气凝胶水泥复合多孔材料的研究现状

尹学彬 崔雅楠

1 引言

随着2020年9月22日习近平主席在第七十五届联合国大会做出“2030年前实现碳达峰、2060年实现碳中和”的承诺，碳减排成为令人最为关注的问题。建筑领域的能源消耗占我国总能耗的35%，因此降低建筑能耗，有效降低碳排放量，是实现“碳中和”的重要途径。水泥是应用最为广泛的一种传统建筑材料，广大的科学工作者也一直致力于实现水泥材料的保温隔热性能，从而使得水泥能顺应社会的发展需要，更加广泛地应用到建筑领域。发泡水泥是一种多孔材料，可以实现在建筑上的保温效果，同时由于轻质保温材料（聚氨酯、发泡聚苯乙烯以及工业废料等）[1-6]特殊的结构，将其添加到发泡水泥中，得到的复合材料可进一步提高现有建筑的保温性能，但随着国家建筑节能标准要求的提升，为进一步提高发泡水泥的保温性能，需要寻求更加轻质保温的新型材料。

一般常见的气凝胶为硅气凝胶，其诞生源于美国化学家Samuel Kistler与Charles Learned的赌局：看谁能够做到将果冻状凝胶内的液体换成气体（干燥），同时不改变其固体结构，后由Kistler通过超临界干燥技术制得[7]。根据气凝胶的基体不同，如硅系、硫系、碳系、金属系和金属氧化物系等。气凝胶独特的三维网络结构赋予气凝胶密度低、比表面积大、孔隙率高和导热系数低等显著特性。气凝胶的出现，实现了人们对超轻、绝热固体材料的追求，使得寻找一種新型保温隔热性能优异的材料成为可能。

气凝胶以其高孔隙率、高比表面积的特性，作为典型的纳米多孔材料，以轻骨料的形式与传统的水泥材料相结合，可有效改善水泥内部的结构，降低建筑材料的导热系数，提升材料的保温隔热性能。

2 气凝胶水泥在建筑节能保温隔热领域的应用

2.1 气凝胶水泥砂浆复合材料

气凝胶砂浆中均为无机材料，其各组分均为不燃组分，因此可涂覆于混凝土表面以提高其耐火性，同时加上气凝胶导热系数低，气凝胶水泥砂浆表现出优异的保温隔热性能和耐火性，在建筑领域有很大的应用前景。目前国内外对此研究尚处于起步阶段，研究集中在气凝胶添加量对砂浆强度和导热系数的影响。

KIM等[8]将气凝胶与水泥浆混合，当气凝胶掺入量为2%时，相比掺入前减少了75%，其导热系数由0.533W/（m·K）降低至0.135W/（m·K）。同时，气凝胶颗粒在胶凝材料水化过程中性能稳定，验证了气凝胶和水泥基材料相结合在施工应用中的可行性。GAO等[9]的研究同样验证了这一点。郭金涛[10]以硅酸盐水泥为主要胶凝材料，优质的二氧化硅（SiO2）气凝胶粉体复配其他材料作为保温骨料，加上合理配比的可再分散乳胶粉、粉煤灰、抗裂纤维、纤维素醚等改性剂，制备得到一种硅气凝胶玻化微珠复合绝热保温砂浆，该砂浆成本较之前有所下降，导热系数为0.061W/（m·K），保温性能比市场上导热系数为0.070W/（m·K）的类似产品优异得多。

鉴于气凝胶本身不良的力学性能，气凝胶添加到水泥砂浆中会对砂浆的力学性能产生不良影响。王飞等[11，12]研究发现气凝胶砂浆的密度、强度、导热系数都会受到气凝胶添加比例的影响，气凝胶颗粒添加比例越大，上述性能的数值越低。气凝胶水泥砂浆作为建筑用材料，力学性能达标是非常关键的，否则会带来很大的安全隐患。水泥基材料通过加入纤维进行改善其脆性，加入引气剂提高耐久性，辅以气凝胶粉体可以使得气凝胶水泥复合材料的力学性能和保温性能得到改善。王飞团队[13]按照这个研发思路做了深入研究，通过调整纤维、引气剂和气凝胶粉体的配比，得出三者的掺杂比例为0.2%、0.05%、1%时，材料的性能最优，导热系数仅为0.318W/（m·K），抗折强度为13.4MPa，抗压强度为8.02MPa，其各项性能均得到一定程度的改善。

