粉煤灰—水泥基發泡保溫材料研究及應用

李曉英+張琴+雷波+宋丹+毛振龍

摘要：介紹了水泥基發泡保溫材料制備過程中水泥品種的選擇，評述了粉煤灰對水泥基發泡保溫材料性能的影響，討論了粉煤灰-水泥基發泡材料在建筑保溫方面的應用。分析了目前研究和應用中存在的主要問題，并探究了這種保溫材料在裝配式建筑過程中的應用前景。

關鍵詞：保溫材料；粉煤灰；發泡；研究

中圖分類號：TU521

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）6-0164-05

1 引言

20世紀80年代中國就曾經制定了積極的建筑節能政策，但到2010年仍然未能達到社會要求[1]。“十二五”規劃再次指出：促進環境友好型建筑材料的使用，降低建筑能耗，發展節能型建筑。調查顯示，加上建筑材料生產過程的能耗，我國建筑能耗約占社會總能耗的46.7%。其中，采暖和空調能耗比例高達20%[2]。由此可見，提高建筑的保溫性能，減少建筑的熱散失，是降低建筑能耗最直接、有效的途徑。

保溫材料按照材料類型可分為3類：有機材質類、無機材質類和復合材質類。目前，有機材質類保溫材料市場應用最廣。但近幾年因使用有機保溫材料引發的火災給人類造成了較大損失。因此，推動了學者對不燃型無機保溫材料的研究[3～5]。2013年12月相繼立項公示的《保溫裝飾復合板外墻保溫構造》、《水泥發泡無機保溫板應用技術規程》等政策，以及四川省住房和城鄉建設廳于2016年發布最新政策文件均指出，全面禁止保溫砂漿類保溫材料的使用，取而代之的將是水泥基發泡保溫板。

國家“十二五”規劃指出“加強煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、磷石膏、化工廢渣、冶煉廢渣等大宗工業固體廢物的綜合利用”。日前，“十三五”規劃再次強調：“大力發展以尾礦、工業固體廢棄物為原料生產各種混凝土及制品”。粉煤渣是火力發電過程中煤燃燒后排出的固體廢棄物，若排入江河湖海，將會造成水體污染，大量堆放則會造成大氣、土壤的污染。近幾十年來，我國的電力工業得到了迅速發展，導致粉煤灰渣的堆積量不斷增加。據不完全統計，我國1995年因燃煤產生的粉煤灰總量達1.25億t，2011年約5.4億t，2015年約5.6億t[6]。可見，粉煤灰渣亟待處理。

粉煤灰渣可作為良好的輔助性膠凝材料部分替代水泥，用以制備水泥基發泡保溫材料，既促進了水泥基發泡保溫材料的發展，又解決了粉煤灰渣堆積的難題。國內外學者已對此進行了廣泛研究，本文對粉煤灰-水泥基發泡保溫材料的制備、應用及研究現狀進行了總結，對熱點問題進行了分析，并提出了其未來可能的發展方向。

2 水泥品種的選擇

水泥基發泡保溫材料有著質量輕、強度高、耐燃性好、保溫性優、可現澆可預制等優勢。它是由水泥、發泡劑、摻和料、增強纖維及外加劑，經發泡制成的輕質多孔材料[7]。其性能優劣受原材料、施工工藝、養護措施的影響較大。水泥是發泡無機保溫材料的主要膠凝材料，種類有普通硅酸鹽水泥、鐵鋁酸水泥、鎂水泥和硫鋁酸鹽水泥等。

鎂水泥具有防火性能好、彈性、硬化快、強度高的優點，可制備防火性能較好的泡沫材料，但其后期容易出現泛白霜、變形等不良現象。鐵鋁酸鹽和硫鋁酸鹽水泥具有早強特點，可較好地穩定濕泡沫，減少漿體塌模的概率。目前國內應用較多，但這兩種水泥產量小、產地少、價格貴，限制了其應用[8]。朱蓉[9]通過對比實驗發現，快硬硫鋁酸鹽水泥凝結硬化速度與濕泡沫穩定性匹配性較好，制備的泡沫水泥材料在表觀密度為343 kg/m3時抗壓強度達0.89MPa，滿足制備輕質高強泡沫材料的要求，但是成本較高。杜傳偉等人[10]對快硬硫鋁酸鹽泡沫水泥材料的耐水性進行了研究，發現這種水泥與有機防水劑的相容性更好。

