SiO2 氣凝膠在節(jié)能新建材應用中的問題及展望

王鵬昕 李明俊*

（南昌航空大學 環(huán)境與化學工程學院，江西 南昌 330063）

每年通過建筑物圍護損失大量能源，導致建筑業(yè)能耗在所有行業(yè)中所占比重較大；作為最大的消費者，通過采用高性能節(jié)能保溫新材料作建筑圍護，在提高能效上有巨大的潛力。

傳統(tǒng)保溫材料存在易老化、易燃燒、易吸水等缺陷，不能適應對環(huán)保建材的要求，因此，需要開發(fā)新型保溫材料。氣凝膠問世以來，其卓越的性能在諸多領域得到應用，它不僅密度小、導熱系數(shù)低，還具有阻燃、防水、耐侵蝕等功能，在建筑業(yè)應用前景廣闊。為改善建筑保溫效果，研究者將氣凝膠嵌合到膠凝材料中開發(fā)新型保溫建材。水泥作為主要膠凝產品，其生產伴隨著巨大的能耗，發(fā)展具有保溫功能的氣凝膠水泥復合材料將減少水泥用量，還能充分發(fā)揮氣凝膠優(yōu)良的保溫性能。這樣，建筑物更輕薄，容積率擴大，對建筑的可持續(xù)發(fā)展具有十分現(xiàn)實的意義。

氣凝膠嵌合到膠凝材料中可形成氣凝膠膠凝復合保溫材料（ACTIM），如：氣凝膠保溫砂漿（ATIM）、氣凝膠混凝土（ATIC/AIC） 等，雖然該研究目前還處于初級階段，但為進一步研究提供了理論與實踐基礎。本文將對國內外氣凝膠用于建筑膠凝材料的現(xiàn)狀進行綜述，分析氣凝膠在基質中的表現(xiàn)及對材料性能的影響等，并對當前存在的問題進行討論和展望。

1 SiO2 氣凝膠在節(jié)能新建材中的應用

ACTIM，即將氣凝膠嵌合到膠凝材料中獲得的產品，研究最多的是ATIM 和ATIC/AIC，隨著研究深度和領域擴大，又出現(xiàn)一些新的復合產品，如：氣凝膠泡沫混凝土（FC-SA）和氣凝膠/輕骨料混凝土（LAC-SA）。 下面分別綜述SiO2氣凝膠在這些新材料中的應用與研究現(xiàn)狀。

1.1 氣凝膠保溫砂漿（ATIM）

ATIM 是將SiO2氣凝膠與天然漿料混合，目前歐洲市場ATIM 已實現(xiàn)商業(yè)化。Buratti 等[1]發(fā)現(xiàn)96% ～99%氣凝膠的ATIM 導熱系數(shù)在0.014 ～0.016 W/（m·K） 之間，比天然砂漿下降約97%。劉朝暉等[2]和王飛等[3]在砂漿中摻混60%氣凝膠，發(fā)現(xiàn)導熱系數(shù)由0.6039W/（m·K） 降至0.1524W/（m·K）。

ATIM 在實踐中的應用研究也取得了較大的突破。Wakili 等[4]將ATIM 用于建筑節(jié)能改造，6cmATIM，u 值從1.0 W/m2K 左右降到0.3 W/m2K 左右；兩年后，熱橋未出現(xiàn)，建筑立面未出現(xiàn)裂縫，可見ATIM 不僅保溫效果良好，還具有持久性的優(yōu)點。Garrido 等[5]利用LCA 從經濟和能源兩個方面分析了ATIM 在建筑立面修復中的表現(xiàn)，使用ATIM 的墻壁保溫效果更好；雖然初始成本較高，卻在建筑剩余壽命中節(jié)省大量能源。

