王飛，黃露，劉朝輝，葉圣天，賈藝凡

（1.解放軍后勤工程學院化學與材料工程系，重慶401311；2.西南技術工程研究所，重慶400039）

環(huán)境適應性設計與分析

SiO2氣凝膠砂漿性能的優(yōu)化研究

王飛1，黃露2，劉朝輝1，葉圣天1，賈藝凡1

（1.解放軍后勤工程學院化學與材料工程系，重慶401311；2.西南技術工程研究所，重慶400039）

目的研究SiO2氣凝膠顆粒體積替換比在30%前提下砂漿性能的優(yōu)化，提高其保溫性能和環(huán)境適應性。方法采用正交實驗的方法，通過向砂漿中添加纖維、引氣劑和膠粉來改善砂漿的保溫性能，并對比研究各摻雜比例對砂漿密度、力學性能、吸水率，尤其是對砂漿導熱系數(shù)的影響。結果當纖維、引氣劑和膠粉的摻量（質(zhì)量分數(shù)）分別為0.2%，0.05%和1%時，導熱系數(shù)達到最低，λ= 0.3177 W/（m·K），此時，砂漿的密度為1751.6 kg/m3，抗壓強度和抗折強度分別為13.4 MPa和8.02 MPa，吸水率為7.19%，導熱系數(shù)為0.3177 W/（m·K）。結論通過添加纖維、引氣劑和膠粉，砂漿的性能得到一定程度的改善，其密度在較小的范圍內(nèi)變化，抗折強度提高較大，導熱系數(shù)在一定范圍內(nèi)降低。

SiO2氣凝膠；保溫砂漿；導熱系數(shù)；建筑保溫

隨著人們環(huán)保觀念和節(jié)能理念的提升，建筑保溫隔熱越來越受到關注，這就極大地推動了建筑保溫隔熱材料及其技術的發(fā)展。SiO2氣凝膠作為一種新型納米材料，因其具有低密度、低熱導率（常溫下最低可達0.01 W/（m·K））以及高光透過性等性能[1—5]，可作為一種高效的保溫隔熱材料，在建筑保溫隔熱領域有著廣泛的應用前景。目前的建筑保溫隔熱材料不同程度地存在質(zhì)量、防水、防火以及污染大等方面的缺陷，隨著節(jié)能技術的發(fā)展，建筑保溫隔熱材料的研究正在向輕質(zhì)、多功能、綠色環(huán)保型復合保溫材料發(fā)展，而SiO2氣凝膠有著其他材料無法比擬的特性（質(zhì)輕、憎水、超低絕熱、綠色環(huán)保），將會成為未來保溫材料發(fā)展的重點研究方向。

前期由于SiO2氣凝膠生產(chǎn)工藝較為復雜，成本較高，其應用主要限于航空航天等高端領域，但隨著研究的深入，目前逐漸開始應用于民用建筑保溫隔熱領域[6—7]。主要有氣凝膠玻璃[8—9]、氣凝膠涂料[10]、氣凝膠保溫板和絕熱氈等，而將其用到混凝土和砂漿中的研究還較少。國外方面，Kim[11]將SiO2氣凝膠粉末加入到水泥漿中發(fā)現(xiàn)，當SiO2氣凝膠粉末的質(zhì)量占總質(zhì)量的2.0%時，其導熱系數(shù)下降75%。T.Gao[12]將SiO2氣凝膠顆粒添加到混凝土中，并與EPS混凝土的性能進行比較，主要研究了其摻量對氣凝膠混凝土的密度、力學性能和導熱系數(shù)的影響，并總結得出了此三者的關系。國內(nèi)方面，郭金濤[13]以氣凝膠和?；⒅閮煞N材料為保溫骨料，將此兩者按級配混合制備出新型保溫砂漿，這些研究都為SiO2氣凝膠在建筑中的應用提供參考。因此實驗采取替換法將SiO2氣凝膠顆粒添加到砂漿中，并通過摻雜來進一步提高砂漿的保溫性能，提高其環(huán)境適應性[14—16]，降低材料成本[17]，拓展其在建筑保溫領域中的應用。

