李静郭蕊王艳丽乔一佳
河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）
摘要：文章简述了绝热材料的分类及研究现状，阐述了二氧化硅气凝胶、绝热机理及发展历程。通过增强体强化和遮光剂掺杂改良气凝胶的研究进展。
关键词：绝热材料；SiO2气凝胶；复合改性；增强体强化；遮光剂掺杂
绝热材料指能够阻止或减少辐射、对流、传导引起的热传递的材料，主要用于热力设备、管道、车船的保温或保冷；由于大部分绝热材料具有多孔网状结构和隔音吸声性能，亦常用于建筑建材行业。绝热材料通常应具备自重轻（疏松多孔）、强度较高、阻燃性佳、导热系数低等特性，例如GB/T4272—2008《设备及管道绝热技术通则》规定[1]：绝热材料的密度应≤300kg/m3、抗压强度应≥0.3MPa、环境平均温度≤350℃时导热系数值应≤0.14W/(m·K)。 1绝热材料的分类种类和研究现状
目前，市面上常见的绝热材料种类繁多，其分类方法如下：按材质可分为金属类、无机类、有机类；按
形态可分为多孔状、气泡状、粉末状、纤维状、粒状、瓦状、砖状；按适用温度可分为高温绝热材料（使用温度＞700℃）、中温绝热材料（使用温度100~ 700℃）、低温绝热材料（使用温度＜100℃）；按组织结构可分为多孔纤维类、多孔颗粒类、有机高分子发泡类；按施工方法可分为湿抹式、填充式、绑扎式、包裹式、浇灌式等；按成分可分为有机类和无机类，其中无机类绝热材料耐腐蚀、耐高温、不易燃，主要用于设备及管道保温，如蛭石、珍珠岩、硅藻土、硅酸钙、气凝胶毡、泡沫混凝土等；有机类绝热材料表观密度小、导热系数低、不耐高温、易燃，主要用于低温保冷工程，如软木、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚氨基甲酸酯泡沫、泡沫玻璃板、牛羊毛毡等；按形状可分为纤维状、颗粒状多孔纤维类绝热材料密度低、熔点高、功能可随复合物的不同而调节改变[2]，如石棉、岩棉板、矿渣棉、玻璃纤维等，占全球市场份额六成以上，但因其热导率略高，在对绝热效果要求严苛的领域，应用受到一定的限制；多孔颗粒类绝热材料多呈脆性、孔隙率高、孔径均匀，常用于冶金、机械、电力行业的高温设备；高分子发泡类绝热材料密度低、自重轻、耐水浸泡、加工性能好、研究发展较为成熟，常用于建筑外墙保温系统，但高温环境中容易被引燃，长期使 用还可能挥发出有毒物质。
目前，随着科技进步和能源匮乏加剧，积极寻
和研发自重轻、低碳环保、耐候耐久的新型绝热
材料，其研究方向侧重于对其的改良，是进一步提
高热能利用效率、实现工业/建筑节能的有效途径。如
到适合通过寻有机类绝热材料的发泡剂，改善
分子筛膜阻燃性、提高疏水性、降低生产成本；降低无机类绝
热材料的生产能耗、减少粘结剂使用量、严格控制
纤维和粉尘排放。目前，新型环境友好型绝热材料
主要有聚丙烯泡沫塑料、聚异氰脲酸酯泡沫塑料、陶
瓷纤维刚性隔热瓦、硼硅酸铝纤维毡、硅气
凝胶
、碳
气凝胶、金属氧化物气凝胶等。
图1常见绝热材料的导热系数
图2纳米碳气凝胶及其显微形貌
试
验
研
究
101
2二氧化硅气凝胶绝热材料
2.1二氧化硅气凝胶概述
气凝胶（aerogel）是一种纳米多孔网状结构固体材料，因轻若薄雾、颜泛蓝，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，与石墨烯、富勒烯等被共誉为改变世界的十大新材料。作为已知密度最小的固体，气凝胶材质具有极高的孔隙率，由于气体的导热系数远小于固体（常温下空气的热导率约为0.025W/m·K ），
使得所有固体材料中气凝胶的导热系数最低。然而纯气凝胶（干凝胶）多为粉体或小型块体，脆性大、抗压抗折性差，应用范围受到限制，通常需与其他材质复合[3]，制成性能优异的绝热材料，依托逐渐成熟的制备工艺和大幅降低的生产成本，扩展其应用领域和产业化规模。
