李晓英+张琴+雷波+宋丹+毛振龙

摘要：介绍了水泥基發泡保温材料制备过程中水泥品种的选择，评述了粉煤灰对水泥基发泡保温材料性能的影响，讨论了粉煤灰-水泥基发泡材料在建筑保温方面的应用。分析了目前研究和应用中存在的主要问题，并探究了这种保温材料在装配式建筑过程中的应用前景。

关键词：保温材料；粉煤灰；发泡；研究

中图分类号：TU521

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0164-05

1 引言

20世纪80年代中国就曾经制定了积极的建筑节能政策，但到2010年仍然未能达到社会要求[1]。“十二五”规划再次指出：促进环境友好型建筑材料的使用，降低建筑能耗，发展节能型建筑。调查显示，加上建筑材料生产过程的能耗，我国建筑能耗约占社会总能耗的46.7%。其中，采暖和空调能耗比例高达20%[2]。由此可见，提高建筑的保温性能，减少建筑的热散失，是降低建筑能耗最直接、有效的途径。

保温材料按照材料类型可分为3类：有机材质类、无机材质类和复合材质类。目前，有机材质类保温材料市场应用最广。但近几年因使用有机保温材料引发的火灾给人类造成了较大损失。因此，推动了学者对不燃型无机保温材料的研究[3～5]。2013年12月相继立项公示的《保温装饰复合板外墙保温构造》、《水泥发泡无机保温板应用技术规程》等政策，以及四川省住房和城乡建设厅于2016年发布最新政策文件均指出，全面禁止保温砂浆类保温材料的使用，取而代之的将是水泥基发泡保温板。

国家“十二五”规划指出“加强煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、磷石膏、化工废渣、冶炼废渣等大宗工业固体废物的综合利用”。日前，“十三五”规划再次强调：“大力发展以尾矿、工业固体废弃物为原料生产各种混凝土及制品”。粉煤渣是火力发电过程中煤燃烧后排出的固体废弃物，若排入江河湖海，将会造成水体污染，大量堆放则会造成大气、土壤的污染。近几十年来，我国的电力工业得到了迅速发展，导致粉煤灰渣的堆积量不断增加。据不完全统计，我国1995年因燃煤产生的粉煤灰总量达1.25亿t，2011年约5.4亿t，2015年约5.6亿t[6]。可见，粉煤灰渣亟待处理。

粉煤灰渣可作为良好的辅助性胶凝材料部分替代水泥，用以制备水泥基发泡保温材料，既促进了水泥基发泡保温材料的发展，又解决了粉煤灰渣堆积的难题。国内外学者已对此进行了广泛研究，本文对粉煤灰-水泥基发泡保温材料的制备、应用及研究现状进行了总结，对热点问题进行了分析，并提出了其未来可能的发展方向。

2 水泥品种的选择

水泥基发泡保温材料有着质量轻、强度高、耐燃性好、保温性优、可现浇可预制等优势。它是由水泥、发泡剂、掺和料、增强纤维及外加剂，经发泡制成的轻质多孔材料[7]。其性能优劣受原材料、施工工艺、养护措施的影响较大。水泥是发泡无机保温材料的主要胶凝材料，种类有普通硅酸盐水泥、铁铝酸水泥、镁水泥和硫铝酸盐水泥等。

镁水泥具有防火性能好、弹性、硬化快、强度高的优点，可制备防火性能较好的泡沫材料，但其后期容易出现泛白霜、变形等不良现象。铁铝酸盐和硫铝酸盐水泥具有早强特点，可较好地稳定湿泡沫，减少浆体塌模的概率。目前国内应用较多，但这两种水泥产量小、产地少、价格贵，限制了其应用[8]。朱蓉[9]通过对比实验发现，快硬硫铝酸盐水泥凝结硬化速度与湿泡沫稳定性匹配性较好，制备的泡沫水泥材料在表观密度为343 kg/m3时抗压强度达0.89MPa，满足制备轻质高强泡沫材料的要求，但是成本较高。杜传伟等人[10]对快硬硫铝酸盐泡沫水泥材料的耐水性进行了研究，发现这种水泥与有机防水剂的相容性更好。

