趙亞平 張海燕

（1.山東水利建設(shè)集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 271700；2.山東九巨龍建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

在快速發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)背景下，建筑行業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)，對能源的需求呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢。在建筑能耗中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失占據(jù)了相當(dāng)大的比重，所以提高建筑的保溫性能對降低能耗具有舉足輕重的作品。氣凝膠作為一種新型保溫材料，具備輕質(zhì)、高孔隙率和高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，使其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣闊。盡管氣凝膠及其復(fù)合保溫材料在建筑領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但仍然存在一些亟待解決的問題。首先，氣凝膠的強(qiáng)度和韌性相對較低，容易發(fā)生脆性斷裂，這對其在實(shí)際應(yīng)用中的持久性構(gòu)成了挑戰(zhàn)；其次，氣凝膠的制備過程需要使用大量的有機(jī)溶劑，這無疑對環(huán)境產(chǎn)生了一定的污染壓力；最后，氣凝膠在凍融循環(huán)條件下的性能穩(wěn)定性仍有待提高，這對其在各種氣候條件下的廣泛應(yīng)用形成了制約。因此，開展凍融循環(huán)下建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料的制備及性能研究具有重要的實(shí)際意義。這一研究不僅有助于解決氣凝膠的強(qiáng)度和環(huán)境友好性問題，更能進(jìn)一步提高其在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，為推動(dòng)建筑行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供有力的材料支持。

1 試驗(yàn)方法與過程

1.1 試驗(yàn)試劑和試驗(yàn)儀器

為探究凍融循環(huán)作用對建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料性能的影響，本文開展了建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料的制備與凍融循環(huán)試驗(yàn)。表1、表2展示了本次試驗(yàn)中用到的主要試劑和儀器[1]。

表1 試驗(yàn)試劑一覽表

表2 試驗(yàn)儀器一覽表

按表1、表2 準(zhǔn)備好本次試驗(yàn)所需試劑和儀器后，即可正式開始凍融循環(huán)下建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料制備及性能試驗(yàn)。

1.2 制備建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料

本次試驗(yàn)采用了溶膠-凝膠法制備SiO2氣凝膠[2]，簡單來說就是將硅源（水玻璃）和催化劑（鹽酸）按體積比1:4混合在一起，讓其在特定的溫度和濕度條件下發(fā)生水解和聚合反應(yīng)，從而生成SiO2溶膠。隨后，通過凝膠化過程，將溶膠轉(zhuǎn)化為具有連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SiO2氣凝膠[3,4]。這一步的操作關(guān)鍵在于精確控制凝膠化條件，以確保得到的氣凝膠具有高孔隙率和比表面積。在完成SiO2氣凝膠的制備后，下一階段本次試驗(yàn)采用真空浸漬法[5-7]，將水溶膠吸附到膨脹珍珠巖中。珍珠巖是一種天然礦物材料，因其具有優(yōu)異的保溫性能和低導(dǎo)熱系數(shù)而被廣泛采用。通過真空浸漬處理，SiO2氣凝膠與珍珠巖緊密結(jié)合，形成一種新型保溫材料，這樣就可以利用珍珠巖的多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升SiO2氣凝膠材料的保溫性能和抗壓強(qiáng)度。根據(jù)上述步驟完成膨脹珍珠巖和SiO2氣凝膠的融合之后，還需要進(jìn)行干燥處理，也就是將復(fù)合型材料放置在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，按照30℃～120℃分段干燥[8-10]，旨在去除材料中的剩余溶劑和水分，進(jìn)而得到具有優(yōu)異性能的膨脹珍珠巖-SiO2氣凝膠復(fù)合保溫材料。

1.3 循環(huán)凍融試驗(yàn)

為了模擬建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料在實(shí)際應(yīng)用中反復(fù)凍融循環(huán)的過程，本文參考《硬質(zhì)泡沫塑料凍融循環(huán)試驗(yàn)方法》，對上述內(nèi)容制備的膨脹珍珠巖-SiO2氣凝膠復(fù)合保溫材料進(jìn)行凍融循環(huán)測試[3]。首先，將原始復(fù)合型保溫材料放在壓浸水環(huán)境下進(jìn)行有壓吸水，材料的含水率為：