纳米硅气凝胶是一种以SiO2纳米颗粒为骨架基体、密布2~50nm孔洞的单组分网络凝胶状固体，具有微观结构可控（颗粒1~20nm，孔洞1~100nm）、高孔洞率80~99.8%、超低密度0.003~0.5g/cm3、超大比表面积600~1000m2/g、极低导热系数0.013~0.2 W/m·K、耐高温500℃不熔融、耐老化、耐酸碱腐蚀、无毒无污染、产品附加值高等特点，已在航天、军事、化工领域获得应用，可谓当前最热门的绝热材料。SiO2气凝胶在纳米表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应及热、声、光、电、环境敏感性、表面稳定性方面表现出异于毫米级粉末或孔洞材料的优异性能（如对声、光的散射作用远小于传统多孔材料），使其在透明/高温/冰箱用绝热材料[4]、声阻耦合材料、杂质吸附、催化剂载体、激光低密度靶材、新型可充电电池等前沿领域也具有可观的应用前景。
2.2二氧化硅气凝胶绝热机理
防盗
SiO2气凝胶绝热的原理是基于辐射、对流、传导三种热传递的基本方式：低温条件下，热源的辐射能很低，材料绝热效果尚佳；高温环境中，由于SiO2气凝胶对近红外辐射有较好的透过率，其热导率随温度升高迅速增大、同时材料强度降至20kPa左右，为尽可能地减少辐射传热，需向材料中添加红外
遮光剂予以改性[5]；SiO2气凝胶中密布着细微的孔洞，孔内空气被“封锁禁锢”、失去自由流动能力而产生“零对流效应”，同时，根据分子运动理论，能量是靠分子碰撞而完成传递的，由于孔洞直径小于气体分子平均自由程，空气分子与孔壁发生弹性碰撞而无能量和速度损失，无法参与热传导；此外，SiO2气凝胶骨架颗粒的平均粒径仅有几纳米、截面积极小，而热能经由材料内部传导的路径很长，形成了“无穷长路径”效应，极大地降低了气凝胶的热传导能力。
微传热方面的研究主要集中于微/纳米尺度下材料本身热学性质的变化规律，主要分析方法有实验测试、理论推导和计算机模拟[6]。根据傅利叶定律，当前较为理想的模拟微传热的方法有三种:①对侧重于描述宏观固体传热的声子玻尔兹曼传输方程进行数值求解；②用分子动力学法计算声子散射和导热系数，形成较为直观的热传导图像；③用分子运动论推导各种边界条件下材料的热导率，其依据的基础理论与分子动力学相似，采用的不是数值模拟而是理论推导方式。目前，对微/纳米结构热传导的计算，各种方法都存在一定的缺陷，需要进一步
优化完善。
图3SiO2气凝胶、(超疏水)气凝胶毡及绝热效果2.3二氧化硅气凝胶发展历程
1931年，美国斯坦福大学的Kistler团队利用水玻璃(原材料)、盐酸(催化水解)、水/乙醇(溶剂交换剂)、溶胶凝胶法和超临界干燥法制备出了世界上首例真正意义上的气凝胶；1974年，Teichner等通过在甲醇溶液中水解正硅酸甲酯制得了可作为氧气和火箭燃料储存载体的硅气凝胶，并尝试在航天探测器中应用；1985年，Tewari利用二氧化碳充当超临界干燥的介质，将湿凝胶干燥温度降至室温，极大提升了相关设备的安全性，促进了气凝胶的商业化发展。此后，越来越多的学者致力于改进干燥工艺、在低温常压条件下制备气凝胶，进一步推动了其工业化进程。
试验研究
102
气凝胶独特的结构使其具备了多种“神奇”用途，但目前最主要的用途仍是为中小型器件充当绝热材料[7]，如BMW公司将气凝胶层包覆在水冷散热器上以提高汽车的耐寒能力。当前从事气凝胶制备、生产、改性的研发机构主要有美国LLNL实验室、Sandia实验室、Aspen公司、德国Würzburg大学、BASF公司、DESY公司、瑞典LUND公司、法国Montpellier研究中心、日本高能物理实验室。纵观其
选材及工艺的演变可知，硅源由正硅酸甲酯转变为无污染、更为廉价的正硅酸乙酯和水玻璃；干燥工艺由成本高、危险性大的超临界干燥、冷冻干燥转变为成本低、安全系数高的常压干燥，虽然制得气凝胶的性能不及前者，但这种差距正随技术的发展逐渐消弭。当前，业内人士正努力探索更新更优的纳米气凝胶产品，气凝胶绝热材料正逐步深入民众的生产生活。
2.4二氧化硅气凝胶复合绝热材料研究进展