普通硅酸盐水泥制备泡沫材料时因凝结时间较长，需要严格控制浆体凝结硬化时间与湿泡沫稳定时间，使得两者充分匹配。否则，将导致泡沫浆体注模后塌陷，制备出不均匀的泡沫水泥材料，也得不到较好的保温性能。但是可以通过添加早强剂，调整水泥细度和优化配比等方式改善[7]。张文[11]通过对比硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥发泡保温板的性能，发现与硫铝酸盐水泥相比，硅酸盐水泥发泡保温板的强度更高、吸水率更低、碳化系数更高。并且，碳化对硫铝酸盐水泥发泡保温板的强度劣化影响程度更高。

可见，综合成本、性能考虑，普通硅酸盐水泥是制备水泥发泡无机保温材料的首选胶凝材料。下文均以普通硅酸盐水泥体系为对象，探究粉煤灰（普通硅酸盐）水泥发泡无机保温材料的相关研究和应用。

3 粉煤灰对水泥基发泡保温材料性能的影响

水泥基发泡保温材料多以固体废弃物为掺和料，如工业废渣（矿渣粉、废石粉、粉煤灰渣等）、秸秆粉、锯末等。其中，粉煤灰渣因性能优异、堆积量大被广泛应用[12]。粉煤灰因具有孔洞结构、密度低、表面活性高、比表面积大等优点，适用于保温材料[13]。

3.1 粉煤灰对水泥基发泡保温材料强度的影响

水泥基泡沫混凝土作为保温材料使用时，其密度较低，强度不高（保温板要求不小于0.4MPa，JC/T 2200-2013《水泥基泡沫保温板》），但必须满足建筑施工。长期研究发现，粉煤灰的掺入对水泥基超轻泡沫混凝土的力学性能有影响。

当粉煤灰较少（不大于30%）掺量水泥基发泡混凝土体系时，其改善流动性、填充孔隙的作用突出。此时，试样28d前的强度不会降低。当浆体水灰比较低时，掺入粉煤灰，试样28d前强度甚至明显提高。随着粉煤灰掺量的进一步提高，浆体反应速率减小，胶凝作用减弱，孔径增大，早期强度降低[14，15]。

粉煤灰掺量超过30%后，试样28 d前的抗压强度明显降低，但28 d后的强度迅速增长，并逐步超过纯水泥体系[14～17]。E P Kearsley和P J Wainwright[14]对导致这一现象的原因进行了探究，结果表明随着时间的延续，粉煤灰的掺入不断消耗基体中的氢氧化钙，生成更多水化产物，降低孔隙率，增强体系密实度。粉煤灰取代水泥的量增加至67%时，仍不会降低试样的后期强度。如图1，郎营[17]进一步研究粉煤灰对水泥基发泡混凝土的抗拉强度，发现粉煤灰对提高体系后期抗拉强度有积极贡献。另外，研究还发现粉煤灰对水泥基发泡混凝土抗压强度的影响作用大于发泡剂和水灰比。

3.2 粉煤灰对水泥基發泡保温材料导热性能的影响

导热性能是保温材料重要的性能之一，导热性能的好坏通常用导热系数来表征，导热系数越小，其绝热性能越好，越保温。而多孔材料的导热系数很大程度上受到孔隙率、孔径、孔分布的影响。在相同容重情况下，导热系数随着平均孔径的增加而升高，气孔尺寸分布近遵循对数正态分布[21]。且材料孔隙率越高，孔径越均匀，导热系数越小[18～22]。

