超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的技術(shù)研究

劉成健，張振秋，葛仲熙

（唐山北極熊建材有限公司，河北唐山 063705）

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的技術(shù)研究

劉成健，張振秋，葛仲熙

（唐山北極熊建材有限公司，河北唐山 063705）

制備了超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料，根據(jù)材料的用途和工程實(shí)際需要，按干密度劃分為120、50 kg/m3兩個(gè)等級(jí)，并確定了最佳技術(shù)指標(biāo)。相比于傳統(tǒng)的水泥基保溫材料，超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的干密度更低，抗壓強(qiáng)度更高，導(dǎo)熱系數(shù)更?。幌啾扔谟袡C(jī)保溫材料，超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的保溫效果與之接近，燃燒性能為A級(jí)不燃，是一種新型、綠色、節(jié)能、環(huán)保的無(wú)機(jī)防火保溫新材料。

高強(qiáng)雙快高貝利特硫鋁酸鹽水泥；干密度；燃燒性能；導(dǎo)熱系數(shù)；

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)建筑能耗已占到社會(huì)總能耗的27%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑單位面積總能耗比氣候條件接近的發(fā)達(dá)國(guó)家高出2～5倍，若不采取節(jié)能措施，到2020年我國(guó)將有50%的能源消耗在建筑上，建筑外墻外保溫技術(shù)已成為我國(guó)建筑節(jié)能技術(shù)的主導(dǎo)方向。

長(zhǎng)期以來(lái)，有機(jī)類(lèi)保溫材料以密度小、保溫、隔熱效果好的優(yōu)點(diǎn)，在外保溫市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，如膨脹聚苯板（EPS）、膨脹擠塑板（XPS）、聚氨酯（PU）保溫材料、酚醛保溫板（PF）等，但其最佳防火等級(jí)為B1級(jí)難燃。許多水泥基保溫材料雖然防火性能可達(dá)到A級(jí)不燃，但密度和導(dǎo)熱系數(shù)大，保溫效果差，根本達(dá)不到墻體傳熱系數(shù)的要求；當(dāng)干密度低時(shí)，抗壓、抗拉強(qiáng)度極低，不能保證外墻外保溫結(jié)構(gòu)體系的安全性。

因此，開(kāi)發(fā)一種防火、節(jié)能雙達(dá)標(biāo)，且能滿足使用強(qiáng)度要求的無(wú)機(jī)保溫材料，是保證建筑物安全、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)的迫切需要。

由中材國(guó)際工程股份有限公司、唐山北極熊建材有限公司、北京工業(yè)大學(xué)共同承擔(dān)的“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“新型保溫阻燃建筑材料成套技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范”子課題“超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用示范”研制了超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料，根據(jù)干密度分為120、50兩個(gè)等級(jí)，120級(jí)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)≤0.050 W/（m·K）、抗壓強(qiáng)度≥0.2 MPa，可作為保溫材料直接使用；50級(jí)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)≤0.040 W/（m·K）、抗壓強(qiáng)度≥0.03 MPa，可作為保溫填充材料使用。同時(shí)對(duì)超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的抗拉粘結(jié)強(qiáng)度、碳化系數(shù)、軟化系數(shù)、體積吸水率、燃燒性能等各項(xiàng)性能做了深入的技術(shù)研究，并確定了最佳技術(shù)指標(biāo)。

相比于有機(jī)材料，超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的保溫效果與之接近，燃燒性能A級(jí)不燃，從根本上提高了防火性能，消除了安全隱患；相比于傳統(tǒng)的水泥基保溫材料，超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料干密度更低，保溫效果更好，強(qiáng)度更高。對(duì)于無(wú)機(jī)保溫材料在建筑、建材中的應(yīng)用和國(guó)家建筑節(jié)能、安全防火政策的推廣起到有力的推動(dòng)作用。

1 外墻外保溫材料現(xiàn)狀

1.1 膨脹聚苯板（EPS）、擠塑聚苯板（XPS）保溫材料

GB/T 10801.1—2002《絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》對(duì)膨脹聚苯板（EPS）物理機(jī)械性能的要求見(jiàn)表1。

