王曉彬，王輝珉，李國(guó)凱

（中航建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101500）

當(dāng)前，為更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)大力推行低碳化建筑，并相應(yīng)制定了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的重大戰(zhàn)略目標(biāo)。然而，在我國(guó)各行業(yè)的能耗中，建筑領(lǐng)域的能耗占據(jù)了相當(dāng)大的比重［1］，嚴(yán)重阻礙了“雙碳”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。因此，推行綠色節(jié)能的低碳化建筑是必然途徑。傳統(tǒng)的墻體保溫方式包括內(nèi)保溫、夾心保溫以及外保溫。外墻內(nèi)保溫存在熱橋效應(yīng)，熱損失較大；外墻夾心保溫連接節(jié)點(diǎn)繁瑣，且保溫效率不高；而外墻外保溫不存在熱橋效應(yīng)，整體保溫性能優(yōu)異，故得到了大量的應(yīng)用。在外墻外保溫技術(shù)中，外墻外保溫材料是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵措施。在我國(guó)以往的保溫材料選擇中，主要包括有機(jī)泡沫塑料和無(wú)機(jī)泡體兩大類。前者包括酚醛樹(shù)脂、EPS和PU等保溫材料，這類材料導(dǎo)熱率低、自重輕，但易老化、易燃。后者包括泡沫混凝土、泡沫玻璃以及巖棉等材質(zhì)［2］，這類材料阻燃性好、承載能力強(qiáng)，但保溫性能相對(duì)較差，且生產(chǎn)過(guò)程能耗大，不利于低碳環(huán)保。

綜上所述，外墻外保溫材料無(wú)論是單獨(dú)采取有機(jī)泡沫塑料還是無(wú)機(jī)泡體，均存在不同程度的缺陷，難以滿足當(dāng)下墻體保溫材料阻燃、承載能力強(qiáng)以及保溫性能好的綜合要求。因此，有必要將傳統(tǒng)兩類墻體保溫材料進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，結(jié)合各自材料性能的長(zhǎng)處，取長(zhǎng)補(bǔ)短，研究開(kāi)發(fā)新型的有機(jī)/無(wú)機(jī)墻體復(fù)合保溫材料及工藝，從而制備出符合目前低碳節(jié)能建筑理念的墻體保溫材料。本文就當(dāng)前我國(guó)建筑墻體外墻外保溫中新型復(fù)合保溫材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并提出了未來(lái)的展望。

1 有機(jī)泡沫基復(fù)合保溫材料

1.1 聚氨酯基復(fù)合保溫材料

聚氨酯作為“第五大塑料”，具有低密度、低導(dǎo)熱率、防水以及耐老化等特性，作為建筑保溫隔熱材料具有良好的適用性和極大的發(fā)展空間。聚氨酯的工業(yè)化應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，之后得到了快速的發(fā)展與大量的研究［3-4］。但其作為一種高聚物，自身結(jié)構(gòu)呈多孔性，具備易自燃的缺陷，且阻燃性能差，無(wú)法滿足建筑材料防火的要求，故使用上受到一定的限制。為實(shí)現(xiàn)聚氨酯材料的更好利用，提高其阻燃性能是必經(jīng)之途，故而聚氨酯基復(fù)合保溫材料的制備與研究成為業(yè)界熱點(diǎn)。

羅鳳姿［5］為提高聚氨酯材料的阻燃性能，嘗試采用可膨脹石墨（EG）作為阻燃劑，并借助一系列措施探索了復(fù)合材料的燃燒性能。研究表明，添加可膨脹石墨有利于強(qiáng)化復(fù)合材料的阻燃與抑煙功能，15%摻量的EG能使材料的熱釋放速率降低為原先的1/20，每平方米的總煙釋放量由836.7m2降低至23m2；同時(shí)，材料炭層結(jié)構(gòu)得到改善，熱穩(wěn)定性提高，有毒有害氣體的釋放也得到有效控制。