SiO2气凝胶与水泥砂浆的相容性问题是阻碍将SiO2气凝胶应用于建筑复合保温隔热材料中的另一个难题。因为气凝胶的憎水性和质量轻的缘故，导致气凝胶与砂浆结合时，会出现气凝胶浮在砂浆的表面，无法均匀分散。为解决上述问题，需对气凝胶表面进行改性，从而提高气凝胶与水泥胶凝材料的界面相容性。目前最常用的表面改性剂为KH550硅烷偶联剂，刘朝辉等[14]采用KH550对SiO2气凝胶颗粒表面进行亲水改性，改性后的SiO2气凝胶颗粒分散到水泥砂浆中，重点研究了气凝胶颗粒的替换比例对水泥砂浆性能的影响。研究表明，SiO2气凝胶的疏水性表面得到改善后，可以以镶嵌地形式稳定得存在于砂浆中，与胶凝材料较为紧密的结合在一起，以镶嵌的形式与同时得出，气凝胶颗粒替换骨料的替换比例为50%时，气凝胶砂浆的综合性能最佳，其抗压强度为2.23MPa，抗折强度为8.3MPa、导热系数为0.225W/（m·K）。

另外，研究工作者还发现，价格低廉的粘土可以作为增强复合材料的填料，将粘土气凝胶与砂浆结合，可以提高复合材料的相容性，同时可以提高砂浆的机械强度。戴勤友[15]以纳米偏高岭土为原材料，制备出新型轻质的粘土气凝胶保温隔热材料。鉴于粘土气凝胶特殊的层状结构，与砂浆结合可以有效分散力学载荷的传递，从而达到提高砂浆机械性能的目的。此外，气凝胶的多孔结构，可以在砂浆水化初期储存水分，凝胶老化阶段释放水分，有效促进水泥水化，提高砂浆养护后期的水化程度。

2.2 气凝胶发泡水泥

发泡水泥作为一种良好的节能保温隔热材料，具有密度小、隔音效果好、防火性能优良、抗震性好的优点[16]，在建筑节能领域备受关注。但其保温隔热性能相比于广泛应用的泡沫聚合物保温板还有一定差距。加上随着国家建筑节能标准要求的提升，需寻求更加轻质保温的新型材料，进一步提高发泡水泥的保温性能。

国内外科研工作者对SiO2气凝胶与发泡水泥结合也进行了初步得研究，目前其应用形式主要分为3类：作为唯一的轻骨料，与其他轻骨料搭配使用，SiO2气凝胶填充多孔轻骨料孔隙。

Ng[17]采用一种超高性能的水泥作为基质，SiO2气凝胶作为唯一轻骨料，研究了不同的添加比例对气凝胶发泡水泥各项性能的影响。研究表明：在SiO2气凝胶添加量为50vol%（体积分数）的情况下，气凝胶发泡水泥的导热系数为0.55W/（m·K），抗压强度为20MPa；当气凝胶添加量增至80vol%时，导热系数进一步降低，为0.31W/（m·K），但由于水泥浆与骨料比率过低，复合材料抗压强度几乎为零，抗折强度仅为0.2MPa。综上所述，将气凝胶直接与水泥基材料以物理混合的方式制备复合材料，可以提升材料的保温新能，但力学性能会下降，无法满足材料在建筑领域的应用。因此，如果想在获得更低的导热系数的同时，希望复合材料兼顾优良的力学性能，无法通过调整砂浆配比与辅料来实现。

SiO2气凝胶单独作为骨料添加到发泡水泥中，除了力学性能的骤降无法解决外，其高昂的成本对于材料消耗量巨大的建筑业来说，是无法接受的。因此，低成本气凝胶保温材料的开发显得尤为重要，为达到最佳的性价比，现在市场上大多数都是将气凝胶与廉价的多孔轻骨料如玻化微珠、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等配合使用。

