氣凝膠密度對超輕泡沫混凝土性能的影響

劉振宇，吳會軍,2，劉彥辰，楊文兵,2，楊麗修,2

(1.廣州大學土木工程學院，廣州 510006；2.廣州大學建筑節能研究院，廣州 510006)

0 引 言

泡沫混凝土是將發泡劑通過機械或化學法發泡，與水泥砂漿混合并經成型、養護得到的一種含有大量氣孔的新型輕質保溫材料[1]，比普通混凝土具有更低的密度和更好的隔熱性能[2-3]，作為建筑墻體具有更好的施工方便性和隔熱保溫性能[4]。氣凝膠作為目前密度最小和絕熱性能最好的固體材料，常溫下導熱系數低至0.013 W/(m·K)[5-7]，具有超級絕熱性能以及良好的耐火安全性，在航天航空、工業、交通、建筑節能方面具有廣泛應用前景[8]。

將超級絕熱氣凝膠填充于混凝土或泡沫混凝土中，可有效降低材料的密度和導熱系數。Tao等[9]在混凝土中添加60vol%密度為100 kg/m3的氣凝膠，制備出的氣凝膠混凝土相對普通輕集料混凝土密度和導熱系數分別降低了23%和53%，為1 000 kg/m3和0.26 W/(m·K)；付平等[10]將密度為170 kg/m3的氣凝膠加入到泡沫混凝土中，當氣凝膠加入量為20vol%時，使泡沫混凝土密度由719 kg/m3降低至512 kg/m3，導熱系數由0.188 W/(m·K)降至0.121 W/(m·K)；李朋威等[11]將密度為170 kg/m3的氣凝膠加入到泡沫混凝土中，當氣凝膠加入量為13.0 kg/m3時，制備出密度和導熱系數分別為270.2 kg/m3和0.069 W/(m·K)的新型氣凝膠泡沫混凝土。

可見，氣凝膠粉體的加入對于提升混凝土各項重要性能有著顯著效果。但在制備氣凝膠泡沫混凝土的相關研究中，均采用密度較大的氣凝膠(>100 kg/m3)。可以預見，若采用超低密度氣凝膠(<100 kg/m3)一方面有望獲得更低密度和更小導熱系數的氣凝膠泡沫混凝土，另一方面還可減少氣凝膠的質量用量，有效降低成本。

因此，本文分別以較高密度和超輕氣凝膠制備氣凝膠泡沫混凝土，在氣凝膠體積比相等的條件下，研究氣凝膠密度對氣凝膠泡沫混凝土性能(密度、導熱系數等)的影響規律。

1 實 驗

1.1 實驗試劑及材料

P·O 42.5普通硅酸鹽水泥來自安徽海螺水泥有限公司，密度為3 100 kg/m3；高密度氣凝膠粉體，自制，以正硅酸乙酯為硅源，采用溶膠-凝膠和常壓干燥工藝制備后碾碎篩分而得，密度為170 kg/m3，粒徑≤350 μm，超輕氣凝膠粉體來自深圳中凝科技有限公司，密度為75 kg/m3，粒徑≤50 μm，兩種氣凝膠粉體孔隙率均在90%～95%之間，導熱系數均約為0.023 W/(m·K)，相同質量的兩種氣凝膠粉體及堆積密度見圖1；雙氧水發泡劑來自福建漳州萬可涂節能建材公司，發泡后泡沫密度為50 kg/m3；短切玻璃纖維來自廣州市潤順新材料科技有限公司，標準狀態下拉伸強度約為546 MPa；防水劑來自魯川化工有限公司，密度為1.08×10-3kg/m3。

圖1 相同質量的兩種氣凝膠粉體及堆積密度Fig.1 Two kinds of aerogel powder with same quality and packing density

1.2 實驗設備

電子秤(型號：T1000，常熟市雙杰測試儀器廠)；精密恒溫鼓風干燥箱(型號：ZHG-7250，上海精宏有限公司)；發泡機(型號：HY-1，廣州市永昊建設工程有限公司)；電熱鼓風干燥箱(型號：GZX-9240MBE，上海市博訊實業有限公司)；導熱系數測定儀(型號：Hot Disk 2500S，瑞典Hot Disk公司)。

