氣凝膠水泥復合多孔材料的研究現狀

尹學彬 崔雅楠

1 引言

隨著2020年9月22日習近平主席在第七十五屆聯合國大會做出“2030年前實現碳達峰、2060年實現碳中和”的承諾，碳減排成為令人最為關注的問題。建筑領域的能源消耗占我國總能耗的35%，因此降低建筑能耗，有效降低碳排放量，是實現“碳中和”的重要途徑。水泥是應用最為廣泛的一種傳統建筑材料，廣大的科學工作者也一直致力于實現水泥材料的保溫隔熱性能，從而使得水泥能順應社會的發展需要，更加廣泛地應用到建筑領域。發泡水泥是一種多孔材料，可以實現在建筑上的保溫效果，同時由于輕質保溫材料（聚氨酯、發泡聚苯乙烯以及工業廢料等）[1-6]特殊的結構，將其添加到發泡水泥中，得到的復合材料可進一步提高現有建筑的保溫性能，但隨著國家建筑節能標準要求的提升，為進一步提高發泡水泥的保溫性能，需要尋求更加輕質保溫的新型材料。

一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其誕生源于美國化學家Samuel Kistler與Charles Learned的賭局：看誰能夠做到將果凍狀凝膠內的液體換成氣體（干燥），同時不改變其固體結構，后由Kistler通過超臨界干燥技術制得[7]。根據氣凝膠的基體不同，如硅系、硫系、碳系、金屬系和金屬氧化物系等。氣凝膠獨特的三維網絡結構賦予氣凝膠密度低、比表面積大、孔隙率高和導熱系數低等顯著特性。氣凝膠的出現，實現了人們對超輕、絕熱固體材料的追求，使得尋找一種新型保溫隔熱性能優異的材料成為可能。

氣凝膠以其高孔隙率、高比表面積的特性，作為典型的納米多孔材料，以輕骨料的形式與傳統的水泥材料相結合，可有效改善水泥內部的結構，降低建筑材料的導熱系數，提升材料的保溫隔熱性能。

2 氣凝膠水泥在建筑節能保溫隔熱領域的應用

2.1 氣凝膠水泥砂漿復合材料

氣凝膠砂漿中均為無機材料，其各組分均為不燃組分，因此可涂覆于混凝土表面以提高其耐火性，同時加上氣凝膠導熱系數低，氣凝膠水泥砂漿表現出優異的保溫隔熱性能和耐火性，在建筑領域有很大的應用前景。目前國內外對此研究尚處于起步階段，研究集中在氣凝膠添加量對砂漿強度和導熱系數的影響。

KIM等[8]將氣凝膠與水泥漿混合，當氣凝膠摻入量為2%時，相比摻入前減少了75%，其導熱系數由0.533W/（m·K）降低至0.135W/（m·K）。同時，氣凝膠顆粒在膠凝材料水化過程中性能穩定，驗證了氣凝膠和水泥基材料相結合在施工應用中的可行性。GAO等[9]的研究同樣驗證了這一點。郭金濤[10]以硅酸鹽水泥為主要膠凝材料，優質的二氧化硅（SiO2）氣凝膠粉體復配其他材料作為保溫骨料，加上合理配比的可再分散乳膠粉、粉煤灰、抗裂纖維、纖維素醚等改性劑，制備得到一種硅氣凝膠玻化微珠復合絕熱保溫砂漿，該砂漿成本較之前有所下降，導熱系數為0.061W/（m·K），保溫性能比市場上導熱系數為0.070W/（m·K）的類似產品優異得多。

鑒于氣凝膠本身不良的力學性能，氣凝膠添加到水泥砂漿中會對砂漿的力學性能產生不良影響。王飛等[11，12]研究發現氣凝膠砂漿的密度、強度、導熱系數都會受到氣凝膠添加比例的影響，氣凝膠顆粒添加比例越大，上述性能的數值越低。氣凝膠水泥砂漿作為建筑用材料，力學性能達標是非常關鍵的，否則會帶來很大的安全隱患。水泥基材料通過加入纖維進行改善其脆性，加入引氣劑提高耐久性，輔以氣凝膠粉體可以使得氣凝膠水泥復合材料的力學性能和保溫性能得到改善。王飛團隊[13]按照這個研發思路做了深入研究，通過調整纖維、引氣劑和氣凝膠粉體的配比，得出三者的摻雜比例為0.2%、0.05%、1%時，材料的性能最優，導熱系數僅為0.318W/（m·K），抗折強度為13.4MPa，抗壓強度為8.02MPa，其各項性能均得到一定程度的改善。

