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安全手册

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Safety Manual

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聚氨酯喷涂屋面系统的耐久性能研究

作者:宋阔来源:建筑节能达人

本文汇总了90年代末美国两家保险机构FM和UL与美国聚氨酯喷涂泡沫联盟(SPFA)联合研究项目—劳伦斯伯克利实验室的冷屋顶研究,以及SPFA与美国家庭建筑商协会(NAHB)研究中心和橡树岭国家实验室(ORNL)联合研究成果:

聚氨酯喷涂屋面经久耐用,大范围的聚氨酯喷涂屋面调查结果显示,当时使用时间已经超过26年,97.6%没有漏水,93%的屋面性能衰减小于1%,55%的屋顶未经围护
使用聚氨酯喷涂屋面节约能源,3-4年所节约的能源费用可以覆盖屋面翻新使用聚氨酯喷涂的成本;


总结聚氨酯喷涂屋面系统具有以下特点:

➣ 寿命长、使用30年及以上没有问题,减少保温材料更换次数
➣ 保温性能好,节约能源
➣ 用于屋面翻新,操作便捷,减少更多建筑垃圾
➣ 满粘、气密性、减少冷桥
➣ 防水性好,减少水分对建筑的破坏
➣ 粘结性强、抗风升能力强,已超过测试设备极限
➣ 可更新方便维修,维修成本低
➣ 在建筑结构内部进行喷涂填充,增加结构强度

多年来,美国建筑行业一直使用喷涂聚氨酯泡沫(SPF)作为屋面、保温和密封产品。通过对喷涂聚氨酯泡沫应用及性能越来越多的研究,证明这一材料具有许多可持续性特征。

本文介绍了喷涂聚氨酯在建筑中的两个重要应用。第一个部分主要关于屋面应用,研究结果基于美国最权威的两家保险机构FM和UL、美国聚氨酯喷涂泡沫联盟联合研究项目—劳伦斯伯克利实验室的冷屋顶研究以及B Thomas Smith和Patrick Downey等屋面专家撰写的文章,美国德州农工大学提供能源研究结果等。

第二部分介绍内部应用的构建。该部分包括Mark Bomberg、W.C. Brown、等多位专家的研究结果,以及SPFA与美国家庭建筑商协会(NAHB)研究中心和橡树岭国家实验室(ORNL)赞助的项目,以及私人公司的实地调查。

屋面调查

防水保温1.png

屋面喷涂聚氨酯防水保温

在1983年至1996年间,Dean Kashiwagi调查并记录了超过1600个SPF级屋面系统的性能。1998年,Rene Dupuis公布了他对美国六种不同气候条件下160多个SPF级屋面系统的调查和评估结果。两位专家进行的调查得出了非常相似的结论:聚氨酯喷涂屋面系统具有高度可持续性。
在Kashiwagi 1996年的报告中,当时美国使用聚氨酯喷涂最久的屋面已经超过26年。在他所调查的屋顶中,97.6%没有漏水,93%的屋面性能衰减小于1%,55%的屋顶未经维护。两位专家报告都指出,聚氨酯喷涂的物理性能不会随着时间的推移而减弱,超过70%的屋面仍在使用。


节约能源

许多大公司和机构都记录了使用聚氨酯喷涂屋面系统所节省的能源。德州农工大学计算了建筑在应用这种系统前后的能源消耗。在研究了超过74.3万平米的屋面后得出结论,在3-4年内节省下来的能源可支付使用聚氨酯喷涂进行屋面翻新的费用。
喷涂聚氨酯泡沫屋面是怎样产生如此显著效果的?在32℃的气温下,黑色屋面的最高温度可达87.8℃。如果室内温度保持在25.6℃,产生的温差则为44℃。根据数量和类型的不同,单是紧固件就可以降低1.5-31.5%的有效保温值。在炎热的夏天,深色薄膜会吸收辐射热,导致屋面表面温度上升。热桥的存在,如紧固件和保温板的缝隙中间的热桥,则会将热量输送到建筑物中。


喷涂聚氨酯泡沫可以降低能源成本,因为:
• 应用于屋面甲板以上;
• 通过在屋面平台和/或组件的现有热桥上提供连续保温层,消除热桥;
• 具有非常高的老化热阻值(每英寸6到7之间);
• 通常涂有浅色反光涂层。

