氣凝膠蜂窩板在高寒地區(qū)營房建設(shè)中應(yīng)用與性能分析及粘接工藝

苗星星，高璇怡，張曉瑜，陳 振，劉 健，吳佳瑩

(中國人民解放軍32317部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830042)

氣凝膠指的是多孔多功能材料，保溫隔熱性能良好，在室溫下的氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)為0.0311 W/(m·K)，即便是在高溫高濕環(huán)境中，也具有0.0486 W/(m·K)的低導(dǎo)熱系數(shù)[1]，氣凝膠具有優(yōu)良的性能。氣凝膠復(fù)合材料的孔隙率比較高、導(dǎo)熱系數(shù)比較低等，但是抗壓性能不好[2]。為了解決力學(xué)性能比較差的問題，國內(nèi)外研究人員利用添加纖維、遮光劑的方法進(jìn)行改良，進(jìn)一步加強(qiáng)復(fù)合氣凝膠材料的研發(fā)，將氣凝膠材料與其他材料合理結(jié)合，有效增強(qiáng)材料使用性能，彌補(bǔ)氣凝膠材料的不足。紙蜂窩的質(zhì)量比較輕，能夠?qū)崿F(xiàn)回收處理，屬于新型的環(huán)保材料，具有明顯的承壓、隔熱和自重輕等優(yōu)勢。探討氣凝膠蜂窩板保溫材料在野外營房建設(shè)中應(yīng)用，有較好的發(fā)展前景。

1 氣凝膠蜂窩板保溫材料的性能分析

1.1 試驗(yàn)材料分析

SiO2氣凝膠：粒徑為50 μm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.021 W/(m·K)；聚氯乙烯塑料薄膜；擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板，導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m·K)。導(dǎo)熱系數(shù)使用熱常數(shù)分析儀實(shí)現(xiàn)測試[3]。

1.2 復(fù)合板制作流程與粘接工藝

1.2.1氣凝膠蜂窩板制作的流程

通過AutoCAD繪制圖紙，實(shí)現(xiàn)框架平面的創(chuàng)建，設(shè)置為20 cm×20 cm，通過平米昂定點(diǎn)排布蜂窩孔，通過間隙大小的改變繪制不同孔隙率的圖紙，最終使用的圖紙孔隙率為2.5、3.5、4.0與5.0 mm。利用激光雕刻機(jī)打孔，設(shè)置氣凝膠蜂窩板骨架的切割速度為60 mm/s，激光功率20 W[4]。

1.2.2粘接工藝

使用熱熔膠槍根據(jù)一行行的間隔板涂抹熱熔膠，因?yàn)闇囟冉档蜁?huì)對熱熔膠粘接效果造成影響，可以使用單行粘接實(shí)現(xiàn)粘接[5]。使熱熔膠槍根據(jù)框架單行涂抹熱熔膠，在整體框架覆蓋塑料薄膜，輕按粘接處，充分粘接框架和熱熔膠；

在孔洞中倒入適量的氣凝膠，并且不同孔中氣凝膠的用量要均勻，輕微振蕩1 min后添加，直到全部孔洞氣凝膠全部填充完成[6]。在進(jìn)行填充的時(shí)候要求每個(gè)蜂窩孔覆蓋并且對邊框敲擊，覆蓋氣凝膠沉淀，重復(fù)2～3次后將框架面中多余氣凝膠清理后在另外一面密封完成粘接。

1.3 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

1.3.1氣凝膠蜂窩板的導(dǎo)熱系數(shù)

不同孔隙率的骨架模型如圖1所示。制作這4種規(guī)格不同的氣凝膠蜂窩板，通過熱流技法測試導(dǎo)熱系數(shù)，試驗(yàn)板材尺寸：20 cm×20 cm。氣凝膠蜂窩板為試驗(yàn)組，XPS擠塑板為對照組。在測試過程中，每塊板材使用2組一樣測試參數(shù)[7]，模型參數(shù)如表1所示。

圖1 不同孔隙率的骨架模型Fig.1 Skeleton models with different porosity

表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters

1.3.2隔熱性能測試的流程

將氣凝膠蜂窩板設(shè)置到恒溫?zé)岚逯校瑹岚宓拿娣e設(shè)置為25 cm×24 cm，溫度設(shè)置為45 ℃，氣凝膠蜂窩板的表面不和空氣接觸[8]。在試驗(yàn)過程中使用八個(gè)熱電偶對氣凝膠蜂窩板的表面溫度進(jìn)行測試。利用兩個(gè)熱電偶對恒溫?zé)岚灞砻鏈囟冗M(jìn)行測試，通過兩個(gè)熱電偶測試恒熱板的表面溫度，根據(jù)兩個(gè)熱電偶空氣凝膠蜂窩板測試表面周圍環(huán)境溫度。為了避免外邊界輻射的影響，使用錫紙將探頭包裹[9]。

