李安寧 ，沈志明 ，張新生 ，曹 靜 ，李 娟 ，李 偉 ，朱燦銀

（1.江蘇豐彩新型建材有限公司，江蘇南京211100；2.江蘇省既有建筑綠色化改造工程技術(shù)研究中心，江蘇南京211100）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和工業(yè)的不斷進(jìn)步，人類對(duì)能源的需要越來越大，能源與需求的矛盾越來越突出，制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1-2]。除了能源的高效轉(zhuǎn)化及可再生能源的合理開發(fā)外，充分提高能源的利用效率，減少能源的浪費(fèi)也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。SiO2氣凝膠因其多孔、高比表面積等特性，具有比活性炭更強(qiáng)的吸附能力、對(duì)大氣污染物和水體污染物超強(qiáng)的吸附性能[3-5]。SiO2氣凝膠在建筑隔熱、家電隔熱材料、工業(yè)管道保溫隔熱材料、大氣污染物和水體污染物的治理工作中將發(fā)揮重要的作用[6]。但氣凝膠顆粒在應(yīng)用過程中與砂漿體系的相容性一直是業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)，尤其氣凝膠顆粒在砂漿中的分散直接影響氣凝膠的隔熱性能。因而如何在砂漿中更好地發(fā)揮氣凝膠隔熱的優(yōu)越性，成為當(dāng)前應(yīng)用過程中迫切需要解決的問題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

主要實(shí)驗(yàn)試劑與儀器如表1和表2。

表1 主要實(shí)驗(yàn)試劑

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

1.2 氣凝膠摻雜?；⒅樯皾{的制備

氣凝膠摻雜?；⒅樯皾{的制備主要解決兩方面問題：①?；⒅樯皾{空隙率的計(jì)算；②氣凝膠顆粒在混合攪拌過程中易揮飛，入模后易上浮。

（1）先對(duì)SiO2氣凝膠顆粒預(yù)處理，對(duì)其顆粒進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)SiO2氣凝膠顆粒與無機(jī)膠凝材料之間的粘結(jié)性能。

（2）先從為設(shè)計(jì)配比的總用水量中取出一部分水來配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的KH-550硅烷偶聯(lián)劑溶液，對(duì)SiO2氣凝膠顆粒進(jìn)行改性。為防止偶聯(lián)劑水解產(chǎn)生沉淀，影響改性效果，實(shí)驗(yàn)采取邊分散改性。

（3）將配好的偶聯(lián)劑溶液超聲分散，然后立即對(duì)SiO2氣凝膠顆粒進(jìn)行改性。

（4）按照配比將?；⒅樯皾{加入到攪拌機(jī)中進(jìn)行干拌，然后將余下的水緩慢加入攪拌。

（5）將預(yù)處理過的SiO2氣凝膠顆粒加入其中，攪拌均勻后裝入試模。

（6）放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，分別測(cè)試養(yǎng)護(hù)7天與28天的抗壓、抗折強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣凝膠摻雜?；⒅楸厣皾{的抗壓、抗折性能測(cè)試

通過計(jì)算，我們得到氣凝膠摻雜?；⒅樯皾{的最優(yōu)比例，具體配方如表3。通過多次試驗(yàn)，逐漸增加氣凝膠的含量，達(dá)到降低水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，研究其替換比例對(duì)密度、力學(xué)性能、吸水率以及導(dǎo)熱系數(shù)等性能的影響，進(jìn)一步拓展其在建筑保溫材料中的應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）氣凝膠摻雜玻化微珠保溫砂漿密度以及空隙率的變化

表3 氣凝膠摻雜?；⒅樯皾{復(fù)配試驗(yàn)配方

圖1表示不同比例氣凝膠摻雜量條件下，對(duì)水泥砂漿密度的影響。隨著SiO2氣凝膠顆粒摻雜比例的增加，?；⒅樯皾{的表觀密度和堆積密度整體呈線性上升趨勢(shì)。改性/未改性氣凝膠顆粒的摻雜對(duì)?；⒅樯皾{密度基本無影響。

