SiO2 气凝胶在节能新建材应用中的问题及展望

王鹏昕 李明俊*

（南昌航空大学 环境与化学工程学院，江西 南昌 330063）

每年通过建筑物围护损失大量能源，导致建筑业能耗在所有行业中所占比重较大；作为最大的消费者，通过采用高性能节能保温新材料作建筑围护，在提高能效上有巨大的潜力。

传统保温材料存在易老化、易燃烧、易吸水等缺陷，不能适应对环保建材的要求，因此，需要开发新型保温材料。气凝胶问世以来，其卓越的性能在诸多领域得到应用，它不仅密度小、导热系数低，还具有阻燃、防水、耐侵蚀等功能，在建筑业应用前景广阔。为改善建筑保温效果，研究者将气凝胶嵌合到胶凝材料中开发新型保温建材。水泥作为主要胶凝产品，其生产伴随着巨大的能耗，发展具有保温功能的气凝胶水泥复合材料将减少水泥用量，还能充分发挥气凝胶优良的保温性能。这样，建筑物更轻薄，容积率扩大，对建筑的可持续发展具有十分现实的意义。

气凝胶嵌合到胶凝材料中可形成气凝胶胶凝复合保温材料（ACTIM），如：气凝胶保温砂浆（ATIM）、气凝胶混凝土（ATIC/AIC） 等，虽然该研究目前还处于初级阶段，但为进一步研究提供了理论与实践基础。本文将对国内外气凝胶用于建筑胶凝材料的现状进行综述，分析气凝胶在基质中的表现及对材料性能的影响等，并对当前存在的问题进行讨论和展望。

1 SiO2 气凝胶在节能新建材中的应用

ACTIM，即将气凝胶嵌合到胶凝材料中获得的产品，研究最多的是ATIM 和ATIC/AIC，随着研究深度和领域扩大，又出现一些新的复合产品，如：气凝胶泡沫混凝土（FC-SA）和气凝胶/轻骨料混凝土（LAC-SA）。 下面分别综述SiO2气凝胶在这些新材料中的应用与研究现状。

1.1 气凝胶保温砂浆（ATIM）

ATIM 是将SiO2气凝胶与天然浆料混合，目前欧洲市场ATIM 已实现商业化。Buratti 等[1]发现96% ～99%气凝胶的ATIM 导热系数在0.014 ～0.016 W/（m·K） 之间，比天然砂浆下降约97%。刘朝晖等[2]和王飞等[3]在砂浆中掺混60%气凝胶，发现导热系数由0.6039W/（m·K） 降至0.1524W/（m·K）。

ATIM 在实践中的应用研究也取得了较大的突破。Wakili 等[4]将ATIM 用于建筑节能改造，6cmATIM，u 值从1.0 W/m2K 左右降到0.3 W/m2K 左右；两年后，热桥未出现，建筑立面未出现裂缝，可见ATIM 不仅保温效果良好，还具有持久性的优点。Garrido 等[5]利用LCA 从经济和能源两个方面分析了ATIM 在建筑立面修复中的表现，使用ATIM 的墙壁保温效果更好；虽然初始成本较高，却在建筑剩余寿命中节省大量能源。

1.2 气凝胶混凝土（ATIC/AIC）

ATIC 最早在2008 年提出，后续诸多研究者对此展开深入研究：Kim 等[6]将通过将甲醇处理的SiO2气凝胶添加到水泥浆料和含20%火山灰的水泥浆料中制备了ATIC，其导热系数和抗压强度分别为0.135W/（m?K） 和5.9 MPa，比普通混凝土分别降低了25%和77.6%。Gao 等[7]用气凝胶取代混凝土中的砂制备了AIC，气凝胶为60%，AIC 导热系数为0.26W/（m·K），抗压强度在8.3MPa 左右，但却仅为普通混凝土的14%。

气凝胶往往导致ATIC 力学性能下降，因此提出气凝胶与“高性能混凝土”甚至“超高性能混凝土”结合制备“高性能气凝胶混凝土（HPAC）”或者“超高性能气凝胶混凝土(AUHPC)”。Ng 等[8]优化AIC 配方制备了AUHPC，气凝胶含量为50%，抗压强度为20MPa，导热系数为0.55W/（m·K）；Fickler 等[9]制备的HPAC 的抗压强度在3.0 MPa ～23.6 MPa，导热系数在0.16W/（m?K） ～0.37W/（m·K），与保温砌块相比，兼具优良的力学与保温性能。宋培等[10]制备了抗压强度为10.2MPa，导热系数为0.095W/（m?K） 的HPAC，具有良好的保温效果，仅2cm 即可满足对寒冷地区甲级建筑的要求，有利于居住空间紧张地区建筑的可持续发展。

1.3 气凝胶泡沫混凝土（FC-SA）

泡沫混凝土（FC） 重量轻且相较于传统混凝土性能更佳，有望成为未来大力发展的一种环保建材；但耐热性能较差阻碍其广泛应用。

李朋威等[11]采用预制泡沫混合法制备FC-SA，发现FC-SA 孔隙率低、密度小、抗压强度良好且导热系数减小了47.8%。部分研究者发现气凝胶可同时改善FC 的保温性能和力学性能：赵同义等[12]以双氧水为发泡剂制备FC-SA，SiO2 气凝胶为10%，FC-SA 导热系数下降61.3%；抗压强度在气凝胶为0.5%时达到最大。