耐用性

性能研究表明,SPF级屋面系统可以使用30年以上或更长时间。此外,它们具有较低的维护成本,可抵抗由冰雹和大风造成的碎片进而导致的泄漏,可抵抗大风吹落,可以增加结构强度,并最大可能地减少建筑围护结构内的受潮损害。


ORNL报告指出:屋面过早破坏的主要原因是受潮和缺乏抗风能力。屋面系统受潮会导致渗水、保温隔热层加速老化失效、结构退化、资产折旧、热工性能差。同样,在一场大风暴中,屋面的损失不仅会导致结构破坏,还会使建筑内物品暴露在自然环境中。保险业认为屋面是造成灾害相关保险损失的主要原因。


由于聚氨酯喷涂结构具有90%以上的闭孔率,这类屋面可限制湿气的侵入。通常情况下,聚氨酯喷涂屋面系统损坏后不会导致水分渗漏到建筑物内,即使泡沫被损坏后,也因其封闭的泡沫结构,可将水分隔离在外。正如Dupuis博士报告中所阐述:“SPF级屋面的一个独特之处在于,它们不会立即出现泄漏的危险,因为水分不会穿透泡沫。”


SPF级屋面系统具有优异的抗风升性能。Allen、Hugo和Andrew带领业界在Underwriters Laboratories和FM Global对SPF系统进行了实验室测试,UL十分惊讶于SPF的抗风升力已经超过测试设备的极限。


据Dupuis和其他行业专家所说,SPF是一种非常好的抗冲击材料。冰雹和风力所导致的碎片很少会使SPF级屋顶泄漏。而且任何损坏通常可进行后续修复,不会影响系统的长期性能。


楼板托梁2.png


楼板托梁之间喷涂低密度聚氨酯泡沫,具有隔热、空气阻隔、隔音等三重功能

其中最著名的例子就是新奥尔良超级穹顶。1978年,一场严重的冰雹破坏了聚氨酯喷涂屋面的部分区域,在接下来的10年里,该市一直在讨论如何最好地进行维修。最后在1992年,屋顶才被修复并重新涂上了一层涂料。尽管过了十几年以后才进行修复,在此之间聚氨酯喷涂屋顶从未因冰雹损坏而漏水。


ORNL报告中还说,多样性的需求使屋顶成为固体废物的最大贡献者之一。根据美国国家屋顶承包商协会(NRCA) 1999年的调查,在113亿美元的低坡屋顶改造市场中,超过68.5%是对现有屋顶防水层的撕裂和更换。


SPF级屋面系统对各种基材都显示出优异的附着力,包括BUR、改性沥青、混凝土、木材、沥青瓦、粘土瓦和金属。由于质轻,并可被应用于不同厚度,以增加斜坡和填充低洼地区,SPF经常用于修复现有的屋顶,而无需撕裂。因此,安装在现有屋顶的聚氨酯喷涂大大减少了送往垃圾填埋场的建筑碎片的数量。


因此,SPF级屋顶系统展示了显著的可持续特性:寿命长,可更新,节约能源,增加建筑物的耐久性,并控制其中的湿气,且对建筑废物的贡献很小。

保温和空气屏障系统

建筑围护结构内的环境控制依赖于热量、空气和水分传输之间稳定的相互作用。为了控制这些因素,必须具有高效的空气屏障和连续的自然隔热,使缝隙不影响设计的环境控制。建筑围护结构中材料的耐久性取决于室内外气候、建筑类型和使用条件。这些变量中任何一个的微小变化都可能导致第一年的材料失效,或者40年的完美表现。


SPF系统的使用可以显著影响建筑的耐久性和室内环境控制。建筑围护结构通常采用三种形式的喷涂保温:
高密度(24 kg/m3至32 kg/m3),低密度(<8 kg/m3)和密封胶泡沫。当需要一定强度、高防潮和保温效果时,使用高密度聚氨酯喷涂;
而当需要保温、空气屏障和声音控制时,使用低密度聚氨酯喷涂泡沫;
密封胶泡沫则用于密封窗户、门、槛板和其他位置,以防止空气渗透/流出。
聚氨酯喷涂提供更好的温度和湿度控制:
•   提供连续的空气屏障;
•   防止空气渗漏导致水分渗入;
•   最小化露点问题和冷凝;
•   避免热桥效应;
•   能够抵抗热量扩散;
•   在不同气候条件下提供可靠的性能;


