亞洲保溫材料與節(jié)能技術(shù)展覽會(huì)（上海）

References: 

Xian Rong , Xiang Zhang , Jianxin Zhang , Wanying Xu , Zewen Zhang  

Study on mechanical and thermal properties of alkali-excited fly ash aerogel foam concrete 

Construction and Building Materials 408（2023）133770

Keywords:

Alkali excitation;

Fly ash;

Aerogel; 

Foam;

Polypropylene fibre; 

Mechanical property; 

Thermal conductivity. 

題目：

堿激粉煤灰氣凝膠泡沫混凝土力學(xué)與熱性能研究

關(guān)鍵詞：

堿激發(fā)；粉煤灰；氣凝膠；泡沫；聚丙烯纖維；力學(xué)性能；熱導(dǎo)率

      隨著全球經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和世界人口的增加，人們對(duì)綠色能源、低碳環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展政策的需求不斷上升。中國(guó)作為世界上人口最多的發(fā)展中國(guó)家，建筑行業(yè)對(duì)能源的消耗占據(jù)了相當(dāng)大的比例。研究建筑節(jié)能保溫是降低建筑能耗的必要手段。粉煤灰和氣凝膠作為新型材料被廣泛研究和應(yīng)用。將粉煤灰、氣凝膠等材料應(yīng)用于混凝土中可有效降低混凝土導(dǎo)熱率，但由此配置的混凝土強(qiáng)度較低，于是作者在此基礎(chǔ)上加入纖維提升強(qiáng)度。將這些新型材料結(jié)合起來(lái)，開發(fā)具有優(yōu)異保溫性能和力學(xué)性能的保溫混凝土，將為建筑節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展提供全新的解決方案。

      該研究評(píng)價(jià)了在堿激發(fā)條件下混凝土的力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)，并確定了各種因素對(duì)混凝土力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)變量包括粉煤灰、泡沫、二氧化硅氣凝膠和聚丙烯纖維的摻量，選用不同比例的摻和材料分別探究四種摻合料對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，具體實(shí)驗(yàn)配比如表1。養(yǎng)護(hù)后通過(guò)掃描電子顯微鏡分析了材料的物理結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響，同時(shí)進(jìn)行了抗彎和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定。

      首先利用掃描電子顯微鏡（SEM）分析了堿激發(fā)粉煤灰氣凝膠發(fā)泡混凝土的物理結(jié)構(gòu)及其對(duì)混凝土性能的影響，粉煤灰混凝土各微觀結(jié)構(gòu)如圖1。

      隨后通過(guò)抗折和抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)分析了各因素對(duì)混凝土抗折和抗壓強(qiáng)度的影響，如圖2、3、4、5。

      由圖可知隨著粉煤灰、泡沫、氣凝膠摻量增加混凝土抗折抗彎強(qiáng)度降低，隨著纖維摻量增加強(qiáng)度有所提升。

      最后，對(duì)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉煤灰、泡沫混凝土、氣凝膠在混凝土保溫性能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。粉煤灰主要通過(guò)微小孔隙結(jié)構(gòu)降低混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，氣凝膠則通過(guò)致密均勻孔隙提高保溫性能，泡沫通過(guò)自身產(chǎn)生的封閉空隙降低混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，聚丙烯纖維可改善絕緣性能，但對(duì)泡沫混凝土保溫性能影響較小。綜合考慮，不同材料的組合應(yīng)該根據(jù)需求選擇，以達(dá)到最佳的保溫效果。

      該研究系統(tǒng)研究了堿激發(fā)條件下不同粉煤灰、氣凝膠、泡沫和纖維含量對(duì)混凝土性能的影響，得出以下結(jié)論:

(1)在堿性激發(fā)條件下，當(dāng)粉煤灰取代部分水泥時(shí)，混凝土的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度會(huì)有所降低。當(dāng)粉煤灰含量為40%時(shí)，混凝土的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別降低了30.6%和50.7 %。粉煤灰的添加提高了混凝土的保溫性能。不添加粉煤灰時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.526 W/m·K，當(dāng)粉煤灰含量為30%時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降至0.458 W/m·K。

(2)泡沫的加入可顯著降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)堿激粉煤灰混凝劑的泡沫含量從0%增加到75%時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從0.526 W/m?K降低到0.184 W/m?K。然而，這種減少是以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)的。當(dāng)泡沫摻入量達(dá)到75%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度迅速下降，分別僅為1.6 MPa和8.9 MPa，這是由于泡沫的加入使堿激粉煤灰混凝土中分布著不同形狀和大小的孔隙。

(3)氣凝膠具有優(yōu)良的保溫性能，對(duì)混凝土力學(xué)性能影響不大。當(dāng)氣凝膠摻量從0 ~ 12%變化時(shí)，堿激粉煤灰氣凝膠混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從0.526 W/m?K降低到0.191 W/m?K?？拐蹚?qiáng)度由5.2 MPa降至2.7 MPa，抗壓強(qiáng)度由20.4 MPa降至11.3 MPa。當(dāng)氣凝膠摻量為12%，泡沫摻量為70%時(shí)，氣凝膠泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降至0.18 W/m?K，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別降至僅含氣凝膠混凝土強(qiáng)度的59.3%和75.9%。

(4)纖維的加入能顯著提高其力學(xué)性能，但會(huì)略微降低其導(dǎo)熱系數(shù)。堿激粉煤灰氣凝膠混凝土，當(dāng)纖維摻量從0.3%增加到1%時(shí)，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別從4 MPa和17 MPa提高到5.6 MPa和23.7 MPa；混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從0.249 W/m·K降低到0.231 W/m·K。然而，纖維的加入會(huì)導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性降低，并對(duì)泡沫混凝土的導(dǎo)熱性產(chǎn)生不利影響。

(5)堿激發(fā)粉煤灰氣凝膠泡沫混凝土是一種優(yōu)良的墻體保溫材料。水灰比為0.6時(shí)，堿激混凝土中粉煤灰的質(zhì)量含量不應(yīng)超過(guò)20%，氣凝膠的質(zhì)量含量必須小于8%，以免造成材料浪費(fèi)和強(qiáng)度損失。雖然泡沫可以大大降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，但它也會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的顯著損失;因此，建議泡沫體積含量不應(yīng)超過(guò)60%。聚丙烯纖維與堿激粉煤灰氣凝膠混凝土表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，可顯著提高混凝土的力學(xué)性能。建議體積含量保持在0.5%以下，避免纖維含量過(guò)高造成結(jié)塊。