硅基氣凝膠板在不同濕度下的物理力學(xué)性能研究

宋小軟，張智超，宋雷，黃崧，駱詩(shī)麗

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

氣凝膠是通過(guò)溶膠凝膠法，用一定的干燥方式使氣體取代凝膠中的液相而形成的納米級(jí)多孔固態(tài)材料，按組分不同可分為硅基氣凝膠、碳?xì)饽z和氮化物氣凝膠等[1-2]。其中，硅基氣凝膠是目前已知密度最?。傻椭?.003 g/cm3）及隔熱性能最好[常溫下導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.013 W/（m·K）]的新型保溫材料[3-5]。由于本身力學(xué)性能差，硅基氣凝膠常與纖維及其它材料復(fù)合，制成具有一定強(qiáng)度和剛度的氣凝膠板作保溫材料使用[6]。

氣凝膠板性能對(duì)溫度波動(dòng)的延遲明顯優(yōu)于傳統(tǒng)保溫板，且可以有效降低屋內(nèi)噪聲，在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[7-8]。但由于氣凝膠板需要長(zhǎng)期服役于建筑，應(yīng)對(duì)其耐候性作進(jìn)一步研究，以達(dá)到材料與結(jié)構(gòu)同壽命的目的[9-10]。韓銀龍和田響宇[11]研究發(fā)現(xiàn)，潮濕環(huán)境及振動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致氣凝膠材料隔熱性能下降并加速其老化。Nosrati等[12]認(rèn)為，導(dǎo)致氣凝膠板老化的外部因素主要來(lái)自溫度和濕度。高溫與高相對(duì)濕度的結(jié)合會(huì)加速氣凝膠板的老化。Hoseini和Bagrami[13]在25℃時(shí)將環(huán)境相對(duì)濕度從0增加到90%，發(fā)現(xiàn)氣凝膠板的導(dǎo)熱系數(shù)增大約15%。Berardi和Nosrati[14]發(fā)現(xiàn)，在所有氣候老化因素中高相對(duì)濕度對(duì)氣凝膠材料的性能影響最大。

本文主要研究氣凝膠板在不同濕度下的物理力學(xué)性能，包括彎曲破壞荷載、極限彎曲應(yīng)力、壓縮強(qiáng)度、壓縮彈性模量、振動(dòng)質(zhì)量損失率等涉及安全性和可靠性的力學(xué)參數(shù)，通過(guò)對(duì)比分析得到氣凝膠板的物理力學(xué)性能隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

硅基氣凝膠板：DY10系列，廣東埃立生高新科技有限公司產(chǎn)，由氣凝膠和玻璃纖維復(fù)合而成，板材標(biāo)準(zhǔn)厚度10 mm，燃燒性能A級(jí)，25℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.023 W/（m·K），密度為（300±10%）kg/m3，憎水率≥99%，最高使用溫度1000℃，主要適用于建筑用一體化保溫和具有特殊要求的保溫殼體。

1.2 濕度處理方法

根據(jù)GB/T 20312—2006《建筑材料及制品的濕熱性能 吸濕性能的測(cè)定》進(jìn)行了氣凝膠板在各濕度下吸濕時(shí)的質(zhì)量變化試驗(yàn)，結(jié)果表明氣凝膠板在各類(lèi)濕度環(huán)境下吸濕24 h后完全達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，本試驗(yàn)中氣凝膠板放置在不同濕度環(huán)境下的時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)一為24 h。

各組氣凝膠板試樣在進(jìn)行濕度處理前，放置在70℃恒溫干燥箱中干燥24 h，以達(dá)到完全干燥的目的。將干燥后的氣凝膠板置于濕熱試驗(yàn)箱，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度為20℃，使各組試樣分別暴露在0、30%和90%的濕度下24 h。取出后立即進(jìn)行各項(xiàng)物理力學(xué)性能試驗(yàn)。

2 抗彎性能試驗(yàn)及分析

2.1 試樣制作及加載方式

制作6個(gè)尺寸為200 mm×150 mm的試樣，根據(jù)GB/T 34336—2017《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》，沿氣凝膠板縱、橫兩個(gè)方向（縱向?yàn)槠叫欣w維走向，橫向?yàn)榇怪崩w維走向）各取3個(gè)試樣，編號(hào)分別為C1、C2、C3和K1、K2、K3。對(duì)不同濕度處理后的試樣進(jìn)行彎曲破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)試樣較長(zhǎng)方向的兩端對(duì)稱(chēng)支撐在硬質(zhì)材料上，保持跨距為150 mm，跨中采用半徑為25 mm的圓柱面壓頭加載，加載速度為50 mm/min，加載及數(shù)據(jù)采集設(shè)備為CDT-305型SANS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2.2 彎曲破壞特征

