發泡復合材料在建筑節能領域的應用

劉士權 李公產

(1 徐州大沃節能材料科技有限公司，江蘇 徐州221008；2 徐州工程學院，江蘇 徐州221008)

1 概述

我國建筑節能目標：通過全面推進建筑節能工作，到2010 年，城鎮建筑達到節能50%的設計標準，其中各特大城市和部分大城市率先實施節能65%的標準；開展城市既有居住和公共建筑的節能改造；大城市完成改造面積25%，中等城市完成15%，小城市完成10%。在此基礎上，到2020 年實現大部分既有建筑的節能改造，新建建筑東部地區要實現節能75%，中部和西部也要爭取實現節能65%。目前，許多地區（包括上海、天津、南京等）已開始推行居住建筑節能65%設計標準，北京市居住建筑節能70%的設計標準于2011 年開始實行。對新建建筑在開始設計時，采用新的節能設計標準，對原有的建筑進行節能改造[1]，提高圍護結構的熱工性能，通過降低外墻、屋面等的傳熱系數以達到增強建筑保溫性能的目的，從而降低建筑能耗。

發泡復合材料是一種微孔輕質、新型復合保溫防火材料。它是以膠凝材料、粉煤灰、陶粒等其他固體廢物（如煤矸石）通過發泡方式生產的具有保溫、防火、隔聲、減震性能的復合材料。

2 發泡復合材料的發展趨勢

針對我國建筑的節能設計要求，結合保溫材料的現狀及現代新型建筑對建筑材料的性能需求，保溫材料由單一材料向復合材料轉化；由有機材料向無機復合材料方向轉化。發泡復合材料正屬于這樣一類新型復合無機保溫材料。發泡復合材料的優點眾多，如：防火阻燃性好、變形系數小、保溫隔熱性能好、抗老化性能強、耐久性強、施工難度小、工程成本較低，原材料來源廣泛、生產過程中的能耗低、符合生態環保的要求，可以實現資源的循環再利用。推進節能新型復合材料的發展，淘汰落后的能耗高、破壞資源與環境的傳統建材，不僅是住房建設和建筑業現代化的需要，更是實施我國可持續發展戰略的需要。

3 發泡復合材料的性能

目前在施工中常用的發泡復合材料的密度等級在350 kg/m3到1200 kg/m3之間，在建筑中充分應用發泡復合材料可以大大降低建筑物的自重，降低幅度可以高達25%。建筑物自重降低的同時，基礎及結構費用也相應隨之減少，因此，在建筑施工中充分應用發泡復合材料可以起到很好的經濟效益。研究還表明，合理使用發泡復合材料的建筑較普通建筑具有更高的抗震性能；發泡復合材料具有良好的熱工性能：由于發泡復合材料中含有大量均勻封閉的氣孔，因此發泡復合材料具備良好的熱工性能。通過實驗發現，發泡復合材料的導熱系數在0.07 W/(m.K)-0.22W/(m.K)之間，將這種優質的多孔復合材料應用于建筑工程中，必將產生良好的保溫隔熱效果。通過大量的研究發現，發泡復合材料的主要優點有以下幾方面：

3.1 優越的熱工性能

發泡復合材料之所以具有良好的保溫隔熱性能是由其內部孔隙結構所決定的。觀察發泡復合材料的內部孔隙結構可以發現，發泡復合材料的內部充滿大量封閉、均勻的小圓孔。這些氣孔是封閉的，空氣不流通，絕熱效果好，因此材料的導熱系數很低，具有優越的保溫隔熱性能。發泡復合材料的這一良好的熱工性能是普通混凝土無法相比的。發泡復合材料的導熱系數在0.07 W/(m.K)-0.22W/(m.K)之間。

3.2 較低的容重

發泡復合材料的密度較小，實際施工中，發泡復合材料的密度等級在350 kg/m3到1200 kg/m3范圍內，近年來，密度更低的超輕發泡復合材料也開始出現，但在工程中尚未得到較大范圍的應用。實際工程中發泡復合材料的密度可以降至220kg/m3-800kg/m3，與粘土磚相比，密度只有粘土磚的1/3-1/10，其密度只相當于普通水泥混凝土的1/4-1/10。由于發泡復合材料的密度小，將其應用于建筑物的內外墻體、屋面、樓面、基礎等部位，可以使建筑物自重降低20%-30%。因此，在建筑工程中合理采用發泡復合材料，可以在保證建筑耐久性能和結構承載性能的同時，大大降低建筑工程的造價，具有良好的經濟效益和廣泛的市場前景。

3.3 明顯的減震效果

發泡復合材料由于密度較小、質量較輕、空隙率高，因此彈性模量較低。這些特性使得發泡復合材料在承受沖擊、地震荷載時所承受的力較小，震動波的傳遞速度比普通混凝土結構慢很多。從震動理論分析，建筑結構的自震周期越長，對沖擊能量的吸收就越快。因此，發泡復合材料具有良好的減震效果。在建筑工程中廣泛應用發泡復合材料可以有效地增加建筑物和構筑物的抗震性能，加強建筑物和構筑物在地震中的安全性。

3.4 良好的隔音耐火性能

發泡復合材料內部含有大量均勻、封閉、細小孔隙，因此具有良好的隔音性能。因此可以將發泡復合材料廣泛應用于建筑物的樓層、填充墻體、地下建筑物的頂層等建筑部位，起到良好的隔音效果。并且，發泡復合材料不易燃燒、具有較好的耐火性。通過大量研究顯示，干容重350 kg/m3到1200 kg/m3范圍內的發泡復合材料，當其抗壓強度為0.5MPa-7.0MPa 范圍內時，發泡復合材料的耐火極限可以達到1.8 小時，隔聲性能可以達到22db，不失為一種性能優越的隔音防火材料。