普通硅酸鹽水泥制備泡沫材料時因凝結時間較長，需要嚴格控制漿體凝結硬化時間與濕泡沫穩定時間，使得兩者充分匹配。否則，將導致泡沫漿體注模后塌陷，制備出不均勻的泡沫水泥材料，也得不到較好的保溫性能。但是可以通過添加早強劑，調整水泥細度和優化配比等方式改善[7]。張文[11]通過對比硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥發泡保溫板的性能，發現與硫鋁酸鹽水泥相比，硅酸鹽水泥發泡保溫板的強度更高、吸水率更低、碳化系數更高。并且，碳化對硫鋁酸鹽水泥發泡保溫板的強度劣化影響程度更高。

可見，綜合成本、性能考慮，普通硅酸鹽水泥是制備水泥發泡無機保溫材料的首選膠凝材料。下文均以普通硅酸鹽水泥體系為對象，探究粉煤灰（普通硅酸鹽）水泥發泡無機保溫材料的相關研究和應用。

3 粉煤灰對水泥基發泡保溫材料性能的影響

水泥基發泡保溫材料多以固體廢棄物為摻和料，如工業廢渣（礦渣粉、廢石粉、粉煤灰渣等）、秸稈粉、鋸末等。其中，粉煤灰渣因性能優異、堆積量大被廣泛應用[12]。粉煤灰因具有孔洞結構、密度低、表面活性高、比表面積大等優點，適用于保溫材料[13]。

3.1 粉煤灰對水泥基發泡保溫材料強度的影響

水泥基泡沫混凝土作為保溫材料使用時，其密度較低，強度不高（保溫板要求不小于0.4MPa，JC/T 2200-2013《水泥基泡沫保溫板》），但必須滿足建筑施工。長期研究發現，粉煤灰的摻入對水泥基超輕泡沫混凝土的力學性能有影響。

當粉煤灰較少（不大于30%）摻量水泥基發泡混凝土體系時，其改善流動性、填充孔隙的作用突出。此時，試樣28d前的強度不會降低。當漿體水灰比較低時，摻入粉煤灰，試樣28d前強度甚至明顯提高。隨著粉煤灰摻量的進一步提高，漿體反應速率減小，膠凝作用減弱，孔徑增大，早期強度降低[14，15]。

粉煤灰摻量超過30%后，試樣28 d前的抗壓強度明顯降低，但28 d后的強度迅速增長，并逐步超過純水泥體系[14～17]。E P Kearsley和P J Wainwright[14]對導致這一現象的原因進行了探究，結果表明隨著時間的延續，粉煤灰的摻入不斷消耗基體中的氫氧化鈣，生成更多水化產物，降低孔隙率，增強體系密實度。粉煤灰取代水泥的量增加至67%時，仍不會降低試樣的后期強度。如圖1，郎營[17]進一步研究粉煤灰對水泥基發泡混凝土的抗拉強度，發現粉煤灰對提高體系后期抗拉強度有積極貢獻。另外，研究還發現粉煤灰對水泥基發泡混凝土抗壓強度的影響作用大于發泡劑和水灰比。

3.2 粉煤灰對水泥基發泡保溫材料導熱性能的影響

導熱性能是保溫材料重要的性能之一，導熱性能的好壞通常用導熱系數來表征，導熱系數越小，其絕熱性能越好，越保溫。而多孔材料的導熱系數很大程度上受到孔隙率、孔徑、孔分布的影響。在相同容重情況下，導熱系數隨著平均孔徑的增加而升高，氣孔尺寸分布近遵循對數正態分布[21]。且材料孔隙率越高，孔徑越均勻，導熱系數越小[18～22]。