使用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，根據(jù)平板式織物保溫儀進(jìn)行測試。將實(shí)驗(yàn)板設(shè)置到保溫儀熱板中，設(shè)置熱板初始溫度值為 (45±0.5)℃，設(shè)置板材表面周圍的空氣溫度為(22±0.5)℃，每隔10 s都要讀取數(shù)據(jù)，30 min為一個(gè)測試時(shí)間[10]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱防護(hù)系統(tǒng)溫度場的分布

熱防護(hù)結(jié)構(gòu)溫度根據(jù)厚度方向降低，因?yàn)榉涓C結(jié)構(gòu)與機(jī)身蒙皮材料導(dǎo)熱系數(shù)比較大，降低了蜂窩結(jié)構(gòu)與蒙皮溫度梯度，在氣凝膠隔熱材料層溫度梯度比較大。蜂窩結(jié)構(gòu)能夠及時(shí)加熱到最高的溫度中，蜂窩夾芯板溫度接近于1 000 ℃。降低隔熱材料熱傳導(dǎo)系數(shù)，隔熱層溫度根據(jù)厚度方向線性減小，使大部分的熱量隔離在熱防護(hù)系統(tǒng)外部，溫度場分布如圖2所示。

圖2 溫度場分布Fig.2 Temperature field distribution

通過溫度場分布圖表示，結(jié)構(gòu)中金屬支架熱短路效應(yīng)，機(jī)身蒙皮溫度分布并不均勻。在金屬支架和蒙皮接觸位置中，蒙皮溫度最高為313 ℃，為最低溫度的兩倍，蒙皮支架安裝孔邊緣溫度是最高的。在結(jié)構(gòu)外表面，短時(shí)間內(nèi)的溫度不斷上升，之后逐漸穩(wěn)定。在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，溫度上升比較緩慢，溫度在時(shí)間增加過程中不斷的加快，但是溫度增加速率降低[11]。

2.2 室溫長時(shí)蠕變的影響

以室溫長時(shí)蠕變試驗(yàn)表示，通過預(yù)緊力作用，氣凝膠能夠使出現(xiàn)蠕變變形行為。此時(shí)，隔熱材料蠕變變形會(huì)降低預(yù)緊力。在0.05 MPa的壓應(yīng)力中，通過180 h能夠使親凝膠室溫蠕變設(shè)置為0.105%，蠕變變形如同支架初始預(yù)防開位移比較小，只是初始張開位移1.3%，如果支架施加預(yù)緊力在彈性狀態(tài)，預(yù)緊荷載降低1.3%。隔熱材蠕變變形會(huì)降低TPS裝配預(yù)緊力，只是降低1.3%。所以，氣凝膠蜂窩板室溫長時(shí)蠕變性能并不會(huì)影響到裝配完整性[12]。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)分析

在預(yù)試驗(yàn)過程中，孔徑、厚度等紙蜂窩板不同，并且具有較大的，要以紙蜂窩的孔徑與厚度進(jìn)行單因素的實(shí)驗(yàn)。

2.3.1厚度的影響

為了對紙蜂窩厚度對導(dǎo)熱系數(shù)影響進(jìn)行分析，保證芯紙和面紙的克重不變的情況下，對比不同厚度紙蜂窩導(dǎo)熱性能[13]。恒溫恒濕箱溫濕度環(huán)境設(shè)置為23 ℃、80%，孔徑設(shè)置為10 mm的紙蜂窩測試，紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)和厚度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)和厚度的關(guān)系Fig.3 Relationship between thermal conductivity and thickness of paper honeycomb

從圖3可以看出，紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)隨厚度不斷增加而增大，也就是紙蜂窩厚度越小，紙蜂窩的隔熱性能就會(huì)越好。

2.3.2孔徑的影響

為了對孔徑是否影響到紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)，保證面紙和芯紙的克數(shù)不發(fā)生改變，對比不同孔徑大小紙蜂窩導(dǎo)熱性能。在相同環(huán)境中實(shí)現(xiàn)測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 測試結(jié)果Fig.4 Test results

從圖4可以看出，紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)在孔徑不斷增加的過程中也在增加。紙蜂窩孔的孔徑低，就會(huì)提高隔熱性能。與實(shí)心紙板對比，紙蜂窩nebula的干燥氣體量比較大，干燥氣體導(dǎo)熱系數(shù)比固體要低，具有明顯的隔熱效果。

從圖3、圖4可以看出，紙蜂窩的與一般材料的導(dǎo)熱規(guī)律相反[14]。出現(xiàn)此種情況是因?yàn)槿绻涓C孔徑小，那么內(nèi)部并不會(huì)存在熱對流的情況，要忽略蜂窩孔徑中的對流傳熱效果。此時(shí)，利用蜂窩孔輻射與材料的傳熱創(chuàng)建紙蜂窩的傳熱；那么，蜂窩孔徑小，紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)比較小。

