影響二氧化硅氣凝膠/?；⒅楸厣皾{性能的因素

彭羅文 ，艾明星 ，石永 ，閆昕 ，梅陽

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.建研科技股份有限公司，北京 100013）

在目前形勢下，建筑節(jié)能與防火安全并重，是執(zhí)行國家節(jié)能降耗大計的根本要求。墻體保溫隔熱材料是節(jié)能首選，對建筑節(jié)能降耗起著極為重要的作用。無機類保溫材料具有原料來源廣泛，耐久性及防火性能好等優(yōu)點，但其較高的導(dǎo)熱系數(shù)嚴重阻礙了在建筑節(jié)能領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用。在重大建筑火災(zāi)事故頻發(fā)的今天，研究并推廣隔熱性能良好的新型無機保溫材料成為當(dāng)務(wù)之急。

目前，國內(nèi)已有很多文獻[1-5]報道了以?；⒅闉楸毓橇系臒o機保溫砂漿的研制和施工技術(shù)，但此類產(chǎn)品還是存在保溫性能差等一系列問題。二氧化硅氣凝膠是一種具有優(yōu)異的保溫性能和防火安全性能的非晶固態(tài)輕質(zhì)材料，近年來一直受到建筑節(jié)能領(lǐng)域的高度重視。但由于價格昂貴和技術(shù)障礙，研究二氧化硅氣凝膠對保溫砂漿性能影響的資料并不多見。本文借鑒了疏水二氧化硅氣凝膠改性和?；⒅楸厣皾{的研究成果[6-8]，以疏水二氧化硅氣凝膠和玻化微珠等無機輕集料為保溫骨料，水泥等無機膠凝材料為主要膠結(jié)料，并摻加增溶劑[9]及其它功能性添加劑，研制了新型建筑保溫砂漿。引入兼顧高效保溫和防火的輕質(zhì)保溫隔熱材料二氧化硅氣凝膠，可改善和提升整個產(chǎn)品體系的保溫性能，拓展其在建筑保溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

導(dǎo)熱系數(shù)是衡量一種材料保溫性能最直接的體現(xiàn)，干密度也是保溫材料的主要技術(shù)指標(biāo)之一，本文重點研究各因素對導(dǎo)熱系數(shù)和干密度的影響，以確定各原材料及配合比對二氧化硅氣凝膠/?；⒅楸厣皾{性能的影響規(guī)律。以期為二氧化硅氣凝膠/玻化微珠保溫砂漿的技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用提供一些參考和試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：鉆牌P·O42.5R水泥，河北燕新建材有限公司生產(chǎn)，符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；水膠比為0.5時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d后，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.528W/（m·K）。

?；⒅椋憾逊e密度約90 kg/m3，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.044 W/（m·K），遼寧天瑞新型建筑材料有限公司生產(chǎn)。

增溶劑：一種表面活性劑，HLB值14～18，日本關(guān)東化學(xué)株式會社生產(chǎn)。

雙氧水：濃度30%，天津市光復(fù)精細化工研究所生產(chǎn)。

二氧化硅氣凝膠：廣東埃力生高新科技有限公司采用超臨界干燥工藝生產(chǎn)，粒徑小于5 mm，在自然堆積狀態(tài)下堆積密度約為100 kg/m3，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.020 W/（m·K），具有較好的疏水性能[7]。

1.2 試驗方法

二氧化硅氣凝膠/?；⒅楸厣皾{制備工藝參照文獻[9]，基準(zhǔn)配比中水、水泥和增溶劑質(zhì)量配比為300∶100∶6，分別加入不同量的氣凝膠顆粒來探究其在水泥漿體中對性能的影響規(guī)律。由于二氧化硅氣凝膠強度低，機械攪拌極易對顆粒造成破碎，因此采用純手工攪拌。試驗發(fā)現(xiàn)，二氧化硅氣凝膠/?；⒅楸厣皾{的抗壓強度大多在0.1～0.3 MPa，力學(xué)強度較低，本文不作過多的研究探討。其他試件成型及養(yǎng)護溫度為（20±2）℃，試樣尺寸為 300 mm×300 mm×30mm，養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至28 d，然后置于烘箱中60℃烘干。干密度測試參照GB/T 5486—2008《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》，導(dǎo)熱系數(shù)采用JW－Ⅲ型熱流計式導(dǎo)熱儀參照GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法》進行測試，其中試驗平均溫度為25℃，冷熱板溫差為20℃。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 輕骨料的添加順序?qū)Ρ厣皾{性能的影響

