不同体积掺量的SiO2气凝胶对砂浆性能的影响*

王 飞，刘朝辉，邓智平，贾艺凡，丁逸栋，班国东，林 锐

(1.解放军后勤工程学院，化学与材料工程系，重庆 401311;2.解放军后勤工程学院，军事土木工程系，重庆 401311)



不同体积掺量的SiO2气凝胶对砂浆性能的影响*

王 飞1，刘朝辉1，邓智平2，贾艺凡1，丁逸栋1，班国东1，林 锐1

(1.解放军后勤工程学院，化学与材料工程系，重庆 401311;2.解放军后勤工程学院，军事土木工程系，重庆 401311)

以低导热系数的SiO2气凝胶颗粒为保温骨料，采用等体积替换法替换砂浆中的沙制备SiO2气凝胶砂浆，主要研究当SiO2气凝胶颗粒的替换比例分别在10%，20%，30%，40%，50%和60%时，对砂浆的密度、力学性能、吸水率以及导热系数等性能的影响，并在此基础上，通过添加纤维、引气剂和胶粉来对砂浆做改性，重点研究了各掺量对砂浆导热系数的影响，结果表明，当其掺量分别为0.2%，0.05%和1%时，导热系数达到最低为λ=0.0859 W/(m·K)。

SiO2气凝胶；保温砂浆；导热系数

0 引 言

随着经济和社会的发展，能源问题越来越成为人们关注的焦点，并且伴随着城市化进程的加快，建筑的需求也越来越大，作为能耗的重要组成部分—建筑能耗，成为了人们生活中关注的重点。据统计，在建筑能耗中，建筑围护结构占绝大部分的比重，为此，提高建筑围护结构的保温隔热性能极为关键。

在建筑保温隔热材料研究方面，大体经历从有机到无机的过程，有机材料作为建筑保温隔热材料：其质轻且具有良好的保温隔热性能，但易老化、易燃烧等缺点给建筑工程遗留下严重的安全隐患，因而慢慢被无机材料所取代；无机材料中，主要以无机保温砂浆发展较为迅速，例如，以玻化微珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等作为保温骨料的保温砂浆，表现出优良的保温隔热性能，但在使用中存在易开裂以及吸水后导热系数偏大，大大降低了保温砂浆的使用性能和保温性能，因此，寻找新的保温骨料很关键。近些年，SiO2气凝胶因其具有独特的性质(低密度、高比表面积、低热导率以及高光透过性等[1-4])在很多的领域有着广泛的应用前景，尤其是被作为一种高效保温隔热材料已经成为研究的热点。在国外，Kim[5]将SiO2气凝胶粉末加入到水泥浆中发现，当SiO2气凝胶粉末的质量占总质量的2.0%时，其导热系数下降75%。T.Gao[6]将SiO2气凝胶颗粒添加到混凝土中，并与EPS混凝土的性能相比较，主要研究其掺量对气凝胶混凝土的密度、力学性能和导热系数的影响，并总结得出了此三者的关系。在国内，郭金涛[7]以气凝胶和玻化微珠两种材料为保温骨料，将此两者按级配混合制备出新型保温砂浆。因此，本文采取替换法将SiO2气凝胶颗粒添加到砂浆中来研究其替换比例对密度、力学性能、吸水率以及导热系数等性能的影响，进一步拓展其在建筑保温材料中的应用领域。

1 实 验

1.1 实验原材料

SiO2气凝胶，广东埃力生高新科技有限公司生产的A-110疏水性SiO2气凝胶，性能参数如表1所示；水泥，重庆青鹏煤业有限公司生产的普通硅酸盐水泥，P.O42.5级；硅灰，巩义市元亨净水材料厂生产的微细硅灰，平均粒径为0.1～0.3 μm；细骨料，厦门艾思鸥标准砂有限公司生产的ISO标准砂；纤维，皖风建材化工生产的12 mm聚丙烯纤维；胶粉，临沂市兰山区绿森化工有限公司生产的ZJ-518可再分散胶粉；引气剂，采用济南万承化工有限公司生产的混凝土引气剂；偶联剂，采用济南万承化工有限公司生产的KH550硅烷偶联剂；减水剂，重庆林月建材厂提供的减水剂；水，自来水。

