氣凝膠珍珠巖的制備及其在水泥基中的應(yīng)用

孫玉清 回麗麗 趙娜 王巧云

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)氣凝膠保溫材料高成本、低強(qiáng)度的問(wèn)題，提出用廉價(jià)膨脹珍珠巖和SiO2氣凝膠共同作用，制備氣凝膠膨脹珍珠巖復(fù)合保溫材料，并對(duì)其制備工藝及性能進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，保溫砂漿添加劑對(duì)AEPM拌合物工作性能和物理力學(xué)性能有積極作用;提高AEPM的柔韌性和抗裂性能;HPMC、可再分散乳膠粉能夠有效降低AEPM的導(dǎo)熱系數(shù)。經(jīng)過(guò)發(fā)泡和穩(wěn)泡優(yōu)化后， AEPM基本性能為：干密度235kg/m3;壓縮強(qiáng)度0.55MPa;導(dǎo)熱系數(shù)0.0472W/（m·K）

關(guān)鍵詞：膨脹珍珠巖;氣凝膠;保溫砂漿;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU528;TU55+1.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）05-0018-05

Preparation of Aerogel Perlite and Its Application in Cement Matrix

Sun Yuqing1，Hui Lili2， Zhao Na2，Wang Qiaoyun2

（1.Cangzhou Construction Project Quality Supervision Station of Hebei Province， Cangzhou 061000，China

2.Dayuan Jianye Group Co.， Ltd.， Cangzhou 061000，China）

Abstract：Aiming at the problem of high cost and low strength of traditional aerogel insulation materials， it is proposed to use cheap expanded perlite and SiO2 aerogel to prepare aerogel expanded perlite composite insulation materials， and their preparation process and performance test. The results show that the thermal insulation mortar additive has a positive effect on the working performance and physical and mechanical properties of AEPM mixture; improves the flexibility and crack resistance of AEPM; HPMC and redispersible emulsion powder can effectively reduce the thermal conductivity of AEPM. The basic properties of AEPM optimized by foaming and foam stabilization are as follows： dry density 235kg/m3; compressive strength 0.55MPa; thermal conductivity 0.0472W / （m·K）.

Key words：expanded perlite; aerogel; thermal insulation mortar; mechanical properties

隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)保溫材料的保溫要求也隨之提高。但傳統(tǒng)無(wú)機(jī)保溫骨料的保溫隔熱材料因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)大，吸濕性強(qiáng)的問(wèn)題，使得無(wú)機(jī)保溫材料的保溫性能產(chǎn)生更不利的影響。為解決傳統(tǒng)無(wú)機(jī)保溫骨料性能差的問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率較低的新型骨料?；诖?，胡玲霞（2018）等考察納米SiO2摻量對(duì)無(wú)機(jī)輕集料保溫砂漿工作性能的影響，證實(shí)納米SiO2摻量的增加會(huì)降低無(wú)機(jī)輕集料保溫砂漿的干密度，導(dǎo)熱系數(shù)[1];陳若山（2019）等人以膨脹珍珠巖和微珠保溫砂巖為對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)法獲得了不同骨料級(jí)配下膨脹?；⒅闊o(wú)機(jī)保溫砂漿，并尋找到最佳比例，制備出滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的無(wú)機(jī)保溫砂漿[2]。以上研究為無(wú)機(jī)骨料的改善提供了新的思考方向，但在節(jié)能方面還有待進(jìn)一步提升。因此，本文嘗試以廉價(jià)膨脹珍珠巖為載體，以SiO2氣凝膠為填充體制備一種低成本，高強(qiáng)度的新型復(fù)合保溫材料。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料為：水玻璃（山東安泉，工業(yè)級(jí)）;鹽酸（濟(jì)南榮正，分析純）;氨水（濟(jì)南創(chuàng)通，分析純）;三甲基氯硅烷（TMCS，濟(jì)南匯豐達(dá)，工業(yè)級(jí)）;羥丙基纖維素醚（HPMC，耐施纖維素，工業(yè)級(jí)）;快硬硫鋁酸鹽水泥（武漢吉業(yè)升，R · SAC 52.5）;膨脹珍珠巖（EP，濟(jì)南騰耀，5～30目）

