北京工業大學：高性能水泥基外墻保溫復合材料取得進展

作者：任文瑞；王成海；韓冬；鄭嘉煜；崔亞楠；蔣荃；韓昌報；宋雪梅；嚴輝

通訊作者：韓昌報；宋雪梅

通訊單位：北京工業大學

合作單位：廊谷（北京）新材料科技有限公司；中國測試控股集團股份有限公司

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114415

成果簡介

近日，北京工業大學韓昌報教授、宋雪梅副教授課題組聯合廊谷（北京）新材料科技有限公司與中國測試控股集團股份有限公司在建筑節能領域重要學術期刊《Energy and Buildings》上發表了題為“Cement-based external wall insulation material with thermal performance improvement by partial substitution of calcium silicate”的學術論文。外墻復合保溫材料在建筑行業節能減排方面顯示出巨大潛力，但水泥基材料作為外墻復合保溫材料之一存在導熱系數高的問題。該文章以發泡聚苯乙烯(EPS)和不同硅酸鈣含量的水泥為原料，采用壓縮法制備了復合保溫材料。多孔硅酸鈣的加入為水泥水化提供了成核位點，促進了水化反應，使無機膠凝相孔隙率由75%提高到85%，平均孔徑由2826.09 nm細化到421.31 nm。硅酸鈣含量為20%的水泥基復合保溫材料的導熱系數為0.0423 W/(m·K)，比不含硅酸鈣的水泥基復合保溫材料的導熱系數(0.055 W/(m·K))低23.1%。仿真分析表明，保溫性能的提高是由于無機膠凝相孔隙結構的改變導致固氣界面的增加、傳熱壁的變薄和傳熱路徑的延長。這種復合保溫材料豐富了外墻保溫材料的種類，為外墻保溫提供了新的選擇。

引言

據估計建筑業約占全球能源消耗的35%，因此，實現建筑業的節能減排對于雙碳工程至關重要。數據表明建筑業70%以上的能耗來自建筑的空調和采暖。因此，高效利用外墻保溫材料對于減少傳熱、降低制熱/制冷要求具有重要的學術研究與工程應用價值。目前，有機外墻保溫材料由于抗燃燒性能差，其使用頻率逐漸減少；而無機外墻保溫材料又存在導熱系數較高或不穩定和對人體健康有害的缺點。因此，使用無機材料包裹有機材料制備復合保溫材料，并通過對無機膠凝相進行多孔硅酸鈣摻雜進行孔隙結構調控，可以同時兼具高燃燒等級、強力學性能和低導熱系數等特點。

圖文導讀

水泥基聚苯復合保溫材料的結構與性能

圖1(a)~(c)展示了水熱法制備的硅酸鈣的XRD圖譜與SEM圖片，制得的硅酸鈣化學式為Ca6(Si2O7)(OH)6；在SEM圖像中可以看出制備得到的硅酸鈣具有豐富的孔隙和層片狀結構。圖1(d)展示了復合保溫材料中的無機膠凝相包裹有機EPS相形成了緊密的過渡邊界。圖1(c)和(d)分別為硅酸鈣含量為0%和20%的無機膠凝材料的截面形貌和結構, 硅酸鈣含量為0%時的水化產物呈枝狀連接生長，硅酸鈣含量為20%時的水化產物呈針狀從多孔硅酸鈣的孔隙中生長并覆蓋其表面。圖1(g) 展示了隨著硅酸鈣含量的增加，無機膠凝相的孔隙率由75.29%上升至87.01%，平均孔徑先減小后增大，在硅酸鈣含量為20%時最小為421.31 nm。圖1(h)表明隨著硅酸鈣含量的增加，無機膠凝相最終累積孔體積增加，即孔隙率增加。圖1(i)表明隨著硅酸鈣含量的增加，水泥基聚苯復合保溫材料中的無機膠凝相的最可幾孔徑分布先減小后增大。

圖2(a)展示了復合保溫材料的抗拉強度隨硅酸鈣含量的增加而減小，但始終保持在0.09 MPa以上；抗壓強度隨硅酸鈣含量的增加先增大后減小，始終保持在0.2 MPa以上。圖2(b)展示了隨著硅酸鈣含量的增加，復合保溫材料的密度略有下降，大約在106~109 kg/m3之間；導熱系數先減小后增大，且當硅酸鈣含量為20%時，導熱系數最小可達0.0423 W/(m·K)。圖2(c)展示了隨著硅酸鈣含量的增加，復合保溫材料的軟化系數減小（均大于0.7），體積吸水率增大（均低于12%）。圖2(d)展示了無機水泥塊的導熱系數隨著硅酸鈣含量的增加而下降，在30%的硅酸鈣替代量下導熱系數為0.235 W/(m·K)。圖2(e)展示了無機膠凝相中導熱系數貢獻占比，λs、λg、λr隨溫度升高而增大，固相占88%~93%以上，氣相占7%~12%左右。圖2(f)說明無機膠凝相中輻射導熱系數在中溫范圍內幾乎可以忽略不計。

圖1 (a)~(f) 硅酸鈣與水泥基聚苯復合保溫材料的成分分析與微觀表征；(g)~(i) 去除EPS后無機膠凝相孔隙結構分析

圖2 (a) ~(c) 水泥基聚苯復合保溫材料的綜合性能；(d) ~(f) 無機膠凝塊整體導熱系數及貢獻分布（上述標題簡化版）

硅酸鈣摻雜調控無機膠凝相影響保溫性能分析

如圖3(a)，傳熱模型由空氣孔隙和無機膠凝相組成，設定每個立方體內所有球體的總體積保持不變，以探索相同孔隙率條件下不同孔徑對傳熱的影響。圖3(b)表明氣孔的平均孔徑越大，頂部向底部傳熱越快，模型達到熱平衡時間越短。圖3(c)展示了大孔模型、中孔模型、小孔模型分別在11.6 s、17.1 s、20.5 s完成傳熱。圖3(d)展示了不同孔隙模型不同傳熱時間的熱梯度分布，可以發現在相似孔隙率條件下，減小平均孔徑可以降低傳熱速率，從而提高保溫性能。

