超轻高效A级防火水泥基保温材料的技术研究

刘成健，张振秋，葛仲熙

（唐山北极熊建材有限公司，河北唐山 063705）

超轻高效A级防火水泥基保温材料的技术研究

刘成健，张振秋，葛仲熙

（唐山北极熊建材有限公司，河北唐山 063705）

制备了超轻高效A级防火水泥基保温材料，根据材料的用途和工程实际需要，按干密度划分为120、50 kg/m3两个等级，并确定了最佳技术指标。相比于传统的水泥基保温材料，超轻高效A级防火水泥基保温材料的干密度更低，抗压强度更高，导热系数更小；相比于有机保温材料，超轻高效A级防火水泥基保温材料的保温效果与之接近，燃烧性能为A级不燃，是一种新型、绿色、节能、环保的无机防火保温新材料。

高强双快高贝利特硫铝酸盐水泥；干密度；燃烧性能；导热系数；

0 引言

当前，我国建筑能耗已占到社会总能耗的27%。据统计，我国建筑单位面积总能耗比气候条件接近的发达国家高出2～5倍，若不采取节能措施，到2020年我国将有50%的能源消耗在建筑上，建筑外墙外保温技术已成为我国建筑节能技术的主导方向。

长期以来，有机类保温材料以密度小、保温、隔热效果好的优点，在外保温市场占据主导地位，如膨胀聚苯板（EPS）、膨胀挤塑板（XPS）、聚氨酯（PU）保温材料、酚醛保温板（PF）等，但其最佳防火等级为B1级难燃。许多水泥基保温材料虽然防火性能可达到A级不燃，但密度和导热系数大，保温效果差，根本达不到墙体传热系数的要求；当干密度低时，抗压、抗拉强度极低，不能保证外墙外保温结构体系的安全性。

因此，开发一种防火、节能双达标，且能满足使用强度要求的无机保温材料，是保证建筑物安全、实现节能降耗目标的迫切需要。

由中材国际工程股份有限公司、唐山北极熊建材有限公司、北京工业大学共同承担的“十二五”国家科技支撑计划项目“新型保温阻燃建筑材料成套技术研发与应用示范”子课题“超轻高效A级防火水泥基保温材料研究开发及应用示范”研制了超轻高效A级防火水泥基保温材料，根据干密度分为120、50两个等级，120级保温材料导热系数≤0.050 W/（m·K）、抗压强度≥0.2 MPa，可作为保温材料直接使用；50级保温材料导热系数≤0.040 W/（m·K）、抗压强度≥0.03 MPa，可作为保温填充材料使用。同时对超轻高效A级防火水泥基保温材料的抗拉粘结强度、碳化系数、软化系数、体积吸水率、燃烧性能等各项性能做了深入的技术研究，并确定了最佳技术指标。

相比于有机材料，超轻高效A级防火水泥基保温材料的保温效果与之接近，燃烧性能A级不燃，从根本上提高了防火性能，消除了安全隐患；相比于传统的水泥基保温材料，超轻高效A级防火水泥基保温材料干密度更低，保温效果更好，强度更高。对于无机保温材料在建筑、建材中的应用和国家建筑节能、安全防火政策的推广起到有力的推动作用。

1 外墙外保温材料现状

1.1 膨胀聚苯板（EPS）、挤塑聚苯板（XPS）保温材料

GB/T 10801.1—2002《绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》对膨胀聚苯板（EPS）物理机械性能的要求见表1。

表1 膨胀聚苯板（EPS）的物理机械性能

GB/T 10801.2—2002《绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料》对挤塑聚苯板（XPS）物理机械性能的要求见表2。

表2 挤塑聚苯板（XPS）的物理机械性能

膨胀聚苯板（EPS）和挤塑聚苯板（XPS）属于热塑性保温材料，可以制作较大尺寸的预制保温板材，导热系数低、保温效果好、闭孔率高、抗湿性能好。同时也存在一些缺点和不足，如高温时容易弯曲变形、遇明火时收缩、融化，透气性差、界面结合力差、存在不防火的缺陷。

1.2 聚氨酯（PU）保温材料

聚氨酯泡沫保温材料分为硬泡和软泡2种形式，在建筑物外墙保温系统中采用聚氨酯硬泡保温材料。JG/T 314—2012《聚氨酯硬泡复合保温板》对聚氨酯（PU）保温材料性能指标的要求见表3。

