气凝胶珍珠岩的制备及其在水泥基中的应用

孙玉清 回丽丽 赵娜 王巧云

摘 要：针对传统气凝胶保温材料高成本、低强度的问题，提出用廉价膨胀珍珠岩和SiO2气凝胶共同作用，制备气凝胶膨胀珍珠岩复合保温材料，并对其制备工艺及性能进行试验。结果表明，保温砂浆添加剂对AEPM拌合物工作性能和物理力學性能有积极作用;提高AEPM的柔韧性和抗裂性能;HPMC、可再分散乳胶粉能够有效降低AEPM的导热系数。经过发泡和稳泡优化后， AEPM基本性能为：干密度235kg/m3;压缩强度0.55MPa;导热系数0.0472W/（m·K）

关键词：膨胀珍珠岩;气凝胶;保温砂浆;力学性能

中图分类号：TU528;TU55+1.34 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0018-05

Preparation of Aerogel Perlite and Its Application in Cement Matrix

Sun Yuqing1，Hui Lili2， Zhao Na2，Wang Qiaoyun2

（1.Cangzhou Construction Project Quality Supervision Station of Hebei Province， Cangzhou 061000，China

2.Dayuan Jianye Group Co.， Ltd.， Cangzhou 061000，China）

Abstract：Aiming at the problem of high cost and low strength of traditional aerogel insulation materials， it is proposed to use cheap expanded perlite and SiO2 aerogel to prepare aerogel expanded perlite composite insulation materials， and their preparation process and performance test. The results show that the thermal insulation mortar additive has a positive effect on the working performance and physical and mechanical properties of AEPM mixture; improves the flexibility and crack resistance of AEPM; HPMC and redispersible emulsion powder can effectively reduce the thermal conductivity of AEPM. The basic properties of AEPM optimized by foaming and foam stabilization are as follows： dry density 235kg/m3; compressive strength 0.55MPa; thermal conductivity 0.0472W / （m·K）.

Key words：expanded perlite; aerogel; thermal insulation mortar; mechanical properties

随着我国对节能标准的提高，对保温材料的保温要求也随之提高。但传统无机保温骨料的保温隔热材料因为导热系数大，吸湿性强的问题，使得无机保温材料的保温性能产生更不利的影响。为解决传统无机保温骨料性能差的问题，需要开发导热系数和吸水率较低的新型骨料。基于此，胡玲霞（2018）等考察纳米SiO2掺量对无机轻集料保温砂浆工作性能的影响，证实纳米SiO2掺量的增加会降低无机轻集料保温砂浆的干密度，导热系数[1];陈若山（2019）等人以膨胀珍珠岩和微珠保温砂岩为对象，通过实验法获得了不同骨料级配下膨胀玻化微珠无机保温砂浆，并寻找到最佳比例，制备出满足标准要求的无机保温砂浆[2]。以上研究为无机骨料的改善提供了新的思考方向，但在节能方面还有待进一步提升。因此，本文尝试以廉价膨胀珍珠岩为载体，以SiO2气凝胶为填充体制备一种低成本，高强度的新型复合保温材料。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验主要材料为：水玻璃（山东安泉，工业级）;盐酸（济南荣正，分析纯）;氨水（济南创通，分析纯）;三甲基氯硅烷（TMCS，济南汇丰达，工业级）;羟丙基纤维素醚（HPMC，耐施纤维素，工业级）;快硬硫铝酸盐水泥（武汉吉业升，R · SAC 52.5）;膨胀珍珠岩（EP，济南腾耀，5～30目）

本试验主要设备为：真空抽滤机（江西伟铭，DL-5C）;水泥混凝土恒温恒湿标准养护箱（沧州路凯，YH-40B）;电动弯曲试验机（济南辰鑫，YES）;水泥胶砂搅拌机（献县睿华，JJ-5）;电子万能试验机（济南文腾，WDW-E）;电动弯曲试验机（河北星建，DYE-10）

1.2 试验方法

1.2.1 气凝胶膨胀珍珠岩的制备

（1）按照1：4的体积比，将水玻璃和去离子混合并搅拌均匀，搅拌时间为15min，此时混合溶液pH为12。滴加6mol/L的HCl，调节pH至1.5～2.0，让水玻璃水解30min，得到原硅酸H4SiO4。水解完成后继续滴加浓度为1mol/L的NH3·H2O，使H4SiO4发生缩聚反应，得到SiO2水溶胶。

（2）提前将EP颗粒放入真空筒中，将制备的SiO2水溶胶引流到真空筒，至完全淹没EP颗粒为止。将真空筒密封，同时打开真空泵，对相对真空压力进行调节，对EP浸渍吸附压力进行控制，得到SiO2水溶胶/EP复合物。