國內外學者[23～25]研究表明，粉煤灰的摻入能使水泥基發泡材料氣孔更加均勻，能降低體系的導熱系數。Saygili A等人[26]甚至發現一種在凍土工程中提高保溫性能的方法，即在粉煤灰中添加少許（不超過粉煤灰質量20%）的雪或碎冰；通過引入空氣增加體系孔隙率，從而達到改善保溫性能的作用。Balo F等人[27]對黏土、粉煤灰、稻殼灰等材料的導熱系數進行了分析，發現這些材料本身的絕熱性能好。另外，楊偉[13]選取不同含水率和孔隙率的粉煤灰，進行粉煤灰的溫度實驗測試。如表1，結果表明保持含水率不變的情況下，隨著粉煤灰本身孔隙率的增加，其有效導熱系數降低。由此可見，粉煤灰在改善水泥基發泡材料保溫性能方面起著積極作用。

3.3 粉煤灰對水泥基發泡保溫材料吸水率的影響

水的導熱系數是空氣導熱系數的20多倍，隨著環境濕度或材料含水率增加，材料導熱系數增大。如表2，龍斌[28]和王斌[29]針對含水率與水泥基發泡保溫材料導熱性能的關系進行了研究，得出了相同結論。因此，影響保溫材料吸水率的因素勢必會影響其保溫性能。

學者們[29～31]針對粉煤灰對水泥基發泡保溫材料吸水性的影響進行了研究，發現試樣24 h的單端吸水量較大，24 h后吸水速度較慢，14 d時吸水趨于停止。同時 ，粉煤灰自身孔隙率越大，則制備而成的保溫材料抵抗水影響的能力越高[13]；說明適當摻入粉煤灰可降低體系的吸水率。但影響規律因水泥基發泡材料容重不同，略有差異。如圖2所示[31]， 當容重為600 kg/m3時，隨著粉煤灰摻量的增加，體系吸水率降低；當容重為400 kg/m3時，低水灰比體系受粉煤灰影響趨勢不明確。這主要是因為粉煤灰粒徑較水泥細，摻入體系后能夠起到填充孔隙的作用，增加體系密實性，減少吸水率。但當容重較低時，體系較敏感，且孔隙結構受水灰比影響變化明顯。

3.4 粉煤灰對水泥基發泡保溫材料干密度的影響

干密度是水泥基發泡保溫材料重要的性能指標之一，也是決定其應用的關鍵因素。學者們長期研究粉煤灰對水泥基發泡保溫材料干密度的影響，發現當粉煤灰摻量低于50%時，隨著摻量的增加水泥基發泡保溫材料的干密度降低，且不受水灰比的影響（圖3）。這一方面得益于硅酸鹽水泥與粉煤灰密度的懸殊。另一方面，粉煤灰本身的滾珠效應可減少氣泡生成的阻力，增加體系孔隙率[32，33]。不過，當繼續增加粉煤灰的摻量，體系干密度下降趨勢變緩。因為粉煤灰摻量較大時，漿體膠凝能力降低，物理力學性能變差，泡沫在漿體中的穩定性變差，容易導致漿體塌模。實際上，粉煤灰對水泥基發泡保溫材料干密度的影響，歸根結底還是對體系孔徑和孔隙率的影響。

4 粉煤灰-水泥基發泡保溫材料的應用

我國建筑的單位面積采暖能耗是發達國家的4倍左右，要加快社會發展，提高能源利用率勢在必行。所以，保溫材料的更新，保溫施工技術的改革在建筑節能中發揮著越來越重要的作用。近些年，水泥基發泡材料發展較快。《水泥基泡沫保溫板》（JC/T 2200-2013）、《屋面保溫隔熱用泡沫混凝土》（JC/T 2125-2012）等標準的出臺和《泡沫混凝土墻板、屋面板》、《泡沫混凝土保溫裝飾板》等標準的立項編制[34]，推進了水泥基發泡作為保溫材料的應用。水泥基發泡材料作為保溫材料的應用方式主要有：制品和現澆兩種。其中，保溫制品包括：自保溫砌塊，自保溫墻板、屋面板，保溫裝飾一體板，有機無機發泡結構復合保溫板，小型自保溫墻板等。其應用領域已從單純的墻體保溫發展為包括：屋面、樓層、樓欄板、隔斷等新領域。

