泡沫混凝土的節(jié)能保溫等效果探析

宋 京 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 泡沫混凝土材料簡(jiǎn)介

泡沫混凝土（又名發(fā)泡混凝土）屬無(wú)機(jī)保溫材料，多用于內(nèi)墻和屋面保溫，是一種密度小的多孔氣泡狀材料。其制作過(guò)程為：將泡沫劑制備成泡沫，再將泡沫加入到由水泥、骨料、外加劑和水制成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護(hù)而成的輕質(zhì)多孔混凝土。泡沫混凝土特點(diǎn)如下：

①輕質(zhì)，泡沫混凝土中含有大量氣泡結(jié)構(gòu)，用于建筑物中可以降低建筑物的自重；

②耐火，泡沫混凝土材料屬于無(wú)機(jī)材料，擁有很好的耐火性；

③緩震，泡沫混凝土因其密度較小、多孔等特性，對(duì)震動(dòng)的吸收效果較好；

④生產(chǎn)方便，泡沫混凝土對(duì)施工場(chǎng)地沒(méi)有要求，可以在任何地點(diǎn)澆筑，且操作簡(jiǎn)單；

⑤安全，泡沫混凝土在制備過(guò)程幾乎沒(méi)有有害物質(zhì)產(chǎn)生，且燃燒不產(chǎn)生有毒氣體；

⑥經(jīng)濟(jì)環(huán)保，泡沫混凝土的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境污染極小，其水泥用量低于正常使用的普通混凝土，降低材料成本。

本世紀(jì)初，泡沫混凝土保溫材料技術(shù)取得重大突破，其以輕薄的結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的力學(xué)性能和不燃絕熱等特點(diǎn)得到了建材行業(yè)的廣泛關(guān)注，應(yīng)用量迅速上升，成為最常用的無(wú)機(jī)保溫材料之一。

2 泡沫混凝土相關(guān)性能研究

2.1 節(jié)能保溫研究

就建筑物保溫隔熱來(lái)說(shuō)，采用墻體保溫材料比增加墻體厚度更具有經(jīng)濟(jì)性，做法是將保溫隔熱性能好的材料依附在墻面或屋面保持室內(nèi)溫度恒定。因此其導(dǎo)熱系數(shù)是保溫材料最重要的一個(gè)屬性，直接影響到建筑物的能耗。

2.1.1 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚度的材料，兩側(cè)表面溫差為1℃，在一定時(shí)間（秒）內(nèi)，通過(guò)1m2傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（W/m·K)。因此，保溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)通常越小越好。

目前來(lái)說(shuō)，無(wú)機(jī)保溫材料的通病就是導(dǎo)熱系數(shù)高，泡沫混凝土正是如此，這也是限制泡沫混凝土大規(guī)模使用的主要因素。因此，研究導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)改善泡沫混凝土節(jié)能保溫效果有著充分的必要性。

根據(jù)劉力提出的觀點(diǎn)，泡沫混凝土的干密度會(huì)影響導(dǎo)熱系數(shù)?；诖耍归_(kāi)實(shí)驗(yàn)探究干密度與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，得出影響泡沫混凝土節(jié)能效率的因素。

2.1.2 原材料與試驗(yàn)方法

水泥為安徽某公司生產(chǎn)的PO42.5硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑為自有的動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑。制備干密度不同的泡沫混凝土試件，試件尺寸為300mm×300mm×30mm，共計(jì)8個(gè)。參照GB 10294，將試件置于養(yǎng)護(hù)箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d后脫模，在達(dá)到28d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)烘干，直到質(zhì)量損失不變后采用智能化導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，研究干密度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

2.1.3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足JG/T 266-2011的要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出圖1。由數(shù)據(jù)分析得：在干密度300 kg/m至 1200 kg/m范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)與干密度近似為線性關(guān)系，隨著干密度的增加而增大。其原理為：泡沫混凝土屬于氣固兩相混合物，其傳熱過(guò)程是由固體中微觀粒子振動(dòng)和氣體中氣體分子碰撞共同作用的結(jié)果，以固體材料傳熱為主。泡沫混凝土干密度越大，固相占比越高，熱量傳遞效率越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大，節(jié)能效果越差。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)與干密度的關(guān)系