（3）取出SiO2水溶胶/EP复合物，用DL-5C型真空抽滤机滤干复合物表面多余水溶胶，抽滤压力和时间分别为-0.03MPa、1min。将SiO2水溶胶/EP复合物放置于密闭容器中凝胶，凝胶后得到SiO2水凝膠/EP复合物。

（4）将复合物在常温条件下放置2h进行老化，产物为SiO2老化水凝胶/EP复合物。

（5）将用无水乙醇和正己烷分别对SiO2老化水凝胶/EP复合物进行溶剂置换24h。再用TMCS和正己烷混合溶液对置换后的SiO2老化水凝胶/EP复合物进行表面改性。TMCS和正己烷混合溶液的体积比为1：1。得到SiO2甲硅烷基化凝胶/EP复合物。

（6）将上述制备的复合物置于常压40℃、60℃、80℃、100℃、120℃温度下进行干燥，干燥时间为4h，得到SiO2气凝胶膨胀珍珠岩AEP。同步骤（5）（6）对老化后SiO2水凝胶进行置换和改性，得到疏水SiO2气凝胶。

1.2.2 气凝胶膨胀珍珠岩保温砂浆的制备

（1）将水泥、粉煤灰、硅灰、熟石灰、HPMC、RPP和PP纤维按照试验设计的配合比加至SHLD型卧式搅拌机中搅拌均匀。

（2）在搅拌均匀的干料中加入一定量的水（发泡剂），继续搅拌均匀。

（3）在凝胶材料浆体中加入一定量的轻骨料，继续搅拌60s，得到保温砂浆拌合物。

（4）将上述拌合物装入模具中，注意一次性装完，且拌合物应高于模具表面。按螺旋方向用捣棒由外向内轻轻插捣22次。在模壁中用抹灰刀插捣拌合物，直至拌合物表面平整。抹平高出模具表面部分。

（5）用聚乙烯薄膜覆盖试件，养护后进行拆模。放置温度和时间分别是20±5℃和 48h。放入YH-40B型恒温恒湿标准养护箱养护至指定龄期。养护条件为：温度20±5℃;相对湿度60%～80%。

1.3 性能测试

1.3.1 保温砂浆稠度

参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）中的相关方法，采用SC-145型稠度测定仪测定砂浆稠度。

1.3.2 干密度

参照《建筑保温砂浆》（GB/T 20473-2006）和《无机硬质绝热制品试验方法》（GB/T 5486-2008）中的方法对干密度进行测定。

按标准方法制备70.7mm×70.7mm×70.7mm的试件并养护至28d。养护至指定龄期后将试件放置于DHG-9648A型立式鼓风干燥机中烘干至恒重，烘干温度为：105±5℃。将烘干试件放置于干燥器中，使试件冷却至室温，对试件质量进行称量，记作m0;计算试件体积，记作V，则试件表干密度可用公式（1）表示。 取3个试件干密度平均值为保温砂浆的干密度。

式（1）中：为试件干密度;m0为试件烘干后质量;V为试件体积。

1.3.3 压缩强度

参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）中的方法测定试件的压缩强度。压缩强度试件制备和养护与干密度试件制备方式一致。用WDW-E型电子万能试验机对试件进行压缩强度试验，加载速度为10mm/min。

1.3.4 弯曲强度和弯曲压缩比

参照《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999）中的相关方法对试件弯曲强度和弯曲比进行测定。具体测定方法为：制备40mm×40mm×160mm棱柱体试件一组3个，养护28d后在DHG-9648A型立式鼓风干燥机中烘干至恒重，烘干温度为：105±5℃。用DYE-10电动弯曲试验机测定试件的弯曲强度，取三个试件平均值为试件弯曲强度值。压缩比为：

式（2）中：k为保温砂浆弯曲压缩比;为保温砂浆弯曲强度平均值，MPa;为压缩强度平均值，MPa;

2 结果与讨论

2.1 HPMC掺量对AEPM性能的影响

选择水泥、粉煤灰、硅灰、石灰胶凝材料体系，在各组分不变的情况下，设计5组配合比，如表1所示。各掺量的百分比为胶凝材料总质量比。

图1是不同HPMC掺量对AEPM的基本力学和稠度的影响。从图1可以看出，当HPMC掺量为0.3%时，砂浆稠度比未掺加HPMC增加了24.4mm，表干密度降低了22%。随HPMC掺量的增加，砂浆稠度也逐渐的增加，当HPMC掺量超过1.2%时，砂浆粘聚性过高，流动性降低，AEPM砂浆稠度也呈现大幅度下降趋势，表干密度仍有所下降，但降低幅度明显减小。弯曲强度、压缩强度和弯曲压缩比则随HPMC掺量的增加持续上升，因此在水灰比一定的条件下，HPMC掺量应该控制在一定范围内。