表1 SiO2气凝胶的主要性能指标

1.2 实验配合比

本文在砂浆配比基础上采用SiO2气凝胶颗粒等体积替换砂浆中的沙，配合比如表2所示。同时，在此基础上选取SiO2气凝胶颗粒的体积替换比为60%，纤维、引气剂和胶粉的掺杂比例分别为(0.1%，0.2%和0.3%)、(0.05%，0.1%和0.15%)和(0.5%，1%和1.5%)，研究纤维、引气剂和胶粉的掺量对砂浆性能的影响。

表2 SiO2气凝胶砂浆的配合比(40 mm×40 mm×160 mm)

1.3 SiO2气凝胶砂浆的制备

SiO2气凝胶砂浆的制备主要需要解决以下两方面问题：(1) SiO2气凝胶颗粒与无机胶凝材料的粘结；(2) SiO2气凝胶颗粒在混合搅拌过程中易挥飞、入模后易上浮。为此，本文先对SiO2气凝胶颗粒进行预处理，对其颗粒进行表面改性，增强SiO2气凝胶颗粒与无机胶凝材料之间的粘结性能，其具体制备流程如图1所示，先从设计配比的总用水量中取出一部分水来配置质量分数为5%的KH550硅烷偶联剂溶液，对SiO2气凝胶颗粒进行改性，实验中采取边分散改性，为防止偶联剂水解产生沉淀，影响改性效果，将配好的偶联剂溶液超声分散3 min，然后立即对SiO2气凝胶颗粒进行改性。同时按照配合比将水泥、硅灰和沙加入到搅拌机中进行干拌2 min，然后将余下的水缓慢加入搅拌3 min，再将预处理过的SiO2气凝胶颗粒加入其中，搅拌均匀后装入试模；在此基础上，通过添加聚丙烯纤维、引气剂和胶粉来对砂浆做改性，从而制备出低导热系数的保温砂浆。

图1 SiO2气凝胶保温砂浆的制备流程

1.4 SiO2气凝胶砂浆的性能测试方法

采用TYEH-2000型微机控制恒加载压力试验机测量砂浆的抗压和抗折强度；采用HITACHI S-3700N观察SiO2气凝胶颗粒以及砂浆的表面形貌，并用能谱仪对砂浆的微区进行成分分析；采用Drop Meter A-100型接触角测量仪对SiO2气凝胶颗粒改性前后的接触角进行测试；采用防护热板法，使用武汉盛科生产的DR-300A+型平板导热仪测量砂浆的导热系数。

2 结果与讨论

2.1 SiO2气凝胶颗粒的表征

2.1.1 扫描电镜(SEM)分析

(1) 未改性的SiO2气凝胶颗粒

SiO2气凝胶颗粒及其表面形貌如图2所示。

图2 SiO2气凝胶颗粒和SiO2气凝胶颗粒表面形貌

Fig 2 SiO2aerogel particles and surface appearance of SiO2aerogel particles

从图2(a)可看出，本文采用的SiO2气凝胶颗粒由不同粒径且形状不规则的颗粒组成，其粒径大小大致与沙的相同；图2(b)为扫描电镜下SiO2气凝胶颗粒的表面形貌，可得出SiO2气凝胶颗粒实际上是纳米颗粒聚合而成，属于典型纳米结构的材料。

(2) 改性的SiO2气凝胶颗粒

目前，纳米SiO2的改性方法有很多[8]，最常用的是偶联剂改性。改性原理[9]是纳米SiO2表面的吸附水与硅醇基发生化学键键合，改变其表面性质。高正楠等[10]以及朱建军等[11]对KH550硅烷偶联剂改性的工艺以及改性的界面问题进行研究，结果表明，偶联剂改性后，纳米SiO2的界面问题得到改进，有机-无机相容性增强，粒子的分散性得到提高。因此，本文采用此方法来解决SiO2气凝胶颗粒与无机胶凝材料的粘结问题，虽然改性使得颗粒的表面性质发生变化，但并没有改变颗粒内部的结构，所以改性并不会使其导热系数发生较大变化。图3和4(图片中的A代表SiO2气凝胶颗粒，下同)分别表示经改性和未经改性的SiO2气凝胶颗粒在砂浆中的情况。从图3和4可清晰地看到，改性前后SiO2气凝胶颗粒都稳定的存在于砂浆中，且可保持原有大致形状。但改性后，SiO2气凝胶颗粒更为稳定的镶嵌于砂浆之中，并与砂浆结合的较为紧密，未经改性的SiO2气凝胶颗粒只是散落在砂浆中，并未与砂浆表现出较好的共混。