不同濕度下縱橫向氣凝膠板在抗彎試驗(yàn)中的破壞現(xiàn)象及裂縫位置基本相同，如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著加載的進(jìn)行，氣凝膠板沿中心線(xiàn)附近位置發(fā)生對(duì)稱(chēng)彎折，從跨中底面開(kāi)始出現(xiàn)豎向裂縫，并向受壓面延伸直至破壞，破壞時(shí)的撓度隨試樣含水率的提高而增加。各濕度下的氣凝膠板破壞時(shí)裂縫均未貫串板厚，受壓面裂縫位置與上壓頭加載位置基本相同，底面裂縫不規(guī)則分布在中心線(xiàn)周?chē)?，最終試樣彎折角度在10°～30°之間。

2.3 不同濕度下氣凝膠板的彎曲荷載-位移曲線(xiàn)

（見(jiàn)圖2）

由圖2可以看出，各濕度下的試樣達(dá)到荷載極值點(diǎn)時(shí)的變形位移在3 mm左右，隨著濕度的增大，氣凝膠板能承受的極限彎曲荷載有所下降。就曲線(xiàn)走勢(shì)而言，各濕度下氣凝膠板的受彎曲線(xiàn)均表現(xiàn)出先線(xiàn)性增長(zhǎng)到極值再下降的特點(diǎn)。上升段曲線(xiàn)斜率受濕度變化的影響并不明顯，下降段曲線(xiàn)斜率隨濕度的增大而減小，相對(duì)濕度為0時(shí)曲線(xiàn)的下降段斜率最大，試樣的破壞撓度小于1.5d（d為試樣厚度），相對(duì)濕度為30%、90%時(shí)曲線(xiàn)的下降段相對(duì)平緩，試樣在接近破壞的一定變形范圍內(nèi)仍能承載，部分試樣的破壞撓度接近或超過(guò)了1.5d，這表明氣凝膠板含水率的增大在降低其抗彎性能的同時(shí)，增大了試樣的延性。

縱向試樣在各濕度下的抗彎能力普遍優(yōu)于橫向試樣，這是由于氣凝膠板中復(fù)合的玻璃纖維在承載力方面具有方向性，導(dǎo)致氣凝膠板在受彎時(shí)呈現(xiàn)非勻質(zhì)性。因此，部分使用該材料時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮平行纖維走向裁切，整體使用時(shí)應(yīng)將氣凝膠板的擺放方向垂直于可能承受彎曲荷載的方向。

2.4 濕度對(duì)彎曲破壞荷載及彎曲應(yīng)力的影響

氣凝膠板試樣受彎破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載為彎曲破壞荷載，若撓度等于1.5d時(shí)試樣仍未破壞，則取撓度1.5d時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載為彎曲破壞荷載，不同濕度下氣凝膠板試樣的彎曲破壞荷載如表1所示。

表1 不同濕度下氣凝膠板的彎曲破壞荷載

由表1可見(jiàn)，隨著含水率的增大，縱橫向試樣的彎曲破壞荷載均呈明顯下降趨勢(shì)。各濕度下氣凝膠板彎曲破壞荷載最終結(jié)果取6個(gè)試樣的平均值。

