文|啵叽咕啦噜
编辑|啵叽咕啦噜

前言

气凝胶由99%的空气组成,具有高比表面积和耐热性等特征,是一种较受欢迎的多孔轻质材料,多用于降低建筑能耗。

相关研究表明,将气凝胶作为水泥基材料的添加剂或替代物,可在一定程度上改善水泥基材料的导热性。

例如：掺入5%的气凝胶后,水泥基材料的导热系数将降低35%；

随着气凝胶掺入量的进一步增加,水泥基材料的导热系数最高可下降95%。

泡沫轻质水泥基复合材料正是由于其结构中存在大量孔隙而表现出优异的隔热性能的。

经测试,20%孔隙率的泡沫轻质水泥基复合材料的热阻可增加25%。

通常,材料生产商会通过加入发泡剂或者添加由泡沫发生器产出的稳定泡沫来提高产品的孔隙率。

值得注意的是,此类经过改善的泡沫轻质水泥基复合材料还能有效改善建筑物的声学性能,或可用于解决城市地区的噪声污染问题,从而保障城市居民的身心健康和生活质量。

基于本研究在制备泡沫轻质水泥基复合材料时,同时添加了气凝胶和过氧化氢（加入微尺寸气凝胶旨在改善材料性能,过氧化氢主要作为发泡剂使用）。

在具体操作过程中,本研究根据水泥材料的不同重量分别添加了对应含量的气凝胶和过氧化氢,并通过对比分析,研究这两种添加物对泡沫轻质水泥基复合材料的基础特性、力学性能、热学性能、声学性能的影响,旨在理清其变化规律,以期为新型水泥基材料的科学制备提供理论基础。

研究材料

本研究采用普通硅酸盐水泥、发泡剂、高效减水剂和水制备泡沫轻质水泥基复合材料混合物,并将其作为研究材料。

其中,硅酸盐水泥的主要化学成分和物理性质如下表1所示。

随后,本研究选用浓度为35%的过氧化氢作为发泡剂,并在泡沫轻质水泥基复合材料中加入气凝胶粉末,气凝胶的物理性质如下表所示。

表中所展示的是具有恒定水灰比以及不同气凝胶和过氧化氢含量（与硅酸盐水泥重量相匹配）的泡沫轻质水泥基复合材料的混合比例。

本研究中,气凝胶含量按每次0.5%的标准增加,并在0%和1.5%之间变化,而过氧化氢含量则以1.0%的标准增加,并在0.0%和3.0%之间变化。

同时,高效减水剂严格按照硅酸盐水泥的重量进行添加。表3中,每一种混合物均包含了气凝胶和过氧化氢的剂量。例如,编号为SA1.5-HP3的混合物,其气凝胶含量为1.5%,过氧化氢含量为3.0%。

实验方法

在制备泡沫轻质水泥基复合材料时,笔者首先将水泥、水以及高效减水剂低速混合1分钟；接着,将气凝胶添加到水泥浆中,并继续混合,直至获得均匀的混合物；最后,加入过氧化氢并以中速混合约20秒。

混合完成后,笔者立即将水泥浆倒入预先涂油处理的模具中；静置24小时后,再对样品进行脱模。

随后,笔者在现场温度为25℃±3℃时,将样品放在水中固化28天,直至测试当天取出。

在测试过程中,笔者取出边长为50mm的立方体泡沫轻质水泥基复合材料作为样品,并在不同时段测定了样品的孔隙率、吸水率、密度、抗压强度等数据。

孔隙率

孔隙率是影响泡沫轻质水泥基复合材料的物理、机械和运输性能的主要参数。

在通常情况下,孔隙有利于增强泡沫轻质水泥基复合材料的绝缘性能,但同时会对该材料的机械性能产生不利影响。

因此,本研究采用不同含量的过氧化氢作为发泡剂,以便将孔隙引入泡沫轻质水泥基复合材料中。

如下图展示了本次实验中,不同含量的过氧化氢和气凝胶对泡沫轻质水泥基复合材料孔隙率的影响。

如上图所示,泡沫轻质水泥基复合材料的孔隙率在添加过氧化氢和气凝胶后明显增加,且受过氧化氢的影响更显著。

在气凝胶含量为0%的情况下,添加了含量为0%的气凝胶和含量为1%、2%、3%的过氧化氢的泡沫轻质水泥基复合材料的孔隙率,比不添加气凝胶和过氧化氢的分别增加了50%、170%和158%。

出现这种情况的原因可能是,过氧化氢发生了分解,其在热力环境下不稳定,且易在碱性环境下分解成水和氧气。

同时,在硬化前,部分氧气气泡会被困在水泥基材料内,进而提高材料的孔隙率。

此外,添加了含量为2%的过氧化氢的泡沫轻质水泥基复合材料（不含气凝胶）的孔隙率比添加了含量为3%的过氧化氢的泡沫轻质水泥基复合材料的约高5%。

这可能是因为过氧化氢含量过高,导致过多的氧气气泡在材料硬化前发生碰撞并逸出。

相较之下,气凝胶对泡沫轻质水泥基复合材料（不含过氧化氢）孔隙率的影响则相对较小。

当气凝胶含量分别为0.5%、1%和1.5%时,样品材料的孔隙率分别比不添加气凝胶和过氧化氢的增加了33%、44%和51%。

在此情况下,孔隙率的增加主要是由水泥基质和疏水气凝胶之间的弱界面相结合造成的。

另外,在本次实验中,当气凝胶含量从0%增加到1.5%时,过氧化氢含量为1%、2%和3%的泡沫轻质水泥基复合材料的孔隙率分别增加了88%、13%和27%。

然而,当过氧化氢含量从0%增加到3%时,气凝胶含量为0.5%、1%和1.5%的泡沫轻质水泥基复合材料的孔隙率分别增加了139%、123%和118%。

也就是说,过氧化氢含量的增加均可促使孔隙率增加在与不含气凝胶和过氧化氢的对照样品相对比时,笔者还发现,添加1%气凝胶和3%过氧化氢的泡沫轻质水泥基复合材料的孔隙率增加了220%明显高于仅含气凝胶或过氧化氢的最大含量的样品。

