蕭淋耀

重慶力耀耐火材料有限公司 重慶 401332

水泥泡沫混凝土是一種多孔性墻體保溫材料，內部含有大量氣孔，具有輕質、保溫、隔熱、隔音等優(yōu)越性能。當前廣泛使用的水泥泡沫混凝土，存在脆性大、強度低、吸水率高、抗凍及抗裂性能差等諸多缺陷。新型墻體保溫材料的發(fā)展方向是研制和發(fā)展一體化建筑保溫材料，不但要求材料具有較小的干密度和良好的保溫性能，同時還要求具有較高的抗壓、抗拉性能，使得材料具有必要的承重和抗裂防震能力，還要求保溫材料具有良好的與環(huán)境相適應的耐水、耐凍等性能。實踐表明，摻入無機摻合料是改善水泥泡沫混凝土成型、力學以及相關物理性能的重要途徑，開展無機摻合料改性水泥泡沫混凝土的研究具有重要的理論和實際應用意義。因此，本文將從抗壓強度、混凝土結構兩個方面就粉煤灰、硅灰這兩種無機摻合料對泡沫混凝土力學性能的影響進行分析，以期對泡沫混凝土力學性能的改性實踐起到參考作用[1]。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗中二次鋁灰由河南某鋁加工企業(yè)提供,粉煤灰由河南某礦業(yè)有限公司熱電廠提供[2]。采用MagiX(PANalytical)熒光分析儀分析二次鋁灰和粉煤灰主要元素組成，其中二次鋁灰的主要元素組成為(%):Al36.40、023.33、Mg4.77、C114.59、F1.34、Si0.69、Na7.32、K4.56、Ca0.95、Ti0.42、Fe0.54;粉煤灰主要元素組成為(%):A120348.30、Si0240.24、Ca03.17、Fe2032.70、MgO0.03、Ti021.92、K200.28、Na200.13、S0.064、P0.092、C1.45。二次鋁灰主要元素為鋁、氯、鎂、鈉、氟、硅、鈣、鐵和鈦，其中主要元素為鋁，其中氯元素主要是以氯化鈉和氯化鉀的鹽分存在。粉煤灰的主要成分為A12O3和Si02，其總含量為88.5%，A/S質量比為1.20。粉煤灰的玻璃相含量約35.6%，主要雜質成分Fe2O3的含量為2.70%，其中單質Fe含量約0.5%(換算成Fe203約0.71%)，堿金屬氧化物含量總和(K20+Na20)＜0.5%。同時，少量的殘C(1.45%)可在制備輕質耐火材料過程中燒盡除去凹[3]。

1.2 力學試驗方法

制備邊長為10cm的正方體試塊，并測量試塊的抗壓強度，試驗抗壓強度取值為3個試塊抗壓強度的均值。值得注意的是，如果某試塊的抗壓強度值與均值的差值的絕對值＞均值，則應該剔除該試塊，取剩余試塊抗壓強度測量值的均值作為試驗抗壓強度。制備長為16cm、寬與高均為4cm的長方體試塊，并測量試塊的抗折強度，試驗的抗折強度取值方法同抗壓強度取值方法。

1.3 性能檢測

根據(jù)GB/T2997-2000，檢測燒后試樣的體積密度和顯氣孔率；根據(jù)YB/T4130-2005，采用水流量平板法測定燒后試樣的導熱系數(shù)(350～1000C)；根據(jù)GB/T5072-2008，檢測燒后試樣的冷態(tài)(高溫)耐壓強度；根據(jù)GB/T5988-2007，測定試樣的加熱線變化；采用X'PertPRO型X射線衍射儀分析制品的XRD衍射圖譜；采用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡觀察制品的微觀形貌[4]。

1.4 Si02氣凝膠的熱穩(wěn)定性分析

Si02氣凝膠在0～332°C處出現(xiàn)了較平緩的失重，這是SiO2氣凝膠孔隙和表面存在的少量水和乙醇蒸發(fā)導致的;在320～608°C出現(xiàn)了快速失重,這主要是疏水基團-CH3的氧化放熱所致;溫度繼續(xù)升高至900°C時，Si02氣凝膠出現(xiàn)了親水性質，質量變化逐漸趨于平緩。此外，當草酸用量≤1.5mL時，SiO2氣凝膠的質量損失逐漸減小；當草酸用量為1.5mL時，質量損失最小，熱穩(wěn)定最好；當草酸用量增加至2.0mL時，質量損失出現(xiàn)輕微增大。這是因為在一定范圍內，隨著草酸用量的增加，SiO2氣凝膠的殘?zhí)柯手饾u升高，耐高溫性逐漸增大，熱分解溫度逐漸升高，使得樣品的質量損失減小，熱穩(wěn)定性增強;但過量的草酸摻雜，使得局部出現(xiàn)顆粒團聚，在升溫過程中容易吸熱揮發(fā)導致質量損失較大凹。整體來看，樣品在900C高溫下的熱失重曲線逐漸趨于水平，說明制備的SiO2氣凝膠可承受900°C的高溫，能夠滿足建筑領域超高性能隔熱保溫材料的使用要求。