4.1 墻體保溫

我國墻體保溫方式主要有4種形式：夾心保溫，外墻內保溫，外墻外保溫和自保溫。其中，墻體外保溫和自保溫方式的優點最突出，或將成為我國墻體保溫的主要形式。

因泡沫塑料外墻保溫的缺陷突出，水泥-粉煤灰型和水泥-粉煤灰-砂型等多孔無機保溫材料的研究熱度不斷提升。同時，因其原材料易得，價格低廉、工藝簡單、墻面結合力強逐漸被人們所接受[35]。吳炎平等人[36]將粉煤灰-水泥基超輕泡沫材料灌注到砌塊孔洞中的方式，制備出自保溫混凝土復合砌塊，并在南昌市某樓盤2號樓應用。該樓為框架剪力墻結構體系，建筑總層數為28層，建筑面積10526 m2，體形系數0.39。通過效果評價得出，降低主體總價5.5%。

4.2 屋面和樓地面保溫

粉煤灰-水泥無機發泡保溫材料可作為屋面和樓地面保溫層，工程中常使用的密度等級為200～1000 kg/m3。如圖4所示，粉煤灰-水泥無機泡沫材料用于屋面保溫時，能將找平層、找坡層和保溫層三者合為一體；從而降低屋面保溫施工成本的同時，簡化了屋面構造和施工工藝[37～39]。粉煤灰-水泥發泡無機保溫材料屋面保溫結構不僅具有其他保溫材料均具有的輕質、保溫隔熱、隔音的特性，還兼具耐火和耐久性能。另外，因其熱工性能好，可延長頂層防水層的使用年限。

5 值得進一步研究的科學問題

粉煤灰-水泥基發泡保溫材料有很多優于有機保溫材料的優勢，但在性能和應用上仍然存在著不足，具體如下。

5.1 韌性差

粉煤灰-水泥基發泡保溫材料與其他水泥基材料一樣，表現出脆性好、韌性差的特點。而實際工程中，材料受力復雜，韌性差勢必限制其發展。不過，通過添加一定量的脲醛樹脂、PVA纖維[40]、玻璃纖維[41]、聚丙烯纖維[42]、混雜纖維[43]和紡織廢物[44]等材料，可較好地改善水泥基泡沫材料的韌性。增韌材料的引入不僅能提高體系強度、改善韌性，還可降低干密度。但增韌材料與基體材料的相容性及其最佳摻量仍是其應用過程中的難點。

5.2 吸水率高

保溫材料的吸水性對保溫性能、耐久性能影響明顯，水泥基發泡保溫材料吸水率仍然較高，這也給推廣應用帶來了難題。

多孔材料體系吸水性與孔結構有關，孔徑較大時水分子可以隨意進出孔洞，導致材料結構失穩。微小的孔徑即便孔隙率高，對吸水性影響也較小，但孔徑小、孔隙率大就成為大家追求的目標。上文已指出，粉煤灰的摻入對密度較大（600 kg/m3）的水泥基發泡材料的吸水率有明顯降低作用[30，31，33，45]。摻入三乙醇胺-熱穩定劑復合材料可將基體吸水率降低至1.3%的超低水平[46]。

5.3 未來發展方向

粉煤灰-水泥基發泡保溫材料存在的以上問題正在研究和改進過程中，并有望在較短時間內得以解決。《混凝土與水泥制品行業“十三五”發展規劃》要求大力發展以工業廢棄物為原料生產的各種建筑制品，進一步提高固體廢棄物消納量；為實現建筑綠色發展，不斷推進預制構件的研發和應用。政策和社會需求驅使下，粉煤灰-水泥基發泡保溫材料需兼具防火性和預制一體化。同時，憑借其抗震、保溫、輕質、吸音、利廢等特征，及預制化簡單等優點，將在推行綠色建筑和建筑結構一體化的過程中迎來快速發展的契機。

