建筑業(yè)硬質(zhì)泡沫應(yīng)用分析
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一般的建材密度高且絕熱性能差，如膨脹珍珠巖混凝土密度約1g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)約0.33W/(m.K);巖棉保溫材料密度0.06~0.15g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)約0.044W/(m.K)；石棉水泥珍珠巖板密度為0.4g/cm3,導(dǎo)熱系數(shù)約0.1W/(m.K)。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料突出優(yōu)點之一是導(dǎo)熱系數(shù)低，為0.019~0.030W/(m.K)，低于發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)的導(dǎo)熱系數(shù)0.04~0.05W/(m.K)[3]。因此在相同條件下[4]，50mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的保溫效果相當(dāng)于80mm厚的EPS、90mm厚的礦棉、100mm厚的軟木、130mm厚纖維板、280mm厚的木板或760mm厚的混凝土。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料突出優(yōu)點之二是體積密度小。目前用于保溫的大多數(shù)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的體積密度約為35~40kg/m3，抗壓強度>0.2MPa。該材料質(zhì)量輕，但仍能承受一定的機械荷載且硬度很高，因此在堅固抗壓結(jié)構(gòu)建筑中是一種比較理想的材料。該材料具有類似木材特性，可鋸、易切割，可針對各種要求完成定制保溫層的鋪設(shè)。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是建筑物的屋頂、天花板、墻板、地板等部位保溫節(jié)能的理想材料。窗架、窗扇、窗框、門框等構(gòu)件則可用密度較高的聚氨酯硬質(zhì)泡沫結(jié)構(gòu)制作。據(jù)資料報道[3]，對一幢采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板塊進行屋面保溫的獨立建筑進行能量守恒模型計算，結(jié)果證明，使用1m3、導(dǎo)熱系數(shù)0.025W/(m.K)的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，可在50年內(nèi)節(jié)省6.55萬kWh的能量。在德國Viernheim的一棟房屋中，采用PurenSchaumstoff公司的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料解決了保溫問題。建筑的墻體采用30cm厚、導(dǎo)熱系數(shù)為0.03W/(m.K)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作保溫層，最終墻體的傳熱系數(shù)降到0.10W/(m2.K)。如果這些墻體采用EPS作保溫層，那就需要再增加10cm的厚度。由于采用了較薄的保溫層，相對于房屋的居住面積增大了6.3m2以上。目前硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料在建筑上主要應(yīng)用于屋頂、墻體、窗戶、地面、管道等保溫。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫產(chǎn)品主要有以下幾種生產(chǎn)工藝：一種是連續(xù)或間斷式板塊工藝，在連續(xù)式泡沫板塊生產(chǎn)工藝中，聚氨酯的原材料聚醚和異氰酸酯混合反應(yīng)在2層面板之間進行發(fā)泡，面板可采用柔性材料，也可采用剛性材料作面層，比如金屬板和木質(zhì)板材、鋁箔等，此工藝在工業(yè)建筑中已得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品的長度可根據(jù)需要進行生產(chǎn)；間斷式板塊生產(chǎn)(國內(nèi)有少數(shù)工廠采用手工澆注生產(chǎn))是將聚醚和異氰酸酯混合反應(yīng)物料注入到模具中，脫模后得到產(chǎn)品可加工成不同形狀的部件使用。另一種是連續(xù)式泡沫卷材生產(chǎn)工藝，主要用于管道外面保溫層生產(chǎn)。也有采用被保溫物體進行現(xiàn)場機器噴涂發(fā)泡的工藝，比如屋頂、墻面等。國內(nèi)較大型的硬泡板材生產(chǎn)企業(yè)有30余家，主要生產(chǎn)廠房和冷庫板材。較大型的硬泡管材生產(chǎn)企業(yè)有10余家，主要生產(chǎn)集中供熱保溫及冷凍絕熱用管材。