SiO2氣凝膠與水泥砂漿的相容性問題是阻礙將SiO2氣凝膠應用于建筑復合保溫隔熱材料中的另一個難題。因為氣凝膠的憎水性和質量輕的緣故，導致氣凝膠與砂漿結合時，會出現氣凝膠浮在砂漿的表面，無法均勻分散。為解決上述問題，需對氣凝膠表面進行改性，從而提高氣凝膠與水泥膠凝材料的界面相容性。目前最常用的表面改性劑為KH550硅烷偶聯劑，劉朝輝等[14]采用KH550對SiO2氣凝膠顆粒表面進行親水改性，改性后的SiO2氣凝膠顆粒分散到水泥砂漿中，重點研究了氣凝膠顆粒的替換比例對水泥砂漿性能的影響。研究表明，SiO2氣凝膠的疏水性表面得到改善后，可以以鑲嵌地形式穩定得存在于砂漿中，與膠凝材料較為緊密的結合在一起，以鑲嵌的形式與同時得出，氣凝膠顆粒替換骨料的替換比例為50%時，氣凝膠砂漿的綜合性能最佳，其抗壓強度為2.23MPa，抗折強度為8.3MPa、導熱系數為0.225W/（m·K）。

另外，研究工作者還發現，價格低廉的粘土可以作為增強復合材料的填料，將粘土氣凝膠與砂漿結合，可以提高復合材料的相容性，同時可以提高砂漿的機械強度。戴勤友[15]以納米偏高嶺土為原材料，制備出新型輕質的粘土氣凝膠保溫隔熱材料。鑒于粘土氣凝膠特殊的層狀結構，與砂漿結合可以有效分散力學載荷的傳遞，從而達到提高砂漿機械性能的目的。此外，氣凝膠的多孔結構，可以在砂漿水化初期儲存水分，凝膠老化階段釋放水分，有效促進水泥水化，提高砂漿養護后期的水化程度。

2.2 氣凝膠發泡水泥

發泡水泥作為一種良好的節能保溫隔熱材料，具有密度小、隔音效果好、防火性能優良、抗震性好的優點[16]，在建筑節能領域備受關注。但其保溫隔熱性能相比于廣泛應用的泡沫聚合物保溫板還有一定差距。加上隨著國家建筑節能標準要求的提升，需尋求更加輕質保溫的新型材料，進一步提高發泡水泥的保溫性能。

國內外科研工作者對SiO2氣凝膠與發泡水泥結合也進行了初步得研究，目前其應用形式主要分為3類：作為唯一的輕骨料，與其他輕骨料搭配使用，SiO2氣凝膠填充多孔輕骨料孔隙。

Ng[17]采用一種超高性能的水泥作為基質，SiO2氣凝膠作為唯一輕骨料，研究了不同的添加比例對氣凝膠發泡水泥各項性能的影響。研究表明：在SiO2氣凝膠添加量為50vol%（體積分數）的情況下，氣凝膠發泡水泥的導熱系數為0.55W/（m·K），抗壓強度為20MPa；當氣凝膠添加量增至80vol%時，導熱系數進一步降低，為0.31W/（m·K），但由于水泥漿與骨料比率過低，復合材料抗壓強度幾乎為零，抗折強度僅為0.2MPa。綜上所述，將氣凝膠直接與水泥基材料以物理混合的方式制備復合材料，可以提升材料的保溫新能，但力學性能會下降，無法滿足材料在建筑領域的應用。因此，如果想在獲得更低的導熱系數的同時，希望復合材料兼顧優良的力學性能，無法通過調整砂漿配比與輔料來實現。

SiO2氣凝膠單獨作為骨料添加到發泡水泥中，除了力學性能的驟降無法解決外，其高昂的成本對于材料消耗量巨大的建筑業來說，是無法接受的。因此，低成本氣凝膠保溫材料的開發顯得尤為重要，為達到最佳的性價比，現在市場上大多數都是將氣凝膠與廉價的多孔輕骨料如玻化微珠、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等配合使用。

Hanif等[18]將氣凝膠與粉煤灰空心微珠配合使用，與水泥材料制備得到氣凝膠水泥復合多孔材料，同時采用聚乙烯醇纖維作為材料的支撐結構來提升材料的力學性能，最終制得復合材料的抗壓強度最高可達23.54MPa，導熱系數可低至0.319 W/（m·K）。研究還發現，粉煤灰空心微珠的加入使得相同密度下復合砂漿的力學性能較氣凝膠單獨作為輕骨料時復合砂漿的強度有了一定程度的增加。這是由于粉煤灰空心微珠的強度優于氣凝膠的強度，并且在水泥水化時部分參與反應，提高了復合砂漿的力學性能。