1.2 氣凝膠混凝土（ATIC/AIC）

ATIC 最早在2008 年提出，后續(xù)諸多研究者對此展開深入研究：Kim 等[6]將通過將甲醇處理的SiO2氣凝膠添加到水泥漿料和含20%火山灰的水泥漿料中制備了ATIC，其導熱系數(shù)和抗壓強度分別為0.135W/（m?K） 和5.9 MPa，比普通混凝土分別降低了25%和77.6%。Gao 等[7]用氣凝膠取代混凝土中的砂制備了AIC，氣凝膠為60%，AIC 導熱系數(shù)為0.26W/（m·K），抗壓強度在8.3MPa 左右，但卻僅為普通混凝土的14%。

氣凝膠往往導致ATIC 力學性能下降，因此提出氣凝膠與“高性能混凝土”甚至“超高性能混凝土”結合制備“高性能氣凝膠混凝土（HPAC）”或者“超高性能氣凝膠混凝土(AUHPC)”。Ng 等[8]優(yōu)化AIC 配方制備了AUHPC，氣凝膠含量為50%，抗壓強度為20MPa，導熱系數(shù)為0.55W/（m·K）；Fickler 等[9]制備的HPAC 的抗壓強度在3.0 MPa ～23.6 MPa，導熱系數(shù)在0.16W/（m?K） ～0.37W/（m·K），與保溫砌塊相比，兼具優(yōu)良的力學與保溫性能。宋培等[10]制備了抗壓強度為10.2MPa，導熱系數(shù)為0.095W/（m?K） 的HPAC，具有良好的保溫效果，僅2cm 即可滿足對寒冷地區(qū)甲級建筑的要求，有利于居住空間緊張地區(qū)建筑的可持續(xù)發(fā)展。

1.3 氣凝膠泡沫混凝土（FC-SA）

泡沫混凝土（FC） 重量輕且相較于傳統(tǒng)混凝土性能更佳，有望成為未來大力發(fā)展的一種環(huán)保建材；但耐熱性能較差阻礙其廣泛應用。

李朋威等[11]采用預制泡沫混合法制備FC-SA，發(fā)現(xiàn)FC-SA 孔隙率低、密度小、抗壓強度良好且導熱系數(shù)減小了47.8%。部分研究者發(fā)現(xiàn)氣凝膠可同時改善FC 的保溫性能和力學性能：趙同義等[12]以雙氧水為發(fā)泡劑制備FC-SA，SiO2 氣凝膠為10%，F(xiàn)C-SA 導熱系數(shù)下降61.3%；抗壓強度在氣凝膠為0.5%時達到最大。

1.4 氣凝膠/輕骨料混凝土（LAC-SA）

郭金濤等[13]采用氣凝膠：玻化微珠=1∶2 制備氣凝膠/玻化微珠復合材料；Hanif 等[14]以粉煤灰和氣凝膠為輕骨料合成超輕質復合材料，抗壓、抗彎強度分別在23.54-18.63 MPa、4.94 -3.66 MPa 之間，導熱系數(shù)為0.3197W/（m·K）；Liang Wang 等[15]以膨脹巖和氣凝膠為細骨料，膨脹巖保護氣凝膠的完整性使其優(yōu)良性能得以充分發(fā)揮。氣凝膠/膨脹巖增加時，保溫效果更好；此外，良好的顆粒級配可填充混凝土孔隙，基體更致密，力學性能提高。

1.5 氣凝膠對膠凝材料物理性能的影響

氣凝膠會影響膠凝材料內部孔結構：Hanif 等[14]用MIP對LCs-SA 表征，發(fā)現(xiàn)孔徑集中于微孔和中孔，氣凝膠的納米多孔增加了材料孔隙率；Jarosaw 等[16]也表明LCs-SA 總孔隙率比LC 增加了約8.63%，還出現(xiàn)10-30nm 納米孔。

氣凝膠多孔脆弱以及與基質之間存在界面過渡區(qū)ITZ，相容性差[17]影響了膠凝材料的力學性能。Gao 等[7]，Júlio等[18]觀察SEM 發(fā)現(xiàn)氣凝膠表面光滑干凈，說明其在水泥水化過程可以穩(wěn)定存在，但與基體明顯隔開幾微米的距離；Ng