表1 膨脹聚苯板（EPS）的物理機(jī)械性能

GB/T 10801.2—2002《絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料》對(duì)擠塑聚苯板（XPS）物理機(jī)械性能的要求見(jiàn)表2。

表2 擠塑聚苯板（XPS）的物理機(jī)械性能

膨脹聚苯板（EPS）和擠塑聚苯板（XPS）屬于熱塑性保溫材料，可以制作較大尺寸的預(yù)制保溫板材，導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫效果好、閉孔率高、抗?jié)裥阅芎?。同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)和不足，如高溫時(shí)容易彎曲變形、遇明火時(shí)收縮、融化，透氣性差、界面結(jié)合力差、存在不防火的缺陷。

1.2 聚氨酯（PU）保溫材料

聚氨酯泡沫保溫材料分為硬泡和軟泡2種形式，在建筑物外墻保溫系統(tǒng)中采用聚氨酯硬泡保溫材料。JG/T 314—2012《聚氨酯硬泡復(fù)合保溫板》對(duì)聚氨酯（PU）保溫材料性能指標(biāo)的要求見(jiàn)表3。

表3 聚氨酯（PU）硬泡材料的性能指標(biāo)

聚氨酯屬于熱固性有機(jī)材料，內(nèi)部呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比普通塑料泡沫好，同時(shí)具有極佳的保溫效果。但是聚氨酯（PU）保溫材料在未經(jīng)過(guò)阻燃加工處理時(shí)，屬易燃體，遇火時(shí)產(chǎn)生急劇收縮，并產(chǎn)生大量有毒濃煙和有毒氣體，加入阻燃劑后，燃燒性能可達(dá)到B2級(jí)。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，老化嚴(yán)重，保溫隔熱能力下降可達(dá)30%。

1.3 酚醛保溫板（PF）

GB/T 20974—2014《絕熱用硬質(zhì)酚醛泡沫制品（PF）》對(duì)酚醛保溫板（PF）物理力學(xué)性能指標(biāo)的要求見(jiàn)表4。

表4 酚醛保溫板（PF）的物理力學(xué)性能

酚醛保溫板屬于熱固性保溫材料，具有良好的保溫效果，酚醛保溫板在火中不燃燒、不熔化，也不會(huì)散發(fā)出有毒煙霧。但是酚醛保溫板同時(shí)存在一些弊端，如材料自身強(qiáng)度較低，板材表面粉化、易脆、與基層材料粘結(jié)不牢固；其固化劑為酸性材料，與無(wú)機(jī)粘結(jié)材料相容性差，高溫200℃以上時(shí)，表面形成碳化層，界面強(qiáng)度喪失，存在安全隱患。

1.4 水泥發(fā)泡保溫板

JG/T2200-2013《水泥基泡沫保溫板》對(duì)水泥基泡沫保溫板物理力學(xué)性能指標(biāo)要求見(jiàn)表5。

表5 水泥基泡沫保溫板的物理力學(xué)性能

水泥基發(fā)泡保溫板的氣孔多呈閉孔狀，強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、憎水性能好、A級(jí)不燃、與基層粘結(jié)力好、對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害、是綠色環(huán)保的無(wú)機(jī)保溫材料。但是相比于有機(jī)保溫材料，水泥基發(fā)泡保溫板的密度較大，導(dǎo)熱系數(shù)較高，與有機(jī)保溫材料的保溫效果尚有一定差距；當(dāng)密度降低時(shí)，抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度下降嚴(yán)重，滿足不了實(shí)際施工的需求和建筑外墻保溫體系的耐久性。

1.5 巖棉保溫板

GB/T 25975—2010《建筑外墻外保溫用巖棉制品》對(duì)巖棉保溫板物理力學(xué)性能指標(biāo)的要求見(jiàn)表6。

表6 巖棉保溫制品的物理力學(xué)性能指標(biāo)

巖棉保溫板具有良好的保溫、隔熱、隔聲、吸聲性能，具有密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、不燃的優(yōu)點(diǎn)。但是巖棉被水浸泡后馬上軟塌，尺寸變形較大；由于其自身抗拉強(qiáng)度較低，在運(yùn)輸安裝過(guò)程中容易破碎、掉渣，其內(nèi)部飄落的懸浮物被人體長(zhǎng)期吸入會(huì)產(chǎn)生致癌的危害。

