王旭东

(北京市公安消防总队，北京 100035)

A级不燃外墙保温材料的制备与性能研究

王旭东

(北京市公安消防总队，北京 100035)

针对目前我国建筑外墙保温技术对高性能A级不燃保温材料的需求，以工业废料粉煤灰为主要原料，水泥为胶凝材料，利用添加泡沫和水泥固化相结合方法制备粉煤灰基泡沫陶瓷作为保温材料用于建筑外墙，并且探讨了制备条件对样品表观密度、导热系数、弯拉强度及孔隙结构的影响。试验结果表明，泡沫添加量是制备过程中最为关键的因素，为了满足样品兼有良好的保温性能和合适的力学强度，泡沫添加量应该控制在浆料质量的20%～30%之间比较合适。

不燃外墙保温材料；泡沫陶瓷；导热系数

0 引言

随着能源危机的爆发，“节能减排”已经成为我国能否可持续发展的关键。为了降低建筑能耗，国内大力推行建筑保温节能，强制实行公共建筑节能50%和民用建筑节能65%的标准，要求新建建筑要严格执行节能标准，现有建筑将逐步实施节能改造。据统计[1]，建筑物通过围栏结构(主要包括门窗、外墙、屋顶和地面等)散失的热量大约占整个系统热损失的60%，所以对建筑外墙进行保温是建筑节能中相当有效的手段之一，其中应用最多的是外墙外保温技术。

建筑外墙保温技术中常用的保温材料主要包括有机和无机两种类型[2]。有机保温材料因其隔热性能好、质轻、施工方便、价格便宜等众多优点而被广泛应用，然而有机保温材料可燃，一旦被点燃会释放大量的热量、烟气和毒性气体[3]，并且会在建筑外墙上迅速蔓延，造成严重的火灾后果。近年来由外墙保温材料着火引起的火灾事故频发，其中最严重的3起是2009年的央视北配楼火灾、2010年的上海静安公寓火灾和2011年的沈阳皇朝万鑫酒店火灾。

目前节能减排是大势所趋，节能标准也会逐步提高，研发高性能的新型无机外墙保温材料将成为当前建筑防火和新材料应用领域中的重要科技问题之一。《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)中也明确规定了人员密集场所的建筑、建筑高度大于100 m的住宅建筑以及建筑高度大于50 m的其他建筑要求使用A级不燃保温材料。

表1为市场上几种典型保温材料的导热系数和燃烧等级，虽然无机保温材料的保温性能不如有机保温材料，但是防火性能优异(A级不燃)，而且无机保温材料的环境友好性和与建筑同寿命的优点也是有机保温材料无法比拟的。

多孔陶瓷是以孔隙为结构特征的陶瓷材料，由于其具有低密度、低导热、耐高温、耐腐蚀、高孔隙和大比表面积等优点而被广泛应用于过滤器、分离膜、催化剂载体、隔热隔音材料等领域[4]。多孔陶瓷既具有优良的防火性能也兼有保温隔热功能，具有用于建筑外墙保温的潜在价值。本文将在前人研究成果的基础上对多孔陶瓷的制备工艺进行优化和改进，以工业废料粉煤灰为主要原料，水泥为胶凝材料，将添加泡沫和水泥固化相结合方法制备高孔隙率的粉煤灰基泡沫陶瓷用于建筑外墙保温，并且探究了泡沫添加量对泡沫陶瓷性能的影响，为我国城市建筑火灾的防控提供技术支撑。

表1 典型建筑外墙保温材料的导热系数和燃烧等级

1 材料与方法

1.1 原料及试剂

本文所用工业废料的粉煤灰取自某热电公司，胶凝材料水泥为快硬快凝硫铝酸盐水泥，助熔剂来自玻璃厂，分散剂羧甲基纤维素钠和发泡剂十二烷基硫酸钠均购自国药集团化学试剂有限公司，水为蒸馏水。

1.2 样品制备

图1是制备粉煤灰基泡沫陶瓷的流程示意图，首先将粉煤灰、分散剂和助熔剂加入水中球磨配制成稳定的浆料，然后往浆料中添加双快硫铝酸盐水泥，待分散均匀后，再加入泡沫得到泡沫浆料，接着将泡沫浆料倒入模具中静置固化得到湿坯，待湿坯脱模后干燥得到坯体，最后将坯体高温烧结得到粉煤灰基泡沫陶瓷。

