发泡复合材料在建筑节能领域的应用

2012-01-26刘士权李公产

中国建材科技 2012年3期

刘士权李公产

(1 徐州大沃节能材料科技有限公司，江苏徐州221008；2 徐州工程学院，江苏徐州221008)

1 概述

我国建筑节能目标：通过全面推进建筑节能工作，到2010 年，城镇建筑达到节能50%的设计标准，其中各特大城市和部分大城市率先实施节能65%的标准；开展城市既有居住和公共建筑的节能改造；大城市完成改造面积25%，中等城市完成15%，小城市完成10%。在此基础上，到2020 年实现大部分既有建筑的节能改造，新建建筑东部地区要实现节能75%，中部和西部也要争取实现节能65%。目前，许多地区（包括上海、天津、南京等）已开始推行居住建筑节能65%设计标准，北京市居住建筑节能70%的设计标准于2011 年开始实行。对新建建筑在开始设计时，采用新的节能设计标准，对原有的建筑进行节能改造[1]，提高围护结构的热工性能，通过降低外墙、屋面等的传热系数以达到增强建筑保温性能的目的，从而降低建筑能耗。

发泡复合材料是一种微孔轻质、新型复合保温防火材料。它是以胶凝材料、粉煤灰、陶粒等其他固体废物（如煤矸石）通过发泡方式生产的具有保温、防火、隔声、减震性能的复合材料。

2 发泡复合材料的发展趋势

针对我国建筑的节能设计要求，结合保温材料的现状及现代新型建筑对建筑材料的性能需求，保温材料由单一材料向复合材料转化；由有机材料向无机复合材料方向转化。发泡复合材料正属于这样一类新型复合无机保温材料。发泡复合材料的优点众多，如：防火阻燃性好、变形系数小、保温隔热性能好、抗老化性能强、耐久性强、施工难度小、工程成本较低，原材料来源广泛、生产过程中的能耗低、符合生态环保的要求，可以实现资源的循环再利用。推进节能新型复合材料的发展，淘汰落后的能耗高、破坏资源与环境的传统建材，不仅是住房建设和建筑业现代化的需要，更是实施我国可持续发展战略的需要。

3 发泡复合材料的性能

目前在施工中常用的发泡复合材料的密度等级在350 kg/m3到1200 kg/m3之间，在建筑中充分应用发泡复合材料可以大大降低建筑物的自重，降低幅度可以高达25%。建筑物自重降低的同时，基础及结构费用也相应随之减少，因此，在建筑施工中充分应用发泡复合材料可以起到很好的经济效益。研究还表明，合理使用发泡复合材料的建筑较普通建筑具有更高的抗震性能；发泡复合材料具有良好的热工性能：由于发泡复合材料中含有大量均匀封闭的气孔，因此发泡复合材料具备良好的热工性能。通过实验发现，发泡复合材料的导热系数在0.07 W/(m.K)-0.22W/(m.K)之间，将这种优质的多孔复合材料应用于建筑工程中，必将产生良好的保温隔热效果。通过大量的研究发现，发泡复合材料的主要优点有以下几方面：

3.1 优越的热工性能

发泡复合材料之所以具有良好的保温隔热性能是由其内部孔隙结构所决定的。观察发泡复合材料的内部孔隙结构可以发现，发泡复合材料的内部充满大量封闭、均匀的小圆孔。这些气孔是封闭的，空气不流通，绝热效果好，因此材料的导热系数很低，具有优越的保温隔热性能。发泡复合材料的这一良好的热工性能是普通混凝土无法相比的。发泡复合材料的导热系数在0.07 W/(m.K)-0.22W/(m.K)之间。

3.2 较低的容重

发泡复合材料的密度较小，实际施工中，发泡复合材料的密度等级在350 kg/m3到1200 kg/m3范围内，近年来，密度更低的超轻发泡复合材料也开始出现，但在工程中尚未得到较大范围的应用。实际工程中发泡复合材料的密度可以降至220kg/m3-800kg/m3，与粘土砖相比，密度只有粘土砖的1/3-1/10，其密度只相当于普通水泥混凝土的1/4-1/10。由于发泡复合材料的密度小，将其应用于建筑物的内外墙体、屋面、楼面、基础等部位，可以使建筑物自重降低20%-30%。因此，在建筑工程中合理采用发泡复合材料，可以在保证建筑耐久性能和结构承载性能的同时，大大降低建筑工程的造价，具有良好的经济效益和广泛的市场前景。

