气凝胶膨胀珍珠岩的制备及其在水泥基材料中的应用研究
发布时间：2020-11-10 04:23
为解决传统保温材料和气凝胶在建筑节能领域应用所存在的问题,本论文从骨料创新入手,提出以廉价膨胀珍珠岩(Expanded perlite,EP)为载体,SiO_2气凝胶为填充体,制备合成一种新型复合保温材料——气凝胶膨胀珍珠岩(Aerogel-expanded perlite,AEP),使气凝胶获得载体EP保护的同时有效降低EP的导热系数,也使气凝胶能够应用于水泥基材料,并进一步降低气凝胶的使用成本。本论文对AEP的制备工艺及性能、AEP在水泥基材料中的应用及对水泥基材料性能的影响机理,以及AEP保温砂浆的制备及其在建筑节能应用中的经济性等问题进行了系统研究,主要工作及主要结论如下:1.采用微观表征和导热系数试验,研究了常压干燥技术制备SiO_2气凝胶各工艺阶段变量对气凝胶微观特征和导热系数的影响规律,获得了适用于AEP制备要求的SiO_2气凝胶制备方法,制备的疏水SiO_2气凝胶表观密度≤130kg/m~3,导热系数低至0.022W/(m·K)。2.对SiO_2溶胶黏度变化规律和EP对SiO_2溶胶吸附特征进行了研究,优化了AEP的制备工艺。采用微观表征方法以及导热系数、颗粒强度和筒压强度等试验,对AEP的微观特征、导热系数和力学性能进行了研究。结果表明:气凝胶可以均匀地填充于EP的孔结构中并与EP具有良好的化学兼容性;气凝胶的填充改善了EP的微观结构和传热机制,从而使AEP具有典型的介孔结构特征(比表面积171~250m~2/g,孔体积0.56~1.06cm~3/g)、良好的疏水性质(质量吸水率13.8%)、较低的导热系数(0.030~0.041W/(m·K))和较高的筒压强度(67kPa)。3.采用抗压强度和导热系数试验,以及微观表征方法对AEP水泥基复合材料拌合物的工作性能、硬化后的物理力学性能、微观结构和水化特征进行了研究。结果表明:硅烷偶联剂KH550改性AEP或胶凝材料外掺纤维素醚HPMC可以改善AEP与水泥基质的相容性;AEP水泥基复合材料抗压强度与EP水泥基复合材料相当,但导热系数降低了7.2%~28.5%;AEP的掺加不会影响水泥基质的水化产物,但是载体EP潜在的火山灰活性增强了AEP与水泥基质的粘结性,从而减弱甚至避免了气凝胶对水泥基材料强度的不利影响。4.制备得到新型AEP保温砂浆,并与EP保温砂浆和气凝胶保温砂浆的物理力学性能和微观特征进行了比较,结果表明:AEP保温砂浆的最优性能为干密度242kg/m~3,导热系数0.0478W/(m·K),抗压强度0.53MPa;采用AEP制备保温砂浆可以有效避免气凝胶对砂浆力学性能带来的劣化影响;AEP保温砂浆的导热系数和吸水率分别比EP保温砂浆降低了26.6%和27.6%;AEP的疏水性质以及由此产生的骨料-基质界面过渡区的间隙对保温砂浆的力学性能、耐水性和线收缩率具有消极影响。5.设计了AEP保温砂浆外墙保温系统,基于全寿命周期分析方法对其经济性和环境效益进行了评价。结果表明:AEP保温砂浆外墙保温系统能够满足严寒和寒冷气候区75%节能设计标准;AEP保温砂浆系统的建造成本和LCC成本仅为气凝胶保温砂浆系统的17.6%~18.4%,是传统无机保温砂浆系统的4.33~6.33倍;全寿命周期内,建筑外墙采用AEP保温砂浆系统比采用传统保温砂浆系统减少CO_2排放量22%~49%,节能减排效果显著。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528;TU551.34
【部分图文】：
建筑节能领域带来的发展机遇米保温材料——气凝胶（Aerogel）的出现为建筑节能领域带来决传统保温材料存在的诸多问题提供了可能。自 1931 年 Kistle气凝胶优异的性能就引起了各研究领域浓厚的兴趣[35-36]。由三维纳米颗粒骨架（骨架颗粒粒径 2~5nm）和纳米级孔洞（成的一种多孔材料，这使气凝胶具有很高的比表面积（500~129.9%），以及很小的密度（3~350kg/m3）[37-39]。图 1-1 所示为气结构示意图。由于气凝胶特殊的纳米结构有效限制了固态热传 射 ， 使 其 具 有 比 空 气 （ 0.025W/(m·K)[37]） 还 要 低 的 /(m·K)[32]。此外，气凝胶也是优良的声阻抗材料（声波传防火材料[38-39]。这些突出的特点使得气凝胶成为一种兼具保温功能材料[40]。
