气凝胶水泥复合多孔材料的研究现状-USB迷|专注于互联网分享

2024年4月24日发(作者：尾惜灵)

气凝胶·

篇

气凝胶水泥复合多孔材料的研究现状

■ 文/尹学彬崔雅楠

华阳纳谷（北京）新材料科技有限公司

1 引言

随着2020年9月22日主席

在第七十五届联合国大会做出“2030

年前实现碳达峰、2060年实现碳中

和”的承诺，碳减排成为令人最为关

注的问题。建筑领域的能源消耗占

我国总能耗的35%，因此降低建筑能

耗，有效降低碳排放量，是实现“碳

中和”的重要途径。水泥是应用最为

广泛的一种传统建筑材料，广大的

科学工作者也一直致力于实现水泥

材料的保温隔热性能，从而使得水

泥能顺应社会的发展需要，更加广

泛地应用到建筑领域。发泡水泥是

一种多孔材料，可以实现在建筑上

的保温效果，同时由于轻质保温材

料（聚氨酯、发泡聚苯乙烯以及工业

[1-6]

废料等）特殊的结构，将其添加到

Kistler与Charles Learned的赌局：

看谁能够做到将果冻状凝胶内的液体

换成气体（干燥），同时不改变其固体

结构，后由Kistler通过超临界干燥技

术制得

[7]

。根据气凝胶的基体不同，如

硅系、硫系、碳系、金属系和金属氧化

物系等。气凝胶独特的三维网络结构

赋予气凝胶密度低、比表面积大、孔隙

率高和导热系数低等显著特性。气凝

胶的出现，实现了人们对超轻、绝热固

体材料的追求，使得寻找一种新型保

温隔热性能优异的材料成为可能。

气凝胶以其高孔隙率、高比表

面积的特性，作为典型的纳米多孔材

料，以轻骨料的形式与传统的水泥材

料相结合，可有效改善水泥内部的结

构，降低建筑材料的导热系数，提升材

料的保温隔热性能。

上气凝胶导热系数低，气凝胶水泥砂

浆表现出优异的保温隔热性能和耐

火性，在建筑领域有很大的应用前

景。目前国内外对此研究尚处于起步

阶段，研究集中在气凝胶添加量对砂

浆强度和导热系数的影响。

KIM等

[8]

将气凝胶与水泥浆混合，当

气凝胶掺入量为2%时，相比掺入前减

少了75%，其导热系数由0.533W/(m·K)

降低至0.135W/(m·K)。同时，气凝胶颗

粒在胶凝材料水化过程中性能稳定，验

证了气凝胶和水泥基材料相结合在施

工应用中的可行性。GAO等

[9]

的研究

同样验证了这一点。郭金涛

[10]

以硅酸

盐水泥为主要胶凝材料，优质的二氧

化硅（SiO

）气凝胶粉体复配其他材料

作为保温骨料，加上合理配比的可再

分散乳胶粉、粉煤灰、抗裂纤维、纤维

素醚等改性剂，制备得到一种硅气凝发泡水泥中，得到的复合材料可进一

步提高现有建筑的保温性能，但随着

国家建筑节能标准要求的提升，为进

一步提高发泡水泥的保温性能，需要

寻求更加轻质保温的新型材料。

一般常见的气凝胶为硅气凝

胶，其诞生源于美国化学家Samuel

2 气凝胶水泥在建筑节能保温

隔热领域的应用

2.1 气凝胶水泥砂浆复合材料

气凝胶砂浆中均为无机材料，其

各组分均为不燃组分，因此可涂覆于

混凝土表面以提高其耐火性，同时加

胶玻化微珠复合绝热保温砂浆，该砂

浆成本较之前有所下降，导热系数为

0.061W/(m·K)，保温性能比市场上导

热系数为0.070W/(m·K)的类似产品

优异得多。

鉴于气凝胶本身不良的力学性

新材料产业

NO.02 2021

关注

FOCUS

能，气凝胶添加到水泥砂浆中会对

砂浆的力学性能产生不良影响。王

飞等

[11，12]

研究发现气凝胶砂浆的密

度、强度、导热系数都会受到气凝胶

添加比例的影响，气凝胶颗粒添加比

例越大，上述性能的数值越低。气凝

胶水泥砂浆作为建筑用材料，力学性

能达标是非常关键的，否则会带来很

大的安全隐患。水泥基材料通过加入

纤维进行改善其脆性，加入引气剂提

高耐久性，辅以气凝胶粉体可以使得

气凝胶水泥复合材料的力学性能和保

温性能得到改善。王飞团队

[13]

