北京工业大学：高性能水泥基外墙保温复合材料取得进展

作者：任文瑞；王成海；韩冬；郑嘉煜；崔亚楠；蒋荃；韩昌报；宋雪梅；严辉

通讯作者：韩昌报；宋雪梅

通讯单位：北京工业大学

合作单位：廊谷（北京）新材料科技有限公司；中国测试控股集团股份有限公司

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114415

成果简介

近日，北京工业大学韩昌报教授、宋雪梅副教授课题组联合廊谷（北京）新材料科技有限公司与中国测试控股集团股份有限公司在建筑节能领域重要学术期刊《Energy and Buildings》上发表了题为“Cement-based external wall insulation material with thermal performance improvement by partial substitution of calcium silicate”的学术论文。外墙复合保温材料在建筑行业节能减排方面显示出巨大潜力，但水泥基材料作为外墙复合保温材料之一存在导热系数高的问题。该文章以发泡聚苯乙烯(EPS)和不同硅酸钙含量的水泥为原料，采用压缩法制备了复合保温材料。多孔硅酸钙的加入为水泥水化提供了成核位点，促进了水化反应，使无机胶凝相孔隙率由75%提高到85%，平均孔径由2826.09 nm细化到421.31 nm。硅酸钙含量为20%的水泥基复合保温材料的导热系数为0.0423 W/(m·K)，比不含硅酸钙的水泥基复合保温材料的导热系数(0.055 W/(m·K))低23.1%。仿真分析表明，保温性能的提高是由于无机胶凝相孔隙结构的改变导致固气界面的增加、传热壁的变薄和传热路径的延长。这种复合保温材料丰富了外墙保温材料的种类，为外墙保温提供了新的选择。

引言

据估计建筑业约占全球能源消耗的35%，因此，实现建筑业的节能减排对于双碳工程至关重要。数据表明建筑业70%以上的能耗来自建筑的空调和采暖。因此，高效利用外墙保温材料对于减少传热、降低制热/制冷要求具有重要的学术研究与工程应用价值。目前，有机外墙保温材料由于抗燃烧性能差，其使用频率逐渐减少；而无机外墙保温材料又存在导热系数较高或不稳定和对人体健康有害的缺点。因此，使用无机材料包裹有机材料制备复合保温材料，并通过对无机胶凝相进行多孔硅酸钙掺杂进行孔隙结构调控，可以同时兼具高燃烧等级、强力学性能和低导热系数等特点。

图文导读

水泥基聚苯复合保温材料的结构与性能

图1(a)~(c)展示了水热法制备的硅酸钙的XRD图谱与SEM图片，制得的硅酸钙化学式为Ca6(Si2O7)(OH)6；在SEM图像中可以看出制备得到的硅酸钙具有丰富的孔隙和层片状结构。图1(d)展示了复合保温材料中的无机胶凝相包裹有机EPS相形成了紧密的过渡边界。图1(c)和(d)分别为硅酸钙含量为0%和20%的无机胶凝材料的截面形貌和结构, 硅酸钙含量为0%时的水化产物呈枝状连接生长，硅酸钙含量为20%时的水化产物呈针状从多孔硅酸钙的孔隙中生长并覆盖其表面。图1(g) 展示了随着硅酸钙含量的增加，无机胶凝相的孔隙率由75.29%上升至87.01%，平均孔径先减小后增大，在硅酸钙含量为20%时最小为421.31 nm。图1(h)表明随着硅酸钙含量的增加，无机胶凝相最终累积孔体积增加，即孔隙率增加。图1(i)表明随着硅酸钙含量的增加，水泥基聚苯复合保温材料中的无机胶凝相的最可几孔径分布先减小后增大。

图2(a)展示了复合保温材料的抗拉强度随硅酸钙含量的增加而减小，但始终保持在0.09 MPa以上；抗压强度随硅酸钙含量的增加先增大后减小，始终保持在0.2 MPa以上。图2(b)展示了随着硅酸钙含量的增加，复合保温材料的密度略有下降，大约在106~109 kg/m3之间；导热系数先减小后增大，且当硅酸钙含量为20%时，导热系数最小可达0.0423 W/(m·K)。图2(c)展示了随着硅酸钙含量的增加，复合保温材料的软化系数减小（均大于0.7），体积吸水率增大（均低于12%）。图2(d)展示了无机水泥块的导热系数随着硅酸钙含量的增加而下降，在30%的硅酸钙替代量下导热系数为0.235 W/(m·K)。图2(e)展示了无机胶凝相中导热系数贡献占比，λs、λg、λr随温度升高而增大，固相占88%~93%以上，气相占7%~12%左右。图2(f)说明无机胶凝相中辐射导热系数在中温范围内几乎可以忽略不计。

图1 (a)~(f) 硅酸钙与水泥基聚苯复合保温材料的成分分析与微观表征；(g)~(i) 去除EPS后无机胶凝相孔隙结构分析

图2 (a) ~(c) 水泥基聚苯复合保温材料的综合性能；(d) ~(f) 无机胶凝块整体导热系数及贡献分布（上述标题简化版）

硅酸钙掺杂调控无机胶凝相影响保温性能分析

如图3(a)，传热模型由空气孔隙和无机胶凝相组成，设定每个立方体内所有球体的总体积保持不变，以探索相同孔隙率条件下不同孔径对传热的影响。图3(b)表明气孔的平均孔径越大，顶部向底部传热越快，模型达到热平衡时间越短。图3(c)展示了大孔模型、中孔模型、小孔模型分别在11.6 s、17.1 s、20.5 s完成传热。图3(d)展示了不同孔隙模型不同传热时间的热梯度分布，可以发现在相似孔隙率条件下，减小平均孔径可以降低传热速率，从而提高保温性能。