1.3 實驗制備流程

氣凝膠泡沫混凝土的制備流程如圖2所示。

(1)以水和增稠劑質量比為1 000∶3調配增稠水；

(2)稱重實驗固體物料(水泥、氣凝膠、硬脂酸鈣防水劑)并混合均勻得到混合干料；

(3)將增稠水加入至混合干料中，持續攪拌并在此過程中不斷加入0.5%質量比的短切玻璃纖維直至得到混合漿料；

(4)將發泡劑與水按照質量比為1∶40混合后進行機械加壓發泡，并將發泡后的泡沫與混合漿料混合得到混合漿體；

(5)模具刷油，將混合漿體倒入40 mm×40 mm×40 mm模具中，輕敲擊模具邊緣防止模具底部四周有部分漿體沒有下沉，待模具均勻填充后使用保鮮膜密封，放入40～50 ℃的恒溫恒濕養護箱中靜置養護1 d后拆模；

(6)將氣凝膠泡沫混凝土模塊繼續放入70～80 ℃的養護箱中養護3 d，取出后自然養護28 d，并對各項性能指標進行測試。

圖2 氣凝膠泡沫混凝土制備流程Fig.2 Preparation process of aerogel foam concrete

1.4 氣凝膠泡沫混凝土的配比

根據JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》[12]要求，采用高密度氣凝膠與水泥質量比為0.182∶1，制備氣凝膠泡沫混凝土(記為HdAg/FC)；按照氣凝膠體積比相等的條件，采用超輕氣凝膠與水泥質量比為0.079∶1，制備氣凝膠泡沫混凝土(記為LdAg/FC)。故制備質量相等的氣凝膠泡沫混凝土，超輕氣凝膠質量用量減少44.1%。

采用不同的泡沫體積比(30%～75%)，制備幾種氣凝膠泡沫混凝土。

表1 實驗原料配比Table 1 Experimental ratio of raw materials

1.5 氣凝膠泡沫混凝土性能測試

密度測試按照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》[13]，將三塊相同試件放入溫度為95～105 ℃的恒溫鼓風干燥箱內烘干至質量恒定后計算平均值。

導熱系數測試采用Hot Disk 2500S導熱系數測試儀，測試溫度為30 ℃，功率30 mW；測試三塊試件，每塊試件測量三個不同點，取平均值。

抗壓強度測試根據JG/T 266—2011《泡沫混凝土》[13]，取試件尺寸40 mm×40 mm×40 mm，采用WD-100KE電子式萬能試驗機測試抗壓強度，加壓速度為5 mm/min。

孔隙率計算不包含氣凝膠內部孔隙，只與泡沫含量相關，計算公式為：

(1)

其中,ρB為泡沫混凝土總密度，ρS為泡沫混凝土固體骨架密度。

2 結果與討論

2.1 兩種氣凝膠泡沫混凝土結構表征

2.1.1 光學結構

泡沫混凝土自身有較高的孔隙率，且氣孔結構分布對其性能也有較大影響[14-16]。圖3(a)、(b)分別為30%～70%泡沫體積比下超輕氣凝膠和高密度氣凝膠填充的泡沫混凝土光學結構對比圖。可以看出泡沫量越多，泡沫混凝土氣孔孔徑越大；相同泡沫量時，由于超輕氣凝膠粉體本身更低的密度和更小的粒徑，在干料混合以及攪拌制作過程中顆粒分布更加均勻，成型后的泡沫混凝土孔徑圓潤，氣孔大小及分布均勻，同時在泡沫量較多時，超輕氣凝膠填充的泡沫混凝土出現的連通孔數量也少于高密度氣凝膠填充的試樣。

圖3 不同泡沫加入量的氣凝膠泡沫混凝土的光學圖片Fig.3 Optical micrographs of aerogel foam concrete with various foam amounts

2.1.2 微觀形貌

圖4為氣凝膠體積含量均為17.4%的兩種氣凝膠泡沫混凝土SEM照片，其中圖(a)為60倍掃描電子顯微鏡拍攝的高密度氣凝膠泡沫混凝土；圖(b)為1 000倍掃描電子顯微鏡拍攝的超輕氣凝膠泡沫混凝土。

