不同體積摻量的SiO2氣凝膠對砂漿性能的影響*

王 飛，劉朝輝，鄧智平，賈藝凡，丁逸棟，班國東，林 銳

(1.解放軍后勤工程學(xué)院，化學(xué)與材料工程系，重慶 401311;2.解放軍后勤工程學(xué)院，軍事土木工程系，重慶 401311)

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不同體積摻量的SiO2氣凝膠對砂漿性能的影響*

王 飛1，劉朝輝1，鄧智平2，賈藝凡1，丁逸棟1，班國東1，林 銳1

(1.解放軍后勤工程學(xué)院，化學(xué)與材料工程系，重慶 401311;2.解放軍后勤工程學(xué)院，軍事土木工程系，重慶 401311)

以低導(dǎo)熱系數(shù)的SiO2氣凝膠顆粒為保溫骨料，采用等體積替換法替換砂漿中的沙制備SiO2氣凝膠砂漿，主要研究當(dāng)SiO2氣凝膠顆粒的替換比例分別在10%，20%，30%，40%，50%和60%時，對砂漿的密度、力學(xué)性能、吸水率以及導(dǎo)熱系數(shù)等性能的影響，并在此基礎(chǔ)上，通過添加纖維、引氣劑和膠粉來對砂漿做改性，重點(diǎn)研究了各摻量對砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)其摻量分別為0.2%，0.05%和1%時，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最低為λ=0.0859 W/(m·K)。

SiO2氣凝膠；保溫砂漿；導(dǎo)熱系數(shù)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，能源問題越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，并且伴隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑的需求也越來越大，作為能耗的重要組成部分—建筑能耗，成為了人們生活中關(guān)注的重點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在建筑能耗中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)占絕大部分的比重，為此，提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能極為關(guān)鍵。

在建筑保溫隔熱材料研究方面，大體經(jīng)歷從有機(jī)到無機(jī)的過程，有機(jī)材料作為建筑保溫隔熱材料：其質(zhì)輕且具有良好的保溫隔熱性能，但易老化、易燃燒等缺點(diǎn)給建筑工程遺留下嚴(yán)重的安全隱患，因而慢慢被無機(jī)材料所取代；無機(jī)材料中，主要以無機(jī)保溫砂漿發(fā)展較為迅速，例如，以?；⒅?、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石等作為保溫骨料的保溫砂漿，表現(xiàn)出優(yōu)良的保溫隔熱性能，但在使用中存在易開裂以及吸水后導(dǎo)熱系數(shù)偏大，大大降低了保溫砂漿的使用性能和保溫性能，因此，尋找新的保溫骨料很關(guān)鍵。近些年，SiO2氣凝膠因其具有獨(dú)特的性質(zhì)(低密度、高比表面積、低熱導(dǎo)率以及高光透過性等[1-4])在很多的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其是被作為一種高效保溫隔熱材料已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。在國外，Kim[5]將SiO2氣凝膠粉末加入到水泥漿中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SiO2氣凝膠粉末的質(zhì)量占總質(zhì)量的2.0%時，其導(dǎo)熱系數(shù)下降75%。T.Gao[6]將SiO2氣凝膠顆粒添加到混凝土中，并與EPS混凝土的性能相比較，主要研究其摻量對氣凝膠混凝土的密度、力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并總結(jié)得出了此三者的關(guān)系。在國內(nèi)，郭金濤[7]以氣凝膠和?；⒅閮煞N材料為保溫骨料，將此兩者按級配混合制備出新型保溫砂漿。因此，本文采取替換法將SiO2氣凝膠顆粒添加到砂漿中來研究其替換比例對密度、力學(xué)性能、吸水率以及導(dǎo)熱系數(shù)等性能的影響，進(jìn)一步拓展其在建筑保溫材料中的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