在?；⒅榕c疏水二氧化硅氣凝膠顆粒體積比為2∶1，水泥及其他材料摻量相同的情況下，先將二氧化硅氣凝膠與漿料混合均勻再加入?；⒅橹频玫谋厣皾{干密度為238 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.071 W/（m·K）；若是先將?；⒅榕c漿料混合后再加入二氧化硅氣凝膠顆粒制得的保溫砂漿干密度為245 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.077 W/（m·K）。試驗結(jié)果表明，先將二氧化硅氣凝膠與漿料混合均勻再加入?；⒅橹频玫谋厣皾{導(dǎo)熱系數(shù)要小一些。在排除了偶然因素之后，分析原因可能是由于玻化微珠體積吸水率一般都在30%以上，先加玻化微珠再加氣凝膠顆粒導(dǎo)致漿料一開始稠度就較大，后期攪拌很困難，不利于成型，而且成型的漿料各組分分布也不均勻。因此，先將氣凝膠顆粒與漿料攪拌均勻后再倒入玻化微珠快速攪拌，讓?；⒅槲鶆?，有利于保溫漿料成型，也不至于為了增大稠度而加水太多導(dǎo)致后期養(yǎng)護時水分難于揮發(fā)出來，有利于提高砂漿的保溫性能。

2.2 水泥與輕骨料的質(zhì)量比對保溫砂漿性能的影響

當(dāng)保溫砂漿中水泥摻量達到一定量時，水泥硬化體就會在保溫砂漿內(nèi)部形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，提高其粘結(jié)性和施工性能，從而增強砂漿的力學(xué)強度。但同時，膠凝材料與輕骨料的質(zhì)量比過高，對導(dǎo)熱系數(shù)有直接的負面影響。試驗固定?；⒅榕c疏水二氧化硅氣凝膠顆粒體積比為2∶1，調(diào)整水泥和輕骨料的質(zhì)量比分別為 0.48∶1、0.6∶1、1∶1、2∶1 及 2.5∶1，水泥與輕骨料質(zhì)量比對保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)和干密度的影響見圖1。

圖1 水泥與輕骨料質(zhì)量比對保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)和干密度的影響

由圖1可知，由于輕骨料的導(dǎo)熱系數(shù)遠小于水泥的導(dǎo)熱系數(shù)，因此隨著水泥和輕骨料的質(zhì)量比的降低，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。當(dāng)水泥和輕骨料的質(zhì)量比在1∶1時，保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)為0.068 W/（m·K），干密度約為300 kg/m3；當(dāng)水泥和輕骨料的質(zhì)量比在0.48以下時，保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)小于0.05 W/（m·K），干密度小于230 kg/m3時成型的試樣極易碎，完成導(dǎo)熱系數(shù)測試都比較困難。綜合考慮，應(yīng)控制保溫砂漿中水泥與輕骨料的質(zhì)量比在0.48～1.0之間。

2.3 氣凝膠與?；⒅轶w積比對保溫砂漿性能的影響

固定水泥與輕骨料的質(zhì)量比為0.6∶1，調(diào)整玻化微珠和二氧化硅氣凝膠的體積比，其對保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)和干密度的影響見表1。

表1 ?；⒅楹蜌饽z的體積比對保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)和干密度的影響

從表1可以看到，在一定范圍內(nèi)，調(diào)整?；⒅楹蜌饽z的體積比，對最后保溫砂漿的干密度影響不大，原因可能有二：一是?；⒅榕c氣凝膠的堆積密度相近，二是保溫砂漿養(yǎng)護過程中的體積膨脹、收縮率相近。但逐漸增大疏水二氧化硅氣凝膠顆粒的摻量，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降，這也與疏水二氧化硅氣凝膠顆粒具有極好的絕熱效果是相符的，在氣凝膠的市場生產(chǎn)成本大幅降低后，可以用它來替代部分性能不良的A級防火保溫材料來制備無機保溫砂漿。

2.4 雙氧水發(fā)泡對保溫砂漿性能的影響

雖然水泥量少時導(dǎo)熱系數(shù)低，但力學(xué)性能差；為了保持較好的力學(xué)性能，又需要一定摻量的水泥，導(dǎo)致硬化后的保溫砂漿中導(dǎo)熱系數(shù)較大的水泥石固相連續(xù)結(jié)構(gòu)提供了大量的傳熱通道，因而無機保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)難以低于0.06 W/（m·K）。建筑上采用的保溫材料大多希望其導(dǎo)熱系數(shù)低，輕質(zhì)高強，這對無機保溫材料是不利的。要提高無機保溫砂漿對熱流的阻抗作用，可以采用增大輕骨料摻量和降低水泥石等膠凝材料導(dǎo)熱系數(shù)的辦法。前者會帶來力學(xué)強度大幅降低的負面影響，而新拌水泥漿體的pH值在11～13之間，呈堿性，直接可以和雙氧水作用不斷產(chǎn)生O2，形成大量均勻分散的氣泡，增大砂漿內(nèi)部孔隙，增多氣孔，降低保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)[3]。