图3 未改性的SiO2气凝胶颗粒在砂浆中

图4 改性的SiO2气凝胶颗粒在砂浆中

2.1.2 接触角测试

图5表示未改性SiO2气凝胶颗粒的接触角实验结果。从图5可得出未改性的SiO2气凝胶颗粒疏水角较大，大约在145°左右，其疏水性较强，不利于与水、水泥、沙等共混；而改性后SiO2气凝胶颗粒可以被浸润，接触角变小。

2.2 不同体积掺量SiO2气凝胶对砂浆的影响

2.2.1 对砂浆密度的影响

图6表示不同体积掺量SiO2气凝胶颗粒对砂浆密度的影响。SiO2气凝胶颗粒的密度为100 kg/m3，远小于沙(密度为1 400 kg/m3)，从图6可以看出，随着SiO2气凝胶颗粒替换比例的增加，SiO2气凝胶砂浆的密度整体呈线性下降趋势，并符合关系式

y=-13.57x+2074.06

当替换比例达到60%时，其密度由最初的2 014.1 kg/m3下降到1 231.4 kg/m3。

图5 SiO2气凝胶颗粒的接触角

图6 SiO2气凝胶砂浆的密度

2.2.2 对砂浆力学性能的影响

图7表示不同体积掺量SiO2气凝胶颗粒对砂浆力学性能的影响。

图7 SiO2气凝胶砂浆的力学性能

随着气凝胶颗粒掺量的增加，其强度呈现明显的下降趋势，主要是由于SiO2气凝胶颗粒本身强度低造成的。结果表明，28 d时的抗压和抗折强度分别降至2.15和0.45 MPa，7和28 d的抗折强度拟合曲线关系式为

y=-12.9ex/117.46+ 21.59

y=-2.47ex/38.66+11.79

而7和28 d的抗压强度拟合曲线关系式为

y=-0.45x+25.58

y=-0.71x+44.22

呈现线性下降趋势，但图中也可以看出有些掺杂比例并未完全符合函数关系式，主要是气凝胶颗粒的掺入导致砂浆内部结构改变。

2.2.3 对砂浆吸水率的影响

图8表示不同体积掺量SiO2气凝胶颗粒对砂浆吸水率的影响。

图8 SiO2气凝胶砂浆的吸水率

Fig 8 The water absorption of SiO2aerogel mortar

由图8可以看出，随着SiO2气凝胶颗粒体积掺量的增加，其吸水率也随之增大，主要原因是：一方面SiO2气凝胶颗粒的掺入造成砂浆内部孔洞变多、结构不均匀；另一方面改性后的SiO2气凝胶颗粒接触角变小，其表面吸附自由水能力增强，随着掺量的增加，吸水率变大。但从24和48 h吸水率的值可得出，经48 h的浸泡其吸水基本达到饱和。

2.2.4 对砂浆导热系数的影响

图9表示不同体积掺量SiO2气凝胶颗粒对砂浆导热系数的影响。

图9 SiO2气凝胶砂浆的导热系数

Fig 9 The thermal conductivity of SiO2aerogel mortar

根据Landauer R[12]的理论模型，如式(1)、(2)所示，将砂浆也分为两部分：一部分是水泥基体；另一部分为气凝胶颗粒，这样从理论上可以用它来计算气凝胶砂浆的导热系数，用来与实际测量值做比较

(1)

XA和XC分别为气凝胶的体积分数和水泥基体的体积分数，λA和λC分别为气凝胶的导热系数和水泥基体的导热系数，本文取

λA=0.0200 W/(m·K)，λC=0.6039 W/(m·K)

(2)

从图9可得出，随着气凝胶颗粒体积分数变大，砂浆的导热系数逐渐变小，当掺量达到60%时，导热系数值从0.6039 W/(m·K)降至0.1524 W/(m·K)，同时也可看出，实测值基本上比理论值大，主要是因为水泥基体本身并不是均匀地，加上气凝胶颗粒的加入，更加改变了原本较为均匀地状态。