1.5 SiO2氣凝膠顆粒直接加入纖維網(wǎng)

通過短纖鋪網(wǎng)加固成型的非織造布，可在纖維鋪網(wǎng)后加固前，增加氣凝膠顆粒添加裝置，將氣凝膠顆粒添加至纖維網(wǎng)，隨著后續(xù)加固使氣凝膠顆粒與非織造布固結在一起。此方法可添加的氣凝膠含量較大，但在后續(xù)加固時由于較大的壓力或摩擦力可能會使氣凝膠結構破損，從而使所添加氣凝膠的有效率降低。在熱風非織造布(PE-PET)纖網(wǎng)進入熱風自黏合工序前，創(chuàng)新性地采用自然沉降法將SiO2氣凝膠分別黏附在0.1tex、0.3tex的PE-PET皮芯結構纖維表面。研究人員在鋪網(wǎng)和熱風工序之間添加盛有氣凝膠顆粒的網(wǎng)篩裝置，通過篩網(wǎng)的抖動使氣凝膠顆粒自然沉降到PE-PET纖維網(wǎng)上，通過保暖性能測試發(fā)現(xiàn)0.3tex熱風氣凝膠氈的保暖性能高于0.1tex熱風氣凝膠氈。在玻纖針刺氈制備過程中，在玻璃纖維網(wǎng)進入針刺加固工序之前，將1μm～200μm的氣凝膠粉末加入由溶劑、分散劑、穩(wěn)定劑等組成的溶液中，攪拌均勻后，用噴槍吸取噴于玻璃纖維網(wǎng)上，然后針刺形成了氣凝膠玻纖氈。

2 結果分析

2.1 原料配比對試樣性能的影響

在1200°C下燒結1h,研究不同高鋁料和粉煤灰配比對輕質保溫耐火材料性能指標的影響，數(shù)據(jù)可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，試樣的體積密度逐漸降低，顯氣孔率逐漸升高，線收縮率逐漸降低，常溫耐壓強度先增大后降低。充分考慮制備試樣的體積密度和常溫耐壓強度對應關系，優(yōu)選了高鋁料40%、粉煤灰60%為最佳配料比例。此種配比下制備的輕質耐火保溫材料試樣的體積密度為0.90g/cm3,顯氣孔率為61.55%，線收縮率為1.47%，常溫耐壓強度為3.57MPa。。

2.2 市售SiO2氣凝膠氈/板性能分析

目前市場上較為成熟的產(chǎn)品為超臨界法干燥玻璃纖維復合SiO2氣凝膠氈。為了解我國市售氣凝膠氈性能，目前全國市場上產(chǎn)業(yè)化的玻璃纖維復合SiO2氣凝膠氈并根據(jù)GB/T34336—2017《納米孔氣凝膠復合絕熱制品》和ASTMC1728—17《柔性氣凝膠絕熱材料規(guī)范》對產(chǎn)品性能進行測試分析。根據(jù)市場產(chǎn)品規(guī)格發(fā)現(xiàn)目前主流氣凝膠氈厚度為5mm～10mm，比傳統(tǒng)絕熱材料薄，導熱系數(shù)類型為A類，憎水型產(chǎn)品燃燒性能A2級，非憎水型產(chǎn)品燃燒性能A1級。測試結果表明：厚度偏差可滿足國標要求，但部分產(chǎn)品無法滿足ASTM要求，主要是玻纖針刺氈的工藝控制略有不足；產(chǎn)品25℃下的導熱系數(shù)為0.017W/(m·K)～0.021W/(m·K)，均滿足國標和ASTM要求；橫向抗拉強度為1MPa～3.8MPa，縱向抗拉強度為0.5MPa～0.9MPa，遠超國標要求；憎水型氣凝膠氈不燃性測試無法通過，燃燒等級可達到A2級，非憎水型產(chǎn)品可通過不燃性測試達到A1級；憎水型產(chǎn)品憎水率可達到99%以上，吸水率小于1%，具有很好的防水性能，可達國標要求[5]。

2.3 粉煤灰對泡沫混凝土力學性能的影響

粉煤灰這一無機摻合料憑借“粉煤灰效應”，經(jīng)常作為混凝土的改性材料，其對混凝土力學性能的影響主要有以下幾方面：（1）粉煤灰的形態(tài)是玻璃微珠，將其加入混凝土后可以起到潤滑混凝土的作用，一方面避免水泥在水化初期形成凝絮影響漿體的流變性，另一方面減少水的加入量，增強混凝土的強度，即粉煤灰的“形態(tài)效應”；（2）SiO2與Al2O3是粉煤灰中的活性成分，可以和水泥中的Ca（OH）2產(chǎn)生水化反應，生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，特別是水化硅酸鈣，可以起到增強泡沫混凝土黏結力與強度的作用，進而提高泡沫混凝土的穩(wěn)定性、耐久性，即粉煤灰的“活化效應”；（3）泡沫混凝土是一種多孔水泥混凝土材料，粉煤灰顆粒可以起到泡沫混凝土泡沫細孔、孔隙的微填料作用，提高水泥機體的密實性與強度，即粉煤灰的“微集料效應”。在粉煤灰摻入試驗中，用粉煤灰對水泥進行等量替換，對配合比進行試驗設計。