3.5 低碳環保

發泡復合材料在生產過程添加了大量的粉煤灰、煤矸石等固體廢棄物，減輕了固體廢棄物對土地的占用和環境的污染。通過一系列的生產過程，可以變廢為寶、節約資源，而且還大大降低了發泡復合材料的成本。發泡復合材料在建筑工程中的廣泛使用，降低了建筑物的能源消耗，降低了CO2的排放量，提升了建筑物的節能效果。

4 發泡復合材料的生產

生產發泡復合材料所需的原材料主要包括：發泡劑、硅酸鹽水泥、水、以及珍珠巖、陶粒、粉煤等和一些外加劑（聚丙烯纖維、減水劑、增強劑等），這樣不僅可以降低成本，節約能源、利用大量的工業廢渣，減輕環境的污染，而且還可以改善材料的性能。下面分別介紹各種主要原料的性能及特點。

硅酸鹽水泥以黏土和石灰石為原料，經高溫煅燒得到以硅酸鈣為主要成分的熟料，加入0-5%的混合材料和適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料。硅酸鹽水泥是泡沫復合材料中的主要材料，對材料的強度起著決定性的作用，隨著水泥的用量越多，材料的強度逐漸增加，材料的干容重增加，但是材料的保溫系數逐漸降低。

發泡劑是生產發泡復合材料的關鍵材料，發泡劑選用的是否恰當，直接關系到復合材料的發泡效果及熱工性能。發泡劑目前市場上種類很多，但并非都能適用于泡沫混凝土生產。只有在泡沫和料漿混合時，具有足夠的穩定性，對硅酸鹽水泥的凝結和硬化無有害影響，才能用來生產發泡復合材料。目前發泡劑品種主要有松香型發泡劑、表面活性劑類發泡劑、植物類發泡劑、動物類發泡劑和復合類發泡劑[2]。松香型發泡劑價格低廉，方便易得，但由于其穩定性不好。蛋白質型發泡劑，由于合成技求要求高，至今難以達到國外產品的質量，目前成本較高，應用很少，但其發泡性和泡沫的穩定性都較好。表面活性劑類發泡劑發泡倍數大，易起泡，但其缺點是泡徑大，泡壁薄，消泡快，穩定性差。目前國內應用較多的是復合類發泡劑，該發泡劑成本較低，發泡倍數高，泡沫穩定性好，泡徑均勻。發泡劑主要影響泡沫量、泡沫穩定和細密性等，也影響發泡成本，尤其是對泡沫量及泡沫品質影響最大[3]。

穩泡劑[4]是生產發泡復合材料不可缺少的外加劑。穩泡劑的性能優良與否直接影響發泡復合材料的孔隙率和強度。發泡劑發出的泡沫能夠存續的時間能否達到或超過硅酸鹽水泥的初凝時間，如果低于硅酸鹽水泥的初凝時間，那么泡沫將不斷破裂，導致發泡復合材料的孔隙率下降，保溫性能下降?？紫堵逝c密度及強度都有直接的關系，并產生雙重影響?？紫堵试礁撸芏仍叫。珡姸纫苍降?。強度與密度成正比，二者基本是一致的，強度隨密度而下降，密度隨孔隙率而下降[5]。因此通常采用穩泡劑來延長泡沫的存續時間，使之超出硅酸鹽水泥的初凝時間。

發泡復合材料的生產工藝流程[6]是先制備出泡沫，然后將制備好的泡沫與填充料漿充分拌合，依靠泡沫的添加量來調節發泡復合材料的濕容重，直至符合要求，最后進行澆筑成型，進行充分養護。另外一種方法是料漿的拌合與發泡是同時進行的，先將發泡劑按1：16 倍進行稀釋，然后添加其他材料，混合后進行充分攪拌，不少于5 分鐘，進行容重的測試調整。直至符合要求，然后澆筑成型、養護。

5 結論

發泡復合材料作為一種新型復合保溫防火材料，在建筑節能領域有著廣泛的市場前景，該材料不僅熱工性能優越，而且還具有良好的耐火、隔音、消能減震效果，特別適用于建筑外墻保溫體系[7]和自保溫體系。降低能耗，低碳排放，是建設和諧社會和可持續發展的重要戰略規劃。

建筑節能是一項長期工作，雖然短期內會增加消費者負擔，但長期來看，不僅對消費者還是對社會，都是利大于弊；可有效減少能源消耗，達到減少廢氣排放、降低環境污染目的。因此，開展建筑節能，推廣使用發泡復合材料是緩解我國能源緊缺矛盾、減輕環境污染、促進經濟可持續發展的一項最有效、最直接的措施。

[1] 孫鳳明,李娟.既有居住建筑節能改造研究[J].工業建筑,2008,(3):35-38.

[2]高波，王群力，周孝德.混凝土發泡劑及泡沫穩定性的研究[J].粉煤灰綜合利用，2004，(1):13-1

[3]李文博.泡沫混凝土發泡劑性能及其泡沫穩定改性研究[D].大連理工大學.2009

[4]王翠花，潘志華.混凝土發泡劑的泡沫穩定性研究[J]化學建材.2006，22(3):47-50

[5]范桂細.泡沫混凝土的生產與應用技術[J].水泥與混凝土，2005，(9):21-22.1.1

[6]閆振甲，何艷君.泡沫混凝土實用生產技術[M].北京:化學工業出版社.2006，6

[7]尚建麗.武強建筑外墻保溫體系綜合分析[J].新型建筑材料，2009.3，46-48