王振英等［6］基于膨脹石墨、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）等材料，分析了聚氨酯/PMMA發(fā)泡復(fù)合材料的保溫與力學(xué)性能。研究指出，5%的PMMA微粒摻量下，PUR復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.031W/(m?K)，極限氧指數(shù)為28.2%，PMMA微粒摻量提高至10%時(shí)，PUR復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.033W/(m?K) ，相應(yīng)的極限氧指數(shù)為28.4%。研究表明，PUR（聚氨酯）/PMMA發(fā)泡復(fù)合材料不僅能有效隔絕噪聲，而且保溫性能良好、阻燃效果顯著。

對(duì)于聚氨酯基復(fù)合保溫材料，當(dāng)下主要是將聚氨酯與膨脹石墨、氧化鋁氣凝膠以及膨脹蛭石等無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合，從而制得阻燃性能優(yōu)異、導(dǎo)熱率低的高效墻體保溫復(fù)合材料。研究指出，膨脹石墨有助于強(qiáng)化阻燃性，氧化鋁氣凝膠能一定程度上提升復(fù)合材料的防火性能，而膨脹蛭石則能提升復(fù)合材料的阻燃功能。因此，實(shí)踐中可根據(jù)具體工況針對(duì)性地選擇需要復(fù)合的材料種類，從而高效提升聚氨酯基復(fù)合保溫材料的綜合性能。

1.2 酚醛泡沫基復(fù)合保溫材料

酚醛泡沫材料屬于高分子有機(jī)硬質(zhì)泡沫塑料，具有防火、無(wú)毒、導(dǎo)熱率低、燃燒時(shí)不滴落、耐老化以及適用溫度范圍大等特性，但其韌性較差，在使用中易發(fā)生脆裂或粉化等不良現(xiàn)象，成為其在保溫領(lǐng)域推廣應(yīng)用的瓶頸。近些年來(lái)，研究者試圖將酚醛樹(shù)脂與無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合，在維持酚醛樹(shù)脂保溫性能好的前提下，強(qiáng)化其韌性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

宋麗霞等［7］將納米碳材料作為摻加物，通過(guò)懸浮工藝制備了酚醛樹(shù)脂/納米碳復(fù)合保溫材料。其中，該復(fù)合材料中所應(yīng)用的納米碳材料種類包括碳納米纖維、碳納米顆粒以及碳納米管等。研究結(jié)果表明，相比于原始的酚醛樹(shù)脂材料，酚醛樹(shù)脂/納米碳復(fù)合保溫材料在具備良好的保溫功能的基礎(chǔ)上，力學(xué)強(qiáng)度與阻燃性能均獲得了一定的提升；摻加碳納米纖維復(fù)合而成的材料綜合性能最佳，當(dāng)摻加量為10%時(shí)，相應(yīng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到約10MPa，熱導(dǎo)率約為0.030W/(m?K)。

陳亞麗等［8］將膨脹珍珠巖經(jīng)過(guò)相應(yīng)助劑的添加后，基于酚醛樹(shù)脂基體，采取熱壓成型工藝制備了復(fù)合保溫材料，并研究了復(fù)合材料性能的影響條件。研究認(rèn)為，在復(fù)合材料制備過(guò)程中，最佳工藝參數(shù)為：控制酚醛樹(shù)脂用量為40%，采取220℃的熱壓溫度，并保壓2h，固化劑用量取3%，壓縮比為2.0。此時(shí)，膨脹珍珠巖/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的抗壓、抗折強(qiáng)度分別為1.331、1.147 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.047 W/(m?K)，表明該復(fù)合材料既克服了酚醛樹(shù)脂韌性差、易掉渣的缺陷，又具備良好的保溫功能。

