气凝胶密度对超轻泡沫混凝土性能的影响

2020-06-18刘振宇吴会军刘彦辰杨文兵杨丽修

硅酸盐通报 2020年5期

刘振宇，吴会军,2，刘彦辰，杨文兵,2，杨丽修,2

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

0 引言

泡沫混凝土是将发泡剂通过机械或化学法发泡，与水泥砂浆混合并经成型、养护得到的一种含有大量气孔的新型轻质保温材料[1]，比普通混凝土具有更低的密度和更好的隔热性能[2-3]，作为建筑墙体具有更好的施工方便性和隔热保温性能[4]。气凝胶作为目前密度最小和绝热性能最好的固体材料，常温下导热系数低至0.013 W/(m·K)[5-7]，具有超级绝热性能以及良好的耐火安全性，在航天航空、工业、交通、建筑节能方面具有广泛应用前景[8]。

将超级绝热气凝胶填充于混凝土或泡沫混凝土中，可有效降低材料的密度和导热系数。Tao等[9]在混凝土中添加60vol%密度为100 kg/m3的气凝胶，制备出的气凝胶混凝土相对普通轻集料混凝土密度和导热系数分别降低了23%和53%，为1 000 kg/m3和0.26 W/(m·K)；付平等[10]将密度为170 kg/m3的气凝胶加入到泡沫混凝土中，当气凝胶加入量为20vol%时，使泡沫混凝土密度由719 kg/m3降低至512 kg/m3，导热系数由0.188 W/(m·K)降至0.121 W/(m·K)；李朋威等[11]将密度为170 kg/m3的气凝胶加入到泡沫混凝土中，当气凝胶加入量为13.0 kg/m3时，制备出密度和导热系数分别为270.2 kg/m3和0.069 W/(m·K)的新型气凝胶泡沫混凝土。

可见，气凝胶粉体的加入对于提升混凝土各项重要性能有着显著效果。但在制备气凝胶泡沫混凝土的相关研究中，均采用密度较大的气凝胶(>100 kg/m3)。可以预见，若采用超低密度气凝胶(<100 kg/m3)一方面有望获得更低密度和更小导热系数的气凝胶泡沫混凝土，另一方面还可减少气凝胶的质量用量，有效降低成本。

因此，本文分别以较高密度和超轻气凝胶制备气凝胶泡沫混凝土，在气凝胶体积比相等的条件下，研究气凝胶密度对气凝胶泡沫混凝土性能(密度、导热系数等)的影响规律。

1 实验

1.1 实验试剂及材料

P·O 42.5普通硅酸盐水泥来自安徽海螺水泥有限公司，密度为3 100 kg/m3；高密度气凝胶粉体，自制，以正硅酸乙酯为硅源，采用溶胶-凝胶和常压干燥工艺制备后碾碎筛分而得，密度为170 kg/m3，粒径≤350 μm，超轻气凝胶粉体来自深圳中凝科技有限公司，密度为75 kg/m3，粒径≤50 μm，两种气凝胶粉体孔隙率均在90%～95%之间，导热系数均约为0.023 W/(m·K)，相同质量的两种气凝胶粉体及堆积密度见图1；双氧水发泡剂来自福建漳州万可涂节能建材公司，发泡后泡沫密度为50 kg/m3；短切玻璃纤维来自广州市润顺新材料科技有限公司，标准状态下拉伸强度约为546 MPa；防水剂来自鲁川化工有限公司，密度为1.08×10-3kg/m3。

图1 相同质量的两种气凝胶粉体及堆积密度Fig.1 Two kinds of aerogel powder with same quality and packing density

1.2 实验设备

电子秤(型号：T1000，常熟市双杰测试仪器厂)；精密恒温鼓风干燥箱(型号：ZHG-7250，上海精宏有限公司)；发泡机(型号：HY-1，广州市永昊建设工程有限公司)；电热鼓风干燥箱(型号：GZX-9240MBE，上海市博讯实业有限公司)；导热系数测定仪(型号：Hot Disk 2500S，瑞典Hot Disk公司)。

1.3 实验制备流程

气凝胶泡沫混凝土的制备流程如图2所示。

(1)以水和增稠剂质量比为1 000∶3调配增稠水；

(2)称重实验固体物料(水泥、气凝胶、硬脂酸钙防水剂)并混合均匀得到混合干料；

(3)将增稠水加入至混合干料中，持续搅拌并在此过程中不断加入0.5%质量比的短切玻璃纤维直至得到混合浆料；

(4)将发泡剂与水按照质量比为1∶40混合后进行机械加压发泡，并将发泡后的泡沫与混合浆料混合得到混合浆体；

(5)模具刷油，将混合浆体倒入40 mm×40 mm×40 mm模具中，轻敲击模具边缘防止模具底部四周有部分浆体没有下沉，待模具均匀填充后使用保鲜膜密封，放入40～50 ℃的恒温恒湿养护箱中静置养护1 d后拆模；

