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摘要：高质优良的保温隔热材料一直广受人们关注，在耗能占据大比例的建筑领域中，将二氧化硅气凝胶加入混凝土和再生混凝土中进行保温试验，研究结果表明加入二氧化硅气凝胶的混凝土和再生混凝土比未加的，保温隔热性能有显著的提升。混凝土与再生混凝土加入同等浓度的二氧化硅，混凝土相比再生混凝土的保温隔热性能更强。且由二氧化硅为原材料之一的具有保温隔热性能的混凝土试件，其导热系数能有效的控制在更加合理和规范的范围内。

关键词：二氧化硅， 气凝胶， 导热系数， 隔热性， 建筑节能。

引言：

随着经济与社会的不断发展，能源消耗与日俱增。我国建筑物绝大多数是高能耗的非节能型建筑，建筑物在使用期间采暖、空调、通风、热水供应等方面消耗了大量的能源，这些能源约占人类总能源消耗的 30%～40%[1]。二氧化硅是一类由纳米量级的超细二氧化硅微粒相互聚集构成纳米多孔网络，并在孔隙中充满气态分散介质的一种无定形的高分散的固态材料 ， 它是一种新型纳米孔无机材料 ，其具有以下特点如下：是前己知的最轻的固体材料，也 是迄今为保温性最好的材料，因为其具有纳米多孔结构（1-100 n m）、低密度（1-500kg/m3）、低导热系数 （0.013-0.018 W／（m·K））、高孔隙率（80%-99%）等优良性质。大量应用于航空航天、医疗、教育等行业的特殊保温需求 [2]错误！未找到引用源。。

1.实验

1.1 实验原材料

SiO2气凝胶，河北廊坊艾瑞戈有限公司生产的ARG650疏水性孔径20nm的SiO2气凝胶，SiO2气凝胶材料的纳米颗粒骨架结构和尺寸孔径分布范围均匀，使其具有极低的密度和热导率，热导率主要由气态热传导、固态热传导和热辐射组成。极低的密度增加了固体导热途径，有效降低固态热传导；因为SiO2 气凝胶只有保持其固有的结构特 性才能在胶凝材料中起到保温隔热的效果，这就需要 用到憎水性SiO2 气凝胶，以防止水汽进入破坏其纳 米孔结构；[4]水泥，山东潍坊九七建材生产的普通硅酸盐水泥，P.O42.5级；二氧化硅，山东省济南市至鼎焊材20nm球形二氧化硅材料；实验室自配初生细骨料（p），再生细骨料（z），ISO标准沙；水，自来水。

1.2 实验配合比

本文二氧化硅气凝胶的添加量分别为试件体积的1%、2%、3%。在实验配合比的基础上计算施工配合比以及再生骨料在其清洗后含泥量相对初生骨料较高，因此在再生组实验中多加入再生骨料质量的0.5%的水。因二氧化硅气凝胶为额外添加进入混凝土试件，原先试件中水灰比以及沙石质量不变，因此每加入1%的二氧化硅气凝胶多加入水的质量的10%。具体材料数据如表1。表1 SiO2气凝胶混凝土试件配合比（20mm*20mm*15mm）

1.3 SiO2气凝胶混凝土试件的制备

二氧化硅气凝胶由于其粒径小，因此在称量以及制备期间应最先放入新标准

全自动胶砂搅拌机中的水泥净浆搅拌锅中，再依次加入称量好的水泥，砂，细骨料（或再生骨料），最后加入部分水，搅拌均匀，搅拌时间为2分30秒（2分钟中速搅拌，后30秒高速搅拌），搅拌完成后振捣均匀且不发生离析现象后放入已刷好机油的模具中，放置在阴凉的环境中静止2到3天后脱模，放入标准养护箱进行养护。具体流程见流程图1。

1.4 SiO2气凝胶混凝土试件的保温性能测定

以水温为参照反应二氧化硅气凝胶混凝土试件上部温度的变化。实验器材包含铁架台，石棉网，装有浓度为95%乙醇溶液的酒精灯，温度计（刻度为0-100摄氏度）等实验器材，通过比对观察烧杯中液体的温度及水温为参照反应不同材料组成的二氧化硅气凝胶混凝土试件在相同条件下的导热性能的差异。将不同材料所做的保温隔热板夹在铁架台中部，上部放置石棉网后放置烧杯，在烧杯中加入250ml的常温自来水，放入温度计（注意：温度计不与烧杯内壁接触），记录 初始温度，并每间隔10分钟记录一次水温数据，一组总计30分钟，共24组。随后通过下述公式得出近似的材料导热系数。

式中，K为导热系数，Q即55W（经检测酒精灯的有效功率为54-55W），L为二氧化硅气凝胶混凝土试块的厚度，即0.015m；A为试件面积（0.2m*0.2m）;T2为试件下部温度，T1为试件上部温度。φ为调整系数，由于T2-T1为试件上下表面的温差，而实验数据中的温差用烧杯内水温的变化情况反映，因此存在上表面与烧杯间的热量传递所引起的热量损失，因此引入调整系数φ，取值为0.88。