針對(duì)酚醛泡沫基復(fù)合保溫材料，目前主要是將酚醛樹(shù)脂與納米碳材料、膨脹珍珠巖等無(wú)機(jī)保溫材料進(jìn)行復(fù)合，取得的主要研究結(jié)論為：將酚醛泡沫材料與其他無(wú)機(jī)材料復(fù)合后，材料保溫性能、阻燃性能等均得到了保持，且力學(xué)性能獲得一定的改善，但所得復(fù)合材料的密度增大，由此引起建筑外墻自重變大。因此，需要進(jìn)一步研究降低復(fù)合材料的密度，以獲得輕質(zhì)高強(qiáng)、阻燃與保溫性能優(yōu)異的外墻外保溫復(fù)合材料。另外，也可對(duì)酚醛泡沫材料進(jìn)行改性處理［9］，包括摻加甘蔗渣纖維以及棗椰子纖維等各種纖維材料作為增強(qiáng)措施，從而克服酚醛泡沫材料韌性差的缺陷。

2 無(wú)機(jī)膠凝基復(fù)合保溫材料

2.1 水泥基復(fù)合保溫材料

水泥是土木工程領(lǐng)域最為重要的原材料之一，作為一種關(guān)鍵的無(wú)機(jī)膠凝材料，其能與水混合形成砂漿，并將砂、石等材料凝結(jié)固化，形成整體受力結(jié)構(gòu)，發(fā)揮預(yù)期的力學(xué)性能。水泥基墻體保溫材料憑借綜合費(fèi)用少、強(qiáng)度大的優(yōu)勢(shì)，在建筑保溫領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，但其保溫功效較差，且易吸水發(fā)潮。因此，研究者擬將其與有機(jī)材料復(fù)合，降低熱導(dǎo)率，提升保溫功效，并在制備過(guò)程中摻加一定量的防水劑，從而改善其易吸水發(fā)潮的弊端。

王正洲等［10］基于聚苯乙烯發(fā)泡顆粒，考慮將膨脹蛭石置于顆粒表面處，并以環(huán)氧樹(shù)脂使其粘結(jié)牢固，以此形成CEPS材料。在CEPS材料的基礎(chǔ)上，另行添加一定摻量的水泥進(jìn)行攪拌混合，制得復(fù)合泡沫材料。探討分析了該復(fù)合材料的保溫性能與防火機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)機(jī)化包覆聚苯乙烯顆粒摻加量為1000mL時(shí)，可制得低導(dǎo)熱率、高強(qiáng)度的復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.0544W/(m?K)。另外，EPS顆粒的無(wú)機(jī)化包覆量越大，所得材料的總放熱量與煙釋放量均相應(yīng)越低。

婁冬等［11］將粉煤灰及其激活劑、輕骨料以及聚乙烯醇纖維等與水泥基材料混合，制備獲得輕質(zhì)水泥基發(fā)泡保溫材料，并探討了相應(yīng)摻量對(duì)復(fù)合材料的性能影響。試驗(yàn)得出，粉煤灰摻量宜不大于30%，粉煤灰激活劑摻量為2.5%時(shí)效果最佳，輕骨料比率為24%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)最為穩(wěn)定，聚乙烯醇纖維摻量小于1%時(shí)，可顯著提升材料的韌性與表面微觀形貌。

綜上可知，水泥基墻體保溫材料的復(fù)合條件可以為聚苯乙烯、聚乙烯醇纖維等有機(jī)材料，并重點(diǎn)研究各摻加物的摻量對(duì)于復(fù)合材料性能的影響方面。研究表明，適當(dāng)?shù)臒o(wú)機(jī)化包覆聚苯乙烯顆粒摻量有助于獲得低導(dǎo)熱率、高強(qiáng)度的復(fù)合材料，而聚乙烯醇纖維（或者微硅粉、葉纖維等）的摻入，可提升復(fù)合材料的韌性，改善其力學(xué)性能。