2 超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料是采用采用超細(xì)硅酸鹽水泥（800 m2/kg），復(fù)配82.5級(jí)高強(qiáng)雙快高貝利特硫鋁酸鹽水泥（以下簡(jiǎn)稱(chēng)高貝利特硫鋁水泥），結(jié)合改性玄武巖纖維的方法與減水劑、促凝劑、穩(wěn)泡劑等多種添加劑復(fù)合形成的發(fā)泡干粉，其加水?dāng)嚢璧臐{料與隨后加入的過(guò)氧化氫發(fā)泡劑反應(yīng)，經(jīng)發(fā)泡、體積膨脹、硬化、養(yǎng)護(hù)、切割等工序制成的具有不燃、超輕、低導(dǎo)熱等優(yōu)異功能的保溫板材。

2.1 超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)材料應(yīng)用用途和工程的實(shí)際需要，將超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料按干密度劃分為120、50兩個(gè)等級(jí)。其物理性能及力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表7，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/TBJX 19—2015《超輕發(fā)泡水泥保溫板》。

表7 超輕發(fā)泡水泥保溫板的性能指標(biāo)

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料干密度和導(dǎo)熱系數(shù)低，因而具有良好的保溫節(jié)能效果。材料的組成主體上為無(wú)機(jī)膠凝材料，與基層墻體有良好的粘結(jié)力和相容性；具有滿足工程實(shí)際需要的物理強(qiáng)度，具有良好的抗碳化、軟化能力，使保溫系統(tǒng)具有良好的耐久性；良好的憎水性能和防火性能，滿足外墻工程建筑安全的需要。

120級(jí)具有較高的抗壓、抗拉強(qiáng)度，良好的保溫效果和A級(jí)不燃的防火性能，可制作成超輕發(fā)泡水泥基保溫板用于建筑外墻的外墻保溫。50級(jí)由于密度較低，物理強(qiáng)度較差，不能制成超輕發(fā)泡水泥基保溫板直接使用，用作有防護(hù)面層或砌塊的內(nèi)部進(jìn)行填充保溫，即超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫填充材料。

2.2 不同保溫材料的性能對(duì)比

將上述幾種保溫材料與超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料綜合性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比可見(jiàn)，膨脹聚苯板、膨脹擠塑板、聚氨酯硬泡保溫板、酚醛保溫板4種有機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.024～0.041 W/（m·K），而巖棉保溫板、普通水泥發(fā)泡保溫板、超輕發(fā)泡水泥基保溫板、超輕發(fā)泡水泥基保溫填充材料4種無(wú)機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.040～0.065 W/（m·K），相比之下有機(jī)材料的保溫效果更好。膨脹聚苯板等4種有機(jī)材料的干密度在在18～80 kg/m3，巖棉保溫板等4種無(wú)機(jī)材料的干密度在50～250 kg/m3，相比之下，有機(jī)材料更為輕質(zhì)。

但是從防火性能上，膨脹聚苯板等4種有機(jī)材料的燃燒等級(jí)為B1、B2級(jí)，而巖棉保溫板等4種無(wú)機(jī)材的燃燒等級(jí)為A級(jí)，符合當(dāng)前國(guó)家對(duì)于建筑節(jié)能防火的政策需求。在4種無(wú)機(jī)保溫材料中，普通水泥發(fā)泡保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)最高，保溫效果較差，達(dá)不到國(guó)家對(duì)于外墻建筑節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)要求，如果大幅度增加厚度，勢(shì)必會(huì)造成建筑物外墻荷載超標(biāo)，影響建筑物整體的安全性。

巖棉保溫板雖然具有良好的保溫效果和A級(jí)防火性能，但是巖棉保溫板的抗拉強(qiáng)度較低，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝過(guò)程中容易破碎、掉渣，其內(nèi)部的絲棉會(huì)對(duì)人體的皮膚產(chǎn)生危害，同時(shí)附著在空氣中的懸浮物被人體長(zhǎng)期吸入，會(huì)產(chǎn)生危害。巖棉的生產(chǎn)是對(duì)原材料進(jìn)行重熔、纖維化，這一系列過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量廢水，并消耗大量能源，屬高能耗、高污染產(chǎn)品。