图1 制备粉煤灰基泡沫陶瓷的流程示意图

1.3 性能测试与表征

表观密度，按照《无机硬质绝热制品试验方法》(GB/T 5486—2008)中的试验方法，制备100 mm×100 mm×30 mm的样品，在110 ℃左右温度下干燥至恒重，称取质量M(精确至0.1 g)，测量长、宽、高三方向上的轴线尺寸l1、l2、l3(精确到0.1 mm)，计算得出试块的体积为V=l1×l2×l3,单位为mm3，表观密度即为ρ=M/(V×10-3)，单位取g·cm-3。

导热系数，采用瞬态法测量，制备100 mm×100 mm×30 mm的样品2块，在DRE-2C导热系数测试仪上测量样品的导热系数。

弯拉强度，按照《无机硬质绝热制品试验方法》(GB/T 5486—2008)中的试验方法制备样品，尺寸为30 mm×30 mm×30 mm，在Instron-E3000电子动静态疲劳机中以1 mm·min-1的速度对试件加压，记录压缩变形值直至试件被破坏，记录载荷值P(N)。试件的强度为σ=P/S(MPa)，其中S为受压面积(mm2)。

孔隙结构分析，将泡沫陶瓷截面清刷干净后使用Philips-XL 30环境扫描电镜观察制备样品断面的微观形貌特征。

2 结果与讨论

当多孔陶瓷用于保温隔热时，材料的导热系数将成为一个关键参数，一般要求小于0.2 W·m-1·K-1[5]。近年来国内外很多研究者一直尝试制备超低导热系数的多孔陶瓷来提升保温隔热性能[6-7]，其中最常用的方法就是增大材料的孔隙率来达到降低导热系数的目的。本文中的制备工艺主要是通过添加泡沫来增大湿坯的孔隙率，从而增大泡沫陶瓷的孔隙率，降低其导热系数，所以为了研究泡沫添加量对样品性能的影响，每次取一定量50%(文中涉及到的百分比均指质量百分比)固含量的浆料，在添加少量水泥(不大于浆料质量5%)后按浆料的质量百分比加入不同质量的泡沫，最后将干燥后的坯体在1 000 ℃烧结后测试样品的表观密度、导热系数、弯拉强度和微观形貌。

2.1 泡沫添加量对样品表观密度的影响

因为添加泡沫对样品的孔隙率或者表观密度的影响最为直接，因此，首先测试了泡沫添加量对泡沫陶瓷表观密度的影响，结果如图2所示。

从图2可以看出，当泡沫添加量从0增加到20%后，表观密度开始急剧下降，从1.20 g·cm-3到0.28 g·cm-3，之后添加泡沫量增大到60%，表观密度逐渐平稳降低，从0.28 g·cm-3逐渐降低至0.19 g·cm-3。添加泡沫后泡沫浆料的孔隙率增大，从而减少坯体的表观密度，进而降低了泡沫陶瓷的表观密度。

2.2 泡沫添加量对样品导热系数的影响

泡沫陶瓷表观密度的降低将直接导致其导热系数的下降，结果如图3所示。由图3可以看出，样品导热系数的下降趋势和表观密度基本一致，随着泡沫添加量的增大，样品的表观密度逐渐减小，那么相应的孔隙率逐渐变大，所以样品的导热系数随着样品的孔隙率增大而减小。当泡沫添加量从0增加到30%，样品的导热系数从0.24 W·m-1·K-1迅速减小到0.06 W·m-1·K-1，而泡沫添加量从30%增加到60%，样品的导热系数下降并不明显。

图2 泡沫添加量对泡沫陶瓷表观密度的影响

图3 泡沫添加量对泡沫陶瓷导热系数的影响

相对于工业保温，外墙保温材料对导热系数的要求更为严格，一般要求导热系数应该小于0.1 W·m-1·K-1。如图3所示，当泡沫添加量大于等于20%后样品的导热系数才小于0.1 W·m-1·K-1，所以该工艺制备满足外墙保温所需要的样品，泡沫的添加量至少要大于20%。

2.3 泡沫添加量对样品弯拉强度的影响

文献中指出高孔隙率和纳米孔径可以有效降低材料的导热系数[8]，但是由于外墙保温材料要求有一定的机械强度，而过高的孔隙率会导致材料力学性能急剧下降，所以通过不断提高孔隙率来降低多孔陶瓷的导热系数并不是没有限度。图4为泡沫添加量对样品弯拉强度的影响。