1 實驗

1.1 原材料

實驗采用的SiO2氣凝膠顆粒由廣東埃力生高新科技有限公司生產(chǎn)，其主要性能指標：密度為100 kg/m3，顆粒尺寸范圍為0.1～5 mm，比表面積為575.64 m2·g，孔隙率為＞90%，孔徑為20～100 mm，導熱系數(shù)為0.020 W/（m·K）（常溫下）。水泥為P.O42.5R級普通硅酸鹽水泥；硅灰為微細硅灰，平均粒徑為0.1～0.3 μm；細骨料采用ISO標準砂；纖維采用12 mm聚丙烯纖維；膠粉為臨沂市蘭山區(qū)綠森化工有限公司生產(chǎn)的ZJ-518可再分散膠粉；引氣劑采用濟南萬承化工有限公司生產(chǎn)的混凝土引氣劑。

SiO2氣凝膠顆粒的表面形貌如圖1所示，可以看出，SiO2氣凝膠顆粒是由小的納米顆粒聚合而成，屬于典型的納米結構材料。SiO2氣凝膠顆粒的接觸角如圖2所示，從測試結果可知，其接觸角約為145°，疏水性較強，作為保溫材料，可以有效減小因材料吸水造成的導熱系數(shù)上升。

圖1 SiO2氣凝膠顆粒的表面形貌Fig.1 Surface morphology of SiO2aerogel particles

圖2 SiO2氣凝膠顆粒的接觸角Fig.2 Contact angle of SiO2aerogel particles

1.2 實驗方法

1.2.1 制備工藝

SiO2氣凝膠砂漿的制備與一般的砂漿不同，一方面SiO2氣凝膠密度低，導致其攪拌過程中容易揮飛；另一方面，SiO2氣凝膠強度低、脆性大，在攪拌過程中，如果轉(zhuǎn)速過快，容易導致SiO2氣凝膠破碎、飛濺出來。為此本實驗采用的工藝為：先將水泥、沙、硅灰、纖維、引氣劑和膠粉等材料干拌混合，然后加水攪拌均勻，再將SiO2氣凝膠顆粒緩慢地加入到砂漿中（氣凝膠顆粒加入速度先慢后快），待氣凝膠顆粒攪拌均勻后直接澆筑（為防止SiO2氣凝膠顆粒上浮，澆筑過程中不可振搗）。

1.2.2 配合比設計

實驗采用的基礎配合比為：m（水泥）∶m（沙）=1∶3，硅灰質(zhì)量占水泥的10%，水膠比為0.38，采用SiO2氣凝膠顆粒等體積替換砂漿中的沙。選取SiO2氣凝膠顆粒替換砂的比例為30%時作為研究對象，通過添加纖維、引氣劑和膠粉來對砂漿作優(yōu)化研究（其摻雜比例為膠凝材料的質(zhì)量分數(shù)），其中，纖維、引氣劑和膠粉的摻雜比例分別為（0.1%，0.2%，0.3%），（0.05%，0.1%，0.15%）和（0.5%，1%，1.5%），具體配合比見表1。

表1 SiO2氣凝膠砂漿配合比(40mm×40mm×160mm)Table 1 Mix proportions of SiO2aerogel mortar

1.3 性能測試與表征

采用Drop Meter A-100型接觸角測量儀（寧波海曙邁時檢測科技有限公司）對SiO2氣凝膠顆粒的接觸角進行測試；用TYEH-2000型微機控制恒加載壓力試驗機（無錫新路達儀器設備有限公司）按GB/T JGJ/T 70—2009測量砂漿的抗壓和抗折強度，試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm；采用博遠CABR-NES-E型非接觸式混凝土收縮變形測定儀（舟山市博遠科技開發(fā)有限公司）對SiO2氣凝膠砂漿的自收縮率進行測定；采用DR-300A+型平板導熱儀（武漢盛科技術發(fā)展有限公司）按GB/T 10294—2008測量砂漿的導熱系數(shù)，試樣尺寸為300 mm×300 mm×30 mm；采用HITACHI S-3700N（日本日立公司）觀察SiO2氣凝膠顆粒及砂漿的表面形貌。