3 超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料優(yōu)勢(shì)

相比于上述傳統(tǒng)的幾種保溫材料，超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料具有諸多優(yōu)勢(shì)。

3.1 抗壓強(qiáng)度高、力學(xué)性能好

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料采用超細(xì)硅酸鹽水泥（800 m2/kg）復(fù)配82.5級(jí)高貝利特硫鋁水泥為膠凝材料，從材料上增加了硅酸鹽水泥的細(xì)度，優(yōu)化了復(fù)合材料的顆粒級(jí)配，使其在單位質(zhì)量?jī)?nèi)分布的面積更大，覆蓋的空間更廣；一般來(lái)說(shuō)，水泥磨的越細(xì)，比表面積越大，水化速度越快，水泥的強(qiáng)度發(fā)揮得越快[1]。因此，提高水泥細(xì)度是增加水泥強(qiáng)度的有效措施，根據(jù)顆粒堆積原理，提高水泥細(xì)度也可使水泥的微觀結(jié)構(gòu)致密化，有利于力學(xué)性能和耐久性能的提高。

超細(xì)硅酸鹽水泥比表面積由傳統(tǒng)的400 m2/kg提升到了800 m2/kg，從礦物組成上與普通硅酸鹽水泥基本相同，但各組分相對(duì)含量不同，超細(xì)硅酸鹽水泥中C3S含量更高，水化反應(yīng)能夠生成更多的Ca（OH）2，更有利于二次水化生成更多的水化產(chǎn)物[2]。從而大幅提高了水泥發(fā)泡保溫板的早期和后期強(qiáng)度。

高貝利特硫鋁水泥由42.5級(jí)提升到82.5級(jí)，相同用量下，高貝利特水泥中C4A3、β-C2S的比例大幅度增加，C4A3的增加使復(fù)合體系水化產(chǎn)物中鈣礬石的含量增加，鈣礬石的微膨脹作用補(bǔ)償了C-S-H凝膠的收縮，使得水泥石更為致密，力學(xué)性能更為優(yōu)異。β-C2S礦物含量增加，大量的β-C2S礦物使復(fù)合體系的水泥發(fā)泡保溫板的后期抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提升。經(jīng)過(guò)上述方法，可使超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料在干密度達(dá)到120kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度≥0.2MPa；干密度達(dá)到50 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度≥0.03 MPa，滿足不同用途條件下工程實(shí)際需要的力學(xué)性能。

3.2 抗拉強(qiáng)度高、耐久性好

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料采用改性玄武巖纖維與高強(qiáng)度的膠凝材料相結(jié)合，因而具有較高的抗拉強(qiáng)度。改性玄武巖纖維是以純天然玄武巖礦石為原料，在1450～1500℃熔窯中熔融后，快速拉制而成的連續(xù)纖維。具有高強(qiáng)度、永久阻燃性、短期耐溫在1000℃，可長(zhǎng)期在760℃環(huán)境下使用，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)3500～3800 MPa，具有極高的拉伸強(qiáng)度。玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，與水泥材料有著天然的相容性，極大程度上增強(qiáng)了材料的防滲抗裂性和抗沖擊性，提高了產(chǎn)品的韌性。通過(guò)改性玄武巖纖維與高強(qiáng)膠凝材料的結(jié)合，可使超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料在干密度達(dá)到120 kg/m3時(shí)，抗拉強(qiáng)度≥0.1 MPa，滿足國(guó)家建筑外墻保溫系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，保證了保溫體系的耐久性。

3.3 導(dǎo)熱系數(shù)小、保溫效果好

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)與體積密度、氣孔直徑、空隙率存在一定關(guān)系。當(dāng)材料體積密度較低時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較??；材料氣孔直徑在一定合理范圍內(nèi)時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較小；當(dāng)材料的空隙率較高時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較小。通過(guò)優(yōu)化配比組成，改變料漿黏度，調(diào)整氣孔直徑的技術(shù)手段，超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料可以實(shí)現(xiàn)：干密度達(dá)到120 kg/m3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.050 W/（m·K）；干密度達(dá)到50 kg/m3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.040 W/（m·K）。相比于市場(chǎng)上普通水泥發(fā)泡板導(dǎo)熱系數(shù)大幅度降低。可以在同等保溫需求的前提下，使厚度明顯減小；在相同厚度的前提下，保溫效果明顯提高。超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料較低的導(dǎo)熱系數(shù)使其具備極佳的保溫效果，完全符合國(guó)家建筑節(jié)能65%的節(jié)能要求。