表1 不同干密度對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)

因此，想要節(jié)能效率高，采用多孔的低干密度泡沫混凝土是一種選擇。

2.2 吸水性能研究

由于泡沫混凝土內(nèi)部有大量的氣泡，加之自身較大的水灰比，因此其防水性能較差，屬親水性材料，這一定程度上影響了其保溫絕熱效果也降低了其耐久性。研究如何降低泡沫混凝土的吸水性能對(duì)于其推廣應(yīng)用有著重要意義。

2.2.1 影響吸水率的因素

在借鑒國(guó)內(nèi)一些參考資料和先前試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為泡沫混凝土的吸水率大體取決于以下幾個(gè)方面：

①泡沫

一般來(lái)說(shuō)，泡沫混凝土孔徑分布越均勻，其孔隙率越小，吸水率越低。而孔結(jié)構(gòu)又與泡沫息息相關(guān)，不同的泡沫在穩(wěn)定性、大小和均勻性上的表現(xiàn)也不一樣。泡沫氣泡越小越穩(wěn)定成品孔徑分布越均勻。因此可以說(shuō)，泡沫質(zhì)量是影響泡沫混凝土質(zhì)量的重要因素之一。

②配合比

根據(jù)本人之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，泡沫混凝土的吸水率隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，水膠比為0.44時(shí)泡沫在漿體中的分布最均勻，連通孔比例最小，此時(shí)吸水率最小。劉力的實(shí)驗(yàn)也得出了類似的結(jié)論，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)水灰比為0.4～0.5時(shí)，其體積吸水率最小。

③粉煤灰

根據(jù)本人之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，泡沫混凝土的吸水率也隨著粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，但是在摻量為0%～30%時(shí)吸水率變化不明顯，在40%較為顯著。這可能與該程度的粉煤灰摻量會(huì)對(duì)泡沫造成損害導(dǎo)致漿體中的游離水變多有關(guān)。

④外加劑

混凝土防水劑顯著具有提高混凝土抗?jié)B防水功能，同時(shí)具有緩凝、早強(qiáng)，減水、抗裂等功效，并可改善新拌砂漿的和易性。而對(duì)于如何選擇防水劑最佳的摻量，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范，大多憑借工程經(jīng)驗(yàn)而定。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇合適的防水劑摻量，將泡沫混凝土的吸水率控制在一個(gè)較小的區(qū)間，可以更好地發(fā)揮泡沫混凝土的保溫性能。

2.2.2 原材料與試驗(yàn)方法

泡沫混凝土試件規(guī)格采用100mm×100mm×100mm，制作5組，每組3個(gè)。測(cè)得干密度約為600 kg/m，防水劑為某公司F1型憎水防水劑，摻量百分比分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%。養(yǎng)護(hù)和吸水率試驗(yàn)按JGJ/T12-2019進(jìn)行，測(cè)定2h、24h和48h對(duì)應(yīng)的吸水率。

2.2.3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出圖2。由數(shù)據(jù)分析得：防水劑確實(shí)可以降低泡沫混凝土吸水率，且在一定范圍內(nèi)，隨著防水劑摻量的增加，泡沫混凝土吸水率下降；當(dāng)防水劑摻量范圍在0%～1%時(shí)，隨著摻量的增大，吸水率有較大程度的下降；當(dāng)防水劑摻量增加至1%以上時(shí)，吸水率的下降已不明顯；摻加了防水劑的試件其吸水率隨著時(shí)間增加而增大。防水劑影響吸水率的機(jī)理為：與水泥反應(yīng)生成致密小顆粒充滿孔隙、或者在泡沫混凝土表面形成永久性憎水防水膜，從而外部水分難以向內(nèi)部滲透，達(dá)到降低吸水率的作用?？紤]到使用防水劑的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，建議該F1型防水劑摻量控制在1%～1.5%之間。