[8]等觀察AIC 的SEM 清晰地看到砂與基質在ITZ 結合緊密，但基質中氣凝膠周圍明顯存在幾微米的縫隙。ITZ 是由于水泥水化過程中體積收縮造成[7]；氣凝膠與水泥中的氫氧根離子反應產生水合硅酸鹽凝膠，體積膨脹，滲透壓超過周圍材料的抗拉強度就會產生裂縫[7]。但趙同義等[12]發(fā)現(xiàn)適量氣凝膠有利于FC 抗壓強度的發(fā)展，因為氣凝膠可填充FC 孔隙使材料更緊實，抗壓強度增強。

1.6 疏水氣凝膠與親水氣凝膠在膠凝材料中的表現(xiàn)

為解決SiO2氣凝膠疏水性強、與膠凝材料相容性差、易揮飛等問題，部分研究者對氣凝膠表面進行預處理。Kim等[6]用甲醇對氣凝膠作預處理，SEM 顯示氣凝膠參與了水泥固化反應，與基體結合更緊密且氣凝膠性質沒有因改性而改變。劉朝暉等[2]和王飛等[3]采用5%KH550 對SiO2氣凝膠預處理，發(fā)現(xiàn)表面改性更利于氣凝膠與膠凝材料的粘結。Júlio 等[18]發(fā)現(xiàn)親水氣凝膠N2 吸附-脫附等溫線是IV 型（孔徑在2nm-50nm）；疏水氣凝膠為II 型（孔徑＞50nm），硅酰化破壞氣凝膠孔結構；導致氣凝膠易吸收空氣中的水分，內部結構受損，保溫能力較疏水氣凝膠下降。

1.7 氣凝膠保溫材料性能的優(yōu)化

為了進一步優(yōu)化氣凝膠復合材料的性能，郭金濤等[13]用玻化微珠與氣凝膠作為輕骨料，成本降低且級配更合理，材料導熱系數(shù)和力學性能均得到改善。Hanif 等[14]以粉煤灰（FAC） 和氣凝膠作為細骨料，改善節(jié)能建筑構件材料的力學性能和保溫性能。Ng 等[17]用煅燒粘土部分替代水泥，發(fā)現(xiàn)含煅燒粘土的AIC 熱導率最高降低了61%；此外，Ng 等[19]還發(fā)現(xiàn)多數(shù)樣品在高溫水中固化后抗壓強度均有所增強，溫度升高有助于水化反應增強，利于力學性能的發(fā)展。

2 可借鑒的幾點應用成果

基于目前研究，可以總結為以下幾點：

1） 氣凝膠在復合材料中比例為20%～60% 較好，過小起不到改善材料保溫性能的作用；過大材料難成形，力學性能差；2） 氣凝膠對FC 影響不同于普通混凝土，可同時改善FC 的保溫性能和力學性能；3） 復合輕骨料不僅降低成本還能優(yōu)化材料的綜合性能，同時也豐富了保溫材料市場；4）氣凝膠會影響膠凝材料內部孔結構，從而改善其保溫性能。

3 存在問題及展望

總體而言，雖然氣凝膠的研究工作已經有了很大進展，但仍存在一些未解決的問題：

1） 氣凝膠制備成較高，難以批量生產并投入到實際應用中；

2） 氣凝膠嵌合到膠凝材料，基質保溫性能極大改善，但力學性能卻下降，使材料兼具優(yōu)良的熱學和力學性能是一大難點；

3） 保溫材料用于實際中需要考慮較多因素，諸如：耐候性，阻燃性等，目前研究關注指標過于局限，不能更準確地反映材料應用于實踐的效果；

4） FC-SA 發(fā)展前景看好，但目前相關研究較少，需要加強對FC-SA 的研究。

針對性地解決好上述存在的問題將大大推動SiO2氣凝膠在節(jié)能建材中的廣泛應用。此外，氣凝膠制造商在降低成本的同時，應注重開發(fā)新的氣凝膠類型以形成大的商業(yè)市場，推進氣凝膠新型建材的蓬勃發(fā)展。