表3 聚氨酯（PU）硬泡材料的性能指标

聚氨酯属于热固性有机材料，内部呈网状结构，其结构稳定性和结构强度比普通塑料泡沫好，同时具有极佳的保温效果。但是聚氨酯（PU）保温材料在未经过阻燃加工处理时，属易燃体，遇火时产生急剧收缩，并产生大量有毒浓烟和有毒气体，加入阻燃剂后，燃烧性能可达到B2级。随着时间延长，老化严重，保温隔热能力下降可达30%。

1.3 酚醛保温板（PF）

GB/T 20974—2014《绝热用硬质酚醛泡沫制品（PF）》对酚醛保温板（PF）物理力学性能指标的要求见表4。

表4 酚醛保温板（PF）的物理力学性能

酚醛保温板属于热固性保温材料，具有良好的保温效果，酚醛保温板在火中不燃烧、不熔化，也不会散发出有毒烟雾。但是酚醛保温板同时存在一些弊端，如材料自身强度较低，板材表面粉化、易脆、与基层材料粘结不牢固；其固化剂为酸性材料，与无机粘结材料相容性差，高温200℃以上时，表面形成碳化层，界面强度丧失，存在安全隐患。

1.4 水泥发泡保温板

JG/T2200-2013《水泥基泡沫保温板》对水泥基泡沫保温板物理力学性能指标要求见表5。

表5 水泥基泡沫保温板的物理力学性能

水泥基发泡保温板的气孔多呈闭孔状，强度高、导热系数低、憎水性能好、A级不燃、与基层粘结力好、对人体无毒无害、是绿色环保的无机保温材料。但是相比于有机保温材料，水泥基发泡保温板的密度较大，导热系数较高，与有机保温材料的保温效果尚有一定差距；当密度降低时，抗压强度与抗拉强度下降严重，满足不了实际施工的需求和建筑外墙保温体系的耐久性。

1.5 岩棉保温板

GB/T 25975—2010《建筑外墙外保温用岩棉制品》对岩棉保温板物理力学性能指标的要求见表6。

表6 岩棉保温制品的物理力学性能指标

岩棉保温板具有良好的保温、隔热、隔声、吸声性能，具有密度小、导热系数低、不燃的优点。但是岩棉被水浸泡后马上软塌，尺寸变形较大；由于其自身抗拉强度较低，在运输安装过程中容易破碎、掉渣，其内部飘落的悬浮物被人体长期吸入会产生致癌的危害。

2 超轻高效A级防火水泥基保温材料

超轻高效A级防火水泥基保温材料是采用采用超细硅酸盐水泥（800 m2/kg），复配82.5级高强双快高贝利特硫铝酸盐水泥（以下简称高贝利特硫铝水泥），结合改性玄武岩纤维的方法与减水剂、促凝剂、稳泡剂等多种添加剂复合形成的发泡干粉，其加水搅拌的浆料与随后加入的过氧化氢发泡剂反应，经发泡、体积膨胀、硬化、养护、切割等工序制成的具有不燃、超轻、低导热等优异功能的保温板材。

2.1 超轻高效A级防火水泥基保温材料的技术指标

根据材料应用用途和工程的实际需要，将超轻高效A级防火水泥基保温材料按干密度划分为120、50两个等级。其物理性能及力学指标见表7，执行标准为企业标准Q/TBJX 19—2015《超轻发泡水泥保温板》。

表7 超轻发泡水泥保温板的性能指标

超轻高效A级防火水泥基保温材料干密度和导热系数低，因而具有良好的保温节能效果。材料的组成主体上为无机胶凝材料，与基层墙体有良好的粘结力和相容性；具有满足工程实际需要的物理强度，具有良好的抗碳化、软化能力，使保温系统具有良好的耐久性；良好的憎水性能和防火性能，满足外墙工程建筑安全的需要。

120级具有较高的抗压、抗拉强度，良好的保温效果和A级不燃的防火性能，可制作成超轻发泡水泥基保温板用于建筑外墙的外墙保温。50级由于密度较低，物理强度较差，不能制成超轻发泡水泥基保温板直接使用，用作有防护面层或砌块的内部进行填充保温，即超轻高效A级防火水泥基保温填充材料。