SiO2气凝胶具有其他绝热材料不可比拟的优势，应用前景广阔，但要大面积取代传统绝热材料，先要解决因高孔洞率和疏松结构引起的强度低、韧性差、高温下难以遮蔽红外辐射等问题。多组分复合改性无疑是最直观、便捷、实用的技术手段。目前，SiO2气凝胶复合改性主要有增强体强化和遮光剂掺杂两种方法。增强体强化是通过控制工艺参数，一方面提升SiO2骨架颗粒的强度，一方面令其与莫来石纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、水镁石晶须、聚酯纤维、聚乙烯颗粒、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚酰亚胺、环氧树脂等增强增韧材质相复合，抑制SiO2气凝胶的毛细收缩效应，提高其力学性能指标；增强体强化复合改性方法现有液相共混法、原位聚合法、溶胶凝胶法等，具体操作方式:①在反应溶液未发生凝胶前加入增强材料并均质分散，经冷冻干燥使其固化交联；②先制备粉末状的介孔气凝胶，而后混入增强体和黏结剂，经一定工序制成SiO2气凝胶复合材料。
现阶段，各国对增强体强化SiO2气凝胶复合材料的研究都很活跃且成果颇丰，如一种将气凝胶粉末置
于两块面板之间的“夹心”气凝胶，导热系数虽未达最理想状态，亦已显著降低；还有一种在正硅酸甲酯、甲醇、水、催化剂混合液中加入长度随机的单纤维或纤维编织布，经超临界干燥制得的复合材料，其弹性和绝热性能与气凝胶相当，但可操作性明显改善；还有一种在常温常压下制备的轻薄型超疏水气凝胶毡[8]，独特的交联结构令其长期服役于
高温恶劣环境而不透水、不燃烧、不变形，隔热效果
是传统绝热材料的2~5倍、使用年限可达20年，此
外，在保证强度的前提下，较薄的厚度使气凝胶毡
更容易弯折裁剪，可用于工业窑炉/储罐、高温蒸汽
管道、各类异形管道、轨道列车车体保温，气凝胶及
气凝胶毡的外观及绝热效果如图3所示。目前，美
国Aspen公司生产的纤维增强SiO2气凝胶的性能
处于国际先进水平，产品在500℃和常温下的导热
系数分别为0.033W/（m·K）和0.013~0.016W/（m·K），且热导率随温度升高而增大的速率较慢，已在
航天航空、国防军事、建筑墙板、石油管道、保暖服
装等领域应用。
20世纪90年代以来，国内部分高校如同济大
学、国防科技大学、中科大、哈工大亦致力于气凝胶
的制备和性能研究，采用无污染的硅源和常压干燥
<法研制出了性能优异的疏水性气凝胶，并将其成功
应用于涂料、建材、医药、纺织等领域。近年来，国内
对SiO2气凝胶复合绝热材料的制备和改良做了大
量研究，如一种以正硅酸乙酯为硅源、莫来石纤维
为增强体的SiO2气凝胶，莫来石纤维的掺入使气凝
胶的机械强度和弹性模量明显提高，掺量3%左右
时，复合材料的强度和热导率最为理想；还有一种
以正硅酸乙酯、无水乙醇、氨水等为原料，先用溶胶
凝胶法制得含纤维的湿凝胶，再通过超临界干燥获
得的硅酸铝纤维增强SiO2气凝胶，综合性能明显优
于单组分材料。
遮光剂掺杂是通过引入无机矿物粉末(如TiO2、
ZrO2、Fe3O4、B4C、SiC、K2Ti6O13)、硬硅酸钙石、各类纤
维、炭黑、碳纳米管等常见遮光剂[9]，显著提升SiO2
气凝胶高温条件下遮蔽红外辐射的能力。红外遮光
剂能够有效地散射或吸收一定波长的红外辐射、提
高反应溶液的消光系数，随着遮光剂掺量增大，SiO2
隧道定位
气凝胶对红外辐射热传导的抑制效果逐渐增强，但
同时，其固态热导率会有所增大。特定温度条件下，
红外遮光剂的掺量存在一个最佳值，使SiO2气凝胶
的热导率处于较理想状态，通常该最佳值会随温度
升高而增大。2001年以来，国防科技大学CFC实验
室课题组致力于对SiO2气凝胶及相关机理进行研
究，以无机陶瓷纤维为增强体、采用溶胶凝胶和超
临界干燥法制备出了抗折强度＞1.1MPa、加工成型
性能优良的SiO2气凝胶复合材料，可制成各种复杂
的异形构件或进行钻孔、切割、裁剪、搭接等加工，
pvc管件配方
试
验
研
究
103
实现了良好力学性能和超强绝热功能的有机统一，目前已应用于军用热电池保温套等领域。此外，徐国强等[10]制备的硬硅酸钙石掺杂SiO 2气凝胶复合材料也具有良好的保温隔热效果，其常温和480℃的热导率分别为0.025W/（m ·K ）和0.048W/（m ·K ）。
参考文献:
[1]中国标准出版社.GB/T 4272—2008设备及管道绝热技术通则[S].国家质监总局2008/06/19发布.