3.4 燃燒性能A級(jí)、防火性能好

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料采用無(wú)機(jī)膠凝材料為主體，通過(guò)化學(xué)發(fā)泡的方法制成，屬A級(jí)不燃類(lèi)產(chǎn)品，具有極佳的防火性能，保證了建筑外墻保溫體系的安全性，從根本上消除了火災(zāi)隱患。

3.5 產(chǎn)品高度穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、規(guī)模化、機(jī)械化

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料采用當(dāng)超細(xì)硅酸鹽水泥復(fù)配高貝利特硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，當(dāng)高貝利特硫鋁酸鹽水泥中無(wú)水硫鋁酸鈣水化時(shí)，石膏促進(jìn)了鈣礬石的快速形成，使得復(fù)合體系早期水化速度加快，早期強(qiáng)度明顯提高，脫模時(shí)間縮短，極大程度上提高了生產(chǎn)效率。

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料生產(chǎn)的成品干密度級(jí)差可控制在10 kg/m3以內(nèi)，這對(duì)于精確設(shè)計(jì)不同密度的超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料提供了有利保證。完全可以進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，不僅保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)穩(wěn)定性，而且，節(jié)省了大量人力資源，真正實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的自動(dòng)化、規(guī)?；?、機(jī)械化。

4 結(jié)論

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的干密度低（50～120 kg/m3）、導(dǎo)熱系數(shù)低[0.040～0.050 W/（m·K）]，因而具有良好的保溫節(jié)能效果。材料的組成主體上為無(wú)機(jī)膠凝材料，與基層墻體有良好的粘結(jié)力和相容性；具有滿足工程實(shí)際需要的物理強(qiáng)度，具有良好的抗碳化、軟化能力，使保溫系統(tǒng)具有良好的耐久性；良好的憎水性能和防火性能，滿足外墻工程建筑安全的需要。

超輕高效A級(jí)防火水泥基保溫材料的技術(shù)研發(fā)及推廣應(yīng)用按照建筑外墻保溫材料節(jié)能防火雙達(dá)的政策要求，對(duì)于無(wú)機(jī)保溫材料面向超輕化、低導(dǎo)熱系數(shù)、A級(jí)防火的方向發(fā)展，必將起到強(qiáng)有力的推動(dòng)作用，對(duì)于國(guó)家綠色建筑節(jié)能材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義。

[1]魏仁濤，曾躍進(jìn).不同品種水泥的細(xì)度與強(qiáng)度的關(guān)系[J].水泥工程，1998（4）：14-15.

[2]范凌燕.超細(xì)水泥水化特征及高早強(qiáng)混凝土配制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008：18-20.

Research on ultralight efficiency class A fire-resistant cement-based insulating material

LIU Chengjian，ZHANG Zhenqiu，GE Zhongxi
（Tangshan Polar Bear Building Materials Co.Ltd.，Tangshan 063705，China）

Ultralight efficiency class A fire-resistant cement-based insulating material is prepared.According to the project actual purpose and the use of materials，dry density can be divided into 120、50 kg/m3models，and the optimal technical indicators can be confirmed.Compared to traditional cement-based insulation materials，ultralight efficiency class A fire-resistant cementitious insulating material have lower dry density，higher compressive strength，smaller thermal conductivity；compared with organic insulating materials，ultra-light high performance class A fire-resistant cementitious insulation material has similar heat-insulation effect，with class A non-combustible flammability，it is a new，green，energy-saving，environmentally-friendly inorganic fireproof insulation material.

high strength double fast high belite sulphoaluminate cement，dry density，flammability，coefficient of thermal conductivity

TU55+1.3

A

1001-702X）（2016）07-0105-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAJ01B04-2）

2015-12-30

劉成健，男，1983年生，遼寧鐵嶺人，工程師，從事預(yù)拌砂漿、超輕高效A級(jí)防火保溫材料、水泥基特種工程材料的研發(fā)與應(yīng)用。