各濕度下氣凝膠板試樣的彎曲應(yīng)力根據(jù)式（1）計(jì)算，最終結(jié)果取6個(gè)試樣的平均值。

式中：σ——跨中截面的彎曲應(yīng)力，MPa；

M——跨中截面的彎矩，N·mm；

W——截面抵抗矩，mm3；

p——彎曲破壞荷載，N；

l——支撐板間跨距，mm；

b——試樣寬度，2個(gè)邊緣處及中心位置的平均值，mm；

t——試樣厚度，4個(gè)邊緣中心處的平均值，mm。

不同濕度下氣凝膠板的彎曲破壞荷載和彎曲應(yīng)力如表2所示。

表2 不同濕度下氣凝膠板的彎曲破壞荷載和彎曲應(yīng)力

由表2可見(jiàn)，相較于相對(duì)濕度0、30%中試樣的彎曲破壞荷載和彎曲應(yīng)力分別降低了18.9%、24.4%；相對(duì)濕度90%中試樣的彎曲破壞荷載和彎曲應(yīng)力分別降低了29.1%、28.0%。證實(shí)了環(huán)境相對(duì)濕度增大會(huì)使氣凝膠板的抗彎性能下降，且高濕度環(huán)境對(duì)氣凝膠板抗彎能力的負(fù)面影響更大。這是由于氣凝膠板在潮濕環(huán)境中吸水時(shí)，水分取代內(nèi)部孔隙中的空氣后分散附著在氣凝膠顆粒表面，導(dǎo)致氣凝膠板內(nèi)部結(jié)合力削弱。

3 壓縮性能試驗(yàn)及分析

3.1 試樣制作及加載方式

制作5個(gè)尺寸為200 mm×200 mm的試樣，編號(hào)分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5。采用GB/T 13480—2014《建筑用絕熱制品壓縮性能的測(cè)定》中10%變形時(shí)的壓縮應(yīng)力和壓縮彈性模量的方法（氣凝膠板以10%變形時(shí)的壓縮應(yīng)力作為壓縮強(qiáng)度）。預(yù)加載250 Pa的壓力，以0.1 d/min的恒定速度壓縮試樣，加載及數(shù)據(jù)采集設(shè)備與抗彎試驗(yàn)相同。本試驗(yàn)中，氣凝膠板的極限壓縮荷載超出儀器量程限制，且所需參數(shù)與極限壓縮荷載無(wú)關(guān)，因此統(tǒng)一在試樣壓縮變形達(dá)到3 mm（標(biāo)準(zhǔn)厚度的30%）時(shí)停止加載。

3.2 不同濕度下氣凝膠板的壓縮荷載-位移曲線(xiàn)

不同濕度下的氣凝膠板在壓縮試驗(yàn)中的現(xiàn)象基本相同。隨著加載的進(jìn)行，試樣受壓面產(chǎn)生明顯壓縮變形，沿上壓板邊緣處出現(xiàn)微小裂縫，卸載后試樣立刻回彈，回彈后的試樣厚度與壓縮試驗(yàn)前的厚度相比，變化并不明顯。不同濕度下氣凝膠板的壓縮荷載-位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，氣凝膠板在壓縮試驗(yàn)中的變形始終表現(xiàn)為線(xiàn)彈性，氣凝膠板的壓縮性能隨著濕度增大而下降。各濕度下氣凝膠板的壓縮曲線(xiàn)走向一致，從斜率基本不變的線(xiàn)性階段開(kāi)始，經(jīng)過(guò)拐點(diǎn)后過(guò)度到斜率隨荷載增加而逐漸增大的密實(shí)化階段[15]。拐點(diǎn)以x=0.5 mm作為參照，環(huán)境濕度越高線(xiàn)性階段斜率越小，拐點(diǎn)出現(xiàn)越晚。當(dāng)試樣進(jìn)入到密實(shí)化階段后，相同壓縮荷載下，試樣的位移隨著濕度的增大而減小，這表明濕度的增大會(huì)降低氣凝膠板在各受力階段的壓縮性能。

3.3 濕度對(duì)壓縮強(qiáng)度及壓縮模量的影響

不同濕度下氣凝膠板試樣的壓縮強(qiáng)度根據(jù)式（2）計(jì)算，壓縮彈性模量根據(jù)式（3）、式（4）計(jì)算，以預(yù)加荷載對(duì)應(yīng)的變形為變形0點(diǎn)來(lái)計(jì)算位移，最終結(jié)果取5個(gè)試樣的平均值。

式中：δ10——10%變形時(shí)的壓縮應(yīng)力，kPa；

F10——10%變形時(shí)的壓縮荷載，N；

A0——試樣初始截面積，mm2。

式中：E——壓縮彈性模量，kPa；

δe——（Xe，F(xiàn)e）處對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力，kPa；

d0——試樣初始厚度，mm；

Fe——常規(guī)彈性區(qū)（荷載-位移曲線(xiàn)明顯的直線(xiàn)部分）末端處荷載，N；

Xe——Fe處位移，mm。

本試驗(yàn)為減小取值的隨機(jī)性，取曲線(xiàn)中接近直線(xiàn)部分末端處的3組（Xe，F(xiàn)e）分別代入式（3）、式（4）求得壓縮彈性模量后將其平均值作為最終結(jié)果。