可以看出粒徑較大的高密度氣凝膠在水泥基之間分布零散，而被包裹的小粒徑超輕氣凝膠則分布廣泛，更好地阻止了熱量在泡沫混凝土固相間的傳遞。但由于氣凝膠的疏水特性且不參與水化反應，氣凝膠與水泥結合度不高，所以在壓力作用下超輕氣凝膠與水泥間會出現更多微小裂縫，一定程度上降低了混凝土的抗壓強度，同時出現更多掉粉現象。

圖4 氣凝膠泡沫混凝土SEM照片Fig.4 SEM images of aerogel foam concrete

2.2 兩種氣凝膠泡沫混凝土性能對比

2.2.1 密度

圖5為孔隙率對氣凝膠泡沫混凝土密度的影響。圖中可看出兩種氣凝膠泡沫混凝土密度均隨孔隙率的增加而減小。相同孔隙率時，因為等體積下超輕氣凝膠質量用量更少，使得超輕氣凝膠填充的泡沫混凝土密度始終低于較高密度氣凝膠填充的試樣；孔隙率較小時，由于在制作過程中高密度氣凝膠與水泥的固體混合物重力作用，使氣泡消逝速率大于超輕氣凝膠填充的試樣，所以成型后的泡沫混凝土密度偏大。密度相同時，超輕氣凝膠填充的泡沫混凝土孔隙率均低于高密度氣凝膠填充的試樣，如要滿足密度為275 kg/m3，前者需要63%的孔隙率，而后者需要達到72%的孔隙率，說明超輕氣凝膠對于微小空隙的填充優于高密度氣凝膠，相同密度下使用超輕氣凝膠填充泡沫混凝土，可以獲得更好的成型性及抗壓性。

圖5 兩種氣凝膠泡沫混凝土的密度Fig.5 Density of two kinds of aerogel foam concrete

圖6 兩種氣凝膠泡沫混凝土的導熱系數Fig.6 Thermal conductivity of two kinds of aerogel foam concrete

2.2.2 導熱系數

圖6為兩種氣凝膠泡沫混凝土導熱系數隨孔隙率的變化圖。可以看出二者導熱系數變化均與孔隙率成反比，且相同孔隙率下超輕氣凝膠填充的泡沫混凝土始終有更低的導熱系數，如孔隙率為63%時其導熱系數為0.083 W/(m·K)，相較于高密度氣凝膠填充的試樣減小11.7%，這是由于水泥基中超輕氣凝膠附著廣泛均勻，使固體間的熱傳導更為緩慢。但隨著孔隙率增大，水泥和氣凝膠固體混合物含量減小，氣孔壁逐漸變薄，大部分熱量在泡沫混凝土之間的傳遞逐漸由固體水泥基體和納米多孔氣凝膠之間的熱傳導轉化為混凝土氣孔中死腔空氣之間的熱傳遞，導致二者之間導熱系數的縮減幅度由17.0%減小到10.0%。所以當低孔隙率時，通過填充超輕氣凝膠可以更有效地減緩固體間的熱傳遞速率，從而降低泡沫混凝土的導熱系數。

2.2.3 抗壓強度

圖7 兩種泡沫混凝土抗壓強度隨密度的變化Fig.7 Compressive strength of two kinds of aerogel foam concrete with the change of density

圖7為泡沫混凝土的抗壓強度隨密度的變化，呈良好的正比線性關系[17]，抗壓強度隨密度的增大而增大；其中虛線為JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》[12]規定的抗壓強度最低標準。可以看出，高密度氣凝膠填充的泡沫混凝土密度為179.8 kg/m3時抗壓強度不滿足規范要求，此外兩種氣凝膠泡沫混凝土的抗壓強度均滿足規定范圍。孔隙率相同時，由于超輕氣凝膠自身具有更多輕質納米多孔結構，且在含量增大時與水泥漿體結合程度變差，導致成型后的泡沫混凝土抗壓強度低于高密度氣凝膠填充的試樣；密度相同時，更小粒徑的超輕氣凝膠對部分微小孔隙的填充使泡沫混凝土有更低的孔隙率，從而得到更好的抗壓強度。所以在規定抗壓強度范圍內，等體積替換的超輕氣凝膠粉體填料不僅可使成型后的泡沫混凝土獲得更低的密度與導熱系數，而且質量用量更少，在減少成本的同時提高了泡沫混凝土的保溫性能。