圖1 不同氣凝膠摻雜量對(duì)砂漿密度的影響

從圖2可以看出，隨著氣凝膠添加量的增加，細(xì)小的氣凝膠顆粒會(huì)填充到?；⒅樯皾{顆粒的空隙中，空隙率逐漸降低，達(dá)到一定程度之后，?；⒅樯皾{的空隙被氣凝膠顆粒填滿，繼續(xù)增加氣凝膠顆粒的量，復(fù)合砂漿的空隙率反而會(huì)增加，這是因?yàn)椴；⒅樯皾{中已沒有足夠的空隙供氣凝膠填充，氣凝膠顆粒會(huì)使得?；⒅樯皾{顆粒之間的距離變大。

圖2 不同氣凝膠摻雜量對(duì)砂漿空隙率的影響

（2）氣凝膠保溫砂漿抗壓性能測(cè)試

從圖3可以看出，通過摻雜不同體積比例的改性或未改性氣凝膠顆粒，測(cè)試其養(yǎng)護(hù)7天和28天的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著氣凝膠摻雜比例的增加，7天或者28天養(yǎng)護(hù)之后的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，從未摻雜的0.81 MPa和1.01 MPa逐漸降低至摻雜8%的0.40 MPa和0.56 MPa。由于SiO2氣凝膠顆粒本身強(qiáng)度低，隨著SiO2氣凝膠顆粒體積替換比例的增加，填充至?；⒅楸厣皾{空隙中，氣凝膠顆粒與無機(jī)材料顆粒逐漸粘結(jié)，導(dǎo)致復(fù)合保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

從表4對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得出，改性與未改性氣凝膠制備的保溫砂漿的抗壓性能有明顯差別。由于SiO2氣凝膠顆粒自身的結(jié)構(gòu)以及物理性質(zhì)，SiO2具有親水的極性表面，因表面作用能強(qiáng)，彼此團(tuán)聚，在高粘度聚合物基體中難以均勻分散而無法獲得理想性能與無機(jī)膠凝材料的粘結(jié)。用少量硅烷偶聯(lián)劑對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，與無機(jī)物表面的-OH進(jìn)行反應(yīng)，水解生成-Si-O-Si-共價(jià)鍵，從而鍵合到無機(jī)物表面生成親油性的非極性表面，使材料的性能大大提高。實(shí)驗(yàn)證明，通過對(duì)其表面進(jìn)行有機(jī)改性，使納米SiO2的親水表面改性成親油性的非極性表面，從而改善或改變納米粒子的分散性，提高納米粒子表面活性，改善納米粒子與聚合物材料之間的相互作用。

表4 改性/未改性氣凝膠顆粒的抗壓測(cè)試

圖3 不同摻雜比例對(duì)?；⒅樯皾{抗壓強(qiáng)度的影響

（3）氣凝膠保溫砂漿抗折性能測(cè)試

從圖4可以看出，通過摻雜不同體積比例的改性或未改性氣凝膠顆粒，測(cè)試其養(yǎng)護(hù)7天和28天的抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著氣凝膠摻雜比例的增加，7天或者28天養(yǎng)護(hù)之后的抗折強(qiáng)度逐漸降低，從未摻雜的0.429 MPa和0.685 MPa逐漸降低至摻雜比例8%的0.142 MPa和0.305 MPa。由于SiO2氣凝膠顆粒本身強(qiáng)度低，隨著SiO2氣凝膠顆粒體積替換比例的增加，氣凝膠顆粒逐漸充當(dāng)起骨架作用，氣凝膠顆粒與無機(jī)材料表面鍵合力小，必然導(dǎo)致砂漿抗折強(qiáng)度降低。