更好的温度和湿度控制可以节约能源,使建筑更舒适,并减少老化,从而延长结构的寿命。SPF的气候控制能力使建筑所需的加热和冷却设备趋于小型化,进一步减少能源使用和前期成本。同时进行的能源效率比较表明,使用SPF比通常指定的保温材料节省多达40%的能源。


热阻


SPF的老化R值因配方、发泡剂和应用不同而不同。用于保温和屋面的老化R值,密度从24 kg/m3到48 kg/m3,通常在每25毫米(1英寸)6-7.5。影响R值的因素包括:喷涂厚度(泡沫越厚,老化R值越好)、基材和所使用的覆盖体系(镀层及基材的额定温度越低,老化R值越高)。低密度(8 kg/m3)开孔SPF的老化R值通常稳定在每25毫米(1英寸)3.4-3.6。
1997年,ORNL对金属柱墙之间的SPF进行了测试。螺柱之间使用高密度、19mm厚的SPF,且在顶部额外再喷涂13mm的泡沫。结果表明,SPF值大大降低了金属螺柱的热桥效应。


通过控制水分渗透,SPF也为建筑保温性能提供了更大的耐久性。建筑物保温性能老化的首要原因是建筑围护结构内的湿气。水分破坏会对许多建筑在飓风和其他灾难性事件中产生不利影响。


结构强度

聚氨酯喷涂可以增加建筑物的结构强度。全国房屋建筑商协会(NAHB)研究中心测试表明,木材和钢柱墙板之间的SPF保温,喷在石膏墙板和乙烯基壁板上时,会增加2到3倍的剥离和剪切强度,喷在定向刨花板(OSB)上时,可以增加50%的剥离强度。NAHB总结道:“用聚氨酯喷涂的墙壁支撑结构可能会受到更小的破坏。”在建筑中使用高密度聚氨酯喷涂可以增加显著的结构强度,最大限度地减少移动和剥离事件造成的损害。


热桥3.png


聚氨酯泡沫减少了建筑围护结构中的热桥,从而维持更稳定的居住者设定温度

生产的能源成本


富兰克林联合有限公司的研究《建筑、建筑和运输行业塑料产品及其替代品的能源比较评估》,比较了塑料产品制造的总能源需求和塑料替代品制造商的总能源需求。这种分析的独特之处在于它关注产品制造的所有主要步骤,如从土壤中提取原材料,制造,甚至运输,而不是单一的制造步骤。


这项研究得出结论,建筑和建筑业的塑料制品比其他材料消耗的能源更少。根据富兰克林的研究,1990年的聚氨酯泡沫保温材料在比玻璃纤维保温材料节省了3.6万亿千焦的生产能源。为了更直观的了解这一数据,考虑一下1.1万亿千焦相当于近17万桶石油和2830万m3 (10亿立方英尺)的天然气。


如前所述,SPF的现场应用过程产生的碎片和废物非常少。一个典型的929m2(10,000平方英尺)屋顶项目产生不到0.4m3的废弃SPF、胶带和塑料(用于掩蔽),以及极少的废弃溶剂(取决于使用的防护覆盖类型)。同比一个929m2的重置屋顶项目,它产生了超过7.6m3的建筑碎片。目前,SPF屋面和保温系统产生的废料很少,材料回收实际上是SPF屋面和保温系统的可持续发展特点。


注:

1. 美国法特瑞互助保险公司FM Global,简称FM,创建于1835年,总部位于美国罗德岛州,是全球最大的工商业财产互助保险公司之一。

2. 美国保险商实验室Underwriters Laboratories,简称UL, 成立于1894年,是美国最具权威的保险机构,UL标准有五分之三为美国国家标准。

3. 原文作者:Mason Knowles,美国塑料委员会(APC)喷涂聚氨酯泡沫联盟(SPFA)的执行董事,文章发表于2003年11月,《现代材料杂志》。