發(fā)泡復(fù)合材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

劉士權(quán) 李公產(chǎn)

(1 徐州大沃節(jié)能材料科技有限公司，江蘇 徐州221008；2 徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州221008)

1 概述

我國建筑節(jié)能目標(biāo)：通過全面推進(jìn)建筑節(jié)能工作，到2010 年，城鎮(zhèn)建筑達(dá)到節(jié)能50%的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其中各特大城市和部分大城市率先實施節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)；開展城市既有居住和公共建筑的節(jié)能改造；大城市完成改造面積25%，中等城市完成15%，小城市完成10%。在此基礎(chǔ)上，到2020 年實現(xiàn)大部分既有建筑的節(jié)能改造，新建建筑東部地區(qū)要實現(xiàn)節(jié)能75%，中部和西部也要爭取實現(xiàn)節(jié)能65%。目前，許多地區(qū)（包括上海、天津、南京等）已開始推行居住建筑節(jié)能65%設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，北京市居住建筑節(jié)能70%的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)于2011 年開始實行。對新建建筑在開始設(shè)計時，采用新的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對原有的建筑進(jìn)行節(jié)能改造[1]，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，通過降低外墻、屋面等的傳熱系數(shù)以達(dá)到增強(qiáng)建筑保溫性能的目的，從而降低建筑能耗。

發(fā)泡復(fù)合材料是一種微孔輕質(zhì)、新型復(fù)合保溫防火材料。它是以膠凝材料、粉煤灰、陶粒等其他固體廢物（如煤矸石）通過發(fā)泡方式生產(chǎn)的具有保溫、防火、隔聲、減震性能的復(fù)合材料。

2 發(fā)泡復(fù)合材料的發(fā)展趨勢

針對我國建筑的節(jié)能設(shè)計要求，結(jié)合保溫材料的現(xiàn)狀及現(xiàn)代新型建筑對建筑材料的性能需求，保溫材料由單一材料向復(fù)合材料轉(zhuǎn)化；由有機(jī)材料向無機(jī)復(fù)合材料方向轉(zhuǎn)化。發(fā)泡復(fù)合材料正屬于這樣一類新型復(fù)合無機(jī)保溫材料。發(fā)泡復(fù)合材料的優(yōu)點眾多，如：防火阻燃性好、變形系數(shù)小、保溫隔熱性能好、抗老化性能強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、施工難度小、工程成本較低，原材料來源廣泛、生產(chǎn)過程中的能耗低、符合生態(tài)環(huán)保的要求，可以實現(xiàn)資源的循環(huán)再利用。推進(jìn)節(jié)能新型復(fù)合材料的發(fā)展，淘汰落后的能耗高、破壞資源與環(huán)境的傳統(tǒng)建材，不僅是住房建設(shè)和建筑業(yè)現(xiàn)代化的需要，更是實施我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。

3 發(fā)泡復(fù)合材料的性能

目前在施工中常用的發(fā)泡復(fù)合材料的密度等級在350 kg/m3到1200 kg/m3之間，在建筑中充分應(yīng)用發(fā)泡復(fù)合材料可以大大降低建筑物的自重，降低幅度可以高達(dá)25%。建筑物自重降低的同時，基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)費用也相應(yīng)隨之減少，因此，在建筑施工中充分應(yīng)用發(fā)泡復(fù)合材料可以起到很好的經(jīng)濟(jì)效益。研究還表明，合理使用發(fā)泡復(fù)合材料的建筑較普通建筑具有更高的抗震性能；發(fā)泡復(fù)合材料具有良好的熱工性能：由于發(fā)泡復(fù)合材料中含有大量均勻封閉的氣孔，因此發(fā)泡復(fù)合材料具備良好的熱工性能。通過實驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.07 W/(m.K)-0.22W/(m.K)之間，將這種優(yōu)質(zhì)的多孔復(fù)合材料應(yīng)用于建筑工程中，必將產(chǎn)生良好的保溫隔熱效果。通過大量的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡復(fù)合材料的主要優(yōu)點有以下幾方面：

3.1 優(yōu)越的熱工性能

發(fā)泡復(fù)合材料之所以具有良好的保溫隔熱性能是由其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)所決定的。觀察發(fā)泡復(fù)合材料的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡復(fù)合材料的內(nèi)部充滿大量封閉、均勻的小圓孔。這些氣孔是封閉的，空氣不流通，絕熱效果好，因此材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，具有優(yōu)越的保溫隔熱性能。發(fā)泡復(fù)合材料的這一良好的熱工性能是普通混凝土無法相比的。發(fā)泡復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.07 W/(m.K)-0.22W/(m.K)之間。