6 結論

水泥基發泡保溫材料品種的開發，水泥品種的選擇，粉煤灰對其強度、干密度及保溫性能的影響，保溫材料改性等研究的廣泛開展，為粉煤灰-水泥基發泡保溫材料在建筑外墻、屋面、樓地面等領域的應用奠定了較好的基礎。粉煤灰-水泥基發泡保溫材料存在韌性差、吸水率大等問題，可以通過摻入改性劑來改善，但改善方式尚不統一。“十三五”規劃的指導和社會需求，驅使粉煤灰-水泥基發泡保溫材料提高保溫防火性能和預制化水平。

參考文獻：

[1]谷燕成，陳思諾，黃恩興.建筑節能保溫材料的現狀及發展[J].建筑節能，2016（6）：34～38.

[2]劉思林. 無機輕集料保溫砂漿防火性能的研究[D].長沙：湖南大學，2012.

[3]李陳蓉.無機保溫材料在建筑節能工程中的應用[J].資源節約與環保，2016（5）：70.

[4]環志龍.淺談建筑節能與建筑規劃設計[J].低碳世界，2016（15）：104～105.

[5]Papadopoulos A M. State of the art in thermal insulation materials and aims for future developments[J]. Energy & Buildings， 2005， 37（1）：77～86.

[6]曹德生，魏榮杰. 粉煤灰綜合利用概述[J].河南建材，2014（2）：12～14.

[7]王 清.超輕普硅發泡水泥保溫板制備及性能研究[D]. 北京：北京工業大學， 2014.

[8]楊婷松. 發泡水泥的制備工藝及理化性能研究[D]. 濟南：濟南大學， 2013.

[9]朱蓉. 無機泡沫保溫材料制備試驗研究[D]. 長沙：中南大學， 2013.

[10]杜傳偉， 李國忠. 發泡水泥保溫材料的耐水性能研究[J]. 磚瓦， 2013（3）：56～58.

[11]張 文. 發泡水泥配方的適應性與組分材料相容性的研究[D]. 南京：東南大學， 2014.

[12]侯彥葉， 李冬梅. 我國發泡水泥保溫板的研究現狀[J].四川化工， 2014，17（2）：16～18.

[13]楊 偉，曹 明，趙柄翔，等. 含水率與孔隙率對粉煤灰傳熱性能影響[J]. 計算機與應用化學，2015（5）：551～555.

[14]E.P.Kearsley， P.J.Wainwright. The effect of high fly ash content on the compressive strength offoamed concrete[J]. Cement and Concrete Research， 2001（31）： 105～112.

[15]張 鑫. 粉煤灰水泥基泡沫混凝土的配合比試驗研究[D].合肥：安徽理工大學，2016.

[16]馮輝紅，黃 起，屈少華. 粉煤灰輕質泡沫混凝土的應用研究[J]. 應用化工，2016（3）：520～524.

[17]郎 營.發泡水泥板的制備技術及其性能的研究[D]. 南京：東南大學， 2012.

[18]Lunlun Gong， Yonghong Wang， Xudong Cheng， et al. Porous mullite ceramics with low thermal conductivity prepared by foaming and starch consolidation [J]. Journal of Porous Materials， 2013（111）.

[19]Demirbog a， R. ， R.Gul. The effects of expand perlite aggregate， silica fume and fly ash on the thermal conductivity of lightweight concrete [J]. Cement and Concrete Research， 2013， 33（5）：723～727.

[20]Ng， S.-C. ， K.-S. Low. Thermal conductivity of newspaper sandwiched aerated light weight concrete panel [J]. Energy and Bulidings， 2010， 42 （12）： 2452～2456.

[21]蘭明章，代丹丹，陳智豐，等. 超輕發泡水泥保溫板孔結構與性能關系研究[J]. 硅酸鹽通報，2016（2）：518～524.

[22]Volfkovich Y M， Filippov A N， Bagotsky V S. Structural Properties of Porous Materials and Powders Used in Different Fields of Science and Technology[J]. Engineering Materials & Processes， 2014.