[2]冯军宗等.纤维增强气凝胶柔性隔热复合材料的制备[J].稀有金属材料与工程,2008,37(2):170-173.
[3]石小靖等.玻璃纤维增韧SiO 2气凝胶复合材料的制备及隔热性能[J].硅酸盐学报,2016,44(1):129-134.
[4]田骏等.二氧化硅气凝胶/聚氨酯隔热材料的研究[J].玻璃钢/复合材料,2018,(3):96-100.
[5]陈泽等.气凝胶基复合含能材料的制备及其红外遮蔽性能研究[J].火工品,2017,(4):23-27.
[6]冯坚等.碳气凝胶的传热规律及其在防隔热中的应用[J].宇航材料工艺,2012,(2):1-6.
[7]林汉川.基于气凝胶隔热材料的项目可行性研究[D].北京：对外经济贸易大学,2013:4-6.
[8]董相禄等.二氧化硅气凝胶毡在直埋蒸汽管的应用[J].煤气与热力,2017,37(11):10-13.
[9]李红伟等.二氧化钛纳米管/硅气凝胶复合材料制备及其光吸收性能研究[J].无机盐工业,2017,49(5):78-81.[10]徐国强等.硅酸钙复合纳米孔超级绝热钢结构防火板的
研制[J].新型建筑材料,2009,(12):71-74.
预拌混凝土添加剂对混凝土性能的影响探究
吕芳礼
徐州工程学院（221000）
摘
要：文章简单介绍了常用的混凝土添加剂品种及作用，并深入探讨了预拌混凝土添加剂对混凝土性能
的影响、
预拌混凝土添加剂的选择要点，以便为相关业内人士带来一定启发。关键词：预拌混凝土；混凝土性能；添加剂
预拌混凝土添加剂的使用效果直接影响建筑工程的建设质量，混凝土泌水、混凝土开裂、混凝土坍落、水泥浆分层离析等质量问题均可能出现。如何保证预拌混凝土添加剂使用的科学合理，是文章围绕预拌混凝土添加剂对混凝土性能影响开展具体研究的意义所在。
1常用的混凝土添加剂品种及作用
膨胀剂、防水剂、引气剂、速凝剂、减水剂、缓凝剂、早强剂均属于常用的混凝土添加剂品种，其中
膨胀剂可使混凝土体积发生膨胀；防水剂可降低砂浆、混凝土透水性；引气剂可提高混凝土耐久性与抗冻性；速凝剂可迅速硬化混凝土；减水剂可减少混凝土拌和用水；缓凝剂可实现混凝土水泥水化反应的延缓；早强剂可提升混凝土早期强度。高效减水剂与缓凝剂属于预拌混凝土常用添加剂代表，二
者的特点及作用①高效减水剂。较高的流动性会直接影响预拌混凝土的运输，为满足运输需要，需采用高效减水剂最大限度去除混凝土中的水分，以此应对其流变性能。此外，高效减水剂还能减少单位水泥用量、降低裂缝问题发生概率，提升预拌混凝土性能。②缓凝剂。凝结时间过长属于混凝土的固有特点，但很多建筑工程对混凝土的速干性能存在较高要求，因此预拌混凝土需针对性应用缓凝剂，以此延长混凝土凝结时间，并降低水泥水化速度和水化热。缓凝剂的使用可保证预拌混凝土在较长时间内保持塑性，较好满足特定建筑工程需要[1]。
2预拌混凝土添加剂对混凝土性能的影响
2.1主要影响因素
预拌混凝土添加剂的使用会影响混凝土性能，这种影响不单单与添加剂的性能特点存在关系，也与含碱量因素、配比因素、功能因素等存在联系，预拌混凝土添加剂对混凝土性能的具体影响如下：含碱量因素，混凝土的性能会受到含碱量的影响，这种影响主要源于水泥材料较高的含碱量。一些水泥厂生产的水泥存在含碱量较高特性，这就很容易导致减水剂的应用效果大打折扣，最终影响预拌混凝土性能。配比因素，预拌混凝土的生产本质上属于动态调节过程，生产必须结合工程需要、气候变化针对性调整混凝土配比，添加剂的配比也需要同时得到严格控制，否则预拌混凝土很容易出现场溶解、水化等问题。功能因素，不同的添加剂会对预拌混凝土性能产生不同的影响，但如果预拌混凝土的添加剂使用未考虑添加剂之间可能产生的相互影响，混
（下转第107页）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
智能巡检终端
试
验研究
104