3.2 較低的容重

發(fā)泡復(fù)合材料的密度較小，實際施工中，發(fā)泡復(fù)合材料的密度等級在350 kg/m3到1200 kg/m3范圍內(nèi)，近年來，密度更低的超輕發(fā)泡復(fù)合材料也開始出現(xiàn)，但在工程中尚未得到較大范圍的應(yīng)用。實際工程中發(fā)泡復(fù)合材料的密度可以降至220kg/m3-800kg/m3，與粘土磚相比，密度只有粘土磚的1/3-1/10，其密度只相當(dāng)于普通水泥混凝土的1/4-1/10。由于發(fā)泡復(fù)合材料的密度小，將其應(yīng)用于建筑物的內(nèi)外墻體、屋面、樓面、基礎(chǔ)等部位，可以使建筑物自重降低20%-30%。因此，在建筑工程中合理采用發(fā)泡復(fù)合材料，可以在保證建筑耐久性能和結(jié)構(gòu)承載性能的同時，大大降低建筑工程的造價，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的市場前景。

3.3 明顯的減震效果

發(fā)泡復(fù)合材料由于密度較小、質(zhì)量較輕、空隙率高，因此彈性模量較低。這些特性使得發(fā)泡復(fù)合材料在承受沖擊、地震荷載時所承受的力較小，震動波的傳遞速度比普通混凝土結(jié)構(gòu)慢很多。從震動理論分析，建筑結(jié)構(gòu)的自震周期越長，對沖擊能量的吸收就越快。因此，發(fā)泡復(fù)合材料具有良好的減震效果。在建筑工程中廣泛應(yīng)用發(fā)泡復(fù)合材料可以有效地增加建筑物和構(gòu)筑物的抗震性能，加強(qiáng)建筑物和構(gòu)筑物在地震中的安全性。

3.4 良好的隔音耐火性能

發(fā)泡復(fù)合材料內(nèi)部含有大量均勻、封閉、細(xì)小孔隙，因此具有良好的隔音性能。因此可以將發(fā)泡復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于建筑物的樓層、填充墻體、地下建筑物的頂層等建筑部位，起到良好的隔音效果。并且，發(fā)泡復(fù)合材料不易燃燒、具有較好的耐火性。通過大量研究顯示，干容重350 kg/m3到1200 kg/m3范圍內(nèi)的發(fā)泡復(fù)合材料，當(dāng)其抗壓強(qiáng)度為0.5MPa-7.0MPa 范圍內(nèi)時，發(fā)泡復(fù)合材料的耐火極限可以達(dá)到1.8 小時，隔聲性能可以達(dá)到22db，不失為一種性能優(yōu)越的隔音防火材料。

3.5 低碳環(huán)保

發(fā)泡復(fù)合材料在生產(chǎn)過程添加了大量的粉煤灰、煤矸石等固體廢棄物，減輕了固體廢棄物對土地的占用和環(huán)境的污染。通過一系列的生產(chǎn)過程，可以變廢為寶、節(jié)約資源，而且還大大降低了發(fā)泡復(fù)合材料的成本。發(fā)泡復(fù)合材料在建筑工程中的廣泛使用，降低了建筑物的能源消耗，降低了CO2的排放量，提升了建筑物的節(jié)能效果。

4 發(fā)泡復(fù)合材料的生產(chǎn)

生產(chǎn)發(fā)泡復(fù)合材料所需的原材料主要包括：發(fā)泡劑、硅酸鹽水泥、水、以及珍珠巖、陶粒、粉煤等和一些外加劑（聚丙烯纖維、減水劑、增強(qiáng)劑等），這樣不僅可以降低成本，節(jié)約能源、利用大量的工業(yè)廢渣，減輕環(huán)境的污染，而且還可以改善材料的性能。下面分別介紹各種主要原料的性能及特點。

硅酸鹽水泥以黏土和石灰石為原料，經(jīng)高溫煅燒得到以硅酸鈣為主要成分的熟料，加入0-5%的混合材料和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料。硅酸鹽水泥是泡沫復(fù)合材料中的主要材料，對材料的強(qiáng)度起著決定性的作用，隨著水泥的用量越多，材料的強(qiáng)度逐漸增加，材料的干容重增加，但是材料的保溫系數(shù)逐漸降低。