SiO2氣凝膠填充多孔輕骨料孔隙，在凝膠形成之前，將多孔輕骨料浸漬在含有SiO2氣凝膠的溶液里，直至溶液充滿孔隙，隨后進行凝膠、干燥處理，這樣得到的結構可以使氣凝膠顆粒充滿輕骨料內部。由于氣凝膠的存在，有效降低了復合多孔材料的導熱系數；而復合材料的力學性能取決于氣凝膠顆粒的載體—多孔輕骨料，因此力學性能得以提升。

賈冠華等[19，20]通過上述工藝將膨脹珍珠巖浸漬到SiO2凝膠溶液中，SiO2氣凝膠逐漸滲透至多孔輕骨料的孔隙中，凝膠干燥處理后得到了一種納米多孔結構的復合材料，該材料化學性能穩定且具有優異的疏水性能，導熱系數最多下降31.8%的同時，力學性能基本保持不變。這是由于SiO2氣凝膠均勻分布在膨脹珍珠巖的孔隙中，膨脹珍珠巖顆粒包裹在SiO2周圍，很好地保護了氣凝膠脆弱的結構。這種方法為多孔材料的表面處理提供了新思路，具有很好的應用前景。

3 存在的問題和發展方向

氣凝膠是一種新型高效的保溫隔熱材料，相對于傳統保溫材料，其保溫隔熱能力的提升有目共睹。氣凝膠以其超低的導熱系數與傳統的建筑用材料—水泥漿料相結合，擁有十分廣闊的應用前景。但由于氣凝膠本身輕質、低強、疏水的特性，導致在應用過程中還存在諸多問題，也為氣凝膠水泥復合多孔材料的開發帶來了一系列困難，重點應從以下幾個方面進行改進：

①由于建筑體量較大，材料成本控制要求較高，而氣凝膠作為一種新型的材料，盡管現在可以選擇廉價的硅源和常壓干燥法生產，但相比于傳統保溫材料來說價格依然昂貴，高居不下的價格限制了在建筑行業的大規模應用。因此，低成本的氣凝膠材料的開發也是目前亟需解決的問題。

②低導熱系數的氣凝膠本身的弱點是強度低，常規摻合到水泥中會大大降低材料的力學性能，從而限制其使用范圍。以其他形式與水泥結合的研究，目前處于起步階段，因此同時保留水泥材料的高強度和氣凝膠材料的優良的保溫性能是氣凝膠水泥復合多孔材料研發的關鍵問題。

③目前國內外對氣凝膠水泥的研究重點在氣凝膠摻加量與水泥強度、含水率、密度和導熱系數的影響，主要影響氣凝膠水泥復合材料的密度，保溫和耐火這幾方面的性能，但針對2種親疏水截然不同的材料的界面結合機理以及結合方式的研究還較少。同時，由于兩者的親水性差距很大，氣凝膠的添加量對水泥本身的耐久性也有很大影響，如果改進材料的不足，也需要進行深入研究。作為建筑領域后續極力推廣的新型保溫隔熱材料，氣凝膠在建筑上的理論及應用研究肯定會受到廣大科研工作者的重點關注，相信在不久的將來，氣凝膠建筑保溫隔熱材料將會得到廣泛的應用。

4 結語

將氣凝膠與傳統建材水泥相結合，可顯著降低水泥的導熱系數，明顯提升材料的保溫隔熱性能，在建筑節能領域有顯著的優勢。鑒于氣凝膠是一種新興的建筑保溫材料，其與水泥材料相結合的研究，尚處于起步階段。未來，為拓展其更多的應用領域，尋找與綠色低碳建筑更多的契合點，需從以下幾個方面深入研究：①進一步降低SiO2氣凝膠生產成本。可從氣凝膠生產過程中的工藝控制及對設備的要求等方面來降低成本。②深入研究氣凝膠與水泥相結合的理論基礎以及兩者界面結合的機理，得出新型材料的保溫隔熱性能與力學性能的平衡點。③優化氣凝膠水泥基復合材料的設計。確保氣凝膠在水泥基中實現功能最大化，以最少的用量得到最佳的保溫性能。

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

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