[23]張磊蕾，王武祥，廖禮平，等. 發泡水泥孔結構的影響因素研究[J]. 混凝土與水泥制品，2013（9）：1～5.

[24]Leiva C， Arenas C， Vilches L F， et al. Development of fly ash boards with thermal， acoustic and fire insulation properties[J]. Waste Management， 2015（46）：298～303.

[25]Demirbo A R. Influence of mineral admixtures on thermal conductivity and compressive strength of mortar[J]. Energy & Buildings， 2003， 35（35）：189～192.

[26]Saygili A， Baykal G. A new method for improving the thermal insulation properties of fly ash[J]. Energy & Buildings， 2011， 43（11）：3236～3242.

[27]Balo F. Feasibility study of “green” insulation materials including tall oil： Environmental， econemical and thermal properties[J]. Energy & Buildings， 2015， 86（86）：161～175.

[28]龍 斌. 外墻保溫材料導熱系數與密度及含水率關系的試驗研究[J]. 江西建材， 2015（14）：4～5.

[29]王 斌. 自節能粉煤灰加氣混凝土制備及墻體熱工性能研究[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[30]俞心剛，李德軍，葉建雄，等. 干表觀密度對粉煤灰-煤矸石泡沫混凝土性能的影響[C]∥中國硅酸鹽學會.第十屆全國水泥和混凝土化學及應用技術會議論文集.北京：機械工業出版社，2007.

[31]付士峰，張廣田，杜淵博. 不同摻量的粉煤灰對泡沫混凝土性能的影響[J]. 石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2016（3）：49～52.

[32]劉 軍，齊 瑋，劉潤清，等. 粉煤灰對泡沫混凝土物理力學性能的影響[J]. 材料導報，2015（16）：111～114.

[33]趙晚群，李預奇，甘戈金. 配合比設計對泡沫混凝土干密度的影響[C]∥中國硅酸鹽學會混凝土與水泥制品分會.2013年混凝土與水泥制品學術討論會論文集.北京：中國硅酸鹽學會混凝土與水泥制品分會，中國建筑出版社，2013.

[34]王明軒，李應權，遲碧川. 2015泡沫混凝土行業發展報告[J]. 混凝土世界，2016（4）：18～23.

[35]林輝.發泡劑及其泡沫混凝土的研究與應用進展[J].新型建筑材料，2013（5）：49～51

[36]張正貴. 墻體保溫 泡沫混凝土前程可期[N]. 中國建設報，2011-09-29005.

[37]李 娟，王武祥. 大摻量粉煤灰泡沫混凝土的性能研究[J]. 粉煤灰綜合利用，2003（3）：34～35.

[38]邱軍付，羅淑湘，魯 虹，等. 大摻量粉煤灰超輕泡沫混凝土保溫板的試驗研究[J].新型建筑材料，2013（1）：74～76.

[39]黎 力， 廖 兵. 水泥發泡無機保溫板的研究和應用[J]. 城市建筑， 2014（2）.

[40]趙洪寶. 水泥基泡沫保溫材料的制備與輕韌化研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2015.

[41]侯 星， 薛群虎， 郝永立，等. 水泥基發泡保溫材料的制備工藝與性能研究[J]. 硅酸鹽通報， 2014（9）：2409～2413.

[42]李啟金.低密度泡沫混凝土保溫材料的制備與性能研究[D]. 濟南：濟南大學， 2014.

[43]李小龍. 混雜纖維/水泥基輕質保溫材料的制備與性能研究[D]. 濟南：濟南大學， 2015.

[44]Briga-Sá A， Nascimento D， Teixeira N， et al. Textile waste as an alternative thermal insulation building material solution[J]. Construction & Building Materials， 2013， 38（2）：155～160.

[45]關凌岳. 泡沫混凝土孔結構表征與調控方法及其性能研究[D].武漢：武漢理工大學，2014.

[46]高 立. 泡沫混凝土孔結構的調控與評價[D].武漢：武漢理工大學，2012.