2.3 掺杂改性对SiO2气凝胶砂浆性质的影响

通过上述实验得出，当SiO2气凝胶颗粒替换比例达到60%时，导热系数为0.1524 W/(m·K)，作为保温砂浆，其导热系数仍然偏大，因此，为进一步降低导热系数，以60%体积替换比的SiO2气凝胶砂浆为研究对象，选用聚丙烯纤维、引气剂以及可再分散乳胶粉(其掺杂比例为胶凝材料的质量分数)对砂浆进行改性，制备出低导热系数的SiO2气凝胶砂浆，配合比如表3所示。

表3 改性的SiO2气凝胶砂浆配合比(300 mm×300 mm×30 mm)

2.3.1 掺杂改性砂浆的EDS图谱

图10为改性的SiO2气凝胶砂浆EDS谱图，结合表4的结果可以得出，在图10(b)中含有C、O、Al、Si、S、K、Ca 7种元素，而图10(a)中含有C、O、Al、Si、K、Ca 6种元素，缺少S元素，结合图中位置，图10(a)为纤维所在地，可能是其表面粘接的是水泥熟料的水化产物，而图10(b)为水泥基体，因而含有水泥中的未参与反应的SO3，故而含有S元素。

图10 改性的SiO2气凝胶保温砂浆EDS谱图

(a)(b)元素质量分数/%元素质量分数/%CK8.20CK2.97OK43.00OK38.60AlK0.68AlK2.19SiK14.02SiK14.61SK0.00SK2.78KK2.17KK1.43CaK31.93CaK37.42

2.3.2 掺杂改性对砂浆导热系数和力学性能的影响

图11为掺60% SiO2气凝胶砂浆的导热系数。

图11 掺60% SiO2气凝胶砂浆的导热系数

图11表示在SiO2气凝胶颗粒替换沙的体积分数为60%时，不同掺量的纤维、引气剂和胶粉对SiO2气凝胶砂浆导热系数的影响，结合表3，可得出，随着纤维质量分数的增加，其导热系数值大体呈先增加再降低然后增加并趋于稳定，当纤维、引气剂和可再分散乳胶粉的掺入比例分别为0.2%，0.05%和1%时，导热系数为0.0859 W/(m·K)，与掺杂改性之前相比，导热系数得到很大程度的改善。

图12表示不同掺量的纤维、引气剂和胶粉对SiO2气凝胶砂浆力学性能的影响，从图12可看出，其抗压、抗折强度变化不大，抗折强度则有小幅提高，主要是纤维的加入，结合图11和12，通过掺杂改性，当砂浆的导热系数达到最低(即配比4)时，其抗压、抗折强度分别为2.38和0.58 MPa，强度符合保温砂浆的要求。

图12 掺60%SiO2气凝胶砂浆的力学性能

3 结 论

(1) 经过改性的SiO2气凝胶颗粒与未改性的相比较可与砂浆表现出更好的粘结性能，与水泥的水化产物能够更好地相容。

(2) 随着SiO2气凝胶颗粒替换比例的增加，SiO2气凝胶砂浆的密度、强度、导热系数等都逐渐降低，当替换比例达到60%时，其密度从2 014.1 kg/m3下降到1 231.4 kg/m3，28 d的抗压、抗折强度分别降至2.15和0.45 MPa，导热系数也由未添加时的0.6039 W/(m·K)降至0.1524 W/(m·K)。

(3) 在前期实验基础上，采取添加纤维、引气剂和胶粉对砂浆进行改性，最终通过正交实验得出，在纤维、引气剂和可再分散乳胶粉的掺入比例分别为0.2%，0.05%和1%时，导热系数达到最低，为0.0859 W/(m·K)，其抗压强度和抗折强度分别为2.38和0.58 MPa。

[1] Hrubesh L W. Aerogels: the world’s lightest solids [J]. Chemistry and Industry, 1990,(24): 824-827.

[2] Bond G C, Flamerz S. Structure and reactivity of titania-supported oxides. Part 3: reaction of isopropanol over vanadia-titania catalysts [J]. Applied Catalysis, 1987, 33(1): 219-230.