(6)将气凝胶泡沫混凝土模块继续放入70～80 ℃的养护箱中养护3 d，取出后自然养护28 d，并对各项性能指标进行测试。

图2 气凝胶泡沫混凝土制备流程Fig.2 Preparation process of aerogel foam concrete

1.4 气凝胶泡沫混凝土的配比

根据JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》[12]要求，采用高密度气凝胶与水泥质量比为0.182∶1，制备气凝胶泡沫混凝土(记为HdAg/FC)；按照气凝胶体积比相等的条件，采用超轻气凝胶与水泥质量比为0.079∶1，制备气凝胶泡沫混凝土(记为LdAg/FC)。故制备质量相等的气凝胶泡沫混凝土，超轻气凝胶质量用量减少44.1%。

采用不同的泡沫体积比(30%～75%)，制备几种气凝胶泡沫混凝土。

表1 实验原料配比Table 1 Experimental ratio of raw materials

1.5 气凝胶泡沫混凝土性能测试

密度测试按照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》[13]，将三块相同试件放入温度为95～105 ℃的恒温鼓风干燥箱内烘干至质量恒定后计算平均值。

导热系数测试采用Hot Disk 2500S导热系数测试仪，测试温度为30 ℃，功率30 mW；测试三块试件，每块试件测量三个不同点，取平均值。

抗压强度测试根据JG/T 266—2011《泡沫混凝土》[13]，取试件尺寸40 mm×40 mm×40 mm，采用WD-100KE电子式万能试验机测试抗压强度，加压速度为5 mm/min。

孔隙率计算不包含气凝胶内部孔隙，只与泡沫含量相关，计算公式为：

(1)

其中,ρB为泡沫混凝土总密度，ρS为泡沫混凝土固体骨架密度。

2 结果与讨论

2.1 两种气凝胶泡沫混凝土结构表征

2.1.1 光学结构

泡沫混凝土自身有较高的孔隙率，且气孔结构分布对其性能也有较大影响[14-16]。图3(a)、(b)分别为30%～70%泡沫体积比下超轻气凝胶和高密度气凝胶填充的泡沫混凝土光学结构对比图。可以看出泡沫量越多，泡沫混凝土气孔孔径越大；相同泡沫量时，由于超轻气凝胶粉体本身更低的密度和更小的粒径，在干料混合以及搅拌制作过程中颗粒分布更加均匀，成型后的泡沫混凝土孔径圆润，气孔大小及分布均匀，同时在泡沫量较多时，超轻气凝胶填充的泡沫混凝土出现的连通孔数量也少于高密度气凝胶填充的试样。

图3 不同泡沫加入量的气凝胶泡沫混凝土的光学图片Fig.3 Optical micrographs of aerogel foam concrete with various foam amounts

2.1.2 微观形貌

图4为气凝胶体积含量均为17.4%的两种气凝胶泡沫混凝土SEM照片，其中图(a)为60倍扫描电子显微镜拍摄的高密度气凝胶泡沫混凝土；图(b)为1 000倍扫描电子显微镜拍摄的超轻气凝胶泡沫混凝土。

可以看出粒径较大的高密度气凝胶在水泥基之间分布零散，而被包裹的小粒径超轻气凝胶则分布广泛，更好地阻止了热量在泡沫混凝土固相间的传递。但由于气凝胶的疏水特性且不参与水化反应，气凝胶与水泥结合度不高，所以在压力作用下超轻气凝胶与水泥间会出现更多微小裂缝，一定程度上降低了混凝土的抗压强度，同时出现更多掉粉现象。

图4 气凝胶泡沫混凝土SEM照片Fig.4 SEM images of aerogel foam concrete

2.2 两种气凝胶泡沫混凝土性能对比

2.2.1 密度

图5为孔隙率对气凝胶泡沫混凝土密度的影响。图中可看出两种气凝胶泡沫混凝土密度均随孔隙率的增加而减小。相同孔隙率时，因为等体积下超轻气凝胶质量用量更少，使得超轻气凝胶填充的泡沫混凝土密度始终低于较高密度气凝胶填充的试样；孔隙率较小时，由于在制作过程中高密度气凝胶与水泥的固体混合物重力作用，使气泡消逝速率大于超轻气凝胶填充的试样，所以成型后的泡沫混凝土密度偏大。密度相同时，超轻气凝胶填充的泡沫混凝土孔隙率均低于高密度气凝胶填充的试样，如要满足密度为275 kg/m3，前者需要63%的孔隙率，而后者需要达到72%的孔隙率，说明超轻气凝胶对于微小空隙的填充优于高密度气凝胶，相同密度下使用超轻气凝胶填充泡沫混凝土，可以获得更好的成型性及抗压性。

图5 两种气凝胶泡沫混凝土的密度Fig.5 Density of two kinds of aerogel foam concrete

图6 两种气凝胶泡沫混凝土的导热系数Fig.6 Thermal conductivity of two kinds of aerogel foam concrete

