吳志菊¹，羅杰任²，閆秋會¹
1.西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院；2.西安工程大學 城市規(guī)劃與市政工程學院

       【摘  要】以無水乙醇為溶劑，SiO₂氣凝膠為溶質，制取SiO₂氣凝膠改性溶液。采用浸潤及常壓干燥制備巖棉/SiO₂氣凝膠復合板，研究SiO₂氣凝膠的質量分數(shù)和浸潤時間對巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的短期吸水量、導熱系數(shù)及抗壓強度的影響。并以某辦公樓為對象，利用建筑能耗模擬軟件DeST，研究巖棉/SiO₂氣凝膠復合板在寒冷地區(qū)的建筑能耗。結果表明：隨SiO₂氣凝膠的質量分數(shù)的增加，復合板的短期吸水量和導熱系數(shù)逐漸變小，抗壓強度略有提高。與未進行保溫相比，厚度為30mm的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板能耗節(jié)能率大于25%。

       【關鍵詞】SiO₂氣凝膠；巖棉/SiO₂氣凝膠復合板；導熱系數(shù)；建筑能耗

       【基金項目】陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2015JM5229）

       【中圖分類號】TU55+1       【文獻標識碼】A

       到2020年，中國城鎮(zhèn)建筑節(jié)能要達到65%的總目標，對建筑外墻保溫材料的研究具有重要意義^[1]。目前，建筑外墻保溫材料分為有機保溫材料和無機保溫材料，有機保溫材料具有質量輕、保溫隔熱效果好等優(yōu)點，但易燃易老化^[2-4]。巖棉作為A級不燃材料解決防火性能差等問題，但存在吸水量大、保溫隔熱性能不佳等問題^[5-6]。SiO₂氣凝膠是一種新型輕質多孔納米材料，具有密度低（可低達4kg/m³）、比表面積大（>1000m²/g）和孔洞率高（達99%），在熱力學方面具有極低的導熱系數(shù)，常溫常壓下其導熱系數(shù)為0.015 W/(m·K)^[7-12]。SiO₂氣凝膠作為一種高效保溫隔熱材料，因其強度低、脆性大等缺點限制了在建筑外墻保溫領域的應用^[13]。針對巖棉和SiO₂氣凝膠以上特點，本文利用SiO₂氣凝膠改性溶液通過浸潤及常壓干燥制備巖棉/SiO₂氣凝膠復合板，研究SiO₂氣凝膠的質量分數(shù)和浸潤時間對巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的性能影響，并研究在以西安為代表的寒冷地區(qū)的建筑能耗。

1 實 驗

       1.1 原材料

       SiO₂氣凝膠：粒徑為5～20nm，導熱系數(shù)（常溫）為0.028 W/(m·K)，成都艾瑞杰科技有限公司生產；無水乙醇、吐溫80和硅烷偶聯(lián)劑KH550：天津市天力化學試劑有限公司生產；巖棉：西安市長安保溫材料有限公司生產，不燃性為A級，導熱系數(shù)（常溫）約0.045 W/(m·K)。

       1.2 實驗過程

       以SiO₂氣凝膠質量分數(shù)分別為2%、4%、6%和8%時，制取SiO₂氣凝膠改性溶液。將其與巖棉浸潤復合，置于通風櫥中24h常溫揮發(fā)，之后置于50℃烘干箱中常壓干燥24h至完全干燥，制備巖棉/SiO₂氣凝膠復合板。

       1.3 測試方法

       依據(jù)GB/T25975-2010《建筑外墻外保溫用巖棉制品》，計算短期吸水量。依據(jù)GB/T10295-2008《非金屬固體材料導熱系數(shù)的測定—熱線法》，使用TC-3000快速導熱系數(shù)測定儀測量導熱系數(shù)。依據(jù)GB/T13480《礦物棉制品壓縮性能試驗方法》，使用萬能材料試驗機測定抗壓強度。

2 結果與討論

       2.1 不同質量分數(shù)的SiO₂氣凝膠對巖棉的短期吸水量的影響

       短期吸水量能準確、快速反應材料的防水性能，通過短期吸水量的變化對巖棉的防水性能進行評價。圖1為巖棉改性前后對比圖。圖2為巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的短期吸水量的變化曲線。