按照这

个研发思路做了深入研究，通过调整

纤维、引气剂和气凝胶粉体的配比，得

出三者的掺杂比例为0.2%、0.05%、1%

时，材料的性能最优，导热系数仅

为0.318W/(m·K)，抗折强度为

13.4MPa，抗压强度为8.02MPa，其

各项性能均得到一定程度的改善。

SiO

气凝胶与水泥砂浆的相容

性问题是阻碍将SiO

气凝胶应用于建

筑复合保温隔热材料中的另一个难

题。因为气凝胶的憎水性和质量轻的

缘故，导致气凝胶与砂浆结合时，会

出现气凝胶浮在砂浆的表面，无法均

匀分散。为解决上述问题，需对气凝

胶表面进行改性，从而提高气凝胶与

水泥胶凝材料的界面相容性。目前最

常用的表面改性剂为KH550硅烷偶

联剂，刘朝辉等

[14]

采用KH550对SiO

气凝胶颗粒表面进行亲水改性，改性

后的SiO

气凝胶颗粒分散到水泥砂

浆中，重点研究了气凝胶颗粒的替换

比例对水泥砂浆性能的影响。研究表

明，SiO

气凝胶的疏水性表面得到改

善后，可以以镶嵌地形式稳定得存在于

砂浆中，与胶凝材料较为紧密的结合

Advanced Materials Industry

在一起，以镶嵌的形式与同时得出，气

凝胶颗粒替换骨料的替换比例为50%

时，气凝胶砂浆的综合性能最佳，其

抗压强度为2.23MPa，抗折强度为

8.3MPa、导热系数为0.225W/(m·K)。

另外，研究工作者还发现，价格

低廉的粘土可以作为增强复合材料的

填料，将粘土气凝胶与砂浆结合，可以

提高复合材料的相容性，同时可以提

高砂浆的机械强度。戴勤友

[15]

以纳米

偏高岭土为原材料，制备出新型轻质

的粘土气凝胶保温隔热材料。鉴于粘

土气凝胶特殊的层状结构，与砂浆结

合可以有效分散力学载荷的传递，从

而达到提高砂浆机械性能的目的。此

外，气凝胶的多孔结构，可以在砂浆水

化初期储存水分，凝胶老化阶段释放

水分，有效促进水泥水化，提高砂浆养

护后期的水化程度。

2.2 气凝胶发泡水泥

发泡水泥作为一种良好的节能

保温隔热材料，具有密度小、隔音效

果好、防火性能优良、抗震性好的优

点

[16]

，在建筑节能领域备受关注。但其

保温隔热性能相比于广泛应用的泡沫

聚合物保温板还有一定差距。加上随

着国家建筑节能标准要求的提升，需

寻求更加轻质保温的新型材料，进一

步提高发泡水泥的保温性能。

国内外科研工作者对SiO

气凝

胶与发泡水泥结合也进行了初步得

研究，目前其应用形式主要分为3

类：作为唯一的轻骨料，与其他轻骨

料搭配使用，SiO

气凝胶填充多孔轻

骨料孔隙。

[17]

采用一种超高性能的水泥

作为基质，SiO

气凝胶作为唯一轻骨

料，研究了不同的添加比例对气凝胶

发泡水泥各项性能的影响。研究表

明：在SiO

气凝胶添加量为50vol%

（体积分数）的情况下，气凝胶发泡水

泥的导热系数为0.55W/(m·K)，抗

压强度为20MPa；当气凝胶添加量

增至80vol%时，导热系数进一步降

低，为0.31W/(m·K)，但由于水泥浆

与骨料比率过低，复合材料抗压强度

几乎为零，抗折强度仅为0.2MPa。综

上所述，将气凝胶直接与水泥基材料

以物理混合的方式制备复合材料，可

以提升材料的保温新能，但力学性能

会下降，无法满足材料在建筑领域的

应用。因此，如果想在获得更低的导热

系数的同时，希望复合材料兼顾优良

的力学性能，无法通过调整砂浆配比

与辅料来实现。

SiO

气凝胶单独作为骨料添加到

发泡水泥中，除了力学性能的骤降无

法解决外，其高昂的成本对于材料消

耗量巨大的建筑业来说，是无法接受

的。因此，低成本气凝胶保温材料的开

发显得尤为重要，为达到最佳的性价

比，现在市场上大多数都是将气凝胶

与廉价的多孔轻骨料如玻化微珠、膨

胀蛭石、膨胀珍珠岩等配合使用。

Hanif等

[18]

