凍融循環下建筑氣凝膠復合保溫材料制備及性能研究

趙亞平 張海燕

（1.山東水利建設集團有限公司 山東 濟南 271700；2.山東九巨龍建設集團有限公司，山東 濟寧 272000）

在快速發展的社會經濟背景下，建筑行業作為支柱產業，對能源的需求呈現出持續增長的趨勢。在建筑能耗中，外圍護結構的傳熱損失占據了相當大的比重，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、高孔隙率和高熱導率等特點，使其在建筑領域的應用前景極為廣闊。盡管氣凝膠及其復合保溫材料在建筑領域展現出巨大的應用潛力，但仍然存在一些亟待解決的問題。首先，氣凝膠的強度和韌性相對較低，容易發生脆性斷裂，這對其在實際應用中的持久性構成了挑戰；其次，氣凝膠的制備過程需要使用大量的有機溶劑，這無疑對環境產生了一定的污染壓力；最后，氣凝膠在凍融循環條件下的性能穩定性仍有待提高，這對其在各種氣候條件下的廣泛應用形成了制約。因此，開展凍融循環下建筑氣凝膠復合保溫材料的制備及性能研究具有重要的實際意義。這一研究不僅有助于解決氣凝膠的強度和環境友好性問題，更能進一步提高其在不同環境條件下的穩定性，為推動建筑行業的綠色可持續發展提供有力的材料支持。

1 試驗方法與過程

1.1 試驗試劑和試驗儀器

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

表1 試驗試劑一覽表

表2 試驗儀器一覽表

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

1.2 制備建筑氣凝膠復合保溫材料

本次試驗采用了溶膠-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生水解和聚合反應，從而生成SiO2溶膠。隨后，通過凝膠化過程，將溶膠轉化為具有連續三維網絡結構的SiO2氣凝膠[3,4]。這一步的操作關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，因其具有優異的保溫性能和低導熱系數而被廣泛采用。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構，進一步提升SiO2氣凝膠材料的保溫性能和抗壓強度。根據上述步驟完成膨脹珍珠巖和SiO2氣凝膠的融合之后，還需要進行干燥處理，也就是將復合型材料放置在電熱鼓風干燥箱內，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，進而得到具有優異性能的膨脹珍珠巖-SiO2氣凝膠復合保溫材料。

1.3 循環凍融試驗

為了模擬建筑氣凝膠復合保溫材料在實際應用中反復凍融循環的過程，本文參考《硬質泡沫塑料凍融循環試驗方法》，對上述內容制備的膨脹珍珠巖-SiO2氣凝膠復合保溫材料進行凍融循環測試[3]。首先，將原始復合型保溫材料放在壓浸水環境下進行有壓吸水，材料的含水率為：

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

當復合型保溫材料的含水率達到最大值，也就是吸水飽和后，再將材料置于設定好的凍融循環環境中，控制溫度在冰點以下和室溫之間，通常為-20℃，進行材料的凍結，凍結2h后取出復合型保溫材料，將其放置在無壓吸水環境中進行浸泡，浸泡2h后取出材料，此為一個凍融循環。根據試驗要求，不斷重復材料的凍結與浸泡步驟，進行一定次數的凍融循環，且在每個凍融循環中，確保試樣充分凍結和融化。在完成指定次數的凍融循環后，即可對建筑氣凝膠復合保溫材料進行性能測試。其中，抗壓性能測試主要依靠抗壓強度性能測試儀完成，不斷向材料施加壓力，實時記錄試件變形情況，直到試件壓縮至原始厚度的80%，停止加載，此時根據試驗機顯示應力值即可計算出材料的抗壓強度，表達式如下：

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

然后開展導熱系數建筑氣凝膠復合保溫材料的導熱系數測試，這里主要采用導熱系數測定儀進行測試，以每兩個材料試件為一組進行導熱系數測試，取兩個吸水率相同的試樣，利用儀器的測試探頭進行試樣導熱系數的檢測，依據氣凝膠復合保溫材料的多孔介質結構特征，引入Maxwell模型進行導熱系數的求解：

式中γ0表示氣凝膠復合保溫材料的等效導熱系數；γ1、γ2分別表示氣凝膠復合保溫材料連續相、分散相的導熱系數；ε表示分散相體積分數。

通過上述內容所獲取的抗壓強度和導熱系數參數，即可驗證分析凍融循環下建筑氣凝膠復合保溫材料的性能。

2 試驗結果與分析

2.1 凍融循環對復合保溫材料力學性能的影響

本章主要探討不同SiO2氣凝膠摻入量下復合型保溫材料的抗壓強度在不同凍融循環次數下的變化規律，所得試驗結果如圖1所示。

圖1 凍融循環下復合保溫材料抗壓強度變化

從圖1中可以看出，隨著凍融循環的進行，建筑氣凝膠復合型保溫材料的抗壓強度逐漸減弱。這是由于在凍融過程中材料反復經歷凍脹和融縮，導致其內部結構受到破壞和損傷。但是，通過摻入SiO2氣凝膠，可以顯著提升復合型保溫材料的抗壓強度。隨著SiO2氣凝膠摻入量的增加，復合型保溫材料的抗壓強度也隨之增強，這是由于SiO2氣凝膠在復合材料中起到了增強和增韌的作用，進而提高了材料的抗裂性和韌性。

2.2 凍融循環對復合保溫材料導熱系數的影響

本章主要探討不同SiO2氣凝膠摻入量下復合型保溫材料的導熱系數在循環凍融前后的變化規律，這里凍融循環次數設置為200次，所得試驗結果如圖2所示。

圖2 循環凍融下復合保溫材料導熱系數變化

從圖2中可以看出，隨著SiO2氣凝膠摻入量的增加，復合型保溫材料的導熱系數在循環凍融前后均呈現先下降后上升的趨勢，特別是在經過一定次數的凍融循環后，不同摻入量的材料之間的導熱系數差異更加明顯。這說明SiO2氣凝膠的加入有助于降低材料的導熱系數，從而提高其保溫性能，但如果SiO2氣凝膠摻入量超過30%，復合型保溫材料的導熱系數又會不斷增大。因此，在實際的建筑工程中，考慮到材料在不同溫度和環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合型保溫材料具有良好的保溫性能和耐久性至關重要。

3 結語

通過試驗研究了凍融循環下建筑氣凝膠復合保溫材料制備及性能，得出SiO2氣凝膠的摻入對建筑復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，復合保溫材料的抗壓強度逐漸上升，且導熱系數逐漸降低，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方面展開進一步研究：一是深入研究氣凝膠與其他材料的相互作用機制，以提高材料整體性能；二是優化制備工藝，降低生產成本，推動氣凝膠復合保溫材料在實際工程中的應用。