本試驗(yàn)主要設(shè)備為：真空抽濾機(jī)（江西偉銘，DL-5C）;水泥混凝土恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（滄州路凱，YH-40B）;電動(dòng)彎曲試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南辰鑫，YES）;水泥膠砂攪拌機(jī)（獻(xiàn)縣睿華，JJ-5）;電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南文騰，WDW-E）;電動(dòng)彎曲試驗(yàn)機(jī)（河北星建，DYE-10）

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 氣凝膠膨脹珍珠巖的制備

（1）按照1：4的體積比，將水玻璃和去離子混合并攪拌均勻，攪拌時(shí)間為15min，此時(shí)混合溶液pH為12。滴加6mol/L的HCl，調(diào)節(jié)pH至1.5～2.0，讓水玻璃水解30min，得到原硅酸H4SiO4。水解完成后繼續(xù)滴加濃度為1mol/L的NH3·H2O，使H4SiO4發(fā)生縮聚反應(yīng)，得到SiO2水溶膠。

（2）提前將EP顆粒放入真空筒中，將制備的SiO2水溶膠引流到真空筒，至完全淹沒(méi)EP顆粒為止。將真空筒密封，同時(shí)打開(kāi)真空泵，對(duì)相對(duì)真空壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)EP浸漬吸附壓力進(jìn)行控制，得到SiO2水溶膠/EP復(fù)合物。

（3）取出SiO2水溶膠/EP復(fù)合物，用DL-5C型真空抽濾機(jī)濾干復(fù)合物表面多余水溶膠，抽濾壓力和時(shí)間分別為-0.03MPa、1min。將SiO2水溶膠/EP復(fù)合物放置于密閉容器中凝膠，凝膠后得到SiO2水凝膠/EP復(fù)合物。

（4）將復(fù)合物在常溫條件下放置2h進(jìn)行老化，產(chǎn)物為SiO2老化水凝膠/EP復(fù)合物。

（5）將用無(wú)水乙醇和正己烷分別對(duì)SiO2老化水凝膠/EP復(fù)合物進(jìn)行溶劑置換24h。再用TMCS和正己烷混合溶液對(duì)置換后的SiO2老化水凝膠/EP復(fù)合物進(jìn)行表面改性。TMCS和正己烷混合溶液的體積比為1：1。得到SiO2甲硅烷基化凝膠/EP復(fù)合物。

（6）將上述制備的復(fù)合物置于常壓40℃、60℃、80℃、100℃、120℃溫度下進(jìn)行干燥，干燥時(shí)間為4h，得到SiO2氣凝膠膨脹珍珠巖AEP。同步驟（5）（6）對(duì)老化后SiO2水凝膠進(jìn)行置換和改性，得到疏水SiO2氣凝膠。

1.2.2 氣凝膠膨脹珍珠巖保溫砂漿的制備

（1）將水泥、粉煤灰、硅灰、熟石灰、HPMC、RPP和PP纖維按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比加至SHLD型臥式攪拌機(jī)中攪拌均勻。

（2）在攪拌均勻的干料中加入一定量的水（發(fā)泡劑），繼續(xù)攪拌均勻。

（3）在凝膠材料漿體中加入一定量的輕骨料，繼續(xù)攪拌60s，得到保溫砂漿拌合物。

（4）將上述拌合物裝入模具中，注意一次性裝完，且拌合物應(yīng)高于模具表面。按螺旋方向用搗棒由外向內(nèi)輕輕插搗22次。在模壁中用抹灰刀插搗拌合物，直至拌合物表面平整。抹平高出模具表面部分。

（5）用聚乙烯薄膜覆蓋試件，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行拆模。放置溫度和時(shí)間分別是20±5℃和 48h。放入YH-40B型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至指定齡期。養(yǎng)護(hù)條件為：溫度20±5℃;相對(duì)濕度60%～80%。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 保溫砂漿稠度

參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70-2009）中的相關(guān)方法，采用SC-145型稠度測(cè)定儀測(cè)定砂漿稠度。

1.3.2 干密度

參照《建筑保溫砂漿》（GB/T 20473-2006）和《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》（GB/T 5486-2008）中的方法對(duì)干密度進(jìn)行測(cè)定。