国内外学者[23～25]研究表明，粉煤灰的掺入能使水泥基发泡材料气孔更加均匀，能降低体系的导热系数。Saygili A等人[26]甚至发现一种在冻土工程中提高保温性能的方法，即在粉煤灰中添加少许（不超过粉煤灰质量20%）的雪或碎冰；通过引入空气增加体系孔隙率，从而达到改善保温性能的作用。Balo F等人[27]对黏土、粉煤灰、稻壳灰等材料的导热系数进行了分析，发现这些材料本身的绝热性能好。另外，杨伟[13]选取不同含水率和孔隙率的粉煤灰，进行粉煤灰的温度实验测试。如表1，结果表明保持含水率不变的情况下，随着粉煤灰本身孔隙率的增加，其有效导热系数降低。由此可见，粉煤灰在改善水泥基发泡材料保温性能方面起着积极作用。

3.3 粉煤灰对水泥基发泡保温材料吸水率的影响

水的导热系数是空气导热系数的20多倍，随着环境湿度或材料含水率增加，材料导热系数增大。如表2，龙斌[28]和王斌[29]针对含水率与水泥基发泡保温材料导热性能的关系进行了研究，得出了相同结论。因此，影响保温材料吸水率的因素势必会影响其保温性能。

学者们[29～31]针对粉煤灰对水泥基发泡保温材料吸水性的影响进行了研究，发现试样24 h的单端吸水量较大，24 h后吸水速度较慢，14 d时吸水趋于停止。同时 ，粉煤灰自身孔隙率越大，则制备而成的保温材料抵抗水影响的能力越高[13]；说明适当掺入粉煤灰可降低体系的吸水率。但影响规律因水泥基发泡材料容重不同，略有差异。如图2所示[31]， 当容重为600 kg/m3时，随着粉煤灰掺量的增加，体系吸水率降低；当容重为400 kg/m3时，低水灰比体系受粉煤灰影响趋势不明确。这主要是因为粉煤灰粒径较水泥细，掺入体系后能够起到填充孔隙的作用，增加体系密实性，减少吸水率。但当容重较低时，体系较敏感，且孔隙结构受水灰比影响变化明显。

3.4 粉煤灰对水泥基发泡保温材料干密度的影响

干密度是水泥基发泡保温材料重要的性能指标之一，也是决定其应用的关键因素。学者们长期研究粉煤灰对水泥基发泡保温材料干密度的影响，发现当粉煤灰掺量低于50%时，随着掺量的增加水泥基发泡保温材料的干密度降低，且不受水灰比的影响（图3）。这一方面得益于硅酸盐水泥与粉煤灰密度的悬殊。另一方面，粉煤灰本身的滚珠效应可减少气泡生成的阻力，增加体系孔隙率[32，33]。不过，当继续增加粉煤灰的掺量，体系干密度下降趋势变缓。因为粉煤灰掺量较大时，浆体胶凝能力降低，物理力学性能变差，泡沫在浆体中的稳定性变差，容易导致浆体塌模。实际上，粉煤灰对水泥基发泡保温材料干密度的影响，归根结底还是对体系孔径和孔隙率的影响。

4 粉煤灰-水泥基发泡保温材料的应用

我国建筑的单位面积采暖能耗是发达国家的4倍左右，要加快社会发展，提高能源利用率势在必行。所以，保温材料的更新，保温施工技术的改革在建筑节能中发挥着越来越重要的作用。近些年，水泥基发泡材料发展较快。《水泥基泡沫保温板》（JC/T 2200-2013）、《屋面保温隔热用泡沫混凝土》（JC/T 2125-2012）等标准的出台和《泡沫混凝土墙板、屋面板》、《泡沫混凝土保温装饰板》等标准的立项编制[34]，推进了水泥基发泡作为保温材料的应用。水泥基发泡材料作为保温材料的应用方式主要有：制品和现浇两种。其中，保温制品包括：自保温砌块，自保温墙板、屋面板，保温装饰一体板，有机无机发泡结构复合保温板，小型自保温墙板等。其应用领域已从单纯的墙体保温发展为包括：屋面、楼层、楼栏板、隔断等新领域。

