冻融循环下建筑气凝胶复合保温材料制备及性能研究

赵亚平 张海燕

（1.山东水利建设集团有限公司 山东 济南 271700；2.山东九巨龙建设集团有限公司，山东 济宁 272000）

在快速发展的社会经济背景下，建筑行业作为支柱产业，对能源的需求呈现出持续增长的趋势。在建筑能耗中，外围护结构的传热损失占据了相当大的比重，所以提高建筑的保温性能对降低能耗具有举足轻重的作品。气凝胶作为一种新型保温材料，具备轻质、高孔隙率和高热导率等特点，使其在建筑领域的应用前景极为广阔。尽管气凝胶及其复合保温材料在建筑领域展现出巨大的应用潜力，但仍然存在一些亟待解决的问题。首先，气凝胶的强度和韧性相对较低，容易发生脆性断裂，这对其在实际应用中的持久性构成了挑战；其次，气凝胶的制备过程需要使用大量的有机溶剂，这无疑对环境产生了一定的污染压力；最后，气凝胶在冻融循环条件下的性能稳定性仍有待提高，这对其在各种气候条件下的广泛应用形成了制约。因此，开展冻融循环下建筑气凝胶复合保温材料的制备及性能研究具有重要的实际意义。这一研究不仅有助于解决气凝胶的强度和环境友好性问题，更能进一步提高其在不同环境条件下的稳定性，为推动建筑行业的绿色可持续发展提供有力的材料支持。

1 试验方法与过程

1.1 试验试剂和试验仪器

为探究冻融循环作用对建筑气凝胶复合保温材料性能的影响，本文开展了建筑气凝胶复合保温材料的制备与冻融循环试验。表1、表2展示了本次试验中用到的主要试剂和仪器[1]。

表1 试验试剂一览表

表2 试验仪器一览表

按表1、表2 准备好本次试验所需试剂和仪器后，即可正式开始冻融循环下建筑气凝胶复合保温材料制备及性能试验。

1.2 制备建筑气凝胶复合保温材料

本次试验采用了溶胶-凝胶法制备SiO2气凝胶[2]，简单来说就是将硅源（水玻璃）和催化剂（盐酸）按体积比1:4混合在一起，让其在特定的温度和湿度条件下发生水解和聚合反应，从而生成SiO2溶胶。随后，通过凝胶化过程，将溶胶转化为具有连续三维网络结构的SiO2气凝胶[3,4]。这一步的操作关键在于精确控制凝胶化条件，以确保得到的气凝胶具有高孔隙率和比表面积。在完成SiO2气凝胶的制备后，下一阶段本次试验采用真空浸渍法[5-7]，将水溶胶吸附到膨胀珍珠岩中。珍珠岩是一种天然矿物材料，因其具有优异的保温性能和低导热系数而被广泛采用。通过真空浸渍处理，SiO2气凝胶与珍珠岩紧密结合，形成一种新型保温材料，这样就可以利用珍珠岩的多孔结构，进一步提升SiO2气凝胶材料的保温性能和抗压强度。根据上述步骤完成膨胀珍珠岩和SiO2气凝胶的融合之后，还需要进行干燥处理，也就是将复合型材料放置在电热鼓风干燥箱内，按照30℃～120℃分段干燥[8-10]，旨在去除材料中的剩余溶剂和水分，进而得到具有优异性能的膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶复合保温材料。

1.3 循环冻融试验

为了模拟建筑气凝胶复合保温材料在实际应用中反复冻融循环的过程，本文参考《硬质泡沫塑料冻融循环试验方法》，对上述内容制备的膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶复合保温材料进行冻融循环测试[3]。首先，将原始复合型保温材料放在压浸水环境下进行有压吸水，材料的含水率为：

