為解決傳統(tǒng)保溫材料和氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用所存在的問題,本論文從骨料創(chuàng)新入手,提出以廉價膨脹珍珠巖(Expanded perlite,EP)為載體,SiO_2氣凝膠為填充體,制備合成一種新型復(fù)合保溫材料——氣凝膠膨脹珍珠巖(Aerogel-expanded perlite,AEP),使氣凝膠獲得載體EP保護的同時有效降低EP的導(dǎo)熱系數(shù),也使氣凝膠能夠應(yīng)用于水泥基材料,并進一步降低氣凝膠的使用成本。本論文對AEP的制備工藝及性能、AEP在水泥基材料中的應(yīng)用及對水泥基材料性能的影響機理,以及AEP保溫砂漿的制備及其在建筑節(jié)能應(yīng)用中的經(jīng)濟性等問題進行了系統(tǒng)研究,主要工作及主要結(jié)論如下:1.采用微觀表征和導(dǎo)熱系數(shù)試驗,研究了常壓干燥技術(shù)制備SiO_2氣凝膠各工藝階段變量對氣凝膠微觀特征和導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律,獲得了適用于AEP制備要求的SiO_2氣凝膠制備方法,制備的疏水SiO_2氣凝膠表觀密度≤130kg/m~3,導(dǎo)熱系數(shù)低至0.022W/(m·K)。2.對SiO_2溶膠黏度變化規(guī)律和EP對SiO_2溶膠吸附特征進行了研究,優(yōu)化了AEP的制備工藝。采用微觀表征方法以及導(dǎo)熱系數(shù)、顆粒強度和筒壓強度等試驗,對AEP的微觀特征、導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明:氣凝膠可以均勻地填充于EP的孔結(jié)構(gòu)中并與EP具有良好的化學(xué)兼容性;氣凝膠的填充改善了EP的微觀結(jié)構(gòu)和傳熱機制,從而使AEP具有典型的介孔結(jié)構(gòu)特征(比表面積171~250m~2/g,孔體積0.56~1.06cm~3/g)、良好的疏水性質(zhì)(質(zhì)量吸水率13.8%)、較低的導(dǎo)熱系數(shù)(0.030~0.041W/(m·K))和較高的筒壓強度(67kPa)。3.采用抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)試驗,以及微觀表征方法對AEP水泥基復(fù)合材料拌合物的工作性能、硬化后的物理力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和水化特征進行了研究。結(jié)果表明:硅烷偶聯(lián)劑KH550改性AEP或膠凝材料外摻纖維素醚HPMC可以改善AEP與水泥基質(zhì)的相容性;AEP水泥基復(fù)合材料抗壓強度與EP水泥基復(fù)合材料相當(dāng),但導(dǎo)熱系數(shù)降低了7.2%~28.5%;AEP的摻加不會影響水泥基質(zhì)的水化產(chǎn)物,但是載體EP潛在的火山灰活性增強了AEP與水泥基質(zhì)的粘結(jié)性,從而減弱甚至避免了氣凝膠對水泥基材料強度的不利影響。4.制備得到新型AEP保溫砂漿,并與EP保溫砂漿和氣凝膠保溫砂漿的物理力學(xué)性能和微觀特征進行了比較,結(jié)果表明:AEP保溫砂漿的最優(yōu)性能為干密度242kg/m~3,導(dǎo)熱系數(shù)0.0478W/(m·K),抗壓強度0.53MPa;采用AEP制備保溫砂漿可以有效避免氣凝膠對砂漿力學(xué)性能帶來的劣化影響;AEP保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率分別比EP保溫砂漿降低了26.6%和27.6%;AEP的疏水性質(zhì)以及由此產(chǎn)生的骨料-基質(zhì)界面過渡區(qū)的間隙對保溫砂漿的力學(xué)性能、耐水性和線收縮率具有消極影響。5.設(shè)計了AEP保溫砂漿外墻保溫系統(tǒng),基于全壽命周期分析方法對其經(jīng)濟性和環(huán)境效益進行了評價。結(jié)果表明:AEP保溫砂漿外墻保溫系統(tǒng)能夠滿足嚴寒和寒冷氣候區(qū)75%節(jié)能設(shè)計標準;AEP保溫砂漿系統(tǒng)的建造成本和LCC成本僅為氣凝膠保溫砂漿系統(tǒng)的17.6%~18.4%,是傳統(tǒng)無機保溫砂漿系統(tǒng)的4.33~6.33倍;全壽命周期內(nèi),建筑外墻采用AEP保溫砂漿系統(tǒng)比采用傳統(tǒng)保溫砂漿系統(tǒng)減少CO_2排放量22%~49%,節(jié)能減排效果顯著。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU528;TU551.34
【部分圖文】：