SiO2氣凝膠，廣東埃力生高新科技有限公司生產(chǎn)的A-110疏水性SiO2氣凝膠，性能參數(shù)如表1所示；水泥，重慶青鵬煤業(yè)有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，P.O42.5級；硅灰，鞏義市元亨凈水材料廠生產(chǎn)的微細(xì)硅灰，平均粒徑為0.1～0.3 μm；細(xì)骨料，廈門艾思鷗標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；纖維，皖風(fēng)建材化工生產(chǎn)的12 mm聚丙烯纖維；膠粉，臨沂市蘭山區(qū)綠森化工有限公司生產(chǎn)的ZJ-518可再分散膠粉；引氣劑，采用濟(jì)南萬承化工有限公司生產(chǎn)的混凝土引氣劑；偶聯(lián)劑，采用濟(jì)南萬承化工有限公司生產(chǎn)的KH550硅烷偶聯(lián)劑；減水劑，重慶林月建材廠提供的減水劑；水，自來水。

表1 SiO2氣凝膠的主要性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)配合比

本文在砂漿配比基礎(chǔ)上采用SiO2氣凝膠顆粒等體積替換砂漿中的沙，配合比如表2所示。同時，在此基礎(chǔ)上選取SiO2氣凝膠顆粒的體積替換比為60%，纖維、引氣劑和膠粉的摻雜比例分別為(0.1%，0.2%和0.3%)、(0.05%，0.1%和0.15%)和(0.5%，1%和1.5%)，研究纖維、引氣劑和膠粉的摻量對砂漿性能的影響。

表2 SiO2氣凝膠砂漿的配合比(40 mm×40 mm×160 mm)

1.3 SiO2氣凝膠砂漿的制備

SiO2氣凝膠砂漿的制備主要需要解決以下兩方面問題：(1) SiO2氣凝膠顆粒與無機(jī)膠凝材料的粘結(jié)；(2) SiO2氣凝膠顆粒在混合攪拌過程中易揮飛、入模后易上浮。為此，本文先對SiO2氣凝膠顆粒進(jìn)行預(yù)處理，對其顆粒進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)SiO2氣凝膠顆粒與無機(jī)膠凝材料之間的粘結(jié)性能，其具體制備流程如圖1所示，先從設(shè)計(jì)配比的總用水量中取出一部分水來配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的KH550硅烷偶聯(lián)劑溶液，對SiO2氣凝膠顆粒進(jìn)行改性，實(shí)驗(yàn)中采取邊分散改性，為防止偶聯(lián)劑水解產(chǎn)生沉淀，影響改性效果，將配好的偶聯(lián)劑溶液超聲分散3 min，然后立即對SiO2氣凝膠顆粒進(jìn)行改性。同時按照配合比將水泥、硅灰和沙加入到攪拌機(jī)中進(jìn)行干拌2 min，然后將余下的水緩慢加入攪拌3 min，再將預(yù)處理過的SiO2氣凝膠顆粒加入其中，攪拌均勻后裝入試模；在此基礎(chǔ)上，通過添加聚丙烯纖維、引氣劑和膠粉來對砂漿做改性，從而制備出低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫砂漿。

圖1 SiO2氣凝膠保溫砂漿的制備流程

1.4 SiO2氣凝膠砂漿的性能測試方法

采用TYEH-2000型微機(jī)控制恒加載壓力試驗(yàn)機(jī)測量砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度；采用HITACHI S-3700N觀察SiO2氣凝膠顆粒以及砂漿的表面形貌，并用能譜儀對砂漿的微區(qū)進(jìn)行成分分析；采用Drop Meter A-100型接觸角測量儀對SiO2氣凝膠顆粒改性前后的接觸角進(jìn)行測試；采用防護(hù)熱板法，使用武漢盛科生產(chǎn)的DR-300A+型平板導(dǎo)熱儀測量砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2氣凝膠顆粒的表征

