SiO2 气凝胶对保温砂浆性能的影响

万郁楠

（山西省建筑科学研究院有限公司）

0 引言

保温材料是降低建筑能耗的最直接的方法之一，也是建筑节能的核心[1]。目前，常用的保温材料主要包括有机保温材料和无机保温材料两类，这两类保温材料都存在自己的弊端。有机保温材料导热系数低、密度小、吸水率小但防火性能差，无机保温材料为A 级不燃材料，但密度大、导热系数较高，平衡保温材料保温性能和燃烧性能是推动保温材料发展的关键[2-4]。

胶粉聚苯颗粒保温砂浆是由胶粉料、聚苯颗粒轻骨料和水泥混和而成的，其力学性能、保温性能和燃烧性能很难同时兼顾[5]。SiO2气凝胶是一种由纳米粒子构成的三维网状结构的非晶态材料，具有比表面积大、孔隙率高、密度极小、导热系数极低等优势[6-10]。它的出现为建筑保温材料的发展带来了新机遇，也为解决传统保温材料存在的诸多问题提供了可能。将SiO2气凝胶添加到胶粉聚苯颗粒保温砂浆中，通过研究SiO2气凝胶对保温砂浆的影响，为平衡胶粉聚苯颗粒保温砂浆的力学性能、燃烧性能和保温性能提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥：42.5 级普通硅酸盐水泥；

粉煤灰：800 目；

熟石灰：≤0.075mm；

石膏：半水石膏；

可再分散乳胶粉：VINNAPAS 5010N；

保水剂：MarcchemTM HPMC-200000S；

聚丙烯纤维：当量直径18～30μm，长6mm；

EPS 颗粒：堆积密度为15.3g/L；

SiO2气凝胶1：比表面积498m2/g；

SiO2气凝胶2：比表面积672m2/g。

1.2 试验方法

1.2.1 胶粉聚苯颗粒保温砂浆的配合比设计

胶粉聚苯颗粒保温砂浆由胶粉料和骨料EPS 颗粒组成。胶粉料由水泥、粉煤灰、石灰、石膏、可再分散乳胶粉、保水剂、聚丙烯纤维等添加剂按一定比例混合而成，其配比见表1。在胶粉中分别加入1%、2%、3%、4%和5%的SiO2气凝胶颗粒，将其和EPS 颗粒按比例混合，配比见表2。

表1 胶粉的配合比 （%）

表2 保温砂浆的配合比

1.2.2 保温砂浆试件的制备与性能测试

胶粉聚苯颗粒保温砂浆的干表观密度、抗拉强度、抗压强度和软化系数等物理性能按照《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统材料》JG/T158-2013 进行测试；导热系数按照《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》GB/T10294-2008 进行测试；燃烧性能按照《建筑材料及制品燃烧性能分级》GB8624 进行。

2 结果与讨论

2.1 SiO2 气凝胶对保温砂浆性能的影响

2.1.1 SiO2气凝胶对保温砂浆干表观密度的影响

由图1 可知，胶粉聚苯颗粒保温砂浆中加入两种不同的SiO2气凝胶，保温砂浆干表观密度随着气凝胶添加量的增加而降低。SiO2气凝胶是由纳米粒子构成的三维网状结构的非晶态材料，具有比表面积大、孔隙率高的特点。将SiO2气凝胶添加到胶粉聚苯颗粒保温砂浆中，胶粉料水化后孔隙率明显增加，且孔隙率随着SiO2气凝胶添加量的增加而增加，其干表观密度有效降低。SiO2气凝胶2 的比表面积为672m2/g，比SiO2气凝胶1的比表面积498m2/g 高出很多，添加同样百分比的SiO2气凝胶，添加SiO2气凝胶2 的保温砂浆的干表观密度更低，且随着SiO2气凝胶添加量的增大，其保温砂浆的干表观密度降低得越多。

图1 SiO2 气凝胶添加量对干表观密度影响

2.1.2 SiO2气凝胶对保温砂浆抗压强度的影响

由图2 可知，随着SiO2气凝胶添加量的增加，保温砂浆的抗压强度随之降低。当SiO2气凝胶添加量相同时，添加SiO2气凝胶2 的保温砂浆强度更高，且SiO2气凝胶添加量越大，两种保温砂浆抗压强度相差越大。在保温砂浆中，随着SiO2气凝胶添加量的增加，保温砂浆孔隙率也随之增加，从而降低了保温砂浆的强度。疏水气凝胶与水泥基质较差的相容性和粘结性差，进一步降低了保温砂浆的强度。