图4 泡沫添加量对泡沫陶瓷弯拉强度的影响

如图4所示，随着泡沫添加量的增大，样品的弯拉强度是逐渐减小的，从1.80 MPa下降到0.12 MPa。而且，可以发现当泡沫添加量大于30%后，样品的弯拉强度急剧下降到0.2 MPa以下，很难满足外墙保温材料的要求，所以该工艺制备满足外墙材料使用所需要的样品，泡沫的添加量不应大于30%。

2.4 泡沫添加量对样品孔隙结构的影响

通常情况下，泡沫是气体分散在液固相中的一种分散体系，但是由于作为分散相的气体的体积分数非常高，该体系为一种热力学不稳定体系，所以如何形成稳定的泡沫浆料是该制备工艺中最为关键的因素，而这其中添加泡沫量对最终样品的性能起到至关重要的作用。图5为不同泡沫添加量样品截面的SEM照片，从图中可以看出随着泡沫添加量的增大，浆料的体积变大，黏度变小，泡沫浆料也变得越来越不稳定，表观现象就是大孔增多，孔壁也逐渐变薄。同时，还可以发现当泡沫添加量大于30%以后出现了大量的破碎孔壁，这样会影响样品的力学性能，所以泡沫添加量不宜大于30%。

图5 不同泡沫添加量样品截面的SEM照片

综上，使用添加泡沫法制备粉煤灰基泡沫陶瓷时，泡沫的添加量是最为关键的参数，增加泡沫添加量可以提高样品的孔隙率，降低样品导热系数，但是过高的添加量会导致样品的弯拉强度急剧下降而影响使用。所以，为了保证样品具有较低的导热系数和合适的力学性能，泡沫添加量应控制在20%～30%。

3 结论

本文以工业废料粉煤灰为主要原料，利用添加泡沫和水泥固化相结合方法制备了粉煤灰基泡沫陶瓷，并且研究了泡沫添加量对样品表观密度、导热系数、弯拉强度及孔隙结构的影响规律。试验结果证明，泡沫添加量应该为浆料质量的20%～30%比较合适，从样品性能来看，样品的导热系数可以达到0.06 W·m-1·K-1，优于市场上大部分无机外墙保温材料，这说明通过该方法制备A级不燃外墙保温材料具有一定的市场潜力。

[1] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2010[R].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2] JELLE B P.Traditional, state-of-the-art and future thermal building insulation materials and solutions:properties, requirements and possibilities[J].Energy and Buildings,2011,43:2549-2563.

[3] LIANG H H,HO M C.Toxicity characteristics of commercially manufactured insulation materials for building applications in Taiwan[J].Construction and Building Materials,2007,21:1254-1261.

[4] HAMMEL E C,IGHODARO O L R,OKOLI O I.Processing and properties of advanced porous ceramics: an application based review[J].Ceramics International,2014,40:15351-15370.

[5] 陈春滋,朱未禺.保温绝热材料与应用技术[M].北京:中国建材工业出版社,2005.

[6] HU L,WANG C A,HUANG Y.Porous yttria-stabilized zirconia ceramics with ultra-low thermal conductivity[J].Journal of Materials Science,2010,45:3242-3246.

[7] YANG F,LI C,LIN Y,et al.Effects of sintering temperature on properties of porous mullite/corundum ceramics[J].Materials Letters,2012,73:36-39.

[8] HONG C Q,HAN J C,ZHANG X H,et al.Novel nanoporous silica aerogel impregnated highly porous ceramics with low thermal conductivity and enhanced mechanical properties[J].Scripta Materialia,2013,68:599-602.

(责任编辑马龙)

PreparationandPerformanceInvestigationofNon-inflammableThermalInsulationMaterialsforBuilding’sExteriorWall

WANG Xudong

(BeijingFireCorps,Beijing100035,China)

To meet the need of high-performance, non-inflammable thermal insulation materials in the field of building’s exterior wall insulation technology of China, this paper proposes preparing foam ceramics from coal ash with the use of foaming and cement consolidation methods as the thermal insulation material used in exterior wall insulation. An experiment has been conducted to find out the effect of preparation conditions on the apparent density, bending strength, thermal conductivity and pore structure. The experimental results show that foam addition is a key factor in the preparation process, and the foam addition should be controlled between 20% to 30% of the slurry in order to meet the good thermal insulation performance and the appropriate mechanical strength.

non-inflammable thermal insulation material for building exterior wall; foam ceramics; thermal conductivity

2017-07-25

王旭东(1973— )，男，山东龙口人，高级工程师。

D631.6

A

1008-2077(2017)10-0020-04