2.1.1 掃描電鏡(SEM)分析

(1) 未改性的SiO2氣凝膠顆粒

SiO2氣凝膠顆粒及其表面形貌如圖2所示。

圖2 SiO2氣凝膠顆粒和SiO2氣凝膠顆粒表面形貌

Fig 2 SiO2aerogel particles and surface appearance of SiO2aerogel particles

從圖2(a)可看出，本文采用的SiO2氣凝膠顆粒由不同粒徑且形狀不規(guī)則的顆粒組成，其粒徑大小大致與沙的相同；圖2(b)為掃描電鏡下SiO2氣凝膠顆粒的表面形貌，可得出SiO2氣凝膠顆粒實(shí)際上是納米顆粒聚合而成，屬于典型納米結(jié)構(gòu)的材料。

(2) 改性的SiO2氣凝膠顆粒

目前，納米SiO2的改性方法有很多[8]，最常用的是偶聯(lián)劑改性。改性原理[9]是納米SiO2表面的吸附水與硅醇基發(fā)生化學(xué)鍵鍵合，改變其表面性質(zhì)。高正楠等[10]以及朱建軍等[11]對KH550硅烷偶聯(lián)劑改性的工藝以及改性的界面問題進(jìn)行研究，結(jié)果表明，偶聯(lián)劑改性后，納米SiO2的界面問題得到改進(jìn)，有機(jī)-無機(jī)相容性增強(qiáng)，粒子的分散性得到提高。因此，本文采用此方法來解決SiO2氣凝膠顆粒與無機(jī)膠凝材料的粘結(jié)問題，雖然改性使得顆粒的表面性質(zhì)發(fā)生變化，但并沒有改變顆粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，所以改性并不會使其導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生較大變化。圖3和4(圖片中的A代表SiO2氣凝膠顆粒，下同)分別表示經(jīng)改性和未經(jīng)改性的SiO2氣凝膠顆粒在砂漿中的情況。從圖3和4可清晰地看到，改性前后SiO2氣凝膠顆粒都穩(wěn)定的存在于砂漿中，且可保持原有大致形狀。但改性后，SiO2氣凝膠顆粒更為穩(wěn)定的鑲嵌于砂漿之中，并與砂漿結(jié)合的較為緊密，未經(jīng)改性的SiO2氣凝膠顆粒只是散落在砂漿中，并未與砂漿表現(xiàn)出較好的共混。

圖3 未改性的SiO2氣凝膠顆粒在砂漿中

圖4 改性的SiO2氣凝膠顆粒在砂漿中

2.1.2 接觸角測試

圖5表示未改性SiO2氣凝膠顆粒的接觸角實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖5可得出未改性的SiO2氣凝膠顆粒疏水角較大，大約在145°左右，其疏水性較強(qiáng)，不利于與水、水泥、沙等共混；而改性后SiO2氣凝膠顆粒可以被浸潤，接觸角變小。

2.2 不同體積摻量SiO2氣凝膠對砂漿的影響

2.2.1 對砂漿密度的影響

圖6表示不同體積摻量SiO2氣凝膠顆粒對砂漿密度的影響。SiO2氣凝膠顆粒的密度為100 kg/m3，遠(yuǎn)小于沙(密度為1 400 kg/m3)，從圖6可以看出，隨著SiO2氣凝膠顆粒替換比例的增加，SiO2氣凝膠砂漿的密度整體呈線性下降趨勢，并符合關(guān)系式

y=-13.57x+2074.06

當(dāng)替換比例達(dá)到60%時，其密度由最初的2 014.1 kg/m3下降到1 231.4 kg/m3。

圖5 SiO2氣凝膠顆粒的接觸角

圖6 SiO2氣凝膠砂漿的密度

2.2.2 對砂漿力學(xué)性能的影響

圖7表示不同體積摻量SiO2氣凝膠顆粒對砂漿力學(xué)性能的影響。

圖7 SiO2氣凝膠砂漿的力學(xué)性能

隨著氣凝膠顆粒摻量的增加，其強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，主要是由于SiO2氣凝膠顆粒本身強(qiáng)度低造成的。結(jié)果表明，28 d時的抗壓和抗折強(qiáng)度分別降至2.15和0.45 MPa，7和28 d的抗折強(qiáng)度擬合曲線關(guān)系式為

y=-12.9ex/117.46+ 21.59

y=-2.47ex/38.66+11.79

而7和28 d的抗壓強(qiáng)度擬合曲線關(guān)系式為

y=-0.45x+25.58

y=-0.71x+44.22

呈現(xiàn)線性下降趨勢，但圖中也可以看出有些摻雜比例并未完全符合函數(shù)關(guān)系式，主要是氣凝膠顆粒的摻入導(dǎo)致砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變。

