气凝胶含量对泡沫混凝土孔结构及性能的影响

付平 ，吴会军 ，2，李朋威

（1.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006；2.广州大学 建筑节能研究院，广东 广州 510006）

0 前言

泡沫混凝土是一种节能、环保型墙体保温材料，具有密度小、隔声、保温隔热性好、耐火性强和抗震性优良等特点，被广泛用于建筑节能等领域[1-4]。为了制备高性能泡沫混凝土，国内外学者做了大量研究，将各种性能不同的掺合料加入泡沫混凝土中，从而改善泡沫混凝土的性能。Aljoumaily等[5]研究了高炉矿渣作为粘合剂和填料对泡沫混凝土性能的影响，得出泡沫混凝土的28 d抗压强度虽从5.81 MPa提高至6.31 MPa，但其干表观密度达1300 kg/m3；郑念念等[6]研究了大掺量粉煤灰泡沫混凝土的性能，粉煤灰的掺量从30%增大至60%，抗压强度均在3.0 MPa以上，但泡沫混凝土的密度却超过了600 kg/m3。潘志华等[7]将矿渣、粉煤灰和硅灰混合料加入泡沫混凝土中，制得泡沫混凝土密度为430～1500 kg/m3、导热系数为0.16～0.75 W/（m·K）、抗压强度为1.1～23.7 MPa；贾兴文等[8]以发泡剂掺量为水泥的2.5%，石墨掺量为水泥的15%，制得石墨泡沫混凝土的抗压强度为0.7 MPa，导热系数为0.083 W/（m·K）。由此可见，各种外加料的掺入在增强泡沫混凝土某一方面的性能时，会导致其他性能减弱。强度高，密度与导热系数大；密度低，强度低或难以成型的矛盾仍然是泡沫混凝土存在的最大问题。

气凝胶是一种轻质多孔、非晶体固体材料，具有超级保温隔热性能[9-11]。常温下其导热系数可低至0.013 W/（m·K）、比表面积为1000 m2/g、密度为0.003 g/cm3，同时还具有高疏水性及良好的吸声和减震功能[12-13]。因此，将气凝胶掺入泡沫混凝土中具有降低泡沫混凝土的自重和填充气孔孔隙的潜在优势，有望在低孔隙率下制备出低密度、低导热系数的泡沫混凝土。

为此，本研究以水泥为胶凝材料、轻质纳米多孔结构的气凝胶为填充材料，采用机械发泡法制备泡沫混凝土，主要探讨了气凝胶配比对泡沫混凝土的干表观密度、导热系数、吸水率和抗压强度的影响，并对气凝胶泡沫混凝土的孔结构及孔径分布进行了表征。

1 试验

1.1 试验原材料与仪器设备

1.1.1 原材料

（1）水泥：海螺牌 P·O42.5水泥，密度为 3100 kg/m3。

（2）轻骨料：SiO2气凝胶粉体，自制，以正硅酸乙酯为原料，经常压干燥制得，再经撵碎、筛分而得，平均粒径0.25 mm，孔隙率99.3%，导热系数0.022 W/（m·K）、密度170 kg/m3。

（3）发泡剂：双氧水，福建漳州万可涂节能建材公司生产，稀释倍数20倍，发泡倍数35倍，发泡后泡沫密度为50 kg/m3。

1.1.2 试验仪器设备

发泡机：YH-FP50，广州市永昊建设工程有限公司生产；电子秤：T1000，常熟市双杰测试仪器厂生产；恒温恒湿养护箱：HJ-84型，天津市路达建筑仪器有限公司产；导热系数测定仪：Hot Disk2500 s，瑞典Hot Disk公司生产；电热鼓风干燥箱：GZX-9240 MBE，上海市博讯实业有限公司生产；微机电子万能试验机：CMT 6503，深圳三思科技有限公司生产。

1.2 泡沫混凝土的制备

1.2.1 气凝胶泡沫混凝土配比设计

根据CJJ/T 177—2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》，配合比中各材料用量计算应符合式（1）的规定[9]，本试验设计的配比以固定泡沫体积含量为40%，选取了气凝胶体积含量分别为5%、10%、15%、20%、25%及不含气凝胶的普通泡沫混凝土共6组配比，其各组材料用量及占比如表1所示。

式中：mc——水泥用量，kg/m3；

ρc——水泥密度，取3100 kg/m3；

mw——用水量，kg/m3；

ρw——水的密度，取1000 kg/m3；

mf——泡沫用量，kg/m3；

ρf——泡沫密度，取50 kg/m3；

ma——气凝胶用量，kg/m3；

ρa——气凝胶密度，取170 kg/m3

表1 泡沫混凝土试验配比

1.2.2 气凝胶泡沫混凝土的制备

气凝胶泡沫混凝土的制备工艺流程如图1所示。

图1 预制泡混合法制备泡沫混凝土的工艺流程

（1）配料：依照事先设定的配合比，分别称取各组分物料，然后依次将水泥、气凝胶粉体、少量速凝剂等固体物料混合，均匀搅拌5～10 min后，将水倒入后继续搅拌均匀，这一过程持续10 min左右，在此过程中还需加入少量的增稠剂，一方面，增强泡沫混凝土的强度，另一方面，使得气凝胶与水泥浆体均匀混合，防止气凝胶漂浮在浆体表面。