2建筑工業(yè)中開發(fā)應(yīng)用
2.1建筑物屋頂保溫[3~9,11,12]
2.1.1坡屋頂
如今人們把坡屋頂空間也作為居住空間，坡屋頂?shù)谋匾簿惋@得越來越重要。坡屋頂保溫技術(shù)一般是在屋椽上方鋪設(shè)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板材來阻斷熱橋，同時可提高屋頂結(jié)構(gòu)的不透風(fēng)性和隔聲效果。目前國內(nèi)對坡屋頂保溫措施還未開展，大部分城市房屋的平屋頂改坡屋頂主要是解決美觀問題，其次有一定的隔熱作用。
2.1.2平屋頂
國內(nèi)目前現(xiàn)有的房屋大多采用平屋頂結(jié)構(gòu)，屋頂長期的溫度波動范圍為-30~90℃，因此采用何種絕熱材料變得尤為重要。在鋪設(shè)平屋頂時，屋面材料的熱穩(wěn)定性是主要因素。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料可滿足上述要求，能承受陽光長期照射在平屋頂密封層的深色表面所產(chǎn)生的高溫，且具有長期的耐老化性。①保溫方式：日本普遍采用鋪設(shè)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板材，歐美普遍采用現(xiàn)場噴涂發(fā)泡方式，目前國內(nèi)對屋頂保溫也采用現(xiàn)場噴涂發(fā)泡方式。②噴涂發(fā)泡法：由于近20年來發(fā)展起來的硬質(zhì)聚氨酯泡沫采用噴涂工藝施工取得了較好效果。硬質(zhì)聚氨酯泡沫噴涂工藝是雙組分反應(yīng)物料借助高壓空氣的作用，將反應(yīng)物料輸送至噴槍，被壓縮空氣霧化噴射到施工物件表面進行發(fā)泡成型技術(shù)。硬質(zhì)聚氨酯泡沫噴涂的屋頂層既可作保溫層同時也可作防水層。采用噴涂發(fā)泡機可大面積施工，噴涂泡沫與建筑物建材基層形成一體，不易發(fā)生脫層，無拼接縫，從而可避免屋面滲漏。③屋頂施工：通常在干凈干燥的屋面基層上直接噴涂一層30~50mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料，再加一層保護層(免受陽光直接照射和外界風(fēng)化作用；提高屋面剛性強度，硬質(zhì)聚氨酯泡沫免受機械損傷)。國外采用抗紫外線老化有機涂覆層，國內(nèi)多采用鋼絲網(wǎng)增強水泥砂漿方法。另有報道[7]，為了噴出平整的表面層，可2次噴涂屋面，主體泡沫的密度范圍為30~40kg/m3，最上面10mm厚的為80kg/m3左右，或統(tǒng)一選用50~60kg/m3的單一密度，也可滿足上面走動的承載而不損壞泡沫。國家建設(shè)部、國家建筑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)局于2003年8月審定了《噴涂聚氨酯硬泡防水保溫材料》國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)即將公布。⑤國內(nèi)施工實例[5,6]：廣州市坑口地鐵拱形屋面。蘭州510所在廣州市坑口地鐵拱形屋面的施工中，噴涂硬質(zhì)聚氨酯泡沫性能為：閉孔率>93%，氧指數(shù)>26，泡沫密度為45~55kg/m3，壓縮強度≥190kPa，導(dǎo)熱系數(shù)約0.023W/(m.K)。施工設(shè)備：美國Graco和Gusmer公司噴涂發(fā)泡機。此外，還有山東煙臺萬華合成革集團公司住宅屋面、國家大型儲備糧庫屋面、沈陽四方臺氣體有限公司綜合樓屋面、青島福瑞德食品有限公司5000m2屋面保溫、江蘇省鹽城市體育局5000m2屋面防腐保溫、江蘇省南通市兒童業(yè)余體校1000m2屋面保溫、濰坊仟和食品有限公司3000m2屋面保溫、青島白珊學(xué)校1500m2鋼結(jié)構(gòu)屋面、青島天虹大廈樓頂屋面聚氨酯保溫(高層建筑)、煙臺港務(wù)局4000m2鋼結(jié)構(gòu)屋面保溫、青島澳福針織有限公司3000m2鋼結(jié)構(gòu)屋面保溫等。⑥成本估算：按照國內(nèi)有關(guān)施工單位提供的資料[5,6]，4~6人施工每天可噴涂15m3以上，如果按噴涂30mm厚度計算，每天可噴涂密度45~55kg/m3，壓縮強度≥190kPa，噴涂30min后基本固化，可在上面行走，24h后可進行下一工序施工。
2.2墻體中的應(yīng)用[7,10~12]傳統(tǒng)房屋墻體采用370mm厚的黏土磚砌筑而成，由于磚墻的傳熱系數(shù)大，因此能耗相應(yīng)加大，所以從節(jié)能角度考慮這是我們要給予重視并解決的問題。目前使用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為墻體保溫有以下幾種辦法解決。