2 結果與分析

2.1 在砂漿中的穩(wěn)定性

SiO2氣凝膠顆粒強度低，極易在攪拌中出現(xiàn)破碎，或在水泥水化過程中有可能因水化作用導致其發(fā)生化學反應，造成SiO2氣凝膠顆粒性質(zhì)發(fā)生根本性變化[18—19]。圖3表示替換比例為30%的SiO2氣凝膠顆粒在砂漿中的表面形貌，圖中A代表SiO2氣凝膠顆粒。圖4表示SiO2氣凝膠顆粒與砂漿粘接的界面。從圖3中可以看出，SiO2氣凝膠顆粒能夠穩(wěn)定地存在于砂漿中，且保持原有的大概尺寸，與砂漿能夠較好地共存，且并沒有因水泥水化作用而發(fā)生性質(zhì)改變。圖4則可說明SiO2氣凝膠顆粒能夠與砂漿表現(xiàn)較好的粘結性能，可形成較為穩(wěn)定的復合體系。

2.2 SiO2氣凝膠砂漿性能優(yōu)化

圖3 SiO2氣凝膠顆粒的表面形貌Fig.3 Surface morphology of SiO2aerogel particles

圖4 SiO2氣凝膠顆粒與砂漿粘接界面Fig.4 Bonding section of SiO2aerogel particles with mortar

圖5a表示不同比例的纖維、引氣劑和膠粉摻量與砂漿密度的關系。未摻雜時，砂漿的密度為1669.7 kg/m3。結合表1可以得出：SiO2氣凝膠砂漿的密度變化幅度并不是太大，但總體趨勢是隨著纖維摻入比例的增加，砂漿的密度呈現(xiàn)小幅的增加，主要原因可能是各組分的摻量較少的緣故。

圖5b表示不同比例的纖維、引氣劑和膠粉與砂漿力學性能的關系。未摻雜時，砂漿的抗壓和抗折強度分別為23.7 MPa和6.89 MPa。可以看出：與未摻雜相比，砂漿的抗壓強度下降較為明顯，主要原因可能是因為引氣劑和膠粉的加入使砂漿內(nèi)部引入了大量、封閉均勻的氣泡，進而導致抗壓強度降低；抗折強度得到了一定程度的提高，主要可能是聚丙烯纖維的加入，因其具有較高的強度和韌性，能夠有效提高基體材料的密實性，所以，砂漿的抗折強度得到提高。

導熱系數(shù)是衡量一個材料保溫性能最直接的體現(xiàn)，該實驗的目的在于：在保證砂漿具備良好的力學性能和施工性能前提下，通過其他方法最大程度地降低砂漿的導熱系數(shù)，提高砂漿保溫性能，降低SiO2氣凝膠砂漿的材料成本。圖5c表示不同比例的纖維、引氣劑和膠粉與砂漿導熱系數(shù)的關系。未摻雜時，當SiO2氣凝膠顆粒替換比例為30%，砂漿的導熱系數(shù)為0.3669 W/（m·K）。從圖中5c可以看出：纖維、引氣劑和膠粉的加入能一定程度降低砂漿的導熱系數(shù)，其大致趨勢為：隨著纖維比例的增加，呈現(xiàn)出先增加后減小再增加的狀態(tài)，當纖維、引氣劑和膠粉的比例分別為0.2%，0.05%，1%時，導熱系數(shù)降低程度最大，此時砂漿的導熱系數(shù)為0.3177 W/（m·K）。

圖5 SiO2氣凝膠砂漿的性能參數(shù)Fig.5 Performance parameters of SiO2aerogel mortar

圖5d表示不同摻量的纖維、引氣劑和膠粉與砂漿吸水率的關系。未摻雜時，砂漿的吸水率為8.18%，從圖中看出其吸水率有較大變化。結合圖5c可知，當砂漿的導熱系數(shù)最低時，其吸水率為7.19%，在一定程度上得到降低，從而也說明在此摻雜比例下，砂漿的結構較為密實，對吸水率有一定的削弱作用。

