SiO2气凝胶对泡沫混凝土性能的影响

赵同义，张启志

（黄淮学院 建筑工程学院，河南 驻马店 463000）

随着经济的快速发展，人们对生活要求的不断提高，对节能环保型材料的使用呼吁越来越高，泡沫混凝土作为一种新型节能环保材料受到越来越多的关注。泡沫混凝土是将水泥、矿物掺合料、外加剂、发泡剂和稳泡剂按一定的配合比，经一定的工艺制备而成的一种多孔轻质混凝土[1]，具有燃烧等级为A级、质轻、保温隔热性能好、隔声、吸波性能优异、抗震性能好等优点[2-3]，已经被广泛应用于建筑保温材料、屋面保温材料、路基处理等方面[4-9]。然而现阶段泡沫混凝土仍然存在一些问题，如导热系数大、抗压强度低、整体性差等。气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶材料，固体相和孔隙结构均为纳米量级，由于其结构上的独特性，气凝胶表现出很多独特的性质，如高孔隙率、高比表面积、低密度、低热导率等，在隔热、吸附、航空航天、新能源、环保等领域有广阔的应用前景[10-11]。SiO2气凝胶是目前研究最多、最成熟的气凝胶材料，已经有学者将其应用于制备保温隔热材料或改善保温材料的热工性能[12]。本文利用SiO2气凝胶取代部分水泥制备泡沫混凝土，并探究SiO2气凝胶对泡沫混凝土性能的影响，以期为改善泡沫混凝土的性能提供参考。

1 试验

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，小南海水泥有限公司产，其化学成分及相关技术指标见表1、表2。

表1 水泥的化学成分 %

表2 水泥的物理性能指标

SiO2气凝胶：导热系数0.019 W/（m·K），密度0.08 g/cm3，粒径0.1～20 μm，孔径10～15 nm，苏州恒球石墨烯科技有限公司。

发泡剂：双氧水，质量浓度30%，重庆川东化工集团有限公司。

稳泡剂：硬脂酸钙，分析纯，重庆川东化工集团有限公司。

催化剂：二氧化锰，含量≥99.95%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

水：自来水。

1.2 试验方案

以双氧水为发泡剂制备的体积密度为500 kg/m3的普通硅酸盐水泥泡沫混凝土为基准组，SiO2气凝胶掺量分别为水泥质量的 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、4%、6%、8%、10%，探究SiO2气凝胶对泡沫混凝土性能的影响，泡沫混凝土的配合比见表3。

表3 泡沫混凝土的配合比

1.3 制备工艺

（1）按照表3配合比将水泥、硬脂酸钙、二氧化锰加入净浆搅拌锅中，用净浆搅拌机慢搅1 min。

（2）将预先准备好的水倒入混合均匀的混合料干粉中，慢搅1 min，快搅1.5 min，得到均匀的混合料浆体。

（3）将SiO2气凝胶加入所得到的混合料浆体中，慢搅1 min，快搅1.5 min，然后再加入预先准备好的发泡剂双氧水，慢搅 10 s，快搅 15 s。

（4）将搅拌均匀的泡沫混凝土料浆注入模具成型，脱模，放入养护室养护至规定龄期，测试泡沫混凝土的性能。

1.4 性能测试

1.4.1 体积密度

将体积为V0的泡沫混凝土试件养护28 d后，放入温度为（50±1）℃的干燥箱内烘干，直至前后2次相隔4 h的质量差不大于0.1 g，取出试件放在干燥器内冷却至室温，称取试件质量m0，精确至0.1 g，质量m0与体积V0的比值即为泡沫混凝土的体积密度。

1.4.2 抗压强度

制备100 mm×100 mm×100 mm的立方体泡沫混凝土试块，在标准养护室养护至28 d后，测试抗压强度，加压速度为5 mm/min。

1.4.3 导热系数

试件尺寸为 300 mm×300 mm×30 mm，养护 28 d，然后放入温度为（50±1）℃的干燥箱内烘干至恒重，采用稳态平板法进行测试，导热系数的取值为3个试件的算数平均值，精确至0.001 W/（m·K）。

1.4.4 吸水率和软化系数

将养护28 d的泡沫混凝土试件浸入温度为（22±2）℃的水中，48 h后取出，测试试件的质量和抗压强度，计算质量吸水率和软化系数。

2 试验结果与分析

2.1 SiO2气凝胶掺量对泡沫混凝土体积密度的影响

（见图1）

图1 SiO2气凝胶掺量对泡沫混凝土体积密度的影响

由图1可见，随着气凝胶掺量的增加，泡沫混凝土的体积密度呈下降趋势。当气凝胶掺量从0增大到2%时，泡沫混凝土的体积密度从500 kg/m3降低到491 kg/m3，体积密度并没有发生较大的变化，一方面，是因为气凝胶掺量较少，另一方面，是因为泡沫混凝土是一种多孔结构，含有大量孔隙，气凝胶由于颗粒较小会进入泡沫混凝土的孔结构内部，不会引起泡沫混凝土的体积发生较大变化，所以体积密度变化较小。当气凝胶掺量从2%增大到10%时，体积密度从491 kg/m3降低到402 kg/m3，变化较大，其主要原因是气凝胶密度较小，大约只有水泥密度的1/40，同质量的气凝胶与水泥相比，体积增大很多，在制备泡沫混凝土的过程中，虽然有少量的气凝胶会进入泡沫混凝土的孔隙中，但是大部分的气凝胶仍然只是与泡沫混凝土进行简单的体积叠加，导致泡沫混凝土的体积增幅较大，所以气凝胶掺量较大时泡沫混凝土的体积密度降低明显。

