影响二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆性能的因素

彭罗文 ，艾明星 ，石永 ，闫昕 ，梅阳

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.建研科技股份有限公司，北京 100013）

在目前形势下，建筑节能与防火安全并重，是执行国家节能降耗大计的根本要求。墙体保温隔热材料是节能首选，对建筑节能降耗起着极为重要的作用。无机类保温材料具有原料来源广泛，耐久性及防火性能好等优点，但其较高的导热系数严重阻碍了在建筑节能领域更广泛的应用。在重大建筑火灾事故频发的今天，研究并推广隔热性能良好的新型无机保温材料成为当务之急。

目前，国内已有很多文献[1-5]报道了以玻化微珠为保温骨料的无机保温砂浆的研制和施工技术，但此类产品还是存在保温性能差等一系列问题。二氧化硅气凝胶是一种具有优异的保温性能和防火安全性能的非晶固态轻质材料，近年来一直受到建筑节能领域的高度重视。但由于价格昂贵和技术障碍，研究二氧化硅气凝胶对保温砂浆性能影响的资料并不多见。本文借鉴了疏水二氧化硅气凝胶改性和玻化微珠保温砂浆的研究成果[6-8]，以疏水二氧化硅气凝胶和玻化微珠等无机轻集料为保温骨料，水泥等无机胶凝材料为主要胶结料，并掺加增溶剂[9]及其它功能性添加剂，研制了新型建筑保温砂浆。引入兼顾高效保温和防火的轻质保温隔热材料二氧化硅气凝胶，可改善和提升整个产品体系的保温性能，拓展其在建筑保温领域的应用。

导热系数是衡量一种材料保温性能最直接的体现，干密度也是保温材料的主要技术指标之一，本文重点研究各因素对导热系数和干密度的影响，以确定各原材料及配合比对二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆性能的影响规律。以期为二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆的技术开发、应用提供一些参考和试验数据。

1 试验

1.1 原材料

水泥：钻牌P·O42.5R水泥，河北燕新建材有限公司生产，符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求；水胶比为0.5时，标准养护28d后，常温下导热系数为0.528W/（m·K）。

玻化微珠：堆积密度约90 kg/m3，常温下导热系数为0.044 W/（m·K），辽宁天瑞新型建筑材料有限公司生产。

增溶剂：一种表面活性剂，HLB值14～18，日本关东化学株式会社生产。

双氧水：浓度30%，天津市光复精细化工研究所生产。

二氧化硅气凝胶：广东埃力生高新科技有限公司采用超临界干燥工艺生产，粒径小于5 mm，在自然堆积状态下堆积密度约为100 kg/m3，常温下导热系数为0.020 W/（m·K），具有较好的疏水性能[7]。

1.2 试验方法

二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆制备工艺参照文献[9]，基准配比中水、水泥和增溶剂质量配比为300∶100∶6，分别加入不同量的气凝胶颗粒来探究其在水泥浆体中对性能的影响规律。由于二氧化硅气凝胶强度低，机械搅拌极易对颗粒造成破碎，因此采用纯手工搅拌。试验发现，二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆的抗压强度大多在0.1～0.3 MPa，力学强度较低，本文不作过多的研究探讨。其他试件成型及养护温度为（20±2）℃，试样尺寸为 300 mm×300 mm×30mm，养护箱中养护至28 d，然后置于烘箱中60℃烘干。干密度测试参照GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》，导热系数采用JW－Ⅲ型热流计式导热仪参照GB/T 10295—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》进行测试，其中试验平均温度为25℃，冷热板温差为20℃。

2 试验结果与分析

2.1 轻骨料的添加顺序对保温砂浆性能的影响

在玻化微珠与疏水二氧化硅气凝胶颗粒体积比为2∶1，水泥及其他材料掺量相同的情况下，先将二氧化硅气凝胶与浆料混合均匀再加入玻化微珠制得的保温砂浆干密度为238 kg/m3，导热系数为0.071 W/（m·K）；若是先将玻化微珠与浆料混合后再加入二氧化硅气凝胶颗粒制得的保温砂浆干密度为245 kg/m3，导热系数为0.077 W/（m·K）。试验结果表明，先将二氧化硅气凝胶与浆料混合均匀再加入玻化微珠制得的保温砂浆导热系数要小一些。在排除了偶然因素之后，分析原因可能是由于玻化微珠体积吸水率一般都在30%以上，先加玻化微珠再加气凝胶颗粒导致浆料一开始稠度就较大，后期搅拌很困难，不利于成型，而且成型的浆料各组分分布也不均匀。因此，先将气凝胶颗粒与浆料搅拌均匀后再倒入玻化微珠快速搅拌，让玻化微珠吸水均匀，有利于保温浆料成型，也不至于为了增大稠度而加水太多导致后期养护时水分难于挥发出来，有利于提高砂浆的保温性能。

2.2 水泥与轻骨料的质量比对保温砂浆性能的影响

当保温砂浆中水泥掺量达到一定量时，水泥硬化体就会在保温砂浆内部形成连续结构，提高其粘结性和施工性能，从而增强砂浆的力学强度。但同时，胶凝材料与轻骨料的质量比过高，对导热系数有直接的负面影响。试验固定玻化微珠与疏水二氧化硅气凝胶颗粒体积比为2∶1，调整水泥和轻骨料的质量比分别为 0.48∶1、0.6∶1、1∶1、2∶1 及 2.5∶1，水泥与轻骨料质量比对保温砂浆导热系数和干密度的影响见图1。