建筑節(jié)能領(lǐng)域帶來的發(fā)展機遇米保溫材料——氣凝膠（Aerogel）的出現(xiàn)為建筑節(jié)能領(lǐng)域帶來決傳統(tǒng)保溫材料存在的諸多問題提供了可能。自 1931 年 Kistle氣凝膠優(yōu)異的性能就引起了各研究領(lǐng)域濃厚的興趣[35-36]。由三維納米顆粒骨架（骨架顆粒粒徑 2~5nm）和納米級孔洞（成的一種多孔材料，這使氣凝膠具有很高的比表面積（500~129.9%），以及很小的密度（3~350kg/m3）[37-39]。圖 1-1 所示為氣結(jié)構(gòu)示意圖。由于氣凝膠特殊的納米結(jié)構(gòu)有效限制了固態(tài)熱傳 射 ， 使 其 具 有 比 空 氣 （ 0.025W/(m·K)[37]） 還 要 低 的 /(m·K)[32]。此外，氣凝膠也是優(yōu)良的聲阻抗材料（聲波傳防火材料[38-39]。這些突出的特點使得氣凝膠成為一種兼具保溫功能材料[40]。

（1.2MPa）僅為普通混凝土抗壓強度（60MPa）和抗拉強度（7.5MPa）的 13.8%和 16%。（2）氣凝膠昂貴的原材料和復(fù)雜的合成、干燥工藝，使其成為目前世界上價格最貴的保溫材料。圖1-2所示為氣凝膠與傳統(tǒng)保溫材料的市場價格比較。仍以AIC為例，1m3AIC由于氣凝膠的摻加而增加的成本將高達 480~2880EUR，這在建筑工程領(lǐng)域是難以接受的成本價格。（3）雖然疏水型氣凝膠可以降低保溫材料制品的吸水率，但卻導(dǎo)致氣凝膠與無機水泥漿體混合時容易出現(xiàn)上浮、團聚、相容性變差等問題[40]，從而使得氣凝膠水泥基復(fù)合材料在骨料-基質(zhì)界面過渡區(qū)產(chǎn)生明顯的間隙[32]，并進一步降低了氣凝膠水泥基復(fù)合材料的強度。圖 1-2 氣凝膠與傳統(tǒng)建筑保溫材料市場價格比較Fig.1-2 Comparison of costs between the aerogels and traditionnal theremal insulation materials為解決氣凝膠高成本、低強度的問題，國內(nèi)外學(xué)者對氣凝膠的合成制備技術(shù)[44-46]和氣凝膠的增強增韌技術(shù)開展了相關(guān)研究[42-43,47-50]。無機 SiO2氣凝膠制備原材料價格相對便宜，制備技術(shù)較為成熟，成為廣泛研究和應(yīng)用的一類氣凝膠。Carlson 等人[51]研究表明

圖 1-3 氣凝膠膨脹珍珠巖的合成示意圖Fig.1-3 Schematic diagram of the synthesis of AEP我國綠色建筑和建筑節(jié)能發(fā)展的迫切需求，解領(lǐng)域存在的問題，本研究從骨料創(chuàng)新入手，以氣凝膠為填充體，制備合成一種新型高性能保工藝、微觀特征、物理力學(xué)性能，以及 AEP 在統(tǒng)研究，期望從理論和實踐上解決 AEP 的制題。本研究為氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用提展提出了新的方向，具有重要的科學(xué)意義和社省人才專項（優(yōu)秀人才科技創(chuàng)新）項目“高性及應(yīng)用（201605D211017）”的資助，并獲得授方法（ZL 201610020100.X）[63]。

本文編號：2877471