2.2 可再分散乳胶（RPP）掺量对AEPM性能的影响

表2为不同RPP掺量的AEPM砂浆配合比设计;图2为不同RPP掺量对AEPM稠度和物理力学性能的影响。从图2可看出AEPM砂浆的稠度随RPP掺量的增加而增大，干密度则表现出先增加后减小的趋势。当RPP掺量为4%时，AEPM稠度达到50mm，干密度最高为488。随RPP掺量的增加，AEPM压缩强度总体表现出增加的趋势，弯曲强度和弯曲比则是先减小后增加的趋势。这是因为RPP成膜后与无机凝胶材料作用，形成有机-无机框架体系，增强了胶凝材料间的内聚力和AEPM的强度。同时RPP对水泥胶凝材料的水化反应起抑制作用，因此对弯曲强度和弯曲压缩比有很大的影响。

2.3 骨料掺量对AEPM性能影响

表3为不同骨料掺量的AEPM砂浆配合比设计。图3是骨料掺量对AEPM性能的影响。由图3可知，随骨料掺量的增加，AEPM稠度随之降低，干密度则表现出直线上升的趋势。这是因为随骨料掺量的增加，胶凝材料的组分减少，拌合物间的流动性和黏聚性有所降低，使得AEPM工作性能减弱。骨料间缺少水泥浆的填充和润滑，骨料在搅拌时容易遭到破坏，导致AEPM干密度直线增加。当AEP骨料掺量达到A/b=9.5×10-3m3/kg时，AEPM拌合物压缩强度降低至3.5MPa。弯曲强度和弯曲压缩比持续减小，即砂浆的抗裂性和柔韧性变差。

2.4 聚丙烯纤维（PP）掺量对AEPM性能的影响

表4为不同PP纤维掺量的AEPM砂浆配合比设计。图4为不同PP纤维掺量对AEPM稠度和力学性能的影响。从图4可知，AEPM稠度和干密度几乎不受PP纤维掺量的影响。在掺入PP纤维后，AEPM的弯曲强度和压缩强度明显增加，当PP纤维掺量达到0.4%时，AEPM的弯曲和压缩强度达到最大，此时压缩强度和弯曲强度分别为2.45和0.92。

上述研究可知，用R·SAC52.5水泥制备的保温砂浆导热系数低，但强度损失较大。因此，本研究尝试用R·SAC52.5水泥替代部分P·O 42.5水泥。在水泥总量不变的情况下，使R·SAC52.5水泥与P·O 42.5水泥质量比为4∶6。用AEPM-PS-240保温砂浆作为基础，降低粉煤灰、石灰惨量，达到增加水泥掺加比例的目的，进而改善AEPS-PS的力学性能。以此配方制备的AEPM的综合性能指标如表5所示。以《建筑保温砂浆》（GB/T 20476-2006）中的相关规范要求为指标。最优比例制备的保温砂浆导热系数比规范最大值0.07W（m·K）降低了31.3%;压缩强度比规范要求提高了1.58倍。

2.5 应用实例

基于严寒和寒冷地区75%节能设计标准中传热系数最大限制0.45W/（m2·K）对AEPEMS进行设计。采用《无机轻集料砂浆保温系统》中的基本规定，钢筋混凝土剪力墙厚度选择200mm。AEPM取干密度235 kg/m3;压缩强度0.55MPa;导热系数0.0472W/（m·K ）。根据山西省地方标准《玻化微珠保温砂浆应用技术规程》规定，AEPM厚度最大限值为100mm。因此也可判断AEPM在本文获得的最优导热系数条件下可达到最低传热系数。

3 结语

本研究采用廉价膨胀珍珠岩为载体，SiO2气凝胶为填充体，制备出一种新型复合保温材料——气凝膠膨胀珍珠岩。并对AEP保温砂浆的制备和性能优化以及在建筑节能中的应用进行系统研究，得到的具体结论如下：

（1）保温砂浆添加剂对AEPM拌合物的工作性能和物理力学性能有明显改善的作用，对AEPM拌合物的柔韧性和抗裂性作用比较明显。HPMC和可再分散乳粒能有效降低 AEPM 的导热系数。

（2）骨料掺量的增加会导致AEPM工作性能相对减弱，当AEP骨料掺量达到A/b=9.5×10-3m3/kg时，砂浆柔韧性和抗裂性能降低。

（3）PP纤维掺量几乎不影响AEPM的稠度和干密度;但对AEPM压缩强度和弯曲强度影响较为明显。当PP纤维掺量达到0.4%时，AEPM拌合物压缩强度和弯曲强度最大，分别为2.45和0.92。

（4）采用发泡和稳泡工艺优化AEPM性能，制备得到新型AEPM基本性能为：干密度235 kg/m3;压缩强度0.55MPa;导热系数0.0472W/（m·K ）。

（5）采用AEPM外墙保温系统，当AEPM厚度为100mm时，满足严寒和寒冷地区子气候区75%节能设计标准。

参考文献

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