压剪强度的夹具上，并安装在电子万能试验机上(见图2 )，分别使用10 mm/min、50 mm/min、100 mm/min的加载速度对试样进行压剪试验，直至试样破坏停止试验，记录破坏荷载。

图 2 材料抗压剪性能测试

2.3材料防火性能检测

超厚保温材料的燃烧性能等级可在一定程度上反映近零能耗建筑保温系统的防火安全性。常见的保温材料种类中，聚苯板类保温材料的燃烧性能受厚度的影响较大，因此本文以聚苯板类保温材料为例进行研究。分别对同一批次的100 mm厚、200 mm厚模塑聚苯板和100 mm厚、200 mm厚石墨模塑聚苯板进行了单体燃烧的试验。测试方法参照 GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的单体燃烧试验》和GB8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》执行。

2.4系统耐候性能测试

在3.36 m×2.40 m的混凝土试验基墙上制备外墙外保温系统作为测试试件，分别制备模塑聚苯板、石墨聚苯板、挤塑聚苯板、聚氨酯板、岩棉、真空绝热板这六种保温材料的外墙外保温系统，采用保温材料搭配拼贴成两面试验墙(见图3)。保温系统整体伸入耐候箱体， 以保证能顺利安装到试验装置上。比如：聚氨酯板与石墨聚苯板试验墙由双层100 mm厚聚氨酯板与单层200 mm厚石墨聚苯板组成一面保温厚度均为200 mm 的外墙外保温系统试验墙，系统上半部分为1200 mm宽聚氨酯板保温层，下半部分为600 mm宽石墨聚苯板保温层，粘结层为粘结砂浆，抹面层为抹面胶浆复合单层玻纤网布，饰面层为外墙平面涂料，考虑到最大限度体现耐候循环后试样的破坏情况，未做外墙腻子层。

图 3 系统耐候性能测试试验墙

参考GB/T 29906《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》、GB/T 30595《挤塑聚苯板(XPS)薄抹灰外墙外保温系统材料》、JGJ144《外墙外保温工程技术规程》和JG/T 420《硬泡聚氨酯板薄抹灰外墙外保温系统材料》的试验方法，进行耐候性(80次热雨循环和5次热冷循环)、耐冻融性能、抗冲击性、吸水量、水蒸气透过湿流密度共五项指标。鉴于新发布的GB/T 29906、GB/T 30595和JG/T 420标准中均取消了抹面层不透水性的项目，故本次测试也不予考虑。

3 检测结果与分析

(1)从保温材料常规性能测试结果来看(如表3，由于篇幅限制，未给出所有的测试结果)，这几类材料的性能都能满足现行的国家或行业对薄抹灰系统标准的要求。这几种保温材料的性能较为稳定，可用于近零能耗建筑中。在保温层厚度一定时，理论上保温效果相对较好的是真空绝热板系统，但实际测试中真空绝热板系统热阻下降较多，普遍超过理论值的20%。因此，需对近零能耗建筑用非均匀材料和构件的热阻开展进一步实验研究，以确定修正系数。

表 3 挤塑聚苯板测试数据

(2)从保温材料抗压剪性能测试来看(见图4)，挤塑聚苯板、模塑聚苯板、石墨模塑聚苯板、聚氨酯、岩棉带和真空绝热板的压剪强度可满足限量要求，而岩棉板和岩棉带的压剪强度仅部分满足限量要求。由于本文所测试的样本数还尚少，需要大量搜集各种质量层次样品进行验证性试验。但本试验结果为近零能耗建筑外保温材料的选择起到了一定的推荐性作用。

图 4 抗压剪性能测试后的板材

(3)从保温材料防火试验来看(见图 5)，本测试选用的200 mm厚聚苯板满足燃烧性能 B1级要求；从100 mm厚和200 mm厚样品的测试数据对比来看，样品厚度的增大导致燃烧性能变差，但暂时无线性比例规律可循，但从总体结果来看，可维持B1级要求。由此看出，近零能耗建筑保温系统防火安全性相对于普通建筑需要更多的重视。

图 5 防火测试

(4)从外墙外保温系统耐候性能测试结果来看(如表4，由于篇幅限制，未给出所有的测试结果)，各项结果均达到了标准要求。从耐候性能比较来看，石墨聚苯板(SEPS)系统＞模塑聚苯板(EPS)系统＞聚氨酯板(PU)系统＞岩棉带系统＞挤塑聚苯板(XPS)系统＞岩棉板(RWP)系统＞真空绝热板(VIP)系统。近零能耗建筑外墙外保温系统虽能满足现有国标及行标的技术要求，但是对于近零能耗建筑外墙外保温系统的耐候性试验设备还需要较大的改造，是今后研究的重点方向。

表 4 耐候性实测值

4结 论

(1)从保温材料常规性能检测的数据来看， 挤塑聚苯板、模塑聚苯板、石墨模塑聚苯板、聚氨酯、岩棉带和真空绝热板的常规性能均能满足现行标准要求，可用于近零能耗建筑中，但必须以各种组成材料是合格产品或优秀产品为前提。

(2)在保温层厚度一定时，理论上保温效果相对较好的是真空绝热板系统，但实际测试中受现场施工质量影响较大，真空绝热板系统热阻下降较多，普遍超过理论值的20%。因此，需对近零能耗建筑用非均匀材料和构件的热阻展开进一步实验研究，以确定修正系数。

(3)近零能耗建筑岩棉类保温材料的剪切性能受厚度影响，应用前需对其进行测算分析， 以提高系统安全性。

(4)经材料、系统性能实验验证，近零能耗建筑用有机保温材料厚度的增加对材料燃烧性能、系统防火性能具有一定影响，从总体结果来看，部分材料或系统可维持B1级要求。

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