2.2.2 导热系数

图6为两种气凝胶泡沫混凝土导热系数随孔隙率的变化图。可以看出二者导热系数变化均与孔隙率成反比，且相同孔隙率下超轻气凝胶填充的泡沫混凝土始终有更低的导热系数，如孔隙率为63%时其导热系数为0.083 W/(m·K)，相较于高密度气凝胶填充的试样减小11.7%，这是由于水泥基中超轻气凝胶附着广泛均匀，使固体间的热传导更为缓慢。但随着孔隙率增大，水泥和气凝胶固体混合物含量减小，气孔壁逐渐变薄，大部分热量在泡沫混凝土之间的传递逐渐由固体水泥基体和纳米多孔气凝胶之间的热传导转化为混凝土气孔中死腔空气之间的热传递，导致二者之间导热系数的缩减幅度由17.0%减小到10.0%。所以当低孔隙率时，通过填充超轻气凝胶可以更有效地减缓固体间的热传递速率，从而降低泡沫混凝土的导热系数。

2.2.3 抗压强度

图7 两种泡沫混凝土抗压强度随密度的变化Fig.7 Compressive strength of two kinds of aerogel foam concrete with the change of density

图7为泡沫混凝土的抗压强度随密度的变化，呈良好的正比线性关系[17]，抗压强度随密度的增大而增大；其中虚线为JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》[12]规定的抗压强度最低标准。可以看出，高密度气凝胶填充的泡沫混凝土密度为179.8 kg/m3时抗压强度不满足规范要求，此外两种气凝胶泡沫混凝土的抗压强度均满足规定范围。孔隙率相同时，由于超轻气凝胶自身具有更多轻质纳米多孔结构，且在含量增大时与水泥浆体结合程度变差，导致成型后的泡沫混凝土抗压强度低于高密度气凝胶填充的试样；密度相同时，更小粒径的超轻气凝胶对部分微小孔隙的填充使泡沫混凝土有更低的孔隙率，从而得到更好的抗压强度。所以在规定抗压强度范围内，等体积替换的超轻气凝胶粉体填料不仅可使成型后的泡沫混凝土获得更低的密度与导热系数，而且质量用量更少，在减少成本的同时提高了泡沫混凝土的保温性能。

2.3 泡沫体积比对两种气凝胶泡沫混凝土性能的影响

图8为两种泡沫混凝土三种性能参数随泡沫加入量的变化曲线。

图8 两种泡沫混凝土的三种性能参数随泡沫加入量的变化Fig.8 Changes of three properties of two kinds of foam concrete with the content of foam added

随着泡沫体积比的增加，两种气凝胶泡沫混凝土的密度、导热系数和抗压强度均呈线性变化逐渐降低，且超轻气凝胶填充试样三种性能数值始终低于高密度气凝胶填充试样。如图8所示，泡沫量的增多，使样品的内部孔隙增多，孔径变大，有效减少两种气凝胶泡沫混凝土的密度和导热系数。在密度下降的同时，二者抗压强度也随之下降；泡沫体积比低于50%时，两种泡沫混凝土的抗压强度下降速度较快，当泡沫体积比超过50%后，由于固相所占体积逐渐减少，孔隙率对于抗压强度的影响增大，此时泡沫量的增多并不会对孔隙率的变化产生显著影响，从而抗压强度下降速度趋于平缓。可以看出要满足规定的抗压强度，超轻气凝胶泡沫混凝土在泡沫体积比为70%时有最小的密度和导热系数，分别为185 kg/m3和0.06 W/(m·K)。

2.4 气凝胶体积比对两种气凝胶泡沫混凝土性能的影响

图9为高密度气凝胶与超轻气凝胶填充的泡沫混凝土三种性能参数差值随气凝胶加入量的变化。表1前六组和后六组实验中气凝胶均为等体积替换，所以相同的泡沫体积比对应相同的气凝胶体积比，其中泡沫体积比分别为30%、40%、50%、60%、70%时对应气凝胶体积比分别为30.5%、26.5%、21.8%、17.4%、13.1%。

当气凝胶体积比由13.1%增加到30.5%时，密度差值由22.29 kg/m3增加到130.06 kg/m3，导热系数差值由0.007 W/(m·K)增加到0.022 W/(m·K)，抗压强度差值由0.03 MPa增加到0.59 MPa，可见随着气凝胶替换量的不断增大，泡沫混凝土的密度、导热系数以及抗压强度下降的幅度逐渐增大。其中在气凝胶体积比低于21.8%时，二者导热系数和抗压强度差值的增幅较为平缓，因为此时气凝胶体积比远小于泡沫体积比，对导热系数和抗压强度主要的影响因素还是高泡沫体积带来的高孔隙率；而随着气凝胶体积比高于21.8%时，泡沫体积比逐渐减小，固体所占体积逐渐增大，导热系数和抗压强度差值的增幅逐渐加快。当添加体积比为13.1%的气凝胶时，超轻气凝胶泡沫混凝土的密度及导热系数相较高密度气凝胶的填充试样分别减小10%和10.4%。