氣凝膠膨脹珍珠巖保溫材料的研究及其建筑能耗分析

劉學智

（青海省建筑建材科學研究院有限責任公司，青海 西寧 810008）

近些年，我國人口的持續增長、生活質量的不斷增高，也在促進著我國建筑能耗不斷上升。這不僅會導致建筑對化石能源的消耗量上升，同時還會導致更加嚴重的環境污染問題。研究表明[1-2]，建筑能耗占到了我國國民經濟總能耗約30%～50%的比例，由此可以發現，提升建筑能源利用率對于緩解能源危機有著顯著意義。不同于太陽能、風能等清潔能源，建筑保溫材料的應用具有更加突出的經濟優勢和便捷性。基于氣凝膠及膨脹珍珠巖所具有的獨特性質進行復合形成新型保溫材料。其中，氣凝膠具有較小的導熱系數，彌補了膨脹珍珠巖的高吸水性缺陷，且兼具良好的經濟效益。

1 氣凝膠膨脹珍珠巖的特性

氣凝膠膨脹珍珠巖整體表現出較差的導熱性，若以其為骨料摻加至混凝土中即可得到導熱性較差的混凝土。同時，由于氣凝膠膨脹珍珠巖的外表面有一定的憎水性質，因此水泥漿很難附著其上，對混凝土的粘結性造成不利影響[3]。為了規避上述問題，可以考慮采用硅烷偶聯劑進行處理。在本研究中，采用硅烷偶聯劑來復合有機物與無機物。

2 氣凝膠膨脹珍珠巖輕質混凝土

采用級配骨料制備的試件較級配骨料表現出更好的隔熱能力[4]。但在實際工程中，若采用級配骨料則將導致生產流程更加復雜，進而提高工程造價。本研究中主要采用非級配設計進行分析。

2.1 單因素試驗

在選擇結合層時可考慮采用淀粉醚，但由于其具有較大粘性，在與水混合過程中將發生凝膠現象，難以在水中均勻分布，因此本研究不選用淀粉醚。外加劑：能夠起到再分散、改善流動性的作用，進而提升混合物內聚力；羥丙基甲基纖維素作為粘結劑，可以增強水泥漿在骨料上的附著作用；降水劑有助于降低拌和配合比中的水灰比，提升混凝土強度[5]。

首先按照設計配比要求分別在容器內加入水泥、硅灰及氣凝膠膨脹珍珠巖并攪拌約1 min，隨后加入外加劑、水繼續攪拌1 min。將得到的拌合物置于模具中，于20 ℃的溫度及95%的濕度條件下持續養護1 d 后拆模并還在養護箱內養護至28 d。

在混凝土養護結束后，應當及時測定其抗壓強度；將試件置于105 ℃的環境下持續烘干至恒重，測定得到其導熱系數。在試驗過程中發現試件2 底部出現了水泥漿沉積層，這也就導致試件整體的抗壓強度較預期更低；試件3 由于摻加了KH-550 使得其骨料、水泥漿的粘接性得到顯著提升，因此其抗壓強度要高于試件2。在上述五組試件中，試件1 及試件4 實測的抗壓強度均高于7 MPa。試驗所用的三類外加劑均使得骨料、水泥漿的粘結更加均勻，其中試件1 及試件4 實測的導熱系數高于試件2 和試件3。試件5僅摻加羥丙基甲基纖維素，其拌合得到試件的粘稠度有所提高，使得在攪拌1 min 時氣凝膠膨脹珍珠巖更為破碎，其密實度優于其他組別試件，且其抗壓強度、導熱系數均更優。

根據試件的微觀圖像可以發現，1、3、4 及5 組試件中水泥漿的分布較為均勻。在試件2 中，膨脹珍珠巖外殼與水泥膠凝材料之間存在明顯裂縫；1、3、4 及5 組試件中膨脹珍珠巖外殼與水泥膠凝材料則結合較為緊密，未出現明顯的開裂現象。通過上述試驗可以發現，KH-550、可再分散性乳膠粉及羥丙基甲基纖維素均對膨脹珍珠巖、水泥膠凝材料的粘結有積極作用。對比分析上述三類摻加材料的作用羥丙基甲基纖維素的效果最佳。

圖1 為羥丙基甲基纖維素的結構組成，結構中的甲基能夠與氣凝膠膨脹珍珠巖的甲基較好地結合，其中羥基為極性官能團，可以與水之間形成氫鍵。

圖1 羥丙基甲基纖維素示意圖

2.2 正交試驗及分析

將氣凝膠、膨脹珍珠巖復合作為骨料，能夠適當調整外加劑摻量來制備導熱性較低的輕質混凝土，且確保其滿足預期力學要求。在本研究中設置三個不同的變量參數：可再分散性乳膠粉、羥丙基甲基纖維素和高效聚羧酸減水劑。圖2 為三類外加劑的摻量，其中每類外加劑確定三個不同的摻加水平，其最大摻量分別為2%、0.4%及1%。