将气凝胶与粉煤灰空

心微珠配合使用，与水泥材料制备得

到气凝胶水泥复合多孔材料，同时

采用聚乙烯醇纤维作为材料的支撑

结构来提升材料的力学性能，最终

制得复合材料的抗压强度最高可达

23.54MPa，导热系数可低至0.319

W/（m·K）。研究还发现，粉煤灰空

心微珠的加入使得相同密度下复合砂

浆的力学性能较气凝胶单独作为轻骨

料时复合砂浆的强度有了一定程度的

增加。这是由于粉煤灰空心微珠的强

气凝胶·

度优于气凝胶的强度，并且在水泥水

化时部分参与反应，提高了复合砂浆

的力学性能。

SiO

气凝胶填充多孔轻骨料孔

隙，在凝胶形成之前，将多孔轻骨料浸

渍在含有SiO

气凝胶的溶液里，直至

溶液充满孔隙，随后进行凝胶、干燥处

理，这样得到的结构可以使气凝胶颗

粒充满轻骨料内部。由于气凝胶的存

在，有效降低了复合多孔材料的导热

系数；而复合材料的力学性能取决于

气凝胶颗粒的载体—多孔轻骨料，因

此力学性能得以提升。

20]

贾冠华等

[19，

通过上述工艺将

篇

其超低的导热系数与传统的建筑用材

料—水泥浆料相结合，拥有十分广阔的

应用前景。但由于气凝胶本身轻质、低

强、疏水的特性，导致在应用过程中还

存在诸多问题，也为气凝胶水泥复合多

孔材料的开发带来了一系列困难，重点

应从以下几个方面进行改进：

①由于建筑体量较大，材料成本

控制要求较高，而气凝胶作为一种新

型的材料，尽管现在可以选择廉价的

硅源和常压干燥法生产，但相比于传

统保温材料来说价格依然昂贵，高居

不下的价格限制了在建筑行业的大规

模应用。因此，低成本的气凝胶材料的

开发也是目前亟需解决的问题。

②低导热系数的气凝胶本身的弱

点是强度低，常规掺合到水泥中会大

大降低材料的力学性能，从而限制其

使用范围。以其他形式与水泥结合的

研究，目前处于起步阶段，因此同时保

留水泥材料的高强度和气凝胶材料的

优良的保温性能是气凝胶水泥复合多

孔材料研发的关键问题。

③目前国内外对气凝胶水泥的

研究重点在气凝胶掺加量与水泥强

度、含水率、密度和导热系数的影

响，主要影响气凝胶水泥复合材料

性差距很大，气凝胶的添加量对水泥

本身的耐久性也有很大影响，如果改

进材料的不足，也需要进行深入研

究。作为建筑领域后续极力推广的新

型保温隔热材料，气凝胶在建筑上的

理论及应用研究肯定会受到广大科

研工作者的重点关注，相信在不久的

将来，气凝胶建筑保温隔热材料将会

得到广泛的应用。

4 结语

将气凝胶与传统建材水泥相结

合，可显著降低水泥的导热系数，明

显提升材料的保温隔热性能，在建筑

节能领域有显著的优势。鉴于气凝胶

是一种新兴的建筑保温材料，其与

水泥材料相结合的研究，尚处于起步

阶段。未来，为拓展其更多的应用领

域，寻找与绿色低碳建筑更多的契合

点，需从以下几个方面深入研究：①

进一步降低SiO

气凝胶生产成本。可

从气凝胶生产过程中的工艺控制及对

设备的要求等方面来降低成本。②深

入研究气凝胶与水泥相结合的理论基

础以及两者界面结合的机理，得出新

型材料的保温隔热性能与力学性能的

平衡点。③优化气凝胶水泥基复合材

料的设计。确保气凝胶在水泥基中实

现功能最大化，以最少的用量得到最

佳的保温性能。

10.19599/.1008-892x.2021.02.013

膨胀珍珠岩浸渍到SiO

凝胶溶液

中，SiO

气凝胶逐渐渗透至多孔轻骨

料的孔隙中，凝胶干燥处理后得到了

一种纳米多孔结构的复合材料，该材

料化学性能稳定且具有优异的疏水

性能，导热系数最多下降31.8%的同

时，力学性能基本保持不变。这是由于

SiO

气凝胶均匀分布在膨胀珍珠岩的

孔隙中，膨胀珍珠岩颗粒包裹在SiO

周围，很好地保护了气凝胶脆弱的结

构。这种方法为多孔材料的表面处理

提供了新思路，具有很好的应用前景。

3 存在的问题和发展方向

气凝胶是一种新型高效的保温隔

热材料，相对于传统保温材料，其保温

隔热能力的提升有目共睹。气凝胶以

的密度，保温和耐火这几方面的性

能，但针对2种亲疏水截然不同的材

料的界面结合机理以及结合方式的

研究还较少。同时，由于两者的亲水

参考文献

[1] Verdolotti L,Lavorgna M,Di Maio E,et ion-induced reinforcement of rigid polyurethane—cement foams：The

effect of the cocontinuous morphology on the thermal—oxidative stability[J].Polymer degradation and stability,2013,98(1)：

64—72.

新材料产业

NO.02 2021

关注

FOCUS

[2] Bouvard D,Chaix J M,Dendievel R,et terization and simulation of microstructure and properties of EPS lightweight

concrete[J].Cement an Concrete Research,2007,37(12)：1666—1673.

[3] Dissanayake D,Jayasinghe C,Jayasinghe M T R.A comparative embodied energy analysis of a house with recycled expanded