2.2 不同保温材料的性能对比

将上述几种保温材料与超轻高效A级防火水泥基保温材料综合性能指标进行对比可见，膨胀聚苯板、膨胀挤塑板、聚氨酯硬泡保温板、酚醛保温板4种有机材料的导热系数在0.024～0.041 W/（m·K），而岩棉保温板、普通水泥发泡保温板、超轻发泡水泥基保温板、超轻发泡水泥基保温填充材料4种无机材料的导热系数在0.040～0.065 W/（m·K），相比之下有机材料的保温效果更好。膨胀聚苯板等4种有机材料的干密度在在18～80 kg/m3，岩棉保温板等4种无机材料的干密度在50～250 kg/m3，相比之下，有机材料更为轻质。

但是从防火性能上，膨胀聚苯板等4种有机材料的燃烧等级为B1、B2级，而岩棉保温板等4种无机材的燃烧等级为A级，符合当前国家对于建筑节能防火的政策需求。在4种无机保温材料中，普通水泥发泡保温板的导热系数最高，保温效果较差，达不到国家对于外墙建筑节能65%的标准要求，如果大幅度增加厚度，势必会造成建筑物外墙荷载超标，影响建筑物整体的安全性。

岩棉保温板虽然具有良好的保温效果和A级防火性能，但是岩棉保温板的抗拉强度较低，在生产、运输、安装过程中容易破碎、掉渣，其内部的丝棉会对人体的皮肤产生危害，同时附着在空气中的悬浮物被人体长期吸入，会产生危害。岩棉的生产是对原材料进行重熔、纤维化，这一系列过程会产生大量废水，并消耗大量能源，属高能耗、高污染产品。

3 超轻高效A级防火水泥基保温材料优势

相比于上述传统的几种保温材料，超轻高效A级防火水泥基保温材料具有诸多优势。

3.1 抗压强度高、力学性能好

超轻高效A级防火水泥基保温材料采用超细硅酸盐水泥（800 m2/kg）复配82.5级高贝利特硫铝水泥为胶凝材料，从材料上增加了硅酸盐水泥的细度，优化了复合材料的颗粒级配，使其在单位质量内分布的面积更大，覆盖的空间更广；一般来说，水泥磨的越细，比表面积越大，水化速度越快，水泥的强度发挥得越快[1]。因此，提高水泥细度是增加水泥强度的有效措施，根据颗粒堆积原理，提高水泥细度也可使水泥的微观结构致密化，有利于力学性能和耐久性能的提高。

超细硅酸盐水泥比表面积由传统的400 m2/kg提升到了800 m2/kg，从矿物组成上与普通硅酸盐水泥基本相同，但各组分相对含量不同，超细硅酸盐水泥中C3S含量更高，水化反应能够生成更多的Ca（OH）2，更有利于二次水化生成更多的水化产物[2]。从而大幅提高了水泥发泡保温板的早期和后期强度。

高贝利特硫铝水泥由42.5级提升到82.5级，相同用量下，高贝利特水泥中C4A3、β-C2S的比例大幅度增加，C4A3的增加使复合体系水化产物中钙矾石的含量增加，钙矾石的微膨胀作用补偿了C-S-H凝胶的收缩，使得水泥石更为致密，力学性能更为优异。β-C2S矿物含量增加，大量的β-C2S矿物使复合体系的水泥发泡保温板的后期抗压强度进一步提升。经过上述方法，可使超轻高效A级防火水泥基保温材料在干密度达到120kg/m3时，抗压强度≥0.2MPa；干密度达到50 kg/m3时，抗压强度≥0.03 MPa，满足不同用途条件下工程实际需要的力学性能。

3.2 抗拉强度高、耐久性好

超轻高效A级防火水泥基保温材料采用改性玄武岩纤维与高强度的胶凝材料相结合，因而具有较高的抗拉强度。改性玄武岩纤维是以纯天然玄武岩矿石为原料，在1450～1500℃熔窑中熔融后，快速拉制而成的连续纤维。具有高强度、永久阻燃性、短期耐温在1000℃，可长期在760℃环境下使用，其拉伸强度可达3500～3800 MPa，具有极高的拉伸强度。玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，与水泥材料有着天然的相容性，极大程度上增强了材料的防渗抗裂性和抗冲击性，提高了产品的韧性。通过改性玄武岩纤维与高强胶凝材料的结合，可使超轻高效A级防火水泥基保温材料在干密度达到120 kg/m3时，抗拉强度≥0.1 MPa，满足国家建筑外墙保温系统的技术指标要求，保证了保温体系的耐久性。