綜合以上實驗結果可知：外加劑的摻雜對砂漿的各種性能幾乎都有改善。配方4導熱系數(shù)最低，其他性能與未摻雜相比也得到一定程度的改善，配方5密度最低，配方6抗壓、抗折強度最高，吸水率最低，但這兩個配方的導熱系數(shù)較高。因此，從節(jié)能、節(jié)約成本以及環(huán)境的適應性角度出發(fā)，配方4不僅導熱系數(shù)最低，而且吸水率也較低，保溫效果相比較而言最好，同時其抗壓強度也較高，也不會影響其使用性能，與其他配方相比較而言，此配方為最優(yōu)配方。

3 結論

1）在添加纖維、引氣劑和膠粉的條件下，SiO2氣凝膠顆粒依然能夠穩(wěn)定地存在于砂漿中，水泥的水化作用并沒有改變其性質(zhì)。

2）與未摻雜相比，SiO2氣凝膠砂漿的導熱系數(shù)基本上都得到一定程度的降低。當纖維、引氣劑和膠粉的摻入比例分別為0.2%，0.05%，1%時，導熱系數(shù)降至0.3177 W/（m·K），可為下一步從事SiO2氣凝膠砂漿保溫性能的研究提供參考。

3）在最優(yōu)配方下，SiO2氣凝膠砂漿的密度雖然較大，但其吸水率較低，環(huán)境的適應性較好，在潮濕的環(huán)境中使用時對砂漿的保溫性能影響較小。

[1]HRUBESH L W.Aerogels：The World′s Lightest Solids[J]. Chemistry and Industry，1990（24）：824—827.

[2]FRICKE J，EMMERLING A.Aerogels-Preparation，Properties，Applications Chemistry，Spectroscopy and Applications of Sol-Gel Glasses[M].Berlin：Springer-Heidelberg，1992.

[3]FESMIRE J E.Aerogel Insulation Systems for Space Launch Applications[J].Cryogenics，2006，46（2）：111—117.

[4]WOIGNIER T，PHALIPPOU J.Mechanical Strength of Silica Aerogels[J].Journal of Non-Crystalline Solids，1988，100（1）：404—408.

[5]FRICKE J.Aerogels—Highly Tenuous Solids with Fascinating Properties[J].Journal of Non-crystalline Solids，1988，100（1）：169—173.

[6]路國忠，何光明，郭建平.SiO2氣凝膠性能研究及其在建筑保溫中的應用[J].墻材革新與建筑節(jié)能，2013（2）：41. LU Guo-zhong，HE Guang-ming，GUO Jian-ping.Performance Research of SiO2Aerogel and Its Application in Building Insulation[J].Journal of Wall Materials Innovation and Building Energy Conservation，2013（2）：41.

[7]BAETENS R，JELLE B P，GUSTAVSEN A.Aerogel Insulation for Building Applications：A State-of-the-Art Review[J]. Energy and Buildings，2011，43（4）：761—769.

[8]JENSEN K I.Passive Solar Component Based on Evacuated Monolithic Silica Aerogel[J].Journal of Non-crystalline Solids，1992，145：237—239.

[9]SCHULTZ J M，JENSEN K I，KRISTIANSEN F H.Super Insulating Aerogel Glazing[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2005，89（2）：275—285.

[10]劉紅霞，陳松，賈銘琳，等.疏水SiO2氣凝膠的常壓制備及在建筑隔熱涂料中的應用[J].涂料工業(yè)，2011，41（8）：64—67. LIU Hong-xia，CHEN Song，JIA Ming-lin，et al.Preparation of Hydrophobic SiO2Aerogel under Ambient Pressure and Its ApplicationinHeat-insulatingArchitecturalCoatings[J]. Paint&Coatings Industry，2011，41（8）：64—67.

[11]KIM S，SEO J，CHA J，et al.Chemical Retreating for Gel-typed Aerogel and Insulation Performance of Cement Containing Aerogel[J].Construction and Building Materials，2013，40：501—505.

[12]GAO T，JELLE B P，GUSTAVSEN A，et al.Aerogel-incorporated Concrete：An Experimental Study[J].Construction and Building Materials，2014，52：130—136.