polystyrene(EPS) based foam concrete wall panels[J].Energy and Buildings,2017,(135)：85—94.

[4] Pedro R,Tubino R,Anversa J,et tion of aerated foamed concrete with industrial waste from the gems and jewels

sector of Roi Grande do Sul-Brazil[J].Applied Siences,2017,7(10)：985.

[5] Samson G,Cyr M,Gao X mechanical performance of blended metakaolin-GGBS alkali—activated foam concrete[J].

Construction and Building Materials,2017,(157)：982—993.

[6] Chindaprasirt P,Rattanasak age behavior of structural foam lightweight concrete containing glycol compounds and fly

ash[J].Materials & Design,2011,32(2)：723—727.

[7] Kistler S nt expanded—aerogels [J]..,1931,36(1)：52—64.

[8] Kim S,Seo J,Cha J,et al retreating for gel—typed aerogel and insulation performance of cement containing

aerogel[J].Construction and Building Materials,2013,40:501—505.

[9] Gao T,Jelle B P,Gustavsen A,et l—incorporated concrete: an experimental study[J].Construction and Building

Material,2014,52：130—136.

[10] 郭金涛.硅气凝胶/玻化微珠复合保温砂浆研究[D].西安：长安大学,2011．

[11] Wang Feng,Huang Lu,Liu Zhaohui,et mance optimization of SiO

aerogel mortar[J].Equipment Environmental

Engineering,2016,13(2)：13—17.

[12] 王飞，刘朝辉，邓智平，等.不同体积掺量的SiO

气凝胶对砂浆性能的影响[J].功能材料，2016，47(4)：64—69．

[13] 王飞，黄露，刘朝晖，等.SiO

气凝胶砂浆性能的优化研究[J].装备环境工程，2016，13(2):13—17.

[14] 刘朝辉,丁逸栋,王飞,等.KH550改性SiO

气凝胶及其掺杂对砂浆性能的研究[J].装备环境工程,2017,14(1)：71—77.

[15] 戴勤友.新型粘土气凝胶对水泥砂浆性能的影响[J].硅酸盐通报，2020，39(9):3014—3022.

[16] Chen Bing，Liu ental application of mineral admixtures in lightweight concrete with high strength and

workability[J].Construction and Building Materials,2007,22(6)：1108—1113.

[17] Ng S,Jelle B P,Sandberg L I C,et mental investigations of aerogel—incorporated ultra—high performance

concrete[J].Construction & Building Materials,2015,77:307—316.

[18] Hanif A,Parthasarathy P,Li ing Fly Ash Cenosphere and Aerogel for Lightweight Thermal Insulating Cement-

Based Composites[C].Icgbmce 2017:International Conference on Green Building, Materials and Civil Engineering,2017.

[19] Jia Guanhua,Li Zhu,Liu Peng,et ation and characterization of aerogel/expanded perlite composite as building

thermal insulation material[J].Journal of Non Crystalline Solids,2018,482：2350—2356.

[20] 贾冠华，刘鹏，李珠.气凝胶/膨胀珍珠岩的制备及其微观特征对导热性能的影响[J].硅酸盐通报，2018，37(3)：1039—1046.