2.2.3 對砂漿吸水率的影響

圖8表示不同體積摻量SiO2氣凝膠顆粒對砂漿吸水率的影響。

圖8 SiO2氣凝膠砂漿的吸水率

Fig 8 The water absorption of SiO2aerogel mortar

由圖8可以看出，隨著SiO2氣凝膠顆粒體積摻量的增加，其吸水率也隨之增大，主要原因是：一方面SiO2氣凝膠顆粒的摻入造成砂漿內(nèi)部孔洞變多、結(jié)構(gòu)不均勻；另一方面改性后的SiO2氣凝膠顆粒接觸角變小，其表面吸附自由水能力增強(qiáng)，隨著摻量的增加，吸水率變大。但從24和48 h吸水率的值可得出，經(jīng)48 h的浸泡其吸水基本達(dá)到飽和。

2.2.4 對砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖9表示不同體積摻量SiO2氣凝膠顆粒對砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

圖9 SiO2氣凝膠砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)

Fig 9 The thermal conductivity of SiO2aerogel mortar

根據(jù)Landauer R[12]的理論模型，如式(1)、(2)所示，將砂漿也分為兩部分：一部分是水泥基體；另一部分為氣凝膠顆粒，這樣從理論上可以用它來計(jì)算氣凝膠砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，用來與實(shí)際測量值做比較

(1)

XA和XC分別為氣凝膠的體積分?jǐn)?shù)和水泥基體的體積分?jǐn)?shù)，λA和λC分別為氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)和水泥基體的導(dǎo)熱系數(shù)，本文取

λA=0.0200 W/(m·K)，λC=0.6039 W/(m·K)

(2)

從圖9可得出，隨著氣凝膠顆粒體積分?jǐn)?shù)變大，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸變小，當(dāng)摻量達(dá)到60%時，導(dǎo)熱系數(shù)值從0.6039 W/(m·K)降至0.1524 W/(m·K)，同時也可看出，實(shí)測值基本上比理論值大，主要是因?yàn)樗嗷w本身并不是均勻地，加上氣凝膠顆粒的加入，更加改變了原本較為均勻地狀態(tài)。

2.3 摻雜改性對SiO2氣凝膠砂漿性質(zhì)的影響

通過上述實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)SiO2氣凝膠顆粒替換比例達(dá)到60%時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.1524 W/(m·K)，作為保溫砂漿，其導(dǎo)熱系數(shù)仍然偏大，因此，為進(jìn)一步降低導(dǎo)熱系數(shù)，以60%體積替換比的SiO2氣凝膠砂漿為研究對象，選用聚丙烯纖維、引氣劑以及可再分散乳膠粉(其摻雜比例為膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù))對砂漿進(jìn)行改性，制備出低導(dǎo)熱系數(shù)的SiO2氣凝膠砂漿，配合比如表3所示。

表3 改性的SiO2氣凝膠砂漿配合比(300 mm×300 mm×30 mm)

2.3.1 摻雜改性砂漿的EDS圖譜

圖10為改性的SiO2氣凝膠砂漿EDS譜圖，結(jié)合表4的結(jié)果可以得出，在圖10(b)中含有C、O、Al、Si、S、K、Ca 7種元素，而圖10(a)中含有C、O、Al、Si、K、Ca 6種元素，缺少S元素，結(jié)合圖中位置，圖10(a)為纖維所在地，可能是其表面粘接的是水泥熟料的水化產(chǎn)物，而圖10(b)為水泥基體，因而含有水泥中的未參與反應(yīng)的SO3，故而含有S元素。