式中η表示氣凝膠復(fù)合保溫材料的質(zhì)量吸水率；G1、G2分別表示氣凝膠復(fù)合保溫材料的吸水質(zhì)量和初始質(zhì)量。

當(dāng)復(fù)合型保溫材料的含水率達(dá)到最大值，也就是吸水飽和后，再將材料置于設(shè)定好的凍融循環(huán)環(huán)境中，控制溫度在冰點(diǎn)以下和室溫之間，通常為-20℃，進(jìn)行材料的凍結(jié)，凍結(jié)2h后取出復(fù)合型保溫材料，將其放置在無壓吸水環(huán)境中進(jìn)行浸泡，浸泡2h后取出材料，此為一個(gè)凍融循環(huán)。根據(jù)試驗(yàn)要求，不斷重復(fù)材料的凍結(jié)與浸泡步驟，進(jìn)行一定次數(shù)的凍融循環(huán)，且在每個(gè)凍融循環(huán)中，確保試樣充分凍結(jié)和融化。在完成指定次數(shù)的凍融循環(huán)后，即可對建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料進(jìn)行性能測試。其中，抗壓性能測試主要依靠抗壓強(qiáng)度性能測試儀完成，不斷向材料施加壓力，實(shí)時(shí)記錄試件變形情況，直到試件壓縮至原始厚度的80%，停止加載，此時(shí)根據(jù)試驗(yàn)機(jī)顯示應(yīng)力值即可計(jì)算出材料的抗壓強(qiáng)度，表達(dá)式如下：

式中P表示建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料的抗壓強(qiáng)度；F表示抗壓測試停止時(shí)測試儀顯示的最大壓力；S表示復(fù)合保溫材料的截面積。

然后開展導(dǎo)熱系數(shù)建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測試，這里主要采用導(dǎo)熱系數(shù)測定儀進(jìn)行測試，以每兩個(gè)材料試件為一組進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測試，取兩個(gè)吸水率相同的試樣，利用儀器的測試探頭進(jìn)行試樣導(dǎo)熱系數(shù)的檢測，依據(jù)氣凝膠復(fù)合保溫材料的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，引入Maxwell模型進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的求解：

式中γ0表示氣凝膠復(fù)合保溫材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)；γ1、γ2分別表示氣凝膠復(fù)合保溫材料連續(xù)相、分散相的導(dǎo)熱系數(shù)；ε表示分散相體積分?jǐn)?shù)。

通過上述內(nèi)容所獲取的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)，即可驗(yàn)證分析凍融循環(huán)下建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料的性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)對復(fù)合保溫材料力學(xué)性能的影響

本章主要探討不同SiO2氣凝膠摻入量下復(fù)合型保溫材料的抗壓強(qiáng)度在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的變化規(guī)律，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 凍融循環(huán)下復(fù)合保溫材料抗壓強(qiáng)度變化

從圖1中可以看出，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，建筑氣凝膠復(fù)合型保溫材料的抗壓強(qiáng)度逐漸減弱。這是由于在凍融過程中材料反復(fù)經(jīng)歷凍脹和融縮，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞和損傷。但是，通過摻入SiO2氣凝膠，可以顯著提升復(fù)合型保溫材料的抗壓強(qiáng)度。隨著SiO2氣凝膠摻入量的增加，復(fù)合型保溫材料的抗壓強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，這是由于SiO2氣凝膠在復(fù)合材料中起到了增強(qiáng)和增韌的作用，進(jìn)而提高了材料的抗裂性和韌性。

2.2 凍融循環(huán)對復(fù)合保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

本章主要探討不同SiO2氣凝膠摻入量下復(fù)合型保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)在循環(huán)凍融前后的變化規(guī)律，這里凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)置為200次，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 循環(huán)凍融下復(fù)合保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)變化

從圖2中可以看出，隨著SiO2氣凝膠摻入量的增加，復(fù)合型保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)在循環(huán)凍融前后均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，特別是在經(jīng)過一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，不同摻入量的材料之間的導(dǎo)熱系數(shù)差異更加明顯。這說明SiO2氣凝膠的加入有助于降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而提高其保溫性能，但如果SiO2氣凝膠摻入量超過30%，復(fù)合型保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)又會不斷增大。因此，在實(shí)際的建筑工程中，考慮到材料在不同溫度和環(huán)境條件下的性能變化，選擇合適的SiO2氣凝膠摻入量對于確保復(fù)合型保溫材料具有良好的保溫性能和耐久性至關(guān)重要。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)下建筑氣凝膠復(fù)合保溫材料制備及性能，得出SiO2氣凝膠的摻入對建筑復(fù)合保溫材料的性能有著顯著影響，隨著SiO2氣凝膠摻入量的增加，復(fù)合保溫材料的抗壓強(qiáng)度逐漸上升，且導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，表明氣凝膠能夠提升建筑保溫材料的抗凍性能。未來本文可針對以下幾個(gè)方面展開進(jìn)一步研究：一是深入研究氣凝膠與其他材料的相互作用機(jī)制，以提高材料整體性能；二是優(yōu)化制備工藝，降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)氣凝膠復(fù)合保溫材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用。