表2中，發(fā)泡體系中添加20 g雙氧水和10 g硬脂酸鈣而少添加玻化微珠或者氣凝膠，不發(fā)泡體系不添加雙氧水和硬脂酸鈣，但多添加一定量的輕骨料。

表2 不同方法制備對保溫砂漿干密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由表2可見，在相近的配合比條件下，通過對比Ⅰ和Ⅲ、Ⅱ和Ⅳ組試樣可以發(fā)現(xiàn)，基于水泥堿催化雙氧水作用機理的發(fā)泡工藝并不能大幅改變保溫漿料的密度，但相比于靠添加輕骨料保溫物質(zhì)來稀釋膠凝材料的方式調(diào)整保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，采用發(fā)泡工藝來降低保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)效果更顯著。在后續(xù)開發(fā)中使?jié){體發(fā)泡高度和發(fā)泡時間較好的雙氧水和添加劑的最佳摻量還有待進一步細化研究。

2.5 其他因素對保溫砂漿性能的影響

雙氧水發(fā)泡是利用形成的氣泡留在硬化砂漿中形成孔隙來降低保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，類似的，疏松多孔的氣凝膠粉體也可以添加到水泥石連續(xù)結(jié)構(gòu)中，能有效地限制固態(tài)熱傳遞和氣態(tài)熱對流，降低保溫砂漿的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)，但其具體的影響規(guī)律還有待進一步研究。

由于水泥和?；⒅榈挠H水特性和微觀孔結(jié)構(gòu)的存在，保溫砂漿的水料比較大，質(zhì)量比通常在1以上。王海蓉等[10]實驗發(fā)現(xiàn)，增大水料比可明顯提高玻化微珠保溫砂漿的保溫性能，但同時明顯降低砂漿的干密度和抗壓強度，不利于施工應(yīng)用。將二氧化硅氣凝膠/玻化微珠保溫砂漿的水料比從1.0增加到1.3時，干密度和導(dǎo)熱系數(shù)也都有不同程度的下降。

2.6 干密度和導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

二氧化硅氣凝膠/?；⒅楸厣皾{的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)是該材料的2個重要指標(biāo)。本實驗也證明保溫砂漿的干密度越小，導(dǎo)熱系數(shù)越小。圖2展示了二氧化硅氣凝膠/玻化微珠保溫砂漿的的干密度與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系曲線，雖然沒有絕對的線性關(guān)系，但這種趨勢還是明顯存在的。

控制干密度在250～330 kg/m3范圍內(nèi)時，保溫砂漿綜合性能在較優(yōu)狀態(tài)，可以作為保溫漿料，也可以成型保溫板材；在此干密度以下時，保溫砂漿是以損失應(yīng)有強度為代價而降低導(dǎo)熱系數(shù)，安全性能不能得到保障，只能作為保溫芯材用作填充；在此干密度以上時，作為板材應(yīng)用強度不會有大的問題，導(dǎo)熱系數(shù)偏高，能作為保溫、隔聲的砌塊產(chǎn)品用于內(nèi)隔墻。

圖2 二氧化硅氣凝膠/玻化微珠保溫砂漿干密度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)語

（1）輕骨料的添加順序影響保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，先將氣凝膠顆粒與漿料攪拌均勻后再倒入?；⒅榭焖贁嚢璩尚?，有利于提高砂漿的保溫性能。

（2）隨著輕骨料摻量的增加，保溫砂漿的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)均呈下降趨勢，結(jié)合力學(xué)強度考慮，水泥與輕骨料的質(zhì)量比宜控制在0.48～1.0之間。

（3）固定其他變量，只調(diào)整?；⒅榕c氣凝膠體積比，對保溫砂漿的干密度影響不大，但導(dǎo)熱系數(shù)隨著二氧化硅氣凝膠摻量的增大而減小。

（4）相比單純依靠增大輕骨料摻量來降低保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的方式，通過在保溫砂漿漿體中添加雙氧水進行化學(xué)發(fā)泡可以顯著減小保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)。