3.3 明显的减震效果

发泡复合材料由于密度较小、质量较轻、空隙率高，因此弹性模量较低。这些特性使得发泡复合材料在承受冲击、地震荷载时所承受的力较小，震动波的传递速度比普通混凝土结构慢很多。从震动理论分析，建筑结构的自震周期越长，对冲击能量的吸收就越快。因此，发泡复合材料具有良好的减震效果。在建筑工程中广泛应用发泡复合材料可以有效地增加建筑物和构筑物的抗震性能，加强建筑物和构筑物在地震中的安全性。

3.4 良好的隔音耐火性能

发泡复合材料内部含有大量均匀、封闭、细小孔隙，因此具有良好的隔音性能。因此可以将发泡复合材料广泛应用于建筑物的楼层、填充墙体、地下建筑物的顶层等建筑部位，起到良好的隔音效果。并且，发泡复合材料不易燃烧、具有较好的耐火性。通过大量研究显示，干容重350 kg/m3到1200 kg/m3范围内的发泡复合材料，当其抗压强度为0.5MPa-7.0MPa 范围内时，发泡复合材料的耐火极限可以达到1.8 小时，隔声性能可以达到22db，不失为一种性能优越的隔音防火材料。

3.5 低碳环保

发泡复合材料在生产过程添加了大量的粉煤灰、煤矸石等固体废弃物，减轻了固体废弃物对土地的占用和环境的污染。通过一系列的生产过程，可以变废为宝、节约资源，而且还大大降低了发泡复合材料的成本。发泡复合材料在建筑工程中的广泛使用，降低了建筑物的能源消耗，降低了CO2的排放量，提升了建筑物的节能效果。

4 发泡复合材料的生产

生产发泡复合材料所需的原材料主要包括：发泡剂、硅酸盐水泥、水、以及珍珠岩、陶粒、粉煤等和一些外加剂（聚丙烯纤维、减水剂、增强剂等），这样不仅可以降低成本，节约能源、利用大量的工业废渣，减轻环境的污染，而且还可以改善材料的性能。下面分别介绍各种主要原料的性能及特点。

硅酸盐水泥以黏土和石灰石为原料，经高温煅烧得到以硅酸钙为主要成分的熟料，加入0-5%的混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。硅酸盐水泥是泡沫复合材料中的主要材料，对材料的强度起着决定性的作用，随着水泥的用量越多，材料的强度逐渐增加，材料的干容重增加，但是材料的保温系数逐渐降低。

发泡剂是生产发泡复合材料的关键材料，发泡剂选用的是否恰当，直接关系到复合材料的发泡效果及热工性能。发泡剂目前市场上种类很多，但并非都能适用于泡沫混凝土生产。只有在泡沫和料浆混合时，具有足够的稳定性，对硅酸盐水泥的凝结和硬化无有害影响，才能用来生产发泡复合材料。目前发泡剂品种主要有松香型发泡剂、表面活性剂类发泡剂、植物类发泡剂、动物类发泡剂和复合类发泡剂[2]。松香型发泡剂价格低廉，方便易得，但由于其稳定性不好。蛋白质型发泡剂，由于合成技求要求高，至今难以达到国外产品的质量，目前成本较高，应用很少，但其发泡性和泡沫的稳定性都较好。表面活性剂类发泡剂发泡倍数大，易起泡，但其缺点是泡径大，泡壁薄，消泡快，稳定性差。目前国内应用较多的是复合类发泡剂，该发泡剂成本较低，发泡倍数高，泡沫稳定性好，泡径均匀。发泡剂主要影响泡沫量、泡沫稳定和细密性等，也影响发泡成本，尤其是对泡沫量及泡沫品质影响最大[3]。

稳泡剂[4]是生产发泡复合材料不可缺少的外加剂。稳泡剂的性能优良与否直接影响发泡复合材料的孔隙率和强度。发泡剂发出的泡沫能够存续的时间能否达到或超过硅酸盐水泥的初凝时间，如果低于硅酸盐水泥的初凝时间，那么泡沫将不断破裂，导致发泡复合材料的孔隙率下降，保温性能下降。孔隙率与密度及强度都有直接的关系，并产生双重影响。孔隙率越高，密度越小，但强度也越低。强度与密度成正比，二者基本是一致的，强度随密度而下降，密度随孔隙率而下降[5]。因此通常采用稳泡剂来延长泡沫的存续时间，使之超出硅酸盐水泥的初凝时间。

发泡复合材料的生产工艺流程[6]是先制备出泡沫，然后将制备好的泡沫与填充料浆充分拌合，依靠泡沫的添加量来调节发泡复合材料的湿容重，直至符合要求，最后进行浇筑成型，进行充分养护。另外一种方法是料浆的拌合与发泡是同时进行的，先将发泡剂按1：16 倍进行稀释，然后添加其他材料，混合后进行充分搅拌，不少于5 分钟，进行容重的测试调整。直至符合要求，然后浇筑成型、养护。