2.1.3 SiO2气凝胶对保温砂浆导热系数的影响

图2 SiO2 气凝胶添加量对抗压强度影响

由图3 可知，随着SiO2气凝胶添加量的增加，保温砂浆的导热系数随之降低。SiO2气凝胶1 添加量由1%增加到3%时，保温砂浆的导热系数降低22%，添加量由3%增加到5%时，保温砂浆的导热系数降低9%；SiO2气凝胶2 添加量由1%增加到3%时，保温砂浆的导热系数降低25%，添加量由3%增加到5%时，保温砂浆的导热系数降低14%。SiO2气凝胶是具有非常高孔隙率的网状结构，且比表面积大、粒径小，将其加入到保温砂浆中，保温砂浆的胶粉料水化后形成均匀细小的泡孔，其导热系数明显降低。由于SiO2气凝胶2 的比表面积更大，孔隙率更高，添加量相同时，添加SiO2气凝胶2 的保温砂浆的导热系数更低。

图3 SiO2 气凝胶添加量对导热系数的影响

2.1.4 SiO2气凝胶对保温砂浆抗拉强度的影响

由图4 可知，随着SiO2气凝胶添加量的增加，保温砂浆的抗拉强度随之降低，且添加SiO2气凝胶1 的保温砂浆比添加SiO2气凝胶2 的保温砂浆抗拉强度降低更多。由于疏水气凝胶与胶粉中的水泥质材料相容性和粘结性较差，将其添加到保温砂浆中，保温砂浆抗拉强度随之降低，且SiO2气凝胶添加量越多，保温砂浆抗拉强度越低。

图4 SiO2 气凝胶添加量对抗拉强度的影响

2.1.5 SiO2气凝胶对保温砂浆软化系数的影响

由图5 可知，随着SiO2气凝胶添加量的增加，保温砂浆的软化系数先增大后减小。将SiO2气凝胶1 添加于保温砂浆中，添加量为3%～4%时，保温砂浆软化系数最高；将SiO2气凝胶2 添加于保温砂浆中，添加量为3%时，保温砂浆软化系数最高。由于疏水SiO2气凝胶表面的疏水基团，可保护SiO2气凝胶不受水分和碱性环境的侵蚀，砂浆的软化系数增大。随着气凝胶添加量的增加，保温砂浆中胶粉料水化后孔隙率增大，浸于水环境中，砂浆强度随之降低，其软化系数随之减小。

图5 SiO2 气凝胶添加量对软化系数的影响

2.2 微观形貌对保温砂浆性能的影响

图6 中，A、B 分别为气凝胶1 和气凝胶2 的TEM图。由图可看出两种SiO2气凝胶的粒径大小相近，但SiO2气凝胶1 的网状结构大孔较多，SiO2气凝胶2 网状结构没有明显的大孔。在搅拌过程中，保温砂浆中SiO2气凝胶1 由于其网状结构以大孔居多更容易被破坏，会影响保温砂浆的强度和导热系数。

图6 SiO2 气凝胶的TEM 图

图7 中，A、B 分别为添加气凝胶1 和气凝胶2 的保温砂浆养护28 天后的SEM 图。由图可以看出，保温砂浆中的气凝胶依然以纳米粒子构成的网状结构附着在胶粉料水化产物的表面。这是由于SiO2气凝胶的疏水性可保护其不受水和强碱环境的腐蚀，不参与胶粉料的水化，依然保持其纳米颗粒组成的网状结构，从而使保温砂浆的软化系数和保温性能得到改善。

图7 保温砂浆的SEM 图

2.3 骨胶比对保温砂浆性能的影响

由表3 可知，随着保温砂浆骨胶比的增大，砂浆干密度、导热系数和抗压强度均随之降低，同样骨胶比的保温砂浆，添加SiO2气凝胶后，有效降低了保温砂浆的密度和导热系数。SiO2气凝胶的加入，使保温砂浆的胶粉料孔隙率增大，有效降低了砂浆的干密度，增加了聚苯颗粒周围包裹胶的粉料，提高保温砂浆导热系数的同时也提高了其燃烧性能。当骨胶比为4.5L：1kg，SiO2气凝胶2 添加量为3%时，保温砂浆的各项性能达到最佳。

3 结论

⑴在胶粉聚苯颗粒保温砂浆中添加一定量的SiO2气凝胶，可改善保温砂浆的性能。随着SiO2气凝胶添加量的变化，保温砂浆的干表观密度、抗压强度、抗拉强度、导热系数和软化系数也随之变化。当SiO2气凝胶添加量为3%时，保温砂浆的性能达到最佳。

⑵在胶粉聚苯颗粒保温砂浆中添加不同性能参数的SiO2气凝胶，添加量相同时，其对保温砂浆性能的影响也不同，添加SiO2气凝胶2 的保温砂浆的各项性能均优于添加SiO2气凝胶1 的保温砂浆。

表3 骨胶比对保温砂浆性能的影响

⑶当骨胶比为4.5L：1kg，SiO2气凝胶2 添加量为3%时，保温砂浆的各项性能达到最佳。