       由圖1可知，通過浸潤及常壓干燥等工藝制備得到的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板，其纖維的表面附著大量的SiO₂氣凝膠顆粒。由圖2可知，五種不同浸潤時間處理的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板隨SiO₂氣凝膠質量分數(shù)的增大，其短期吸水量先急劇下降后趨于穩(wěn)定。對于浸潤處理20min的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板，當SiO2氣凝膠質量分數(shù)分別為6%和8%時，短期吸水量分別下降百分比為33.3%和35%。五種不同浸潤時間處理的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板相比，隨浸潤時間的延長，粘附于纖維上的二氧化硅顆粒越多，其短期吸水量越小。當SiO₂氣凝膠質量分數(shù)為8%，浸潤時間3、5、10、15和20min處理的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的短期吸水量分別為0.86、0.82、0.81、0.79和0.78kg/m²。試驗過程中發(fā)現(xiàn)當SiO₂氣凝膠質量分數(shù)大于8%時，SiO₂氣凝膠在無水乙醇溶劑中存在不完全溶解的現(xiàn)象。

       2.2 不同質量分數(shù)的SiO₂氣凝膠對巖棉的導熱系數(shù)的影響

       圖3為巖棉/SiO₂氣凝膠復合板導熱系數(shù)的變化曲線。由圖3可知，隨SiO₂氣凝膠質量分數(shù)的增加，五種不同浸潤時間處理的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的導熱系數(shù)均呈下降趨勢。當浸潤時間為20min，SiO₂氣凝膠質量分數(shù)分別為6%和8%時，巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的導熱系數(shù)下降百分比分別為22.22%和26.67%。由于附著于巖棉中纖維的SiO₂氣凝膠顆粒逐漸增多，纖維被氣凝膠顆粒較好地包裹，而阻止了纖維之間的直接接觸。熱量要從熱端傳遞到冷端，就必須克服氣凝膠顆粒所設置的層層障礙，而氣凝膠顆粒的存在還拉長了熱傳遞的路徑，從而降低了導熱系數(shù)^[13]。且SiO₂氣凝膠顆粒保持完整，其纖細的納米多孔網絡結構有效限制固態(tài)熱傳導和氣態(tài)熱對流。五種不同浸潤時間處理的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板相比，隨浸潤時間的延長，其導熱系數(shù)下降越明顯。當SiO₂氣凝膠質量分數(shù)為8%時，浸潤3、5、10、15和20min處理的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的導熱系數(shù)分別從0.045 W/(m·K)下降至0.042、0.040、0.037、0.034和0.033 W/(m·K)。

       2.3 不同質量分數(shù)的SiO₂氣凝膠對巖棉的抗壓強度的影響

       圖4為巖棉/SiO₂氣凝膠復合板抗壓強度的變化曲線。由圖4可知，浸潤處理后的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板抗壓強度基本沒有變化或者略有提高。由于偶聯(lián)劑KH550能夠增大巖棉板中纖維的結合力，起到了一定的粘結作用，但粘結力不會很大。同時KH550的使用量較少，因此浸潤處理后的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板抗壓強度略有提高。

 3 巖棉/SiO₂氣凝膠復合板在寒冷地區(qū)的建筑能耗

       3.1 模型建立

       以辦公樓為模型，共5層，層高為3.6m，建筑面積為3667.5m²，其平面圖如圖5所示：

       根據(jù)對寒冷地區(qū)辦公建筑圍護結構以及建筑體形進行的調研，發(fā)現(xiàn)寒冷地區(qū)的建筑外墻的主體墻大部分采用重砂漿空心磚^[14]。因此，此建筑模型的建筑外墻采用主體墻+保溫層系統(tǒng)，即20mm石灰砂漿+360mm重砂漿空心磚+保溫層+20mm石灰砂漿。由圖3可知，當浸潤時間為20min的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的導熱系數(shù)較佳，因此均采用浸潤時間為20min處理的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板。其他圍護結構參數(shù)具體如表1所示：