[3] Fricke J, Emmerling A. Aerogels-preparation, properties, applications[M]. Berlin: Springer-Heidelberg,Chemistry, Spectroscopy and Applications of Sol-Gel Glasses, 1992: 37-87.

[4] Mulder C A M, Van Lierop J G. Preparation, densification and characterization of autoclave dried SiO2gels [M]. Aerogels: Springer Berlin Heidelberg, 1986: 68-75.

[5] Kim S, Seo J, Cha J, et al. Chemical retreating for gel-typed aerogel and insulation performance of cement containing aerogel [J]. Construction and Building Materials, 2013, 40: 501-505.

[6] Gao T, Jelle B P, Gustavsen A, et al. Aerogel-incorporated concrete: an experimental study [J]. Construction and Building Materials, 2014, 52: 130-136.

[7] Guo Jintao. Study on silica aerogels/glazed hollow beads composite thermal-insulating mortar[D]. Xi’an: Changan University, 2011.

郭金涛. 硅气凝胶/玻化微珠复合保温砂浆研究[D].西安:长安大学,2011.

[8] Jesionowski T,Krysztafkiewicz A. Influence of silane coupling agents on surface properties of precipitated silicas[J]. Applied Surface Science, 2001, 172(1):18-32.

[9] Wu Wei，Jia Mengqiu，Chen Jianfeng，et al. Effect of silane coupling agent on the preparation and application of nano silicon dioxide composite material by sol-gel method [J].Acta Materiae Compositae Sinica,2004,21(2):70-75.

毋 伟, 贾梦秋, 陈建峰, 等. 硅烷偶联剂对溶胶凝胶法纳米二氧化硅复合材料制备及应用的影响[J].复合材料学报,2004,21(2):70-75.

[10] Gao Zhengnan, Jiang Xiaobo, Guo Kai. Study of the hydrolysis of 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) and the surface modification of silica [J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science), 2012, 39(2):7-12.

高正楠, 江小波, 郭 锴. KH550的水解工艺及其对SiO2表面改性的研究[J].北京化工大学学报:自然科学版,2012,39(2):7-12.

[11] Zhu Jianjun，Zhai Qiuge，Li Xiaoling, et al. Preparation and studies on the interaction at the organic-inorganic interface of KH550 modified SiO2[J].Chemical Research and Application,2014,26(7):988-992.

朱建君, 翟秋阁, 李晓玲, 等. KH550改性纳米SiO2的制备及其界面相互作用研究[J].化学研究与应用,2014,26(7):988-992.

[12] Landauer R. The electrical resistance of binary metallic mixtures [J]. Journal of Applied Physics, 1952, 23(7): 779-784.

2. Department of Military Civil Engineering, Logistic Engineering University，Chongqing 401311, China)

Effect on the performance of mortar using different volume content of SiO2aerogel

WANG Fei1，LIU Zhaohui1，DENG Zhiping2，JIA Yifan1，DING Yidong1，BAN Guodong1，LIN Rui1

(1. Department of Chemistry & Material Engineering,Logistic Engineering University， Chongqing 401311, China;

Using a low thermal conductivity of SiO2aerogel particles as insulation aggregate, the equal volume SiO2aerogel particles was adopted to replace sand in mortar to prepare thermal insulation mortar. The density, mechanical properties, water absorption, the thermal conductivity and other performance were studied when the SiO2aerogel particles replacement ratio was 10%, 20%, 30%, 40%, 50% and 60%. And on this basis, the thermal conductivity was focused on study when fiber, air-entraining agent and powder were added into the mortar. The results show that when the dosage was 0.2%, 0.05% and 1% respectively, the thermal conductivity is the lowest (0.0859 W/(m·K)).

silica aerogel; thermal insulation mortar; thermal conductivity

1001-9731(2016)04-04064-06

全军后勤科研计划资助项目(BY115C007)；重庆市自然科学基金资助项目(CSTC2012gg-sfgc00002)

2015-10-20

2015-12-25 通讯作者：刘朝辉，E-mail: z_h_liu@163.com

王 飞 (1988-)，男，安徽舒城人，硕士，师承刘朝辉教授，从事保温隔热材料和防水涂料方面的研究。

TQ177.6

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.013