趙同義，張啟志

（黃淮學院 建筑工程學院，河南 駐馬店 463000）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對生活要求的不斷提高，對節(jié)能環(huán)保型材料的使用呼吁越來越高，泡沫混凝土作為一種新型節(jié)能環(huán)保材料受到越來越多的關注。泡沫混凝土是將水泥、礦物摻合料、外加劑、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑按一定的配合比，經(jīng)一定的工藝制備而成的一種多孔輕質混凝土[1]，具有燃燒等級為A級、質輕、保溫隔熱性能好、隔聲、吸波性能優(yōu)異、抗震性能好等優(yōu)點[2-3]，已經(jīng)被廣泛應用于建筑保溫材料、屋面保溫材料、路基處理等方面[4-9]。然而現(xiàn)階段泡沫混凝土仍然存在一些問題，如導熱系數(shù)大、抗壓強度低、整體性差等。氣凝膠是一種分散介質為氣體的凝膠材料，固體相和孔隙結構均為納米量級，由于其結構上的獨特性，氣凝膠表現(xiàn)出很多獨特的性質，如高孔隙率、高比表面積、低密度、低熱導率等，在隔熱、吸附、航空航天、新能源、環(huán)保等領域有廣闊的應用前景[10-11]。SiO2氣凝膠是目前研究最多、最成熟的氣凝膠材料，已經(jīng)有學者將其應用于制備保溫隔熱材料或改善保溫材料的熱工性能[12]。本文利用SiO2氣凝膠取代部分水泥制備泡沫混凝土，并探究SiO2氣凝膠對泡沫混凝土性能的影響，以期為改善泡沫混凝土的性能提供參考。

1 試驗

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，小南海水泥有限公司產，其化學成分及相關技術指標見表1、表2。

表1 水泥的化學成分 %

表2 水泥的物理性能指標

SiO2氣凝膠：導熱系數(shù)0.019 W/（m·K），密度0.08 g/cm3，粒徑0.1～20 μm，孔徑10～15 nm，蘇州恒球石墨烯科技有限公司。

發(fā)泡劑：雙氧水，質量濃度30%，重慶川東化工集團有限公司。

穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣，分析純，重慶川東化工集團有限公司。

催化劑：二氧化錳，含量≥99.95%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

水：自來水。

1.2 試驗方案

以雙氧水為發(fā)泡劑制備的體積密度為500 kg/m3的普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土為基準組，SiO2氣凝膠摻量分別為水泥質量的 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、4%、6%、8%、10%，探究SiO2氣凝膠對泡沫混凝土性能的影響，泡沫混凝土的配合比見表3。

表3 泡沫混凝土的配合比

1.3 制備工藝

（1）按照表3配合比將水泥、硬脂酸鈣、二氧化錳加入凈漿攪拌鍋中，用凈漿攪拌機慢攪1 min。

（2）將預先準備好的水倒入混合均勻的混合料干粉中，慢攪1 min，快攪1.5 min，得到均勻的混合料漿體。

（3）將SiO2氣凝膠加入所得到的混合料漿體中，慢攪1 min，快攪1.5 min，然后再加入預先準備好的發(fā)泡劑雙氧水，慢攪 10 s，快攪 15 s。

（4）將攪拌均勻的泡沫混凝土料漿注入模具成型，脫模，放入養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期，測試泡沫混凝土的性能。

1.4 性能測試

1.4.1 體積密度

將體積為V0的泡沫混凝土試件養(yǎng)護28 d后，放入溫度為（50±1）℃的干燥箱內烘干，直至前后2次相隔4 h的質量差不大于0.1 g，取出試件放在干燥器內冷卻至室溫，稱取試件質量m0，精確至0.1 g，質量m0與體積V0的比值即為泡沫混凝土的體積密度。

1.4.2 抗壓強度

制備100 mm×100 mm×100 mm的立方體泡沫混凝土試塊，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d后，測試抗壓強度，加壓速度為5 mm/min。

1.4.3 導熱系數(shù)

試件尺寸為 300 mm×300 mm×30 mm，養(yǎng)護 28 d，然后放入溫度為（50±1）℃的干燥箱內烘干至恒重，采用穩(wěn)態(tài)平板法進行測試，導熱系數(shù)的取值為3個試件的算數(shù)平均值，精確至0.001 W/（m·K）。

1.4.4 吸水率和軟化系數(shù)

將養(yǎng)護28 d的泡沫混凝土試件浸入溫度為（22±2）℃的水中，48 h后取出，測試試件的質量和抗壓強度，計算質量吸水率和軟化系數(shù)。

2 試驗結果與分析

2.1 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土體積密度的影響

（見圖1）

圖1 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土體積密度的影響

由圖1可見，隨著氣凝膠摻量的增加，泡沫混凝土的體積密度呈下降趨勢。當氣凝膠摻量從0增大到2%時，泡沫混凝土的體積密度從500 kg/m3降低到491 kg/m3，體積密度并沒有發(fā)生較大的變化，一方面，是因為氣凝膠摻量較少，另一方面，是因為泡沫混凝土是一種多孔結構，含有大量孔隙，氣凝膠由于顆粒較小會進入泡沫混凝土的孔結構內部，不會引起泡沫混凝土的體積發(fā)生較大變化，所以體積密度變化較小。當氣凝膠摻量從2%增大到10%時，體積密度從491 kg/m3降低到402 kg/m3，變化較大，其主要原因是氣凝膠密度較小，大約只有水泥密度的1/40，同質量的氣凝膠與水泥相比，體積增大很多，在制備泡沫混凝土的過程中，雖然有少量的氣凝膠會進入泡沫混凝土的孔隙中，但是大部分的氣凝膠仍然只是與泡沫混凝土進行簡單的體積疊加，導致泡沫混凝土的體積增幅較大，所以氣凝膠摻量較大時泡沫混凝土的體積密度降低明顯。