3.3 导热系数小、保温效果好

超轻高效A级防火水泥基保温材料的导热系数与体积密度、气孔直径、空隙率存在一定关系。当材料体积密度较低时，导热系数较小；材料气孔直径在一定合理范围内时，导热系数较小；当材料的空隙率较高时，导热系数较小。通过优化配比组成，改变料浆黏度，调整气孔直径的技术手段，超轻高效A级防火水泥基保温材料可以实现：干密度达到120 kg/m3时，导热系数≤0.050 W/（m·K）；干密度达到50 kg/m3时，导热系数≤0.040 W/（m·K）。相比于市场上普通水泥发泡板导热系数大幅度降低。可以在同等保温需求的前提下，使厚度明显减小；在相同厚度的前提下，保温效果明显提高。超轻高效A级防火水泥基保温材料较低的导热系数使其具备极佳的保温效果，完全符合国家建筑节能65%的节能要求。

3.4 燃烧性能A级、防火性能好

超轻高效A级防火水泥基保温材料采用无机胶凝材料为主体，通过化学发泡的方法制成，属A级不燃类产品，具有极佳的防火性能，保证了建筑外墙保温体系的安全性，从根本上消除了火灾隐患。

3.5 产品高度稳定，可实现生产自动化、规模化、机械化

超轻高效A级防火水泥基保温材料采用当超细硅酸盐水泥复配高贝利特硫铝酸盐水泥为胶凝材料，当高贝利特硫铝酸盐水泥中无水硫铝酸钙水化时，石膏促进了钙矾石的快速形成，使得复合体系早期水化速度加快，早期强度明显提高，脱模时间缩短，极大程度上提高了生产效率。

超轻高效A级防火水泥基保温材料生产的成品干密度级差可控制在10 kg/m3以内，这对于精确设计不同密度的超轻高效A级防火水泥基保温材料提供了有利保证。完全可以进行自动化生产，不仅保证了产品的生产稳定性，而且，节省了大量人力资源，真正实现了产品生产的自动化、规模化、机械化。

4 结论

超轻高效A级防火水泥基保温材料的干密度低（50～120 kg/m3）、导热系数低[0.040～0.050 W/（m·K）]，因而具有良好的保温节能效果。材料的组成主体上为无机胶凝材料，与基层墙体有良好的粘结力和相容性；具有满足工程实际需要的物理强度，具有良好的抗碳化、软化能力，使保温系统具有良好的耐久性；良好的憎水性能和防火性能，满足外墙工程建筑安全的需要。

超轻高效A级防火水泥基保温材料的技术研发及推广应用按照建筑外墙保温材料节能防火双达的政策要求，对于无机保温材料面向超轻化、低导热系数、A级防火的方向发展，必将起到强有力的推动作用，对于国家绿色建筑节能材料产业化发展具有较高的经济价值和实际意义。

[1]魏仁涛，曾跃进.不同品种水泥的细度与强度的关系[J].水泥工程，1998（4）：14-15.

[2]范凌燕.超细水泥水化特征及高早强混凝土配制技术研究[D].长沙：中南大学，2008：18-20.

Research on ultralight efficiency class A fire-resistant cement-based insulating material

LIU Chengjian，ZHANG Zhenqiu，GE Zhongxi
（Tangshan Polar Bear Building Materials Co.Ltd.，Tangshan 063705，China）

Ultralight efficiency class A fire-resistant cement-based insulating material is prepared.According to the project actual purpose and the use of materials，dry density can be divided into 120、50 kg/m3models，and the optimal technical indicators can be confirmed.Compared to traditional cement-based insulation materials，ultralight efficiency class A fire-resistant cementitious insulating material have lower dry density，higher compressive strength，smaller thermal conductivity；compared with organic insulating materials，ultra-light high performance class A fire-resistant cementitious insulation material has similar heat-insulation effect，with class A non-combustible flammability，it is a new，green，energy-saving，environmentally-friendly inorganic fireproof insulation material.

high strength double fast high belite sulphoaluminate cement，dry density，flammability，coefficient of thermal conductivity

TU55+1.3

A

1001-702X）（2016）07-0105-04

国家科技支撑计划项目（2013BAJ01B04-2）

2015-12-30

刘成健，男，1983年生，辽宁铁岭人，工程师，从事预拌砂浆、超轻高效A级防火保温材料、水泥基特种工程材料的研发与应用。