2.2 SiO2气凝胶掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响（见图2）

图2 SiO2气凝胶掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

从图2可以看出，当SiO2气凝胶掺量从0增大到2%时，随着掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度先提高后降低，其可能原因是SiO2气凝胶尺寸较小，具有微集料效应，填充了泡沫混凝土中水泥石的孔隙，增加了水泥石的密实度，抗压强度稍有提高，但当气凝胶掺量超过0.5%后，泡沫混凝土中水泥量降低，因SiO2气凝胶微集料效应提高的强度不足以弥补水泥水化后水化产物减少所降低的强度，所以泡沫混凝土的抗压强度开始降低。当SiO2气凝胶掺量从0以2%变化增大到10%时，抗压强度几乎呈直线下降，其原因与SiO2气凝胶掺量超过0.5%时泡沫混凝土抗压强度降低的原因相同，只是SiO2气凝胶掺量过大，泡沫混凝土强度下降得更加明显。

2.3 SiO2气凝胶掺量对泡沫混凝土导热系数的影响

（见图3）

图3 SiO2气凝胶掺量对泡沫混凝土导热系数的影响

由图3可见，随着气凝胶的掺量从0增大到10%，泡沫混凝土的导热系数从0.093 W/（m·K）降低到0.042 W/（m·K），降幅较大，其原因主要包括以下3个方面：（1）泡沫混凝土的导热系数与孔隙率存在一定的相关性，孔隙率越高，泡沫混凝土的导热系数越低[13]。随着SiO2气凝胶掺量从0增大到10%，泡沫混凝土体积密度从500 kg/m3降低到402 kg/m3，孔隙率增大，所以泡沫混凝土的导热系数降低；（2）泡沫混凝土中的热传递包括固体相（水泥基体）的热传导和气体相的热传导、热对流和热辐射[14]，SiO2气凝胶具有纳米结构，孔隙率高，其掺入增加了热量在泡沫混凝土中传导的路径，降低了热对流的速率，所以导热系数会降低；（3）SiO2气凝胶的导热系数为0.019 W/（m·K），低于常温下双氧水分解所产生氧气的导热系数（0.024 W/（m·K））[15]，所以从这方面来说泡沫混凝土的导热系数也会降低。

2.4 SiO2气凝胶掺量对泡沫混凝土吸水率和软化系数的影响（见图4、图5）

图4 气凝胶掺量为0～2%时对泡沫混凝土吸水率和软化系数的影响

图5 气凝胶掺量为0～10%时对泡沫混凝土吸水率和软化系数的影响

从图4可以看出，随着SiO2气凝胶掺量的增加，泡沫混凝土的质量吸水率先减小后增大，软化系数先增大后减小。其原因是SiO2气凝胶颗粒尺寸较小，随着SiO2气凝胶掺量的增加，泡沫混凝土浆体的稠度和黏度增大，使泡沫混凝土连通孔含量减小，另一方面，SiO2气凝胶的微集料效应使泡沫混凝土中水泥石中毛细孔数量减少，所以质量吸水率减小，软化系数增大。当SiO2气凝胶掺量超过1.5%时，随着掺量的增加，水泥含量减少，生成的水化硅酸钙C-S-H凝胶减少，泡沫混凝土浆体的黏度降低，泡沫混凝土中毛细孔和连通孔的数量增加，所以质量吸水率增大，软化系数减小。结合图5（a）可以看出，当气凝胶掺量从2%增加到10%时，质量吸水率一直增大，软化系数一直降低，其原因与SiO2气凝胶掺量超过1.5%时泡沫混凝土的质量吸水率增加和软化系数降低的原因相同。

从图 4（b）和图 5（b）可以看出，当气凝胶掺量从 0以0.5%变化增大到2%和从0以2%变化增大到10%时，质量吸水率与软化系数拟合曲线具有很好的线性相关性。

3 结论

（1）随着SiO2气凝胶掺量的增加，泡沫混凝土的体积密度和导热系数逐渐降低，这说明气凝胶能够改善泡沫混凝土的热工性能，这可为以后研发低导热泡沫混凝土提供参考。

（2）泡沫混凝土的抗压强度随着SiO2气凝胶掺量的增加总体呈下降趋势。当气凝胶掺量低于0.5%，抗压强度会略有提高，其原因是SiO2气凝胶具有微集料效应。

（3）当气凝胶掺量超过2%时，泡沫混凝土的质量吸水率增大、软化系数减小，并且质量吸水率与软化系数具有很好线性相关性。