（1.2MPa）仅为普通混凝土抗压强度（60MPa）和抗拉强度（7.5MPa）的 13.8%和 16%。（2）气凝胶昂贵的原材料和复杂的合成、干燥工艺，使其成为目前世界上价格最贵的保温材料。图1-2所示为气凝胶与传统保温材料的市场价格比较。仍以AIC为例，1m3AIC由于气凝胶的掺加而增加的成本将高达 480~2880EUR，这在建筑工程领域是难以接受的成本价格。（3）虽然疏水型气凝胶可以降低保温材料制品的吸水率，但却导致气凝胶与无机水泥浆体混合时容易出现上浮、团聚、相容性变差等问题[40]，从而使得气凝胶水泥基复合材料在骨料-基质界面过渡区产生明显的间隙[32]，并进一步降低了气凝胶水泥基复合材料的强度。图 1-2 气凝胶与传统建筑保温材料市场价格比较Fig.1-2 Comparison of costs between the aerogels and traditionnal theremal insulation materials为解决气凝胶高成本、低强度的问题，国内外学者对气凝胶的合成制备技术[44-46]和气凝胶的增强增韧技术开展了相关研究[42-43,47-50]。无机 SiO2气凝胶制备原材料价格相对便宜，制备技术较为成熟，成为广泛研究和应用的一类气凝胶。Carlson 等人[51]研究表明
图 1-3 气凝胶膨胀珍珠岩的合成示意图Fig.1-3 Schematic diagram of the synthesis of AEP我国绿色建筑和建筑节能发展的迫切需求，解领域存在的问题，本研究从骨料创新入手，以气凝胶为填充体，制备合成一种新型高性能保工艺、微观特征、物理力学性能，以及 AEP 在统研究，期望从理论和实践上解决 AEP 的制题。本研究为气凝胶在建筑节能领域的应用提展提出了新的方向，具有重要的科学意义和社省人才专项（优秀人才科技创新）项目“高性及应用（201605D211017）”的资助，并获得授方法（ZL 201610020100.X）[63]。
本文编号：2877471
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528;TU551.34
【部分图文】：
建筑节能领域带来的发展机遇米保温材料——气凝胶（Aerogel）的出现为建筑节能领域带来决传统保温材料存在的诸多问题提供了可能。自 1931 年 Kistle气凝胶优异的性能就引起了各研究领域浓厚的兴趣[35-36]。由三维纳米颗粒骨架（骨架颗粒粒径 2~5nm）和纳米级孔洞（成的一种多孔材料，这使气凝胶具有很高的比表面积（500~129.9%），以及很小的密度（3~350kg/m3）[37-39]。图 1-1 所示为气结构示意图。由于气凝胶特殊的纳米结构有效限制了固态热传 射 ， 使 其 具 有 比 空 气 （ 0.025W/(m·K)[37]） 还 要 低 的 /(m·K)[32]。此外，气凝胶也是优良的声阻抗材料（声波传防火材料[38-39]。这些突出的特点使得气凝胶成为一种兼具保温功能材料[40]。
（1.2MPa）仅为普通混凝土抗压强度（60MPa）和抗拉强度（7.5MPa）的 13.8%和 16%。（2）气凝胶昂贵的原材料和复杂的合成、干燥工艺，使其成为目前世界上价格最贵的保温材料。图1-2所示为气凝胶与传统保温材料的市场价格比较。仍以AIC为例，1m3AIC由于气凝胶的掺加而增加的成本将高达 480~2880EUR，这在建筑工程领域是难以接受的成本价格。（3）虽然疏水型气凝胶可以降低保温材料制品的吸水率，但却导致气凝胶与无机水泥浆体混合时容易出现上浮、团聚、相容性变差等问题[40]，从而使得气凝胶水泥基复合材料在骨料-基质界面过渡区产生明显的间隙[32]，并进一步降低了气凝胶水泥基复合材料的强度。图 1-2 气凝胶与传统建筑保温材料市场价格比较Fig.1-2 Comparison of costs between the aerogels and traditionnal theremal insulation materials为解决气凝胶高成本、低强度的问题，国内外学者对气凝胶的合成制备技术[44-46]和气凝胶的增强增韧技术开展了相关研究[42-43,47-50]。无机 SiO2气凝胶制备原材料价格相对便宜，制备技术较为成熟，成为广泛研究和应用的一类气凝胶。Carlson 等人[51]研究表明
图 1-3 气凝胶膨胀珍珠岩的合成示意图Fig.1-3 Schematic diagram of the synthesis of AEP我国绿色建筑和建筑节能发展的迫切需求，解领域存在的问题，本研究从骨料创新入手，以气凝胶为填充体，制备合成一种新型高性能保工艺、微观特征、物理力学性能，以及 AEP 在统研究，期望从理论和实践上解决 AEP 的制题。本研究为气凝胶在建筑节能领域的应用提展提出了新的方向，具有重要的科学意义和社省人才专项（优秀人才科技创新）项目“高性及应用（201605D211017）”的资助，并获得授方法（ZL 201610020100.X）[63]。
本文编号：2877471
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