4.1 墙体保温

我国墙体保温方式主要有4种形式：夹心保温，外墙内保温，外墙外保温和自保温。其中，墙体外保温和自保温方式的优点最突出，或将成为我国墙体保温的主要形式。

因泡沫塑料外墙保温的缺陷突出，水泥-粉煤灰型和水泥-粉煤灰-砂型等多孔无机保温材料的研究热度不断提升。同时，因其原材料易得，价格低廉、工艺简单、墙面结合力强逐渐被人们所接受[35]。吴炎平等人[36]将粉煤灰-水泥基超轻泡沫材料灌注到砌块孔洞中的方式，制备出自保温混凝土复合砌块，并在南昌市某楼盘2号楼应用。该楼为框架剪力墙结构体系，建筑总层数为28层，建筑面积10526 m2，体形系数0.39。通过效果评价得出，降低主体总价5.5%。

4.2 屋面和楼地面保温

粉煤灰-水泥无机发泡保温材料可作为屋面和楼地面保温层，工程中常使用的密度等级为200～1000 kg/m3。如图4所示，粉煤灰-水泥无机泡沫材料用于屋面保温时，能将找平层、找坡层和保温层三者合为一体；从而降低屋面保温施工成本的同时，简化了屋面构造和施工工艺[37～39]。粉煤灰-水泥发泡无机保温材料屋面保温结构不仅具有其他保温材料均具有的轻质、保温隔热、隔音的特性，还兼具耐火和耐久性能。另外，因其热工性能好，可延长顶层防水层的使用年限。

5 值得进一步研究的科学问题

粉煤灰-水泥基发泡保温材料有很多优于有机保温材料的优势，但在性能和应用上仍然存在着不足，具体如下。

5.1 韧性差

粉煤灰-水泥基发泡保温材料与其他水泥基材料一样，表现出脆性好、韧性差的特点。而实际工程中，材料受力复杂，韧性差势必限制其发展。不过，通过添加一定量的脲醛树脂、PVA纤维[40]、玻璃纤维[41]、聚丙烯纤维[42]、混杂纤维[43]和纺织废物[44]等材料，可较好地改善水泥基泡沫材料的韧性。增韧材料的引入不仅能提高体系强度、改善韧性，还可降低干密度。但增韧材料与基体材料的相容性及其最佳掺量仍是其应用过程中的难点。

5.2 吸水率高

保溫材料的吸水性对保温性能、耐久性能影响明显，水泥基发泡保温材料吸水率仍然较高，这也给推广应用带来了难题。

多孔材料体系吸水性与孔结构有关，孔径较大时水分子可以随意进出孔洞，导致材料结构失稳。微小的孔径即便孔隙率高，对吸水性影响也较小，但孔径小、孔隙率大就成为大家追求的目标。上文已指出，粉煤灰的掺入对密度较大（600 kg/m3）的水泥基发泡材料的吸水率有明显降低作用[30，31，33，45]。掺入三乙醇胺-热稳定剂复合材料可将基体吸水率降低至1.3%的超低水平[46]。

5.3 未来发展方向

粉煤灰-水泥基发泡保温材料存在的以上问题正在研究和改进过程中，并有望在较短时间内得以解决。《混凝土与水泥制品行业“十三五”发展规划》要求大力发展以工业废弃物为原料生产的各种建筑制品，进一步提高固体废弃物消纳量；为实现建筑绿色发展，不断推进预制构件的研发和应用。政策和社会需求驱使下，粉煤灰-水泥基发泡保温材料需兼具防火性和预制一体化。同时，凭借其抗震、保温、轻质、吸音、利废等特征，及预制化简单等优点，将在推行绿色建筑和建筑结构一体化的过程中迎来快速发展的契机。