圖2 防水劑摻量與吸水率的關(guān)系

表2 不同防水劑摻量對(duì)應(yīng)的吸水率

2.3 耐高溫性能研究

泡沫混凝土材料為A級(jí)防火耐溫材料，本身不易燃燒。為了研究泡沫混凝土板在長(zhǎng)時(shí)間高溫灼燒后其強(qiáng)度的變化情況，開(kāi)展了對(duì)其耐高溫性能的研究。這對(duì)采用泡沫混凝土的建筑物在長(zhǎng)時(shí)間的高溫灼燒后能否保持原有強(qiáng)度有著積極意義。

2.3.1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

制備兩種干密度不同的泡沫混凝土。取試件規(guī)模為100mm×100mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體，澆筑24h后脫模，將試件置于養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在達(dá)到28d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)烘干，直到質(zhì)量損失不變。測(cè)得干密度分別為611 kg/m和800 kg/m。后用煤氣噴燈對(duì)其進(jìn)行750℃不同時(shí)間的灼燒加熱，最后用20MPa量程的壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)其不同加熱時(shí)間后的抗壓強(qiáng)度，研究灼燒時(shí)間與不同干密度泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。涉及到的實(shí)驗(yàn)器材有煤氣噴燈、壓力試驗(yàn)機(jī)、秒表等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

圖3 灼燒時(shí)間與泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.3.2 結(jié)果與討論

由圖3知，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨著干密度的增加而增大；長(zhǎng)時(shí)間灼燒會(huì)影響泡沫混凝土制品的抗壓強(qiáng)度，影響程度與干密度有關(guān)：密度為800 kg/m的泡沫混凝土在30分鐘灼燒后強(qiáng)度下降了14.6%，而611 kg/m的泡沫混凝土強(qiáng)度下降了28.8%。因此，選取干密度較大的泡沫混凝土更能增加建筑物在火災(zāi)中的穩(wěn)定性，避免其因長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境導(dǎo)致保溫板強(qiáng)度降低，影響建筑安全。但根據(jù)前文的研究，干密度較大的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)也較大，又會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性的下降。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)行更加深入的研究，在保證其高溫穩(wěn)定性的同時(shí)設(shè)法降低導(dǎo)熱系數(shù)，兼顧泡沫混凝土的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

近些年來(lái)，泡沫混凝土因其輕薄、節(jié)能環(huán)保、不燃等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入了公眾的視野，但是其隔熱保溫的效果不及很多有機(jī)保溫材料，也缺乏其他方面相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。為提高泡沫混凝土保溫效果，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了保溫性能、吸水性能和耐高溫性能的研究，并提出了以下建議：采用多孔的低干密度泡沫混凝土以獲得更高的節(jié)能保溫效率；控制F1型防水劑摻量在1%～1.5%以獲得更優(yōu)秀的防水效果；使用干密度較大的泡沫混凝土能提高其在高溫中的穩(wěn)定性，但是經(jīng)濟(jì)性會(huì)變差。

由于篇幅限制和本人能力有限，不免有一些遺漏和錯(cuò)誤，懇請(qǐng)批評(píng)指正。

3.2 不足與展望

①僅僅研究了干密度與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，但是泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)（如孔形狀、孔徑、孔隙率）可能也會(huì)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有影響，需要進(jìn)行更加深入的實(shí)驗(yàn)。

②沒(méi)有考慮發(fā)泡劑、減水劑的種類和摻量等對(duì)泡沫混凝土吸水率的影響，需要進(jìn)行更多的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，這也是今后泡沫混凝土吸水率研究的一個(gè)方向。

③可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立起泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率等指標(biāo)與干密度、孔隙率等參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步分析泡沫混凝土相關(guān)性能與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

④有實(shí)驗(yàn)表明，泡沫混凝土中加入纖維會(huì)提高其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，還能降低導(dǎo)熱系數(shù)，因此二者的結(jié)合也會(huì)是未來(lái)研究的熱門(mén)方向。