2.2 石膏基復(fù)合保溫材料

石膏作為一種重要的建材，在工業(yè)生產(chǎn)與建筑制品中應(yīng)用廣泛。石膏的主要化學(xué)成分為硫酸鈣，根據(jù)脫水狀況可有多種結(jié)晶形式。石膏及其制品具有質(zhì)輕、防火、凝結(jié)快速、隔熱性好以及取材豐富等優(yōu)勢(shì)，在硅酸鹽水泥生產(chǎn)或硅酸鹽建筑制品生產(chǎn)中，也可用作緩凝劑或外加劑。但石膏產(chǎn)品強(qiáng)度偏低，且耐水性弱，因此在特定環(huán)境中應(yīng)用受限。為此，不少研究者將石膏與其他有機(jī)保溫材料進(jìn)行復(fù)合，從而提升其強(qiáng)度與耐水性，實(shí)現(xiàn)石膏及其產(chǎn)品更好的發(fā)展與應(yīng)用。

薛力梨等［12］通過(guò)將泡沫玻璃摻入于脫硫石膏和粉煤灰混合物中，并采取三種制備工藝（振動(dòng)、包裹以及分層澆筑）制得復(fù)合保溫材料。研究表明，分層澆筑工藝獲得的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.10~0.14 W/(m2?K)，強(qiáng)度在0.5MPa以上，相關(guān)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

廖仕雄等［13］為研究確定磷建筑石膏的保溫特性，探析了原材中輕質(zhì)粘土陶粒的具體作用以及影響原理。研究指出，為抵抗輕質(zhì)粘土陶粒的上浮現(xiàn)象，可加入0.2%的纖維素醚；控制輕質(zhì)粘土陶粒摻量為12%，粒徑為8~11 mm時(shí)，可獲得相對(duì)理想的輕質(zhì)高強(qiáng)、低導(dǎo)熱率的石膏基復(fù)合保溫材料，此時(shí)的絕干抗折、抗壓強(qiáng)度分別為1.89、8.12 MPa，表觀密度為1102kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)相比空白對(duì)照組下降約65%，為0.17W/(m?K)。

眾所周知，石膏及其制品的最大缺陷為強(qiáng)度略低、耐水性較差。目前開(kāi)展的相關(guān)研究改進(jìn)工作主要是改善其強(qiáng)度不高的問(wèn)題，例如摻入廢紙板、鋼渣等。而針對(duì)其耐水性差的缺陷，主要是在制備復(fù)合材料的過(guò)程中采取添加防水劑的手段。除強(qiáng)度與耐水性外，針對(duì)石膏基復(fù)合保溫材料，還應(yīng)當(dāng)重視其保溫性能與阻燃特性，通過(guò)多因素試驗(yàn)分析，從而合理選擇相關(guān)復(fù)合材料，保證應(yīng)用效果。

3 結(jié)論與展望

在未來(lái)，對(duì)于節(jié)能建筑墻體中的復(fù)合保溫材料而言，可重點(diǎn)在以下幾方面實(shí)現(xiàn)突破。

（1）考慮使用發(fā)泡陶瓷或發(fā)泡水泥等具備一定泡沫氣孔構(gòu)造的無(wú)機(jī)材料，并摻加一定量的有機(jī)保溫材料，從而在較好的阻燃性與力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，降低導(dǎo)熱率，提升保溫效果。

（2）在傳統(tǒng)模壓、發(fā)泡等制備工藝的基礎(chǔ)上，研發(fā)應(yīng)用新型的復(fù)合保溫材料制備工藝，如微波加熱、超聲攪拌以及冷凍干燥等方法，獲得性能更加理想的保溫材料。

（3）兼顧墻體保溫材料的現(xiàn)代化綜合需求，除滿足使用功能要求，如阻燃性能好、保溫效果佳以及力學(xué)強(qiáng)度大等之外，也要注重與其他裝飾裝修材料的協(xié)同搭配，達(dá)到保溫、裝飾一體化的目的。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)降低不良?xì)怏w的揮發(fā)污染，實(shí)現(xiàn)建筑墻體保溫技術(shù)的低碳化，助推國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。