2.4 導熱性能

隨著玻璃纖維在聚氨酯發(fā)泡材料中質量分數(shù)的增加，導熱系數(shù)呈先降低后增加的趨勢，但均滿足聚氨酯發(fā)泡材料對導熱系數(shù)的基本要求。當玻璃纖維的質量分數(shù)為6%時的導熱系數(shù)最低，值為0.02W/m·K。未摻入玻璃纖維導熱系數(shù)為0.023W/m·K，導熱系數(shù)降低了13.0%，說明玻璃纖維的加入可以降低聚氨酯發(fā)泡材料的導熱系數(shù)，提高保溫性能。當玻璃纖維大于6%時，導熱系數(shù)隨之升高；當玻璃纖維質量分數(shù)達到10%時，試樣比未摻入玻璃纖維的導熱系數(shù)顯著增加，達到0.026W/m·K，表明玻璃纖維加入到一定的范圍時，玻璃纖維使得聚氨酯發(fā)泡材料內部的泡孔破裂，然后玻璃纖維填充了泡孔部位，使得導熱系數(shù)增加。因此，綜合考慮壓縮強度、導熱系數(shù)實驗結果，玻璃纖維的質量分數(shù)為6%時的性能最佳。

2.5 物理性能

將堿催化劑滴加到溶膠中至形成濕凝膠，時間記為Si02氣凝膠的凝膠時間，用SiO2氣凝膠的質量除以體積來表征密度ρ，采用全自動比表面積與孔隙度分析儀對Si02氣凝膠的比表面積和孔徑進行測試，介質為N2，測試溫度為-190C,孔隙率P按照式(1)進行計算:P=1-ρbρsX100%式中:ρb為SiO2氣凝膠的體積密度，kg/m3;ρs為SiO2氣凝膠的骨架密度，定為1900kg/m3。Si02氣凝膠隔熱材料的FT-IR譜圖為Si02氣凝膠隔熱材料的凝膠時間、密度、孔隙率、孔體積、比表面積和孔徑分布。Si02氣凝膠的孔徑變化較小，基本都在30.5～31.4nm之間;而凝膠時間、孔隙率、孔體積呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢;密度先升高后降低。當氨水濃度為5mo1/L時，Si02氣凝膠的凝膠時間最短為13.2min，密度最大為0.14g/cm3，孔隙率最小為92.34%。這是因為隨著氨水濃度的增加，催化效率得到提高，從而增加了氣凝膠的致密性和密度，降低孔隙率，縮短了凝膠時間，但當氨水濃度過大時，溶膠體系中會出現(xiàn)局部先凝膠和團聚現(xiàn)象，影響了凝膠整體的均勻程度,從而導致凝膠時間增大，孔隙率出現(xiàn)升高。

3 結論

針對保溫材料多孔介質的特點，建立兩相多孔材料導熱系數(shù)模型。利用保溫材料吸濕過程中的導熱系數(shù)測試結果，對模型進行驗證。主要得到以下結論：（1）采用均勻處理化方法，建立了基于最小熱阻力法則的導熱系數(shù)模型。與串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、W-M模型相比，本文提出的導熱系數(shù)模型在預測聚氨酯保溫材料導熱系數(shù)方面具有更高的預測精度。（2）孔隙率與含水率均是影響聚氨酯保溫材料導熱系數(shù)的重要因素。保溫材料導熱系數(shù)隨孔隙率增大而減小，隨含水率的增大而增大。（3）若保溫材料長期吸濕，將導致保溫材料的保溫性能大幅降低[6]。因此，需要提高保溫材料的憎水性，并做好渠道的防滲處理，使保溫材料在服役期間處于較為干燥的狀態(tài)，以減小環(huán)境因素對其保溫性能的影響。

4 結束語

建筑節(jié)能保溫技術的快速發(fā)展加速了各類新型節(jié)能保溫材料研發(fā)，并已廣泛應用于多領域建筑工程實踐當中。本文立足于節(jié)能保溫材料在建筑外墻中的應用實際，以建筑外墻保溫工程需求出發(fā)，科學選擇外墻保溫材料，最大限度發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢為目的，依據(jù)節(jié)能保溫材料分類分析差異化優(yōu)勢特征，研究建筑外墻應用節(jié)能保溫材料應用準則，并系統(tǒng)闡述了節(jié)能保溫材料在建筑外墻的實際應用，以期為建筑外墻的節(jié)能保溫理論研究和相關工程實踐提供參考借鑒，助力節(jié)能保溫建筑的良性發(fā)展。