發(fā)泡劑是生產(chǎn)發(fā)泡復(fù)合材料的關(guān)鍵材料，發(fā)泡劑選用的是否恰當(dāng)，直接關(guān)系到復(fù)合材料的發(fā)泡效果及熱工性能。發(fā)泡劑目前市場上種類很多，但并非都能適用于泡沫混凝土生產(chǎn)。只有在泡沫和料漿混合時，具有足夠的穩(wěn)定性，對硅酸鹽水泥的凝結(jié)和硬化無有害影響，才能用來生產(chǎn)發(fā)泡復(fù)合材料。目前發(fā)泡劑品種主要有松香型發(fā)泡劑、表面活性劑類發(fā)泡劑、植物類發(fā)泡劑、動物類發(fā)泡劑和復(fù)合類發(fā)泡劑[2]。松香型發(fā)泡劑價格低廉，方便易得，但由于其穩(wěn)定性不好。蛋白質(zhì)型發(fā)泡劑，由于合成技求要求高，至今難以達(dá)到國外產(chǎn)品的質(zhì)量，目前成本較高，應(yīng)用很少，但其發(fā)泡性和泡沫的穩(wěn)定性都較好。表面活性劑類發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)大，易起泡，但其缺點是泡徑大，泡壁薄，消泡快，穩(wěn)定性差。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是復(fù)合類發(fā)泡劑，該發(fā)泡劑成本較低，發(fā)泡倍數(shù)高，泡沫穩(wěn)定性好，泡徑均勻。發(fā)泡劑主要影響泡沫量、泡沫穩(wěn)定和細(xì)密性等，也影響發(fā)泡成本，尤其是對泡沫量及泡沫品質(zhì)影響最大[3]。

穩(wěn)泡劑[4]是生產(chǎn)發(fā)泡復(fù)合材料不可缺少的外加劑。穩(wěn)泡劑的性能優(yōu)良與否直接影響發(fā)泡復(fù)合材料的孔隙率和強(qiáng)度。發(fā)泡劑發(fā)出的泡沫能夠存續(xù)的時間能否達(dá)到或超過硅酸鹽水泥的初凝時間，如果低于硅酸鹽水泥的初凝時間，那么泡沫將不斷破裂，導(dǎo)致發(fā)泡復(fù)合材料的孔隙率下降，保溫性能下降?？紫堵逝c密度及強(qiáng)度都有直接的關(guān)系，并產(chǎn)生雙重影響。孔隙率越高，密度越小，但強(qiáng)度也越低。強(qiáng)度與密度成正比，二者基本是一致的，強(qiáng)度隨密度而下降，密度隨孔隙率而下降[5]。因此通常采用穩(wěn)泡劑來延長泡沫的存續(xù)時間，使之超出硅酸鹽水泥的初凝時間。

發(fā)泡復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝流程[6]是先制備出泡沫，然后將制備好的泡沫與填充料漿充分拌合，依靠泡沫的添加量來調(diào)節(jié)發(fā)泡復(fù)合材料的濕容重，直至符合要求，最后進(jìn)行澆筑成型，進(jìn)行充分養(yǎng)護(hù)。另外一種方法是料漿的拌合與發(fā)泡是同時進(jìn)行的，先將發(fā)泡劑按1：16 倍進(jìn)行稀釋，然后添加其他材料，混合后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，不少? 分鐘，進(jìn)行容重的測試調(diào)整。直至符合要求，然后澆筑成型、養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)論

發(fā)泡復(fù)合材料作為一種新型復(fù)合保溫防火材料，在建筑節(jié)能領(lǐng)域有著廣泛的市場前景，該材料不僅熱工性能優(yōu)越，而且還具有良好的耐火、隔音、消能減震效果，特別適用于建筑外墻保溫體系[7]和自保溫體系。降低能耗，低碳排放，是建設(shè)和諧社會和可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略規(guī)劃。

建筑節(jié)能是一項長期工作，雖然短期內(nèi)會增加消費者負(fù)擔(dān)，但長期來看，不僅對消費者還是對社會，都是利大于弊；可有效減少能源消耗，達(dá)到減少廢氣排放、降低環(huán)境污染目的。因此，開展建筑節(jié)能，推廣使用發(fā)泡復(fù)合材料是緩解我國能源緊缺矛盾、減輕環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一項最有效、最直接的措施。

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