吸水率

不同过氧化氢和气凝胶含量的泡沫轻质水泥基复合材料样品的初始吸水率和最终吸水率。

吸水率与孔隙率密切相关。由于气凝胶和过氧化氢都有一定的增加孔隙率的作用,添加这两种物质前后,泡沫轻质水泥基复合材料的初始吸水率和最终吸水率也会随之发生明显改变。

经实验,添加气凝胶（含量为0.5%～1.5%）与过氧化氢（含量为0%）后,泡沫轻质水泥基复合材料的初始吸水率分别增加了约24%、50%和92%,最终吸水率分别增加了约52%、68%和87%；

添加过氧化氢（含量为1%～3%）与气凝胶（含量为0%）后,泡沫轻水泥基复合材料的初始吸水率分别增加了约8%、11%和15%,最终吸水率分别增加了约25%、46%和68%。

由此可见,与过氧化氢相比,不同含量气凝胶的掺入,对样品吸水性的影响更为显著。

这可能是因为与过氧化氢诱导产生的、体积较大的未连接孔隙相比,微尺寸的气凝胶更容易形成数量更多的、相互连接的微孔隙。

上图显示了固化后泡沫轻质水泥基复合材料的抗压强度。

由于气凝胶和过氧化氢的加入,泡沫轻质水泥基复合材料的抗压强度明显降低。

与不添加气凝胶和过氧化氢的抗压强度相比,含有0%气凝胶和1%、2%、3%过氧化氢的泡沫轻质水泥基复合材料样品的抗压强度分别降低了约42%、75%和79%。

同时,添加0%过氧化氢和0.5%、1%、1.5%气凝胶的样品的对应抗压强度,分别比不添加气凝胶和过氧化氢的抗压强度降低了约5%、31%和53%。

这可能是因为过氧化氢和气凝胶提高了样品材料的孔隙率,进而导致其抗压强度降低。

泡沫轻质水泥基复合材料中含有大量空气将导致结构易碎且容易被压缩。

气凝胶具有多孔性,固有强度低,最终也会影响泡沫轻质水泥基复合材料样品的抗压强度。

此外,当过氧化氢含量一定时,气凝胶的含量越高,样品抗压强度的变化就越小。

例如,在含有0.5%、1%和1.5%气凝胶的泡沫轻质水泥基复合材料样品中,当过氧化氢含量从1%增加到3%时,样品抗压强度降低90%～95%。

由实验结果可知,以1%气凝胶和3%过氧化氢作为最佳添加配比生产出的泡沫轻质水泥基复合材料具有3MPa的抗压强度,干燥密度为380kg/m3,可以用作绝缘水泥基复合材料使用。

导热性

如上图所示泡沫轻质水泥基复合材料热导率的变化情况，随着气凝胶和过氧化氢的添加,样品热导率呈总体下降趋势。

这主要归因于气凝胶和泡沫轻质水泥基复合材料的高度多孔性。

由于气凝胶还具有优异的隔热性能,当过氧化氢含量为0%,气凝胶含量为0.5%、1%和1.5%时,泡沫轻质水泥基复合材料样品热导率分别比不添加气凝胶和过氧化氢的降低约32%、52%和45%。

与固体材料相比,气凝胶的多孔性对热导率的影响更为显著。

此外,气凝胶因自身较为复杂的孔隙结构还形成了曲折的热传输路径。

因此,掺入气凝胶（最多为水泥重量的5%）后,泡沫轻质水泥基复合材料的热导率可降低35%。

但由于超疏水微尺寸气凝胶的使用也会在一定程度上影响孔隙率,在本研究中,样品热导率明显降低。

与此同时,当不含气凝胶的泡沫轻质水泥基复合材料中的过氧化氢含量从0%增加到3%时,由于过氧化氢发生分解导：致孔隙率增加,样品的热导率从1.36W/m·K等比例降低至0.39W/m·K。

此外,与不添加气凝胶和过氧化氢的热导率相比,气凝胶含量为1%、过氧化氢含量为3%的泡沫轻质水泥基复合材料样品的热导率降得最多,达到88%。

结语

经验证,添加含量为1%的气凝胶和含量为3%的过氧化氢后,泡沫轻质水泥基复合材料的孔隙率可显著增加。

另外,在气凝胶和过氧化氢的共同作用下,泡沫轻质水泥基复合材料的饱和表面干燥密度和烘箱干燥密度分别降低了50%以上,抗压强度明显增强,隔热性能、导热性明显改善。

这就充分说明,适量添加气凝胶和过氧化氢能够有效提升泡沫轻质水泥基复合材料的综合性能。