图1 水泥与轻骨料质量比对保温砂浆导热系数和干密度的影响

由图1可知，由于轻骨料的导热系数远小于水泥的导热系数，因此随着水泥和轻骨料的质量比的降低，保温砂浆的导热系数逐渐降低。当水泥和轻骨料的质量比在1∶1时，保温砂浆导热系数为0.068 W/（m·K），干密度约为300 kg/m3；当水泥和轻骨料的质量比在0.48以下时，保温砂浆导热系数小于0.05 W/（m·K），干密度小于230 kg/m3时成型的试样极易碎，完成导热系数测试都比较困难。综合考虑，应控制保温砂浆中水泥与轻骨料的质量比在0.48～1.0之间。

2.3 气凝胶与玻化微珠体积比对保温砂浆性能的影响

固定水泥与轻骨料的质量比为0.6∶1，调整玻化微珠和二氧化硅气凝胶的体积比，其对保温砂浆导热系数和干密度的影响见表1。

表1 玻化微珠和气凝胶的体积比对保温砂浆导热系数和干密度的影响

从表1可以看到，在一定范围内，调整玻化微珠和气凝胶的体积比，对最后保温砂浆的干密度影响不大，原因可能有二：一是玻化微珠与气凝胶的堆积密度相近，二是保温砂浆养护过程中的体积膨胀、收缩率相近。但逐渐增大疏水二氧化硅气凝胶颗粒的掺量，保温砂浆的导热系数逐渐下降，这也与疏水二氧化硅气凝胶颗粒具有极好的绝热效果是相符的，在气凝胶的市场生产成本大幅降低后，可以用它来替代部分性能不良的A级防火保温材料来制备无机保温砂浆。

2.4 双氧水发泡对保温砂浆性能的影响

虽然水泥量少时导热系数低，但力学性能差；为了保持较好的力学性能，又需要一定掺量的水泥，导致硬化后的保温砂浆中导热系数较大的水泥石固相连续结构提供了大量的传热通道，因而无机保温砂浆导热系数难以低于0.06 W/（m·K）。建筑上采用的保温材料大多希望其导热系数低，轻质高强，这对无机保温材料是不利的。要提高无机保温砂浆对热流的阻抗作用，可以采用增大轻骨料掺量和降低水泥石等胶凝材料导热系数的办法。前者会带来力学强度大幅降低的负面影响，而新拌水泥浆体的pH值在11～13之间，呈碱性，直接可以和双氧水作用不断产生O2，形成大量均匀分散的气泡，增大砂浆内部孔隙，增多气孔，降低保温砂浆的导热系数[3]。

表2中，发泡体系中添加20 g双氧水和10 g硬脂酸钙而少添加玻化微珠或者气凝胶，不发泡体系不添加双氧水和硬脂酸钙，但多添加一定量的轻骨料。

表2 不同方法制备对保温砂浆干密度和导热系数的影响

由表2可见，在相近的配合比条件下，通过对比Ⅰ和Ⅲ、Ⅱ和Ⅳ组试样可以发现，基于水泥碱催化双氧水作用机理的发泡工艺并不能大幅改变保温浆料的密度，但相比于靠添加轻骨料保温物质来稀释胶凝材料的方式调整保温砂浆的导热系数，采用发泡工艺来降低保温砂浆的导热系数效果更显著。在后续开发中使浆体发泡高度和发泡时间较好的双氧水和添加剂的最佳掺量还有待进一步细化研究。

2.5 其他因素对保温砂浆性能的影响

双氧水发泡是利用形成的气泡留在硬化砂浆中形成孔隙来降低保温砂浆的导热系数，类似的，疏松多孔的气凝胶粉体也可以添加到水泥石连续结构中，能有效地限制固态热传递和气态热对流，降低保温砂浆的干密度和导热系数，但其具体的影响规律还有待进一步研究。

由于水泥和玻化微珠的亲水特性和微观孔结构的存在，保温砂浆的水料比较大，质量比通常在1以上。王海蓉等[10]实验发现，增大水料比可明显提高玻化微珠保温砂浆的保温性能，但同时明显降低砂浆的干密度和抗压强度，不利于施工应用。将二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆的水料比从1.0增加到1.3时，干密度和导热系数也都有不同程度的下降。

2.6 干密度和导热系数的关系

二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆的干密度、导热系数是该材料的2个重要指标。本实验也证明保温砂浆的干密度越小，导热系数越小。图2展示了二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆的的干密度与导热系数之间的关系曲线，虽然没有绝对的线性关系，但这种趋势还是明显存在的。

控制干密度在250～330 kg/m3范围内时，保温砂浆综合性能在较优状态，可以作为保温浆料，也可以成型保温板材；在此干密度以下时，保温砂浆是以损失应有强度为代价而降低导热系数，安全性能不能得到保障，只能作为保温芯材用作填充；在此干密度以上时，作为板材应用强度不会有大的问题，导热系数偏高，能作为保温、隔声的砌块产品用于内隔墙。

图2 二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆干密度与导热系数的关系

3 结语

（1）轻骨料的添加顺序影响保温砂浆的导热系数，先将气凝胶颗粒与浆料搅拌均匀后再倒入玻化微珠快速搅拌成型，有利于提高砂浆的保温性能。

（2）随着轻骨料掺量的增加，保温砂浆的干密度、导热系数均呈下降趋势，结合力学强度考虑，水泥与轻骨料的质量比宜控制在0.48～1.0之间。

（3）固定其他变量，只调整玻化微珠与气凝胶体积比，对保温砂浆的干密度影响不大，但导热系数随着二氧化硅气凝胶掺量的增大而减小。

（4）相比单纯依靠增大轻骨料掺量来降低保温砂浆导热系数的方式，通过在保温砂浆浆体中添加双氧水进行化学发泡可以显著减小保温砂浆的导热系数。