圖4 不同替換比例對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

表5 改性/未改性氣凝膠顆?？拐蹨y(cè)試

從表5對(duì)比實(shí)驗(yàn)中可以得出，改性與未改性氣凝膠制備的保溫砂漿的抗折性能有明顯差別。由于SiO2氣凝膠顆粒自身的結(jié)構(gòu)以及物理性質(zhì)，SiO2具有親水的極性表面，因表面作用能強(qiáng)，彼此團(tuán)聚，在高粘度聚合物基體中難以均勻分散而無法獲得理想性能與無機(jī)膠凝材料的粘結(jié)。氣凝膠顆粒與無機(jī)材料不能粘結(jié)在一起形成團(tuán)聚存在，導(dǎo)致其抗壓、抗折強(qiáng)度降低。實(shí)驗(yàn)中用少量硅烷偶聯(lián)劑對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，與無機(jī)物表面的-OH進(jìn)行反應(yīng)，水解生成-Si-O-Si-共價(jià)鍵，從而鍵合到無機(jī)物表面生成親油性的非極性表面，使材料的性能大大提高。實(shí)驗(yàn)證明，通過對(duì)其表面進(jìn)行有機(jī)改性，使納米SiO2的親水表面改性成親油性的非極性表面，從而改善或改變納米粒子的分散性，提高納米粒子表面活性，改善納米粒子與聚合物材料之間的相互作用。

2.2 氣凝膠摻雜?；⒅楸厣皾{的導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

圖5表示摻雜SiO2氣凝膠顆粒比例的?；⒅楸厣皾{的導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系。從圖5可以看出，隨著氣凝膠顆粒摻雜量的增加，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)呈線性下降趨勢(shì)，當(dāng)摻量達(dá)到6%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)值從0.083 8 W/（m·K）降至0.065 8 W/（m·K）；繼續(xù)摻雜氣凝膠，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加，說明摻雜氣凝膠顆粒有一定降低導(dǎo)熱系數(shù)的作用；當(dāng)氣凝膠摻雜量超過6%時(shí)，氣凝膠顆粒使得?；⒅轭w粒距離變大，導(dǎo)致熱量直接從水泥顆粒輻射出去。

圖5 不同摻雜比例對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖6 不同溫度下改性/未改性保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)

從圖6對(duì)比實(shí)驗(yàn)中可以得出，摻雜6%的改性或未改性氣凝膠制備的保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)差別不是很大。細(xì)小的氣凝膠顆粒填充進(jìn)?；⒅樯皾{的空隙中，起到有效阻止空氣傳達(dá)的作用，同一摻雜量的氣凝膠?；⒅樯皾{的導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，但對(duì)?；⒅樯皾{的抗折、抗壓強(qiáng)度有一定的影響。

3 結(jié)論

（1）隨著SiO2氣凝膠顆粒摻雜比例的增加，?；⒅樯皾{的表觀密度和堆積密度整體呈線性上升趨勢(shì)，改性/未改性氣凝膠顆粒的摻雜對(duì)?；⒅樯皾{密度基本無影響

（2）通過摻雜不同體積比例的改性或未改性氣凝膠顆粒，測(cè)試其養(yǎng)護(hù)7天和28天的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著氣凝膠摻雜比例的增加，7天或者28天養(yǎng)護(hù)之后的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，從未摻雜的0.81 MPa和1.01 MPa逐漸降低至摻雜8%的0.40 MPa和0.56 MPa。測(cè)試其養(yǎng)護(hù)7天和28天的抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著氣凝膠摻雜比例的增加，7天或者28天養(yǎng)護(hù)之后的抗折強(qiáng)度逐漸降低，從未摻雜的0.429 MPa和0.685 MPa逐漸降低至摻雜比例8%的0.142 MPa和0.305 MPa。

（3）隨著氣凝膠顆粒摻雜量的增加，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)呈線性下降趨勢(shì)，當(dāng)摻量達(dá)到6%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)值從0.083 8 W/（m·K）降至0.065 8 W/（m·K），摻雜6%的改性或未改性氣凝膠制備的保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)差別不是很大。