1.4 气凝胶/轻骨料混凝土（LAC-SA）

郭金涛等[13]采用气凝胶：玻化微珠=1∶2 制备气凝胶/玻化微珠复合材料；Hanif 等[14]以粉煤灰和气凝胶为轻骨料合成超轻质复合材料，抗压、抗弯强度分别在23.54-18.63 MPa、4.94 -3.66 MPa 之间，导热系数为0.3197W/（m·K）；Liang Wang 等[15]以膨胀岩和气凝胶为细骨料，膨胀岩保护气凝胶的完整性使其优良性能得以充分发挥。气凝胶/膨胀岩增加时，保温效果更好；此外，良好的颗粒级配可填充混凝土孔隙，基体更致密，力学性能提高。

1.5 气凝胶对胶凝材料物理性能的影响

气凝胶会影响胶凝材料内部孔结构：Hanif 等[14]用MIP对LCs-SA 表征，发现孔径集中于微孔和中孔，气凝胶的纳米多孔增加了材料孔隙率；Jarosaw 等[16]也表明LCs-SA 总孔隙率比LC 增加了约8.63%，还出现10-30nm 纳米孔。

气凝胶多孔脆弱以及与基质之间存在界面过渡区ITZ，相容性差[17]影响了胶凝材料的力学性能。Gao 等[7]，Júlio等[18]观察SEM 发现气凝胶表面光滑干净，说明其在水泥水化过程可以稳定存在，但与基体明显隔开几微米的距离；Ng

[8]等观察AIC 的SEM 清晰地看到砂与基质在ITZ 结合紧密，但基质中气凝胶周围明显存在几微米的缝隙。ITZ 是由于水泥水化过程中体积收缩造成[7]；气凝胶与水泥中的氢氧根离子反应产生水合硅酸盐凝胶，体积膨胀，渗透压超过周围材料的抗拉强度就会产生裂缝[7]。但赵同义等[12]发现适量气凝胶有利于FC 抗压强度的发展，因为气凝胶可填充FC 孔隙使材料更紧实，抗压强度增强。

1.6 疏水气凝胶与亲水气凝胶在胶凝材料中的表现

为解决SiO2气凝胶疏水性强、与胶凝材料相容性差、易挥飞等问题，部分研究者对气凝胶表面进行预处理。Kim等[6]用甲醇对气凝胶作预处理，SEM 显示气凝胶参与了水泥固化反应，与基体结合更紧密且气凝胶性质没有因改性而改变。刘朝晖等[2]和王飞等[3]采用5%KH550 对SiO2气凝胶预处理，发现表面改性更利于气凝胶与胶凝材料的粘结。Júlio 等[18]发现亲水气凝胶N2 吸附-脱附等温线是IV 型（孔径在2nm-50nm）；疏水气凝胶为II 型（孔径＞50nm），硅酰化破坏气凝胶孔结构；导致气凝胶易吸收空气中的水分，内部结构受损，保温能力较疏水气凝胶下降。

1.7 气凝胶保温材料性能的优化

为了进一步优化气凝胶复合材料的性能，郭金涛等[13]用玻化微珠与气凝胶作为轻骨料，成本降低且级配更合理，材料导热系数和力学性能均得到改善。Hanif 等[14]以粉煤灰（FAC） 和气凝胶作为细骨料，改善节能建筑构件材料的力学性能和保温性能。Ng 等[17]用煅烧粘土部分替代水泥，发现含煅烧粘土的AIC 热导率最高降低了61%；此外，Ng 等[19]还发现多数样品在高温水中固化后抗压强度均有所增强，温度升高有助于水化反应增强，利于力学性能的发展。

2 可借鉴的几点应用成果

基于目前研究，可以总结为以下几点：

1） 气凝胶在复合材料中比例为20%～60% 较好，过小起不到改善材料保温性能的作用；过大材料难成形，力学性能差；2） 气凝胶对FC 影响不同于普通混凝土，可同时改善FC 的保温性能和力学性能；3） 复合轻骨料不仅降低成本还能优化材料的综合性能，同时也丰富了保温材料市场；4）气凝胶会影响胶凝材料内部孔结构，从而改善其保温性能。

3 存在问题及展望

总体而言，虽然气凝胶的研究工作已经有了很大进展，但仍存在一些未解决的问题：

1） 气凝胶制备成较高，难以批量生产并投入到实际应用中；

2） 气凝胶嵌合到胶凝材料，基质保温性能极大改善，但力学性能却下降，使材料兼具优良的热学和力学性能是一大难点；

3） 保温材料用于实际中需要考虑较多因素，诸如：耐候性，阻燃性等，目前研究关注指标过于局限，不能更准确地反映材料应用于实践的效果；

4） FC-SA 发展前景看好，但目前相关研究较少，需要加强对FC-SA 的研究。

针对性地解决好上述存在的问题将大大推动SiO2气凝胶在节能建材中的广泛应用。此外，气凝胶制造商在降低成本的同时，应注重开发新的气凝胶类型以形成大的商业市场，推进气凝胶新型建材的蓬勃发展。