6 结论

水泥基发泡保温材料品种的开发，水泥品种的选择，粉煤灰对其强度、干密度及保温性能的影响，保温材料改性等研究的广泛开展，为粉煤灰-水泥基发泡保温材料在建筑外墙、屋面、楼地面等领域的应用奠定了较好的基础。粉煤灰-水泥基发泡保温材料存在韧性差、吸水率大等问题，可以通过掺入改性剂来改善，但改善方式尚不统一。“十三五”规划的指导和社会需求，驱使粉煤灰-水泥基发泡保温材料提高保温防火性能和预制化水平。

参考文献：

[1]谷燕成，陈思诺，黄恩兴.建筑节能保温材料的现状及发展[J].建筑节能，2016（6）：34～38.

[2]刘思林. 无机轻集料保温砂浆防火性能的研究[D].长沙：湖南大学，2012.

[3]李陈蓉.无机保温材料在建筑节能工程中的应用[J].资源节约与环保，2016（5）：70.

[4]环志龙.浅谈建筑节能与建筑规划设计[J].低碳世界，2016（15）：104～105.

[5]Papadopoulos A M. State of the art in thermal insulation materials and aims for future developments[J]. Energy & Buildings， 2005， 37（1）：77～86.

[6]曹德生，魏荣杰. 粉煤灰综合利用概述[J].河南建材，2014（2）：12～14.

[7]王 清.超轻普硅发泡水泥保温板制备及性能研究[D]. 北京：北京工业大学， 2014.

[8]杨婷松. 发泡水泥的制备工艺及理化性能研究[D]. 济南：济南大学， 2013.

[9]朱蓉. 无机泡沫保温材料制备试验研究[D]. 长沙：中南大学， 2013.

[10]杜传伟， 李国忠. 发泡水泥保温材料的耐水性能研究[J]. 砖瓦， 2013（3）：56～58.

[11]张 文. 发泡水泥配方的适应性与组分材料相容性的研究[D]. 南京：东南大学， 2014.

[12]侯彦叶， 李冬梅. 我国发泡水泥保温板的研究现状[J].四川化工， 2014，17（2）：16～18.

[13]杨 伟，曹 明，赵柄翔，等. 含水率与孔隙率对粉煤灰传热性能影响[J]. 计算机与应用化学，2015（5）：551～555.

[14]E.P.Kearsley， P.J.Wainwright. The effect of high fly ash content on the compressive strength offoamed concrete[J]. Cement and Concrete Research， 2001（31）： 105～112.

[15]张 鑫. 粉煤灰水泥基泡沫混凝土的配合比试验研究[D].合肥：安徽理工大学，2016.

[16]冯辉红，黄 起，屈少华. 粉煤灰轻质泡沫混凝土的应用研究[J]. 应用化工，2016（3）：520～524.

[17]郎 营.发泡水泥板的制备技术及其性能的研究[D]. 南京：东南大学， 2012.

[18]Lunlun Gong， Yonghong Wang， Xudong Cheng， et al. Porous mullite ceramics with low thermal conductivity prepared by foaming and starch consolidation [J]. Journal of Porous Materials， 2013（111）.

[19]Demirbog a， R. ， R.Gul. The effects of expand perlite aggregate， silica fume and fly ash on the thermal conductivity of lightweight concrete [J]. Cement and Concrete Research， 2013， 33（5）：723～727.

[20]Ng， S.-C. ， K.-S. Low. Thermal conductivity of newspaper sandwiched aerated light weight concrete panel [J]. Energy and Bulidings， 2010， 42 （12）： 2452～2456.

[21]兰明章，代丹丹，陈智丰，等. 超轻发泡水泥保温板孔结构与性能关系研究[J]. 硅酸盐通报，2016（2）：518～524.