硅酸鈣對水泥水化反應的影響如圖4(a)所示，水泥水化產物氫氧化鈣和硅酸鈣凝膠首先在硅酸鈣薄片上呈針狀析出，然后水化產物沿硅酸鈣表面生長至完全覆蓋。如圖4(b) 所示：在低硅酸鈣含量 (10%) 時，水化產物覆蓋層狀硅酸鈣后繼續向外擴散。由于成核位點數量少，距離遠，離表面較遠的水化產物形成疏松孔隙，孔隙數量多且孔徑小如圖4(c)；當硅酸鈣含量增加時，由于成核位點數量多、距離近，擴散生長的水化產物之間迅速接觸，之后水化產物的生長方向不再向外而向內，使擴散范圍內的水化產物致密度增大，形成如圖4(d)的粗骨架水化產物；但在更高的硅酸鈣含量 (20%以上) 下，由于水泥初始含量較低，水化產物在不同成核位點擴散的交聯程度變差，形成較大的裂縫，增大了無機膠凝相的平均孔徑。如圖4(e)展示了不同孔徑無機膠凝相傳熱差異原因：孔隙數量的增多與孔徑半徑的減小使得無機膠凝相固氣界面數量增加、傳熱界面變薄以及傳熱路徑延長，從而降低了水泥基聚苯復合保溫材料的導熱系數。

圖4 (a)~(d) 無機膠凝相不同孔隙結構下傳熱模擬仿真分析

圖5 (a)~(c) 硅酸鈣在水泥水化進程及水化產物的影響；(d) 不同孔隙結構的無機膠凝相傳熱路徑

小結：

本文以EPS和不同硅酸鈣含量的水泥為原料，采用壓制法制備了復合保溫材料，實現了水泥基保溫材料的低導熱性能。硅酸鈣含量為20%時，復合保溫材料的導熱系數為0.0423 W/(m·K)，比不含硅酸鈣的復合保溫材料的導熱系數低23.1%。硅酸鈣含量為20%的復合保溫材料抗壓強度為0.24 MPa，抗拉強度為0.12 MPa，體積吸水率為7.9%，軟化系數為0.8。多孔硅酸鈣的加入促進了無機膠凝相的水化過程，將無機膠凝相的孔隙率從75%提高到85%，將平均孔徑從2826.09 nm細化到421.31 nm。有限元分析表明，孔隙增多且半徑減小使得無機膠凝相固氣界面面積越大、換熱壁減薄、換熱路徑延長是導熱系數下降的根本原因。本研究創新性地提出了硅酸鈣部分替代復合保溫材料中的水泥，為提高水泥基外墻保溫材料的保溫性能提供了新的思路。

該項目得到了國家自然科學基金(NSFC, 52070006)和山東省高新技術企業創新能力提升項目(2023TSGC0422)的支持。

韓昌報：

北京工業大學教授、博士生導師。2012年獲鄭州大學凝聚態物理專業理學博士和“河南省優秀博士畢業論文”，2014年赴劍橋大學AIXTRON研發中心進修。分別于2018年、2019年入選“北京市青年拔尖人才”、“北京市科技新星”。目前兼任中國綠色建材產業發展聯盟專家委員會委員，北京市光電子學協會委員，湖北省十堰市特聘專家。主要開展納米材料及其在光電子器件、能源與環境等領域的基礎和應用研究。已在國際學術刊物上發表（含合作）SCI論文100余篇，總引用超過5000余次（H因子41），其中一作或通訊作者論文包括Nature Communication、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等，申請國家專利53項，其中授權專利32項，榮獲“2017年度中科院-中關村科技成果轉化一等獎。主持有國家自然科學基金、北京市自然科學基金以及中科院產業化項目、北京市教委項目、北京市科委項目、深圳市高校企業合作項目等10余項。

聯系方式：cbhan@bjut.edu.cn。

蔣荃：

教授級高工。國家綠色建材重點實驗室特聘專家、建材行業建筑構件材料環境條件與環境試驗標準化技術委員會任秘書長、中國建材工業協會鋁塑復合材料分會副理事長兼秘書長、全國建筑幕墻門窗標準化技術委員會委員、全國輕質與裝飾裝修建筑材料標準化委員會委員；全國工程材料標準化工作組委員；住房和城鄉建設部建筑制品與構配件產品標準化技術委員會委員、中國建筑裝飾協會幕墻工程委員會副主任。主要從事建筑材料檢測、認證及環境腐蝕與適應性、綠色建材評價體系、新型功能材料等領域的科研及管理工作，近年承擔國家重大科技項目8項，主編國家及行業標準25項，獲國家科技進步二等獎1項及多項省部級科技進步獎，并多次為國家重大工程提供技術服務。

聯系方式：jq@ctc.ac.cn。

廊谷（北京）新材料科技有限公司

一家專注于二氧化硅氣凝膠材料在工業、綠色建筑以及超低能耗建筑領域的研發、生產和推廣應用的高新技術企業。致力于構建氣凝膠新材料應用端“設計—產品—施工—數據運維”生態平臺，旗下產品包括氣凝膠復合保溫材料、氣凝膠功能涂層以及氣凝膠保溫裝飾一體板等。公司在天津市武清區設有京津冀生產基地，正在建設遼寧省生產基地。廊谷新材2023年完成A輪融資，邁入快速產業化進程。