2.2.1金屬夾芯板材作墻體
硬質(zhì)聚氨酯泡沫金屬夾芯板材作為墻體，其結(jié)構(gòu)強度高、絕熱性好、阻燃性好、使用壽命長，目前廣泛用于廠房和冷庫等的施工建設(shè)中。
2.2.2外墻砌筑夾填泡沫板法
墻體夾硬質(zhì)聚氨酯泡沫板，外墻抹水泥砂漿。整體性不好，不易施工，一般不采用。
2.2.3墻外表面粘貼泡沫板(塊)法
不易施工，采用少。
2.2.4內(nèi)外墻之間砌筑夾填澆注硬質(zhì)聚氨酯泡沫法
把硬質(zhì)聚氨酯泡沫的反應(yīng)混合料澆注填入內(nèi)外墻之間空腔內(nèi)，物料在腔內(nèi)發(fā)泡，泡沫與墻體結(jié)合形成一體。
2.2.5噴涂聚氨酯硬質(zhì)泡沫法
噴涂泡沫施工：外墻采用370mm厚黏土磚砌筑，堵好墻面洞口，掃凈墻面浮灰；噴涂20mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫用打點掛線法進行控制，12h后打磨找平，即可進行20mm厚水泥砂漿涂抹等其他裝修施工。
2.2.6保溫施工實例[7]
沈陽四方臺氣體有限公司綜合樓外墻面噴涂25mm厚聚氨酯硬質(zhì)泡沫。沈陽新光機械廠職工住宅樓外墻噴涂20mm厚聚氨酯硬質(zhì)泡沫(同等條件下，室溫提高5℃)。
2.2.7不同墻體保溫材料成本比較
日本墻體保溫隔熱情況資料報道[13]，由于日本屬于發(fā)達國家，因此對于建筑物的保溫、隔熱、隔音、防潮要求是比較高的，也是家庭建筑必須具備的基本要素。同時日本在這方面技術(shù)的研究和應(yīng)用比較成熟，對于不同建筑使用不同厚度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料隔熱層，用于一般住宅和高層建筑的硬質(zhì)聚氨酯泡沫隔熱層的厚度為40mm，價格約2500日元/m2；用于高檔住宅建筑的隔熱層的厚度是60~80mm，價格約8000~10000日元/m2(帶有1層9.5~12mm厚的細木工板)。日本用于建筑硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料物理性能。
2.3窗戶保溫
建筑物的能量有1/3是從窗戶損失，不僅通過窗玻璃，且通過導(dǎo)熱的窗框。但是，通過對窗框結(jié)構(gòu)進行妥善合理的設(shè)計，可以使能量損失減少到最低限度。采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料窗框芯的窗戶，保溫性能可達傳統(tǒng)木框窗的2倍。若將北向、西向的窗戶改為單框雙玻璃，周邊外墻直接噴涂30mm厚硬質(zhì)聚氨酯泡沫絕熱層，經(jīng)這樣處理建筑物能源效率可從原來2.4~2.9提高到5.8~6.0。
2.4地面保溫
在室內(nèi)地面保溫時，相對較薄的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫層即可滿足要求，無論是地面上進行保溫，還是在樓板下鋪設(shè)保溫層，都特別有用。一般地面保溫層只需20~40mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板塊就足夠；如果要敷設(shè)地面采暖管線，則可采用經(jīng)特殊發(fā)泡或鉆孔的板材。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料在長期壓力荷載下仍能保持較好的穩(wěn)定性，當(dāng)?shù)孛娌膳?、溫度升?0℃時也能保持相同的穩(wěn)定性。
2.5冷庫建設(shè)
對于溫度<-30℃的低溫場合硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是最佳絕熱材料。國內(nèi)貿(mào)易部工程設(shè)計研究院于1998年編制了硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料冷庫保溫工程施工規(guī)程(試行),規(guī)程提出了主要的6項指標(biāo)：①墻、頂用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料密度>37kg/m3，地面用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料密度>45kg/m3；②墻、頂壓縮強度(形變10%的壓縮應(yīng)力)為147kPa，一般地坪壓縮強度>245kPa，行走叉車地坪壓縮強度≥249kPa；③墻、頂導(dǎo)熱系數(shù)<0.022W/(m.K)，地坪導(dǎo)熱系數(shù)<0.024W/(m.K)；④尺寸穩(wěn)定性<2%；⑤吸水率<4%；⑥氧指數(shù)>26，離火自熄時間應(yīng)達0級標(biāo)準(zhǔn)。