[22]Volfkovich Y M， Filippov A N， Bagotsky V S. Structural Properties of Porous Materials and Powders Used in Different Fields of Science and Technology[J]. Engineering Materials & Processes， 2014.

[23]张磊蕾，王武祥，廖礼平，等. 发泡水泥孔结构的影响因素研究[J]. 混凝土与水泥制品，2013（9）：1～5.

[24]Leiva C， Arenas C， Vilches L F， et al. Development of fly ash boards with thermal， acoustic and fire insulation properties[J]. Waste Management， 2015（46）：298～303.

[25]Demirbo A R. Influence of mineral admixtures on thermal conductivity and compressive strength of mortar[J]. Energy & Buildings， 2003， 35（35）：189～192.

[26]Saygili A， Baykal G. A new method for improving the thermal insulation properties of fly ash[J]. Energy & Buildings， 2011， 43（11）：3236～3242.

[27]Balo F. Feasibility study of “green” insulation materials including tall oil： Environmental， econemical and thermal properties[J]. Energy & Buildings， 2015， 86（86）：161～175.

[28]龍 斌. 外墙保温材料导热系数与密度及含水率关系的试验研究[J]. 江西建材， 2015（14）：4～5.

[29]王 斌. 自节能粉煤灰加气混凝土制备及墙体热工性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[30]俞心刚，李德军，叶建雄，等. 干表观密度对粉煤灰-煤矸石泡沫混凝土性能的影响[C]∥中国硅酸盐学会.第十届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文集.北京：机械工业出版社，2007.

[31]付士峰，张广田，杜渊博. 不同掺量的粉煤灰对泡沫混凝土性能的影响[J]. 石家庄铁道大学学报（自然科学版），2016（3）：49～52.

[32]刘 军，齐 玮，刘润清，等. 粉煤灰对泡沫混凝土物理力学性能的影响[J]. 材料导报，2015（16）：111～114.

[33]赵晚群，李预奇，甘戈金. 配合比设计对泡沫混凝土干密度的影响[C]∥中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品分会.2013年混凝土与水泥制品学术讨论会论文集.北京：中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品分会，中国建筑出版社，2013.

[34]王明轩，李应权，迟碧川. 2015泡沫混凝土行业发展报告[J]. 混凝土世界，2016（4）：18～23.

[35]林辉.发泡剂及其泡沫混凝土的研究与应用进展[J].新型建筑材料，2013（5）：49～51

[36]张正贵. 墙体保温 泡沫混凝土前程可期[N]. 中国建设报，2011-09-29005.

[37]李 娟，王武祥. 大掺量粉煤灰泡沫混凝土的性能研究[J]. 粉煤灰综合利用，2003（3）：34～35.

[38]邱军付，罗淑湘，鲁 虹，等. 大掺量粉煤灰超轻泡沫混凝土保温板的试验研究[J].新型建筑材料，2013（1）：74～76.

[39]黎 力， 廖 兵. 水泥发泡无机保温板的研究和应用[J]. 城市建筑， 2014（2）.

[40]赵洪宝. 水泥基泡沫保温材料的制备与轻韧化研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2015.

[41]侯 星， 薛群虎， 郝永立，等. 水泥基发泡保温材料的制备工艺与性能研究[J]. 硅酸盐通报， 2014（9）：2409～2413.

[42]李启金.低密度泡沫混凝土保温材料的制备与性能研究[D]. 济南：济南大学， 2014.

[43]李小龙. 混杂纤维/水泥基轻质保温材料的制备与性能研究[D]. 济南：济南大学， 2015.

[44]Briga-Sá A， Nascimento D， Teixeira N， et al. Textile waste as an alternative thermal insulation building material solution[J]. Construction & Building Materials， 2013， 38（2）：155～160.

[45]关凌岳. 泡沫混凝土孔结构表征与调控方法及其性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[46]高 立. 泡沫混凝土孔结构的调控与评价[D].武汉：武汉理工大学，2012.