2.4 氣凝膠紙蜂窩夾層板的導(dǎo)熱系數(shù)

保溫層在實(shí)際使用的過程中，聚氨酯泡沫厚度為25～38 mm，只需要對10+10(mm)、15+10(mm)、20+10(mm)的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，也就是不改變紙蜂窩厚度，氣凝膠復(fù)合材料厚度為10、15、20 mm，圖5為測試結(jié)果[15]。

圖5 測試結(jié)果Fig.5 Test results

從圖5可以看出，會(huì)不斷的增加氣凝膠紙蜂窩夾層板導(dǎo)熱系數(shù)，在氣凝膠厚度為10、15 mm，夾層板導(dǎo)熱系數(shù)比為0.03 W/(m·K)，使?fàn)I房建設(shè)保溫材料使用標(biāo)準(zhǔn)得到滿足。

2.5 氣凝膠紙蜂窩夾層板和聚氨酯導(dǎo)熱性能

0.021 W/(m·K)為聚氨酯泡沫材料導(dǎo)熱系數(shù)，但是其屬于多孔發(fā)泡型的材料，材料配比、發(fā)泡溫度等都會(huì)對聚氨酯的導(dǎo)熱系數(shù)造成影響，高寒地區(qū)營房環(huán)境具有較大的濕度，就會(huì)增加導(dǎo)熱系數(shù)。在進(jìn)行施工的時(shí)候，每層的聚氨酯泡沫噴涂25～28 cm。為了使氣凝膠紙蜂窩夾層板和聚氨酯導(dǎo)熱性能進(jìn)行對比，測定20 mm與30 mm兩種厚度材料的導(dǎo)熱系數(shù)，測定結(jié)果如圖6所示。

圖6 測定結(jié)果Fig.6 Measurement results

從圖6可以看出，保溫隔熱板的厚度不同，氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)低于聚氨酯。具有相同隔熱性能的時(shí)候，聚氨酯泡沫保溫層的厚度比較大，能夠利用氣凝膠蜂窩夾層復(fù)合材料設(shè)置營房空間，從而節(jié)約建筑面積。

3 焊接工藝

建筑鋼結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用到高寒地區(qū)施工中，由于焊接作用環(huán)境會(huì)對鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量造成影響，那么低溫焊接技術(shù)針對焊接質(zhì)量控制具有重要作用[19]。環(huán)境溫度影響焊接的表現(xiàn)為：其一，在焊接頭冷卻速度變快時(shí)，焊接冷裂紋的敏感性也會(huì)增加；其二，加劇焊接殘余應(yīng)力作用；其三，降低預(yù)熱效果。熱源在低溫環(huán)境中一樣，無法使常溫焊接余熱效果得到實(shí)現(xiàn)。所以，極端環(huán)境下野外營房阻焊過程為：

(1)優(yōu)選焊接材料。使用HW707Ni低溫焊條，此焊條為低氫鈉的低溫鋼焊條，在-70 ℃時(shí)具有良好的焊縫金屬?zèng)_擊韌性，實(shí)現(xiàn)全位置的焊接；

(2)焊鉗防護(hù)。通過焊接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)封閉區(qū)間的創(chuàng)建，避免大量熱量的損失。另外，利用保溫措施對韓啟平保護(hù)。在鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接施工過程中，以實(shí)際情況對焊接工藝進(jìn)行評定；

(3)使用合理焊接措施。在焊接之前將油污、鐵銹和水分清除，實(shí)現(xiàn)短弧操作。適當(dāng)加大定位焊的熱輸入,增大焊縫截面和長度,并采用與正式焊接相同的預(yù)熱條件，使焊接層間溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。在焊接之前，焊條要通過350 ℃烘焙1 h，隨時(shí)烘焙隨時(shí)使用。加熱區(qū)域超過100 mm范圍，焊接層之間溫度比預(yù)熱溫度高[20]；

(4)焊接后熱保溫。在焊接之后，實(shí)現(xiàn)焊接接頭的后熱保溫處理，逸出氫氣，避免溫度降速過快導(dǎo)致冷裂紋，適當(dāng)?shù)暮鬅釡囟饶軌蚴诡A(yù)熱溫度得到降低。

4 結(jié)語

氣凝膠結(jié)合建筑節(jié)能技術(shù)，能夠不斷的發(fā)現(xiàn)實(shí)際使用價(jià)值，使建筑行業(yè)綠色化發(fā)展得到促進(jìn)。分析了氣凝膠蜂窩板保溫材料的性能，對氣凝膠建筑材料制作工藝進(jìn)行優(yōu)化，提出了高寒地區(qū)營房建筑的施工措施。通過分析結(jié)果表明，能夠降低氣凝膠建筑材料工藝成本，開拓氣凝膠蜂窩板保溫材料的應(yīng)用前景。