（2）发泡制浆：将发泡剂与水以质量比1∶40的比例倒入发泡机中，制出的泡沫须立即倒入混合料浆中并迅速搅拌，持续搅拌均匀后将泡沫混凝土浆体倒入预先制好的模具内，并盖上保鲜膜，以防止水分蒸发和泡沫消除过快。

（3）养护：静置1 d后拆模，小心脱去模具后立即放入恒温恒湿养护箱中养护至试验规定龄期（3 d）后，再取出至常温下自然养护，28 d后对试样进行测试，养护期间注意间隔一定时间在试样表面洒水，以保持试块表面湿润，防止水分蒸发而引起试块表面收缩开裂。

1.3 性能测试与表征

1.3.1 形貌与孔结构表征

采用日立S-3400扫描电镜以60倍放大倍数拍摄试样断面获取照片，用图像处理软件对照片进行二值化处理，图2为气凝胶泡沫混凝土试样的显微照片与二值化图像。运用Image-ProPlus图像分析软件从二值化图像上得出孔隙率、孔径分布及平均孔径等孔结构参数。

图2 气凝胶泡沫混凝土的显微照片与二值化图像

1.3.2 抗压强度

按照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》测试泡沫混凝土的抗压强度，试验前将砌块置于温度为（60±5）℃干燥箱内烘干至前后2次相隔4 h质量差不大于0.1 g的恒质量。

1.3.3 干密度

按照JG/T 266—2011测试泡沫混凝土的绝干密度，试验前取3块相同试件放入电热鼓风干燥箱，在105～120℃下烘干直到质量恒定；取3个试样测试结果的平均值。

1.3.4 导热系数

试验前先将试件放入电热鼓风干燥箱内，在（105±5）℃连续烘干4 h，然后取出试件，放至干燥器中冷却至室温，按照GB 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行导热系数测试。

1.3.5 吸水率

按照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行泡沫混凝土的吸水率测试，试验前取3个相同试件放入电热鼓风干燥箱，在（60±5）℃保温 24 h，在（80±5）℃保温 24 h，然后（105±5）℃下烘干至m0。烘干后冷却至室温，放入恒温20℃的水槽，加水到试件高度1/3养护24 h，继续加水到高度2/3再养护24 h，再加水将试件覆盖等待24 h。最后取出试件并擦掉水分，称取试件质量计为m1，并按式（2）计算样品的体积吸水率ω：

式中：m0——泡沫混凝土试块的干燥时质量，g；

m1——泡沫混凝土试块的吸水后质量，g；

V——泡沫混凝土试块的体积，m3。

2 试验结果与分析

2.1 气凝胶配比对泡沫混凝土孔结构的影响

2.1.1 气凝胶泡沫混凝土的微观形貌

图3是采用扫描电子显微镜以60倍放大倍数扫描气凝胶泡沫混凝土试块断面而得到的微观照片。

从图3可初步得出，在加入泡沫量相同的情况下，试件的孔壁厚度、抗压强度和表观密度与气凝胶的含量有直接关系。图3（a）为普通泡沫混凝土，气孔孔径较小，微小气孔居多，孔壁相对较厚。随着气凝胶体积含量增大[见图 3（b）～（e）]，气孔数量明显减少，小颗粒气凝胶附着泡沫混凝土中也逐渐可见，这不仅降低了泡沫混凝土的密度与孔隙率，而且有助于提高其保温隔热性能，但大孔径气孔数量增多，孔径分布不均匀程度增加，导致抗压强度不断下降。

2.1.2 气凝胶体积含量对泡沫混凝土孔结构的影响

采用Image-ProPlus软件，分析了气凝胶体积含量对泡沫混凝土孔结构（孔径分布、平均孔径大小、孔隙率）的影响。

图4（a）～（e）为5种不同配比下的气凝胶泡沫混凝土孔径分布直方图，从图中可知，气凝胶泡沫混凝土孔径分布符合高斯正态分布规律，随着气凝胶体积含量的增大，孔径正态分布的峰值朝气孔孔径越大的方向移动。

图4（f）为气凝胶泡沫混凝土孔径累计分布直方图，随着气凝胶体积含量增大，泡沫混凝土内小孔（<100 μm）含量减少，中孔与大孔含量（>300 μm）逐渐增加。例如气凝胶体积含量为20%时，与普通泡沫混凝土相比，小于100 μm的气孔百分比从72.5%降低至61.8%。大于300 μm的气孔百分比从3.4%上升至9.8%。