式中η表示气凝胶复合保温材料的质量吸水率；G1、G2分别表示气凝胶复合保温材料的吸水质量和初始质量。

当复合型保温材料的含水率达到最大值，也就是吸水饱和后，再将材料置于设定好的冻融循环环境中，控制温度在冰点以下和室温之间，通常为-20℃，进行材料的冻结，冻结2h后取出复合型保温材料，将其放置在无压吸水环境中进行浸泡，浸泡2h后取出材料，此为一个冻融循环。根据试验要求，不断重复材料的冻结与浸泡步骤，进行一定次数的冻融循环，且在每个冻融循环中，确保试样充分冻结和融化。在完成指定次数的冻融循环后，即可对建筑气凝胶复合保温材料进行性能测试。其中，抗压性能测试主要依靠抗压强度性能测试仪完成，不断向材料施加压力，实时记录试件变形情况，直到试件压缩至原始厚度的80%，停止加载，此时根据试验机显示应力值即可计算出材料的抗压强度，表达式如下：

式中P表示建筑气凝胶复合保温材料的抗压强度；F表示抗压测试停止时测试仪显示的最大压力；S表示复合保温材料的截面积。

然后开展导热系数建筑气凝胶复合保温材料的导热系数测试，这里主要采用导热系数测定仪进行测试，以每两个材料试件为一组进行导热系数测试，取两个吸水率相同的试样，利用仪器的测试探头进行试样导热系数的检测，依据气凝胶复合保温材料的多孔介质结构特征，引入Maxwell模型进行导热系数的求解：

式中γ0表示气凝胶复合保温材料的等效导热系数；γ1、γ2分别表示气凝胶复合保温材料连续相、分散相的导热系数；ε表示分散相体积分数。

通过上述内容所获取的抗压强度和导热系数参数，即可验证分析冻融循环下建筑气凝胶复合保温材料的性能。

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环对复合保温材料力学性能的影响

本章主要探讨不同SiO2气凝胶掺入量下复合型保温材料的抗压强度在不同冻融循环次数下的变化规律，所得试验结果如图1所示。

图1 冻融循环下复合保温材料抗压强度变化

从图1中可以看出，随着冻融循环的进行，建筑气凝胶复合型保温材料的抗压强度逐渐减弱。这是由于在冻融过程中材料反复经历冻胀和融缩，导致其内部结构受到破坏和损伤。但是，通过掺入SiO2气凝胶，可以显著提升复合型保温材料的抗压强度。随着SiO2气凝胶掺入量的增加，复合型保温材料的抗压强度也随之增强，这是由于SiO2气凝胶在复合材料中起到了增强和增韧的作用，进而提高了材料的抗裂性和韧性。

2.2 冻融循环对复合保温材料导热系数的影响

本章主要探讨不同SiO2气凝胶掺入量下复合型保温材料的导热系数在循环冻融前后的变化规律，这里冻融循环次数设置为200次，所得试验结果如图2所示。

图2 循环冻融下复合保温材料导热系数变化

从图2中可以看出，随着SiO2气凝胶掺入量的增加，复合型保温材料的导热系数在循环冻融前后均呈现先下降后上升的趋势，特别是在经过一定次数的冻融循环后，不同掺入量的材料之间的导热系数差异更加明显。这说明SiO2气凝胶的加入有助于降低材料的导热系数，从而提高其保温性能，但如果SiO2气凝胶掺入量超过30%，复合型保温材料的导热系数又会不断增大。因此，在实际的建筑工程中，考虑到材料在不同温度和环境条件下的性能变化，选择合适的SiO2气凝胶掺入量对于确保复合型保温材料具有良好的保温性能和耐久性至关重要。

3 结语

通过试验研究了冻融循环下建筑气凝胶复合保温材料制备及性能，得出SiO2气凝胶的掺入对建筑复合保温材料的性能有着显著影响，随着SiO2气凝胶掺入量的增加，复合保温材料的抗压强度逐渐上升，且导热系数逐渐降低，表明气凝胶能够提升建筑保温材料的抗冻性能。未来本文可针对以下几个方面展开进一步研究：一是深入研究气凝胶与其他材料的相互作用机制，以提高材料整体性能；二是优化制备工艺，降低生产成本，推动气凝胶复合保温材料在实际工程中的应用。