[13]郭金濤.硅氣凝膠/?；⒅閺秃媳厣皾{研究[D].西安：長安大學，2011. GUO Jin-tao.Study on Silica Aerogels/Glazed Hollow Beads Composite Thermal-Insulating Mortar[D].Xi′an：Chang′an University，2011.

[14]趙保平，孫建亮，張韜，等.產(chǎn)品定壽與延壽中的幾個環(huán)境問題[J].裝備環(huán)境工程，2014，11（4）：21—25. ZHAO Bao-ping，SUN Jian-liang，ZHANG Tao，et al.Some Problems of Environment Engineering in Life Estimation and Prolongation of Products[J].Equipment Environmental Engineering，2014，11（4）：21—25.

[15]阮崢，劉朝輝，鄧智平，等.環(huán)氧樹脂體系功能化研究進展[J].裝備環(huán)境工程，2015，12（1）：51—58. RUAN Zheng，LIU Zhao-hui，DENG Zhi-ping，et al.Research Progress in Functionalization of Epoxy Resin Systems [J].Equipment Environmental Engineering，2015，12（1）：51—58.

[16]封先河.環(huán)境作用動力學基礎及應用[J].裝備環(huán)境工程，2015，12（2）：15—18. FENG Xian-he.Basement and Application of Dynamics of Environmental Effect[J].Equipment Environmental Engineering，2015，12（2）：15—18.

[17]朱強，李元章，李云仲，等.低成本復合材料在小型飛艇吊艙上的應用[J].裝備環(huán)境工程，2015，12（1）：110—113. ZHU Qiang，LI Yuan-zhang，LI Yun-zhong，et al.Application of Low-cost Composite Materials in the Small Airship Pod[J]. Equipment Environmental Engineering，2015，12（1）：110—113.

[18]FERRARIS C F.Alkali-silica Reaction and High PerformanceConcrete[R].NISTInteragency/InternalReport，（NISTIR）-5742，1995.

[19]HEWLETT P C.Lea′s Chemistry of Cement and Concrete[J]. Stat Bull Metrop Insur Co，2004，72（2）：14—33.

Performance Optimization of SiO2Aerogel Mortar

WANG Fei1，HUANG Lu2，LIU Zhao-hui1，YE Sheng-tian1，JIA Yi-fan1
（1.Department of Chemistry&Material Engineering，LEU，Chongqing 401311，China；2.Southwest Technology and Engineering Research Institute，Chongqing 400039，China）

Objective To study the performance optimization of mortar at a SiO2aerogel particles volume replacement ratio of 30%,in order to improve the thermal insulation performance and environmental adaptability. Methods With the method of orthogonal experiment,fiber,air-entraining agent and powder were added into the mortar to improve the insulation performance,and the density,mechanical properties,water absorption,especially the thermal conductivity of mortar were compared to study the influence of different doping ratio.Results When the dosages of fiber,air-entraining agent and powder were 0.2%,0.05%and 1%respectively,the thermal conductivity was the lowest(0.3177 W/m·K).At this time,the density of mortar was 1751.6 kg/m3,the compressive strength and flexural strength were 13.4 MPa and 8.02 MPa,the water absorption was 7.19%,and the thermal conductivity was 0.3177 W/m·K. Conclusion By adding fiber,air-entraining agent and powder,the performance of mortar was improved to a certain degree,its density changed within a smaller range,the flexural strength largely increased,and the thermal conductivity reduced within a certain range.

SiO2aerogel；thermal insulation mortar；thermal conductivity；building insulation

LIU Zhao-hui（1965—），Male，from Chongqing，Ph.D.，Professor，Research focus：thermal insulation technology.

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.003

TJ04；TQ177.6

：A

1672－9242（2016）02－0013-05

2015-12-19；

2015-12-28

Received：2015-12-19；Revised：2015-12-28

全軍后勤科研計劃項目（BY115C007）

Fund：Supported by Logistical Scientific Research Projects of Army（BY115C007）

王飛（1988—），男，安徽人，碩士研究生，主要研究方向為保溫隔熱材料。

Biography：WANG Fei（1988—），Male，from Anhui，Master graduate student，Research focus：thermal insulation material.

劉朝輝（1965—），男，重慶人，博士，教授，主要研究方向為保溫隔熱技術。