2.3 泡沫體積比對兩種氣凝膠泡沫混凝土性能的影響

圖8為兩種泡沫混凝土三種性能參數隨泡沫加入量的變化曲線。

圖8 兩種泡沫混凝土的三種性能參數隨泡沫加入量的變化Fig.8 Changes of three properties of two kinds of foam concrete with the content of foam added

隨著泡沫體積比的增加，兩種氣凝膠泡沫混凝土的密度、導熱系數和抗壓強度均呈線性變化逐漸降低，且超輕氣凝膠填充試樣三種性能數值始終低于高密度氣凝膠填充試樣。如圖8所示，泡沫量的增多，使樣品的內部孔隙增多，孔徑變大，有效減少兩種氣凝膠泡沫混凝土的密度和導熱系數。在密度下降的同時，二者抗壓強度也隨之下降；泡沫體積比低于50%時，兩種泡沫混凝土的抗壓強度下降速度較快，當泡沫體積比超過50%后，由于固相所占體積逐漸減少，孔隙率對于抗壓強度的影響增大，此時泡沫量的增多并不會對孔隙率的變化產生顯著影響，從而抗壓強度下降速度趨于平緩。可以看出要滿足規定的抗壓強度，超輕氣凝膠泡沫混凝土在泡沫體積比為70%時有最小的密度和導熱系數，分別為185 kg/m3和0.06 W/(m·K)。

2.4 氣凝膠體積比對兩種氣凝膠泡沫混凝土性能的影響

圖9為高密度氣凝膠與超輕氣凝膠填充的泡沫混凝土三種性能參數差值隨氣凝膠加入量的變化。表1前六組和后六組實驗中氣凝膠均為等體積替換，所以相同的泡沫體積比對應相同的氣凝膠體積比，其中泡沫體積比分別為30%、40%、50%、60%、70%時對應氣凝膠體積比分別為30.5%、26.5%、21.8%、17.4%、13.1%。

當氣凝膠體積比由13.1%增加到30.5%時，密度差值由22.29 kg/m3增加到130.06 kg/m3，導熱系數差值由0.007 W/(m·K)增加到0.022 W/(m·K)，抗壓強度差值由0.03 MPa增加到0.59 MPa，可見隨著氣凝膠替換量的不斷增大，泡沫混凝土的密度、導熱系數以及抗壓強度下降的幅度逐漸增大。其中在氣凝膠體積比低于21.8%時，二者導熱系數和抗壓強度差值的增幅較為平緩，因為此時氣凝膠體積比遠小于泡沫體積比，對導熱系數和抗壓強度主要的影響因素還是高泡沫體積帶來的高孔隙率；而隨著氣凝膠體積比高于21.8%時，泡沫體積比逐漸減小，固體所占體積逐漸增大，導熱系數和抗壓強度差值的增幅逐漸加快。當添加體積比為13.1%的氣凝膠時，超輕氣凝膠泡沫混凝土的密度及導熱系數相較高密度氣凝膠的填充試樣分別減小10%和10.4%。

圖9 HdAg/FC與LdAg/FC的三種性能參數差值隨氣凝膠加入量的變化Fig.9 Changes of three properties difference between HdAg/FC and LdAg/FC with the content of aerogel added

3 結 論

(1)采用較低密度氣凝膠填充的泡沫混凝土具有更小的密度和導熱系數。

(2)在規定抗壓強度范圍內，當泡沫體積比為70%時，添加體積比為13.1%的低密度氣凝膠得到的泡沫混凝土密度和導熱系數最小，分別為185 kg/m3和0.06 W/(m·K)，較高密度氣凝膠填充的泡沫混凝土分別減小10%和10.4%，且添加的氣凝膠質量用量減少44.1%。

(3)等體積采用超輕氣凝膠粉體進行填充，在滿足抗壓強度要求的同時，不僅可以提升泡沫混凝土熱工性能，而且可明顯減少氣凝膠質量用量，降低成本，促進超級絕熱氣凝膠在建筑節能領域的發展應用。