2.研究结果讨论

2.1 不同的二氧化硅气凝胶体积分数对上部混凝土温度影响

由图4可知，随着加入二氧化硅气凝胶体积分数的增加，初生混凝土和再生混凝土的上部温度都有明显降低。当二氧化硅体积分数由0增大到1%时，初生混凝土的上部温度降低7%，再生混凝土降低4%；当二氧化硅气凝胶体积分数由1%增大到2%时，初生混凝土的上部温度降低16%，再生混凝土降低18%；当二氧化硅气凝胶体积分数由2%增大到3%时，初生混凝土的上部温度降低9%，再生混凝土降低5%。对于添加二氧化硅气凝胶的试件，其上部温度在加入体积分数为2%时，效果最为明显。

2.2 不同的二氧化硅气凝胶体积分数对上部混凝土温差影响

图5示在加入不同的二氧化硅气凝胶体积分数下，对初生混凝土与再生混凝土的温差影响，数据表明，当二氧化硅气凝胶体积分数添加体积分数从0至1%时，整体温差变化有小幅度降低；当添加体积分数为2%时，整体温差大幅度降低。其中初生骨料混凝土及再生骨料混凝土添加2%体积分数时在10分钟至20分钟时相比于未添加，温差降低30%，效果显著。因此在一定程度上二氧化硅气凝胶能有效降低混凝土试件上下表层的温差。

2.3 不同二氧化硅气凝胶的体积分数对导热系数的影响

由图6可知，随着二氧化硅气凝胶添加量的增加，试件的导热系数随之降低。二氧化硅气凝胶添加量由1%增加到2%时，初生混凝土的导热系数降低15%，再生混凝土导热系数降低18%；添加量由2%增加到3%时， 初生混凝土的导热系数降低9%，再生混凝土导热系数降低5%。二氧化硅气凝胶是具有非常高孔隙率的网状结构，且比表面积大、粒径小，将其加入到混凝土中，混凝土中的胶粉料水化后形成均匀细小的泡孔，其导热系数明显降低[3]错误！未找到引用源。。

2.4 初生混凝土与再生混凝土加入二氧化硅气凝胶对强度的影响

由图7、8可知，在经过试验过程之后，试件都出现不同长度的裂缝。由图9可知，随着二氧化硅气凝胶体积分数的增加，初生混凝土及再生混凝土的裂缝长度都随之增大。断裂过程中除新形成断裂表面需要吸收表面能之外，几乎没有其他吸收能量的机制，故表现为脆性断裂，极大地影响了材料的强度。[5]

初生混凝土相较于再生混凝土，裂缝宽度有着明显差异，初生混凝土的宽度远小于再生混凝土，以此为依据，可知在加入二氧化硅气凝胶，会一定程度上降低混凝土强度，并且其中再生混凝土本身的强度相较于初生混凝土要明显偏低。

3.结论

由图4、图5、图6、图9及其相应实验数据和实际实验结果可以得知在一定程度上二氧化硅气凝胶对混凝土试件的保温隔热性能有一定正面影响，对比市面上有关保温隔热性能材料，加有二氧化硅气凝胶的混凝土试件在保温隔热方面具有一定的优势和长处，就分析二氧化硅气凝胶混凝土试件的相应实验结论具体如下：

1）轻骨料的添加顺序影响试件的导热系数，先将气凝胶粉末与浆料搅拌均匀后再倒入砂快速搅拌成型， 有利于提高混凝土的保温性能。[6]

2）固定其他变量，只调整二氧化硅气凝胶体积比，混凝土导热系数随着二氧化硅气凝胶掺量的增大而减小。

3）随着二氧化硅气凝胶体积分数的增加，初生混凝土及再生混凝土的强度随之降低。且再生骨料本身强度相较于初生混凝土更低。

参考文献：

[1]吕霞，俞成丙，张云，等.保温涂料的研究现状及其展望[J].涂料工业，2011，41（03）：45-48.

[2]张原僖 & 赵建卿.（2018）.气凝胶绝热复合材料在建筑节能工程中的应用.（eds.）岩矿棉绿色环保技术创新交流会暨全国保温材料科技信息协会2018年会论文集（pp.113-120）.山西天一纳米材料科技有限公司; 会暨全国保温材料科技信息协会2018年会论文集（pp.113-120）.山西天一纳米材料科技有限公司;

[3]万郁楠.（2021）.SiO_2气凝胶对保温砂浆性能的影响.广东建材（02），17-19+41.

[4]彭罗文，艾明星，柳培玉，等.二氧化硅气凝胶材料在建筑领域的应用研究及发展概述 [J].建筑节能，2018， 46 （01）： 71-77.

[5]李静，孙健，王韩，等.适用于建筑隔热的二氧化硅气凝胶制备与性能 [J].新型建筑材料， 2022， 49 （04）： 119-123.

[6]彭罗文，艾明星，石永，等.影响二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆性能的因素 [J].新型建筑材料， 2018， 45 （07）： 64-67.

项目支持：2023年江西省大学生创新训练计划项目，气凝胶在建筑节能领域的应用，项目编号： S202313430017。