       3.2 模擬結果

       由于西安地區(qū)夏季高溫多雨，冬季寒冷少雨。除了要考慮冬季供熱，還要考慮夏季制冷。表2為西安地區(qū)某辦公樓能耗模擬結果及節(jié)能率。

       從表2可知，隨著SiO₂氣凝膠質量分數(shù)的增加，建筑全年累計熱負荷指標明顯減小，但對建筑的全年累計冷負荷指標的影響相對較小。與建筑不進行保溫措施相比，建筑熱負荷節(jié)能率、冷負荷節(jié)能率和負荷節(jié)能率分別可提升28.34%、-3.27%和25.07%。一方面由于隨著SiO₂氣凝膠質量分數(shù)的增加，巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的保溫性能得到提升；另一方面，在寒冷地區(qū)，冬季室內外溫度差大，采取保溫措施后，有效減弱室內外建筑熱流作用；但夏季室內外溫差小，保溫效果較弱，且保溫厚度增加，建筑蓄熱反而會增強，當?shù)诙炜照{開啟時，此部分蓄熱成為了冷負荷。

4 結 論

       本文針對SiO₂氣凝膠改性溶液對巖棉的改性工藝進行探究，主要研究結果如下：

       （1）SiO₂氣凝膠質量分數(shù)的大小和浸潤時間會影響附著在巖棉中纖維上的顆粒數(shù)量，進而影響巖棉的性能。其最佳工藝下，巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的短期吸水量為0.8kg/m²，導熱系數(shù)為0.035W/(m·K)，抗壓強度為42.40kPa(10%形變)。與改性前相比，巖棉/SiO₂氣凝膠復合板的短期吸水量下降百分比為35.0%，導熱系數(shù)下降百分比為26.67%，抗壓強度略有提高。

       （2）與建筑未進行保溫相比，厚度為30mm的巖棉/SiO₂氣凝膠復合板在寒冷地區(qū)的建筑熱負荷節(jié)能率、冷負荷節(jié)能率和負荷節(jié)能率分別可提升28.34%、-3.27%和25.07%。

參考文獻：

       [1] 楊金龍, 米海惠, 蘇振國,等. 含水率對建筑外墻保溫材料導熱性能的影響[J]. 建筑材料學報, 2017(6):986-990.
       [2] 劉培江. 高層建筑外墻保溫材料火災案例分析[J]. 低溫建筑技術, 2017, 39(9):150-151.
       [3] 谷燕成, 陳思諾, 黃恩興. 建筑節(jié)能保溫材料的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 建筑節(jié)能, 2016, 44(6):34-38.
       [4] 王巖, 王祎瑋, 白錫慶,等. 墻體保溫材料的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J]. 天津建設科技, 2017, 27(1):1-3.
       [5] 高釗. 巖棉制品作建筑外墻保溫材料的優(yōu)勢分析[J]. 建材發(fā)展導向, 2014, 12(4):58-63.
       [6] 蔡鳳武, 姚文生, 劉曉波. 巖棉保溫材料性能探討[J]. 河北建筑工程學院學報, 2011, 29(1):49-51.
       [7] 陳興明, 朱世富, 趙北君,等. HCl-NH3雙組分催化正硅酸乙酯快速制備SiO2氣凝膠[J]. 現(xiàn)代化工, 2003, 23(z1):147-150.
       [8] 姜劍鋒, 張波, 鄧冰心,等. 干燥溫度及反應條件對SiO2-TiO2復合氣凝膠環(huán)氧化催化性能的影響[J]. 現(xiàn)代化工, 2015(7):69-72.
       [9] Cuce E, Cuce P M, Wood C J, et al. Toward aerogel based thermal superinsulation in buildings: A comprehensive review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 34(3):273-299.
       [10] Koebel M, Rigacci A, Achard P. Aerogel-based thermal superinsulation: an overview[J]. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2012, 63(3):315-339.
       [11] Gaponik N, Herrmann A K, Eychmüller A. Colloidal Nanocrystal-Based Gels and Aerogels: Material Aspects and Application Perspectives[J]. Journal of Physical Chemistry Letters, 2012, 3(3):8–17.
       [12] Anderson A M, Wattley C W, Carroll M K. Silica aerogels prepared via rapid supercritical extraction: Effect of process variables on aerogel properties[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2009, 355(2):101-108.
       [13] 程頤, 成時亮, 阮豐樂,等. 氣凝膠材料在墻體保溫系統(tǒng)中的應用[J]. 新型建筑材料, 2012, 39(9):80-83.
       [14] 王麗娟. 寒冷地區(qū)辦公建筑節(jié)能設計參數(shù)研究[D]. 西安:西安建筑科技大學, 2007.

       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯(lián)系作者。