图3 不同气凝胶体积含量的泡沫混凝土SEM照片

图4 气凝胶泡沫混凝土孔径分布及孔径累计分布直方图

表2为气凝胶泡沫混凝土部分孔结构参数。

从表2可见，随气凝胶体积掺量的增大，平均孔径逐渐增大，但孔隙率却逐渐减小。传统泡沫混凝土的孔隙率取决于单位体积内泡沫含量的大小，而气凝胶泡沫混凝土中由于气凝胶为轻质纳米多孔结构，相对于泡沫混凝土孔径大小，气凝胶颗粒的孔隙尺寸可以忽略不计，因此，气凝胶的掺入填充了部分孔隙，掺量越大，泡沫混凝土孔隙率就越小。

2.2 气凝胶含量对泡沫混凝土性能的影响

2.2.1 气凝胶含量对泡沫混凝土干表观密度、导热系数、抗压强度的影响（见图5）

图5 气凝胶体积含量对泡沫混凝土性能的影响

由图5（a）可知，泡沫混凝土的表观密度与气凝胶体积含量呈线性关系，随着气凝胶体积含量增大，密度逐渐减小。在相同泡沫加入量下，当气凝胶的体积含量为20%时，与普通泡沫混凝土相比，气凝胶泡沫混凝土密度从719 kg/m3降低至512 kg/m3，密度下降达28.8%。

由图5（b）可知，泡沫混凝土的导热系数与气凝胶体积占比同样呈线性关系，气凝胶粉体含量越大，其导热系数越小。当气凝胶体积掺量为20%时，泡沫混凝土的导热系数从0.188 W/（m·K）降低至0.121 W/（m·K），导热系数下降率达35.6%。

由图5（c）可知，泡沫混凝土的抗压强度与气凝胶体积含量呈明显的反比关系，即随着气凝胶体积含量的增大，泡沫混凝土抗压强度逐渐下降。由于气凝胶含量越大，气凝胶与水泥浆体的结合程度反而越差，导致试块中气孔孔径变大，甚至出现微小的细缝，从而导致抗压强度更低。

表3为气凝胶泡沫混凝土与与普通泡沫混凝土性能对比。

表3 气凝胶泡沫混凝土与与普通泡沫混凝土性能对比

由表3可知，试验制备的气凝胶泡沫混凝土的主要性能不仅满足JG/T 266—2011和JTJ/T 341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》的主要性能要求，而且综合性能优势明显，即气凝胶的掺入在大幅度降低泡沫混凝土密度与导热系数的同时，其抗压强度仍满足标准、规范要求。

2.2.2 气凝胶含量对泡沫混凝土吸水率的影响

（见图6）

图6 泡沫混凝土体积吸水率、热导率随气凝胶体积含量的变化规律

由图6（a）可知，泡沫混凝土体积吸水率随气凝胶体积含量的增大而逐渐下降，普通泡沫混凝土（气凝胶掺量为0）的体积吸水率为37.3%，而气凝胶体积掺量为20%的泡沫混凝土体积吸水率为32.2%。气凝胶的掺入主要改变了泡沫混凝土孔隙结构，气凝胶作为轻骨料填充材料，掺量越大，孔隙率越小，使得泡沫混凝土的体积吸水率越小。

由图6（b）可知，泡沫混凝土饱和吸水后的导热系数明显大于干燥时导热系数，而且随着气凝胶体积含量的增加，导热系数下降更加明显。此时泡沫混凝土孔结构中的孔隙已全部充满水分，泡沫混凝土孔隙率对导热性能的影响转化为含水率对导热性能的影响。20℃时水的有效导热系数[约0.6 W/（m·K）]远大于干空气的有效导热系数[0.03 W/（m·K）]，因此气凝胶体积含量越大，其饱和吸水时的导热系数越小。

2.3 孔隙率对气凝胶泡沫混凝土性能的影响（见图7）

图7 气凝胶泡沫混凝土密度、导热系数及吸水率与孔隙率的关系

泡沫混凝土的导热系数主要跟基体材料的成分和性质、孔的大小和形状、孔洞间相互连通情况以及内部缺陷等因素有关，孔隙率是影响导热系数的主导因素，这些孔隙改变了泡沫混凝土密度与导热系数的大小。但气凝胶泡沫混凝土中气凝胶的掺入填充了部分孔隙，掺量越大，孔隙填充量越多。因此，气凝胶的掺入在降低泡沫混凝土的密度与导热系数的同时，也降低了孔隙率[见图 7（a）、（b）]。从图 7（c）可见，泡沫混凝土的吸水性能与孔隙率成线性关系，其吸水率随孔隙率的增大而增大。

3 结 语

（1）以固定泡沫体积含量及水灰比，改变气凝胶的体积含量，实验成功制备了一种新型高性能气凝胶泡沫混凝土。

（2）气凝胶泡沫混凝土的密度和导热系数明显低于普通泡沫混凝土，体积吸水率也显著降低，当气凝胶体积含量为20%时，气凝胶泡沫混凝土的密度从719 kg/m3降低至512 kg/m3，导热系数从0.188 W/（m·K）降低至0.121 W/（m·K），体积吸水率从37.3%降低至32.2%，抗压强度虽有所降低，但仍符合JG/T 266—2011强度要求。

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