按標(biāo)準(zhǔn)方法制備70.7mm×70.7mm×70.7mm的試件并養(yǎng)護(hù)至28d。養(yǎng)護(hù)至指定齡期后將試件放置于DHG-9648A型立式鼓風(fēng)干燥機(jī)中烘干至恒重，烘干溫度為：105±5℃。將烘干試件放置于干燥器中，使試件冷卻至室溫，對(duì)試件質(zhì)量進(jìn)行稱量，記作m0;計(jì)算試件體積，記作V，則試件表干密度可用公式（1）表示。 取3個(gè)試件干密度平均值為保溫砂漿的干密度。

式（1）中：為試件干密度;m0為試件烘干后質(zhì)量;V為試件體積。

1.3.3 壓縮強(qiáng)度

參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70-2009）中的方法測(cè)定試件的壓縮強(qiáng)度。壓縮強(qiáng)度試件制備和養(yǎng)護(hù)與干密度試件制備方式一致。用WDW-E型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速度為10mm/min。

1.3.4 彎曲強(qiáng)度和彎曲壓縮比

參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T 17671-1999）中的相關(guān)方法對(duì)試件彎曲強(qiáng)度和彎曲比進(jìn)行測(cè)定。具體測(cè)定方法為：制備40mm×40mm×160mm棱柱體試件一組3個(gè)，養(yǎng)護(hù)28d后在DHG-9648A型立式鼓風(fēng)干燥機(jī)中烘干至恒重，烘干溫度為：105±5℃。用DYE-10電動(dòng)彎曲試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試件的彎曲強(qiáng)度，取三個(gè)試件平均值為試件彎曲強(qiáng)度值。壓縮比為：

式（2）中：k為保溫砂漿彎曲壓縮比;為保溫砂漿彎曲強(qiáng)度平均值，MPa;為壓縮強(qiáng)度平均值，MPa;

2 結(jié)果與討論

2.1 HPMC摻量對(duì)AEPM性能的影響

選擇水泥、粉煤灰、硅灰、石灰膠凝材料體系，在各組分不變的情況下，設(shè)計(jì)5組配合比，如表1所示。各摻量的百分比為膠凝材料總質(zhì)量比。

圖1是不同HPMC摻量對(duì)AEPM的基本力學(xué)和稠度的影響。從圖1可以看出，當(dāng)HPMC摻量為0.3%時(shí)，砂漿稠度比未摻加HPMC增加了24.4mm，表干密度降低了22%。隨HPMC摻量的增加，砂漿稠度也逐漸的增加，當(dāng)HPMC摻量超過(guò)1.2%時(shí)，砂漿粘聚性過(guò)高，流動(dòng)性降低，AEPM砂漿稠度也呈現(xiàn)大幅度下降趨勢(shì)，表干密度仍有所下降，但降低幅度明顯減小。彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和彎曲壓縮比則隨HPMC摻量的增加持續(xù)上升，因此在水灰比一定的條件下，HPMC摻量應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)。

2.2 可再分散乳膠（RPP）摻量對(duì)AEPM性能的影響

表2為不同RPP摻量的AEPM砂漿配合比設(shè)計(jì);圖2為不同RPP摻量對(duì)AEPM稠度和物理力學(xué)性能的影響。從圖2可看出AEPM砂漿的稠度隨RPP摻量的增加而增大，干密度則表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)RPP摻量為4%時(shí)，AEPM稠度達(dá)到50mm，干密度最高為488。隨RPP摻量的增加，AEPM壓縮強(qiáng)度總體表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，彎曲強(qiáng)度和彎曲比則是先減小后增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)镽PP成膜后與無(wú)機(jī)凝膠材料作用，形成有機(jī)-無(wú)機(jī)框架體系，增強(qiáng)了膠凝材料間的內(nèi)聚力和AEPM的強(qiáng)度。同時(shí)RPP對(duì)水泥膠凝材料的水化反應(yīng)起抑制作用，因此對(duì)彎曲強(qiáng)度和彎曲壓縮比有很大的影響。

2.3 骨料摻量對(duì)AEPM性能影響

表3為不同骨料摻量的AEPM砂漿配合比設(shè)計(jì)。圖3是骨料摻量對(duì)AEPM性能的影響。由圖3可知，隨骨料摻量的增加，AEPM稠度隨之降低，干密度則表現(xiàn)出直線上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S骨料摻量的增加，膠凝材料的組分減少，拌合物間的流動(dòng)性和黏聚性有所降低，使得AEPM工作性能減弱。骨料間缺少水泥漿的填充和潤(rùn)滑，骨料在攪拌時(shí)容易遭到破壞，導(dǎo)致AEPM干密度直線增加。當(dāng)AEP骨料摻量達(dá)到A/b=9.5×10-3m3/kg時(shí)，AEPM拌合物壓縮強(qiáng)度降低至3.5MPa。彎曲強(qiáng)度和彎曲壓縮比持續(xù)減小，即砂漿的抗裂性和柔韌性變差。