不同濕度下氣凝膠板的壓縮強(qiáng)度及壓縮彈模如表3所示。

表3 不同濕度下氣凝膠板的壓縮強(qiáng)度及壓縮彈模

由圖3可見(jiàn)，相較于相對(duì)濕度0、30%中的試樣壓縮強(qiáng)度和壓縮彈模分別降低了8.3%、24.4%；相對(duì)濕度90%的試樣壓縮強(qiáng)度和壓縮彈模分別降低了36.4%、34.2%。印證了氣凝膠板試樣的含水率與其壓縮性能成負(fù)相關(guān)，這是由于試樣含水率增大會(huì)導(dǎo)致水分進(jìn)入材料間隙，使得原子間距增大，原子間結(jié)合力減弱。

4 振動(dòng)質(zhì)量損失

4.1 試樣制作及振動(dòng)方法

制作3個(gè)尺寸為100 mm×100 mm的試樣，編號(hào)分別為Z1、Z2、Z3。使用儀器為浙江勝飛ZBSX-92A型震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)，振動(dòng)頻率為221次/min，擺動(dòng)行程為25 mm，振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)5 min。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將試樣放置在標(biāo)準(zhǔn)篩中心位置，稱(chēng)量采用標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01 g的天平。

4.2 濕度對(duì)振動(dòng)質(zhì)量損失率的影響

不同濕度下氣凝膠板的振動(dòng)質(zhì)量損失率取3個(gè)試樣的平均值，結(jié)果如表4所示。

表4 氣凝膠板振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

由表4可見(jiàn)，隨著含水率的增大，氣凝膠板的振動(dòng)質(zhì)量損失率明顯增大。相較于相對(duì)濕度0，30%、90%中的試樣平均質(zhì)量損失率分別增大了0.71%、1.96%。一是濕度增大后附著在試樣表面的水分增多，且材料孔隙內(nèi)附著的水分和水蒸氣也更多，這些水分在振動(dòng)時(shí)流失導(dǎo)致質(zhì)量損失率增大；二是試樣吸水后導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)間結(jié)合力減弱，加大了振動(dòng)時(shí)的質(zhì)量損失，這部分損失主要源于氣凝膠粉體脫落。通過(guò)對(duì)比不同濕度下振動(dòng)試驗(yàn)后振篩機(jī)托盤(pán)上脫落的粉體顆粒質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量變化不大，因此水分和水蒸氣的流失是質(zhì)量損失率隨濕度增大而增大的主要因素。

試驗(yàn)表明，氣凝膠板在不同濕度環(huán)境下的物理力學(xué)性能值得關(guān)注，若想真正應(yīng)用在墻體保溫中，需要重點(diǎn)提高制備工藝以增強(qiáng)氣凝膠板的壓縮性能。同時(shí)，建議設(shè)計(jì)人員在使用氣凝膠板時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際工況設(shè)置防水層，并充分預(yù)留物理力學(xué)性能的安全系數(shù)。

5 結(jié)論

（1）隨著濕度的增大，氣凝膠板的各項(xiàng)物理力學(xué)性能均有不同程度的衰減。

（2）抗彎試驗(yàn)中，不同濕度下的氣凝膠板在跨中位移3 mm左右時(shí)達(dá)到極限荷載；相對(duì)濕度90%中試樣的彎曲破壞荷載符合GB/T 34336—2017中的相關(guān)規(guī)定；濕度增加會(huì)使氣凝膠板在受彎時(shí)表現(xiàn)出更好的延性；相同濕度下，氣凝膠板縱向試樣的抗彎能力優(yōu)于橫向試樣。

（3）壓縮位移小于0.3d時(shí)，氣凝膠板在不同濕度下的壓縮變形均表現(xiàn)為線(xiàn)彈性，壓縮曲線(xiàn)分為斜率基本穩(wěn)定和斜率隨荷載增加而增大2個(gè)階段，含水率增加會(huì)推遲兩階段間的拐點(diǎn)出現(xiàn)并降低各階段斜率，導(dǎo)致氣凝膠板壓縮性能的下降。

（4）振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，氣凝膠板在濕度環(huán)境下的振動(dòng)質(zhì)量損失中，水分和水蒸氣的流失占比較大，濕度增大對(duì)氣凝膠粉體顆粒的脫落影響并不明顯。