硅酸钙对水泥水化反应的影响如图4(a)所示，水泥水化产物氢氧化钙和硅酸钙凝胶首先在硅酸钙薄片上呈针状析出，然后水化产物沿硅酸钙表面生长至完全覆盖。如图4(b) 所示：在低硅酸钙含量 (10%) 时，水化产物覆盖层状硅酸钙后继续向外扩散。由于成核位点数量少，距离远，离表面较远的水化产物形成疏松孔隙，孔隙数量多且孔径小如图4(c)；当硅酸钙含量增加时，由于成核位点数量多、距离近，扩散生长的水化产物之间迅速接触，之后水化产物的生长方向不再向外而向内，使扩散范围内的水化产物致密度增大，形成如图4(d)的粗骨架水化产物；但在更高的硅酸钙含量 (20%以上) 下，由于水泥初始含量较低，水化产物在不同成核位点扩散的交联程度变差，形成较大的裂缝，增大了无机胶凝相的平均孔径。如图4(e)展示了不同孔径无机胶凝相传热差异原因：孔隙数量的增多与孔径半径的减小使得无机胶凝相固气界面数量增加、传热界面变薄以及传热路径延长，从而降低了水泥基聚苯复合保温材料的导热系数。

图4 (a)~(d) 无机胶凝相不同孔隙结构下传热模拟仿真分析

图5 (a)~(c) 硅酸钙在水泥水化进程及水化产物的影响；(d) 不同孔隙结构的无机胶凝相传热路径

小结：

本文以EPS和不同硅酸钙含量的水泥为原料，采用压制法制备了复合保温材料，实现了水泥基保温材料的低导热性能。硅酸钙含量为20%时，复合保温材料的导热系数为0.0423 W/(m·K)，比不含硅酸钙的复合保温材料的导热系数低23.1%。硅酸钙含量为20%的复合保温材料抗压强度为0.24 MPa，抗拉强度为0.12 MPa，体积吸水率为7.9%，软化系数为0.8。多孔硅酸钙的加入促进了无机胶凝相的水化过程，将无机胶凝相的孔隙率从75%提高到85%，将平均孔径从2826.09 nm细化到421.31 nm。有限元分析表明，孔隙增多且半径减小使得无机胶凝相固气界面面积越大、换热壁减薄、换热路径延长是导热系数下降的根本原因。本研究创新性地提出了硅酸钙部分替代复合保温材料中的水泥，为提高水泥基外墙保温材料的保温性能提供了新的思路。

该项目得到了国家自然科学基金(NSFC, 52070006)和山东省高新技术企业创新能力提升项目(2023TSGC0422)的支持。

韩昌报：

北京工业大学教授、博士生导师。2012年获郑州大学凝聚态物理专业理学博士和“河南省优秀博士毕业论文”，2014年赴剑桥大学AIXTRON研发中心进修。分别于2018年、2019年入选“北京市青年拔尖人才”、“北京市科技新星”。目前兼任中国绿色建材产业发展联盟专家委员会委员，北京市光电子学协会委员，湖北省十堰市特聘专家。主要开展纳米材料及其在光电子器件、能源与环境等领域的基础和应用研究。已在国际学术刊物上发表（含合作）SCI论文100余篇，总引用超过5000余次（H因子41），其中一作或通讯作者论文包括Nature Communication、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等，申请国家专利53项，其中授权专利32项，荣获“2017年度中科院-中关村科技成果转化一等奖。主持有国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及中科院产业化项目、北京市教委项目、北京市科委项目、深圳市高校企业合作项目等10余项。

联系方式：cbhan@bjut.edu.cn。

蒋荃：

教授级高工。国家绿色建材重点实验室特聘专家、建材行业建筑构件材料环境条件与环境试验标准化技术委员会任秘书长、中国建材工业协会铝塑复合材料分会副理事长兼秘书长、全国建筑幕墙门窗标准化技术委员会委员、全国轻质与装饰装修建筑材料标准化委员会委员；全国工程材料标准化工作组委员；住房和城乡建设部建筑制品与构配件产品标准化技术委员会委员、中国建筑装饰协会幕墙工程委员会副主任。主要从事建筑材料检测、认证及环境腐蚀与适应性、绿色建材评价体系、新型功能材料等领域的科研及管理工作，近年承担国家重大科技项目8项，主编国家及行业标准25项，获国家科技进步二等奖1项及多项省部级科技进步奖，并多次为国家重大工程提供技术服务。

联系方式：jq@ctc.ac.cn。

廊谷（北京）新材料科技有限公司

一家专注于二氧化硅气凝胶材料在工业、绿色建筑以及超低能耗建筑领域的研发、生产和推广应用的高新技术企业。致力于构建气凝胶新材料应用端“设计—产品—施工—数据运维”生态平台，旗下产品包括气凝胶复合保温材料、气凝胶功能涂层以及气凝胶保温装饰一体板等。公司在天津市武清区设有京津冀生产基地，正在建设辽宁省生产基地。廊谷新材2023年完成A轮融资，迈入快速产业化进程。