2.4 聚丙烯纖維（PP）摻量對(duì)AEPM性能的影響

表4為不同PP纖維摻量的AEPM砂漿配合比設(shè)計(jì)。圖4為不同PP纖維摻量對(duì)AEPM稠度和力學(xué)性能的影響。從圖4可知，AEPM稠度和干密度幾乎不受PP纖維摻量的影響。在摻入PP纖維后，AEPM的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度明顯增加，當(dāng)PP纖維摻量達(dá)到0.4%時(shí)，AEPM的彎曲和壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為2.45和0.92。

上述研究可知，用R·SAC52.5水泥制備的保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)低，但強(qiáng)度損失較大。因此，本研究嘗試用R·SAC52.5水泥替代部分P·O 42.5水泥。在水泥總量不變的情況下，使R·SAC52.5水泥與P·O 42.5水泥質(zhì)量比為4∶6。用AEPM-PS-240保溫砂漿作為基礎(chǔ)，降低粉煤灰、石灰慘量，達(dá)到增加水泥摻加比例的目的，進(jìn)而改善AEPS-PS的力學(xué)性能。以此配方制備的AEPM的綜合性能指標(biāo)如表5所示。以《建筑保溫砂漿》（GB/T 20476-2006）中的相關(guān)規(guī)范要求為指標(biāo)。最優(yōu)比例制備的保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)比規(guī)范最大值0.07W（m·K）降低了31.3%;壓縮強(qiáng)度比規(guī)范要求提高了1.58倍。

2.5 應(yīng)用實(shí)例

基于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)75%節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中傳熱系數(shù)最大限制0.45W/（m2·K）對(duì)AEPEMS進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用《無(wú)機(jī)輕集料砂漿保溫系統(tǒng)》中的基本規(guī)定，鋼筋混凝土剪力墻厚度選擇200mm。AEPM取干密度235 kg/m3;壓縮強(qiáng)度0.55MPa;導(dǎo)熱系數(shù)0.0472W/（m·K ）。根據(jù)山西省地方標(biāo)準(zhǔn)《玻化微珠保溫砂漿應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，AEPM厚度最大限值為100mm。因此也可判斷AEPM在本文獲得的最優(yōu)導(dǎo)熱系數(shù)條件下可達(dá)到最低傳熱系數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究采用廉價(jià)膨脹珍珠巖為載體，SiO2氣凝膠為填充體，制備出一種新型復(fù)合保溫材料——?dú)饽z膨脹珍珠巖。并對(duì)AEP保溫砂漿的制備和性能優(yōu)化以及在建筑節(jié)能中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)研究，得到的具體結(jié)論如下：

（1）保溫砂漿添加劑對(duì)AEPM拌合物的工作性能和物理力學(xué)性能有明顯改善的作用，對(duì)AEPM拌合物的柔韌性和抗裂性作用比較明顯。HPMC和可再分散乳粒能有效降低 AEPM 的導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）骨料摻量的增加會(huì)導(dǎo)致AEPM工作性能相對(duì)減弱，當(dāng)AEP骨料摻量達(dá)到A/b=9.5×10-3m3/kg時(shí)，砂漿柔韌性和抗裂性能降低。

（3）PP纖維摻量幾乎不影響AEPM的稠度和干密度;但對(duì)AEPM壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度影響較為明顯。當(dāng)PP纖維摻量達(dá)到0.4%時(shí)，AEPM拌合物壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最大，分別為2.45和0.92。

（4）采用發(fā)泡和穩(wěn)泡工藝優(yōu)化AEPM性能，制備得到新型AEPM基本性能為：干密度235 kg/m3;壓縮強(qiáng)度0.55MPa;導(dǎo)熱系數(shù)0.0472W/（m·K ）。

（5）采用AEPM外墻保溫系統(tǒng)，當(dāng)AEPM厚度為100mm時(shí)，滿足嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)子氣候區(qū)75%節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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