圖2 外加劑的因素及水平

根據上述三因素三水平正交試驗，能夠得到相應的外加劑試驗配比。在制備試件時控制每立方混凝土中氣凝膠膨脹珍珠巖、水泥、硅灰、水及硅烷偶聯劑的用量分別為143.86 kg、304.8 kg、30.48 kg、284.90 kg及3.05 kg。將外加劑、水充分混合后摻入混合物中經30 秒攪拌后即可倒入模具內。適當減少攪拌工序的持續試件，能夠降低氣凝膠膨脹珍珠巖破損的風險，且減小混凝土試件的導熱系數。將制備的9 小組試件按可再分散性乳膠粉摻量不同分為3 組，可再分散性乳膠粉摻量分別為0、3.05、6.1 Kg/m3，羥丙基甲基纖維素摻量分別為0、0.61、1.22 Kg/m3，高效聚羧酸減水劑摻量分別為0、1.52、3.04 Kg/m3，進行正交試驗，9 組試件試驗結果如圖3 所示。

圖3 外加劑摻加量表及各組試件的性能

一般而言，混凝土試件密度越小則其抗壓強度越大、導熱系數越大。按照配比設計方案制備得到試件并測定器抗壓強度、導熱系數及干密度的變化趨勢如圖3 所示，這三個參數隨著配比組分的變化表現出相似的變化趨勢。當試件有較大的干密度時，其所對應的抗壓強度、導熱系數往往也比較高；而當試件的干密度處于較低水平時，其所對應的抗壓強度、導熱系數往往也比較低。通過表3 中數據做出極差分析即可得出不同因素對于試件抗壓強度、導熱系數的作用規律。圖3 展示了不同因素對混凝土性能的作用規律，其中A、B 及C 分別為再分散性乳膠粉、羥丙基甲基纖維素和高效聚羧酸減水劑，其后數字則指代不同的摻量，其與表2 中配比設計自上而下對應。對表中數據進行處理即可得到以上三個因素A、B、C 針對試件抗壓強度影響的極差分別為0.003、2.827、1.267；以上三個因素A、B、C 針對試件導熱系數影響的極差分別為0.002、0.011、0.003。以此即可發現，在對試件的抗壓強度、導熱系數的影響作用排序中羥丙基甲基纖維素的作用最為突出，可再分散性乳膠的作用最為微弱。針對上述正交試驗的結果進行分析，綜合導熱系數及抗壓強度兩個方面的因素，進一步優化配比設計。調低羥丙基甲基纖維素的摻量能夠對導熱系數起到明顯的控制作用，最終選定其摻量為0.6 及0.4 kg/m3；試驗表明可再分散性乳膠粉能夠在確保試件抗壓強度不變的基礎上對導熱系數起到控制作用，但其作用效果比較有限，在本試驗中不另外摻加；高效聚羧酸減水劑在降低試件導熱系數方面具有突出作用，將其用量確定為3.04 kg/m3。在試件制備完成并在標準養護條件下經28 d 養護后測定試件的抗壓強度及導熱系數，試驗結果如表4 所示。本研究制備得到導熱系數低于0.06 W/（m·K），抗壓強度達到4.4 MPa 的輕質混凝土試件。

3 建筑能耗分析

選取單個房間作為分析對象來評價建筑的能耗。圖4 為該房間的設計尺寸，房間的長、寬分別為12 000 mm、5 275 mm。圖中M-7 指代高2 000 mm、寬1 200 mm 的木門，M-8 指代高2 000 mm、寬1 000 mm 的木門，M-8 指代高2 000 mm、寬1 000 mm 的木門。房間外墻、內墻厚度分別為250 mm、200 mm。房間的北側、南側分別為走道、室外，房間東、西兩側為室內。

圖4 單個房間的尺寸（單位：mm）

在圖4 所示的房間中，采取了三種保溫方式，分別對這三類保溫方式的能耗進行計算，評價其各自的保溫效果。表1 給出了在該房間中膨脹珍珠巖保溫板的具體做法。

表1 圍護房間的詳細構造做法

根據調研發現當地室外平均溫度約為-1.1 ℃。按照當地采暖要求，應保證采暖期內室內溫度控制在18±2 ℃即可視為合格。基于能耗計算方法，統計得出該房間耗熱量指標。其中，換氣體積以樓梯間、外廊按照不采暖進行分析，V=0.6 V0，V 為統計范圍內建筑物外表面及地面所圍護形成的空間體積。

基于上述計算過程可以發現，在使用膨脹珍珠巖、氣凝膠膨脹珍珠巖作為保溫材料時，測得單個房間在單位面積上的最大耗熱量指標分別為9.180 W/m2及6.827 W/m2，相較之下節能率達到了25.6%。由此即可認為氣凝膠膨脹珍珠巖較膨脹珍珠巖而言具有更為優良的保溫隔熱能力。

4 結論

本研究借助試驗的方式探究了氣凝膠膨脹珍珠巖混凝土的保溫隔熱性能，并以此為基礎對以氣凝膠膨脹珍珠巖作為保溫材料的單個房間進行分析。試驗結果表明，試驗可制得導熱系數低至0.06 W/（m·K）、抗壓強度達到4.4 MPa 的試件。且采用氣凝膠膨脹珍珠巖作為保溫材料的單個房間較采用膨脹珍珠巖的節能率能夠達到25.6%。