2.2 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響（見圖2）

圖2 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響

從圖2可以看出，當SiO2氣凝膠摻量從0增大到2%時，隨著摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強度先提高后降低，其可能原因是SiO2氣凝膠尺寸較小，具有微集料效應，填充了泡沫混凝土中水泥石的孔隙，增加了水泥石的密實度，抗壓強度稍有提高，但當氣凝膠摻量超過0.5%后，泡沫混凝土中水泥量降低，因SiO2氣凝膠微集料效應提高的強度不足以彌補水泥水化后水化產物減少所降低的強度，所以泡沫混凝土的抗壓強度開始降低。當SiO2氣凝膠摻量從0以2%變化增大到10%時，抗壓強度幾乎呈直線下降，其原因與SiO2氣凝膠摻量超過0.5%時泡沫混凝土抗壓強度降低的原因相同，只是SiO2氣凝膠摻量過大，泡沫混凝土強度下降得更加明顯。

2.3 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響

（見圖3）

圖3 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響

由圖3可見，隨著氣凝膠的摻量從0增大到10%，泡沫混凝土的導熱系數(shù)從0.093 W/（m·K）降低到0.042 W/（m·K），降幅較大，其原因主要包括以下3個方面：（1）泡沫混凝土的導熱系數(shù)與孔隙率存在一定的相關性，孔隙率越高，泡沫混凝土的導熱系數(shù)越低[13]。隨著SiO2氣凝膠摻量從0增大到10%，泡沫混凝土體積密度從500 kg/m3降低到402 kg/m3，孔隙率增大，所以泡沫混凝土的導熱系數(shù)降低；（2）泡沫混凝土中的熱傳遞包括固體相（水泥基體）的熱傳導和氣體相的熱傳導、熱對流和熱輻射[14]，SiO2氣凝膠具有納米結構，孔隙率高，其摻入增加了熱量在泡沫混凝土中傳導的路徑，降低了熱對流的速率，所以導熱系數(shù)會降低；（3）SiO2氣凝膠的導熱系數(shù)為0.019 W/（m·K），低于常溫下雙氧水分解所產生氧氣的導熱系數(shù)（0.024 W/（m·K））[15]，所以從這方面來說泡沫混凝土的導熱系數(shù)也會降低。

2.4 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土吸水率和軟化系數(shù)的影響（見圖4、圖5）

圖4 氣凝膠摻量為0～2%時對泡沫混凝土吸水率和軟化系數(shù)的影響

圖5 氣凝膠摻量為0～10%時對泡沫混凝土吸水率和軟化系數(shù)的影響

從圖4可以看出，隨著SiO2氣凝膠摻量的增加，泡沫混凝土的質量吸水率先減小后增大，軟化系數(shù)先增大后減小。其原因是SiO2氣凝膠顆粒尺寸較小，隨著SiO2氣凝膠摻量的增加，泡沫混凝土漿體的稠度和黏度增大，使泡沫混凝土連通孔含量減小，另一方面，SiO2氣凝膠的微集料效應使泡沫混凝土中水泥石中毛細孔數(shù)量減少，所以質量吸水率減小，軟化系數(shù)增大。當SiO2氣凝膠摻量超過1.5%時，隨著摻量的增加，水泥含量減少，生成的水化硅酸鈣C-S-H凝膠減少，泡沫混凝土漿體的黏度降低，泡沫混凝土中毛細孔和連通孔的數(shù)量增加，所以質量吸水率增大，軟化系數(shù)減小。結合圖5（a）可以看出，當氣凝膠摻量從2%增加到10%時，質量吸水率一直增大，軟化系數(shù)一直降低，其原因與SiO2氣凝膠摻量超過1.5%時泡沫混凝土的質量吸水率增加和軟化系數(shù)降低的原因相同。

從圖 4（b）和圖 5（b）可以看出，當氣凝膠摻量從 0以0.5%變化增大到2%和從0以2%變化增大到10%時，質量吸水率與軟化系數(shù)擬合曲線具有很好的線性相關性。

3 結論

（1）隨著SiO2氣凝膠摻量的增加，泡沫混凝土的體積密度和導熱系數(shù)逐漸降低，這說明氣凝膠能夠改善泡沫混凝土的熱工性能，這可為以后研發(fā)低導熱泡沫混凝土提供參考。

（2）泡沫混凝土的抗壓強度隨著SiO2氣凝膠摻量的增加總體呈下降趨勢。當氣凝膠摻量低于0.5%，抗壓強度會略有提高，其原因是SiO2氣凝膠具有微集料效應。

（3）當氣凝膠摻量超過2%時，泡沫混凝土的質量吸水率增大、軟化系數(shù)減小，并且質量吸水率與軟化系數(shù)具有很好線性相關性。