圖10 改性的SiO2氣凝膠保溫砂漿EDS譜圖

(a)(b)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%CK8.20CK2.97OK43.00OK38.60AlK0.68AlK2.19SiK14.02SiK14.61SK0.00SK2.78KK2.17KK1.43CaK31.93CaK37.42

2.3.2 摻雜改性對砂漿導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)性能的影響

圖11為摻60% SiO2氣凝膠砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖11 摻60% SiO2氣凝膠砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)

圖11表示在SiO2氣凝膠顆粒替換沙的體積分?jǐn)?shù)為60%時，不同摻量的纖維、引氣劑和膠粉對SiO2氣凝膠砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)合表3，可得出，隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)值大體呈先增加再降低然后增加并趨于穩(wěn)定，當(dāng)纖維、引氣劑和可再分散乳膠粉的摻入比例分別為0.2%，0.05%和1%時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0859 W/(m·K)，與摻雜改性之前相比，導(dǎo)熱系數(shù)得到很大程度的改善。

圖12表示不同摻量的纖維、引氣劑和膠粉對SiO2氣凝膠砂漿力學(xué)性能的影響，從圖12可看出，其抗壓、抗折強(qiáng)度變化不大，抗折強(qiáng)度則有小幅提高，主要是纖維的加入，結(jié)合圖11和12，通過摻雜改性，當(dāng)砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最低(即配比4)時，其抗壓、抗折強(qiáng)度分別為2.38和0.58 MPa，強(qiáng)度符合保溫砂漿的要求。

圖12 摻60%SiO2氣凝膠砂漿的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過改性的SiO2氣凝膠顆粒與未改性的相比較可與砂漿表現(xiàn)出更好的粘結(jié)性能，與水泥的水化產(chǎn)物能夠更好地相容。

(2) 隨著SiO2氣凝膠顆粒替換比例的增加，SiO2氣凝膠砂漿的密度、強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)等都逐漸降低，當(dāng)替換比例達(dá)到60%時，其密度從2 014.1 kg/m3下降到1 231.4 kg/m3，28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度分別降至2.15和0.45 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)也由未添加時的0.6039 W/(m·K)降至0.1524 W/(m·K)。

(3) 在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采取添加纖維、引氣劑和膠粉對砂漿進(jìn)行改性，最終通過正交實(shí)驗(yàn)得出，在纖維、引氣劑和可再分散乳膠粉的摻入比例分別為0.2%，0.05%和1%時，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最低，為0.0859 W/(m·K)，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為2.38和0.58 MPa。

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2. Department of Military Civil Engineering, Logistic Engineering University，Chongqing 401311, China)

Effect on the performance of mortar using different volume content of SiO2aerogel

WANG Fei1，LIU Zhaohui1，DENG Zhiping2，JIA Yifan1，DING Yidong1，BAN Guodong1，LIN Rui1

(1. Department of Chemistry & Material Engineering,Logistic Engineering University， Chongqing 401311, China;

Using a low thermal conductivity of SiO2aerogel particles as insulation aggregate, the equal volume SiO2aerogel particles was adopted to replace sand in mortar to prepare thermal insulation mortar. The density, mechanical properties, water absorption, the thermal conductivity and other performance were studied when the SiO2aerogel particles replacement ratio was 10%, 20%, 30%, 40%, 50% and 60%. And on this basis, the thermal conductivity was focused on study when fiber, air-entraining agent and powder were added into the mortar. The results show that when the dosage was 0.2%, 0.05% and 1% respectively, the thermal conductivity is the lowest (0.0859 W/(m·K)).

silica aerogel; thermal insulation mortar; thermal conductivity

1001-9731(2016)04-04064-06

全軍后勤科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(BY115C007)；重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(CSTC2012gg-sfgc00002)

2015-10-20

2015-12-25 通訊作者：劉朝輝，E-mail: z_h_liu@163.com

王 飛 (1988-)，男，安徽舒城人，碩士，師承劉朝輝教授，從事保溫隔熱材料和防水涂料方面的研究。

TQ177.6

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.013