Hanif等[18]将气凝胶与粉煤灰空心微珠配合使用，与水泥材料制备得到气凝胶水泥复合多孔材料，同时采用聚乙烯醇纤维作为材料的支撑结构来提升材料的力学性能，最终制得复合材料的抗压强度最高可达23.54MPa，导热系数可低至0.319 W/（m·K）。研究还发现，粉煤灰空心微珠的加入使得相同密度下復合砂浆的力学性能较气凝胶单独作为轻骨料时复合砂浆的强度有了一定程度的增加。这是由于粉煤灰空心微珠的强度优于气凝胶的强度，并且在水泥水化时部分参与反应，提高了复合砂浆的力学性能。

SiO2气凝胶填充多孔轻骨料孔隙，在凝胶形成之前，将多孔轻骨料浸渍在含有SiO2气凝胶的溶液里，直至溶液充满孔隙，随后进行凝胶、干燥处理，这样得到的结构可以使气凝胶颗粒充满轻骨料内部。由于气凝胶的存在，有效降低了复合多孔材料的导热系数；而复合材料的力学性能取决于气凝胶颗粒的载体—多孔轻骨料，因此力学性能得以提升。

贾冠华等[19，20]通过上述工艺将膨胀珍珠岩浸渍到SiO2凝胶溶液中，SiO2气凝胶逐渐渗透至多孔轻骨料的孔隙中，凝胶干燥处理后得到了一种纳米多孔结构的复合材料，该材料化学性能稳定且具有优异的疏水性能，导热系数最多下降31.8%的同时，力学性能基本保持不变。这是由于SiO2气凝胶均匀分布在膨胀珍珠岩的孔隙中，膨胀珍珠岩颗粒包裹在SiO2周围，很好地保护了气凝胶脆弱的结构。这种方法为多孔材料的表面处理提供了新思路，具有很好的应用前景。

3 存在的问题和发展方向

气凝胶是一种新型高效的保温隔热材料，相对于传统保温材料，其保温隔热能力的提升有目共睹。气凝胶以其超低的导热系数与传统的建筑用材料—水泥浆料相结合，拥有十分广阔的应用前景。但由于气凝胶本身轻质、低强、疏水的特性，导致在应用过程中还存在诸多问题，也为气凝胶水泥复合多孔材料的开发带来了一系列困难，重点应从以下几个方面进行改进：

①由于建筑体量较大，材料成本控制要求较高，而气凝胶作为一种新型的材料，尽管现在可以选择廉价的硅源和常压干燥法生产，但相比于传统保温材料来说价格依然昂贵，高居不下的价格限制了在建筑行业的大规模应用。因此，低成本的气凝胶材料的开发也是目前亟需解决的问题。

②低导热系数的气凝胶本身的弱点是强度低，常规掺合到水泥中会大大降低材料的力学性能，从而限制其使用范围。以其他形式与水泥结合的研究，目前处于起步阶段，因此同时保留水泥材料的高强度和气凝胶材料的优良的保温性能是气凝胶水泥复合多孔材料研发的关键问题。

③目前国内外对气凝胶水泥的研究重点在气凝胶掺加量与水泥强度、含水率、密度和导热系数的影响，主要影响气凝胶水泥复合材料的密度，保温和耐火这几方面的性能，但针对2种亲疏水截然不同的材料的界面结合机理以及结合方式的研究还较少。同时，由于两者的亲水性差距很大，气凝胶的添加量对水泥本身的耐久性也有很大影响，如果改进材料的不足，也需要进行深入研究。作为建筑领域后续极力推广的新型保温隔热材料，气凝胶在建筑上的理论及应用研究肯定会受到广大科研工作者的重点关注，相信在不久的将来，气凝胶建筑保温隔热材料将会得到广泛的应用。

4 结语

将气凝胶与传统建材水泥相结合，可显著降低水泥的导热系数，明显提升材料的保温隔热性能，在建筑节能领域有显著的优势。鉴于气凝胶是一种新兴的建筑保温材料，其与水泥材料相结合的研究，尚处于起步阶段。未来，为拓展其更多的应用领域，寻找与绿色低碳建筑更多的契合点，需从以下几个方面深入研究：①进一步降低SiO2气凝胶生产成本。可从气凝胶生产过程中的工艺控制及对设备的要求等方面来降低成本。②深入研究气凝胶与水泥相结合的理论基础以及两者界面结合的机理，得出新型材料的保温隔热性能与力学性能的平衡点。③优化气凝胶水泥基复合材料的设计。确保气凝胶在水泥基中实现功能最大化，以最少的用量得到最佳的保温性能。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.013

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