摘 要

本文介绍了建筑节能的概念、建筑节能具体措施、影响因素及其应用。目前市场上主要有机保温隔热材料和无机保温隔热材料。有机保温材料大都不耐火，存在安全隐患，所以，无机保温材料逐渐成为建筑节能的主要保温材料，其原料广泛、强度高、稳定性好、耐火性极佳，主要有水泥基保温材料，发泡混凝土，保温型石膏材料等。但是，无机保温材料的导热系数与有机保温材料相比较高，其保温性能有待提高。本课题主要研究高性能水泥基保温隔热材料，以硫铝酸盐水泥和PO52.5水泥为胶凝材料，以膨胀珍珠岩、玻化微珠为轻质骨料，通过加入可分散性乳胶粉，引气剂和增强纤维，进行水泥基保温材料的改性研究。经改性后，制品性能如下：密度为512.6 kg/m³、28天抗压强度为2.80MPa、热导率为0.0860 W/（m·K）。

研究结果表明：采用改性后膨胀珍珠岩与玻化微珠为轻质骨料；使用硫铝酸盐水泥与PO52.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料；可分散性乳胶粉与引气剂作为外加剂，使用聚丙烯纤维（PP棉）作为增强纤维，可制备出性能合格的保温隔热材料。最佳配比为：轻质骨料的体积占比为60%，改性后膨胀珍珠岩的占轻质骨料的体积比为67%；可分散性乳胶粉的掺量为2%；聚丙烯纤维掺量为0.2%；引气剂的掺量为0.2%；水灰比为0.75。

关键词：保温隔热材料；水泥；轻质骨料;正交实验

Abstract

This paper introduces the concept of building energy saving, concrete measures of building energy saving, influencing factors and its application. At present, the main market organic insulation materials and inorganic insulation materials. Most of the organic insulation materials are not fire-resistant, and there are hidden dangers to safety. Therefore, inorganic insulation materials are gradually becoming the main insulation materials for building energy conservation. They have a wide range of raw materials, high strength, good stability, excellent fire resistance, and mainly cement-based insulation materials. Foamed concrete, thermal insulation gypsum, etc. However, the thermal conductivity of inorganic insulation material is higher than that of organic insulation material, and its thermal insulation performance needs to be improved. This paper mainly studies the high performance cement based insulation material, using sulphoaluminate cement and PO52.5 cement as cementitious material, expanded perlite and vitrified microbeads as lightweight aggregate, by adding dispersible latex powder, air entraining agent and reinforced fiber. The modification of cement-based thermal insulation material was studied. The properties of the modified products are as follows: the compressive strength of the product is 2.80 MPA for 28 days with a density of 512.6 kg/m³, and the thermal conductivity is 0.0860 W/（m·K）.

The results show that modified expanded perlite and vitrified beads are used as lightweight aggregates; sulphoaluminate cement and PO52.5 ordinary Portland cement are used as cementitious materials; dispersible latex powder and air-entraining agent are used as admixtures, Using polypropylene fiber (PP cotton) as reinforcing fiber, the thermal insulation material with qualified properties can be prepared. The optimum proportion is as follows: the volume ratio of lightweight aggregate is 60, the volume ratio of modified expanded perlite is 67, the content of dispersible latex powder is 2, polypropylene fiber is 0.2 and the air entraining agent is 0.2 and water / cement ratio is 0.75

Key words: thermal insulation material；cement；lightweight aggregate; Orthogonal experiment

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 建筑节能的概念 1

1.1.2 建筑节能措施 1

1.1.3 建筑节能的发展状况 2

1.1.4 建筑节能的重要性及课题意义 2

1.2 国内外保温隔热材料发展现状 3

1.2.1 国外保温隔热材料发展现状 3

1.2.2 国内保温隔热材料发展现状 4

1.3 保温材料种类 4

1.3.1 有机保温材料 4

1.3.2 无机保温材料 5

1.4 课题研究的主要内容 7

第2章 原材料与制备工艺 9

2.1 原材料 9

2.1.1 轻质骨料 9

2.1.2 胶凝材料 11

2.1.3 改善剂——可分散性乳胶粉 11

2.1.4 引气剂 12

2.1.5 增强纤维 12

2.2 保温材料的制备 12

2.2.1 成型与制备 12

2.2.2 性能测试 14

2.3 本章小结 15

第3章 水泥基保温材料制备的正交实验 16

3.1 正交实验前准备 16

3.1.1确定影响因素 16

3.1.2基础实验 16

3.2 水泥基保温材料的正交实验设计 17

3.2.1 正交实验介绍 17

3.2.2 正交实验的因素与水平数目 17

3.3 结果与分析 21

3.3.1 影响干密度的因素 22

3.3.2 影响强度的因素 22

3.3.3 影响热导率的因素 23

3.3.4 玻化微珠（A因素）最佳比例 24

3.3.5 可分散性乳胶粉（B因素）最佳掺量 24

3.3.6 最佳增强纤维种类（C因素） 25

3.3.7 最佳增强纤维含量（D因素） 25

3.3.7 最佳引气剂掺量（E因素） 26

3.3.9 最佳水灰比（F因素） 26

3.4 正交实验最佳配比 27

3.5 正交实验验证与优化 27

3.5.1 正交实验验证 27

3.5.2 正交实验优化 28

3.5.3 分析与讨论 28

3.5 本章小结 28

第4章 结论与建议 30

4.1 结论 30

4.2 建议 31

4.2.1 优化工艺 31

4.2.2 改进原材料配比 31

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 建筑节能的概念

自工业革命以来，能源的消耗量日益增加，能源问题日益凸显，能源危机、全球气候变暖以及能源问题带来的一系列生态问题等，这些都是当下所面临的世界性难题。目前，解决方案有新能源的开发与能源的节约利用。在新能源的开发上，还处于瓶颈期，如太阳能、风能的利用率低，能源的供给性较差以及受地域、天气影响较大，很难大规模的应用。所以提高能源的利用率是当下解决能源问题最有效、最快捷的方式，同时能源节约利用对于未来也具有重大意义。在此基础上，各行各业确立了以节约能源为目标的能源战略，以此为背景，在建筑行业开始提出建筑节能的概念^[1]。

建筑节能是指在进行工程建设的过程中，发挥建筑材料与建筑工艺的优点，进行能源上的节能减排，减少建筑能耗。根据国际通用定义，建筑能耗是指各种建筑在使用过程中能耗，包括建筑的采暖、通风、空调、照明、给水排水、家用电器、电梯等。据国能源组织调查显示：建筑能耗占全球能源消耗的30%以上，接近于三分之一，这无疑是一项巨大的能源消耗，因此，建筑节能具有重大意义。

1.1.2 建筑节能措施

建筑节能主要从以下三个方面考虑：

第一：建筑本身选址、空间位置上的节能，就中国大部分地区的房屋建筑来说，房屋坐北朝南，注意利用气候因素来进行建筑节能。

第二：建筑结构上的节能，对于房屋的围护结构来说，注重门窗的搭配，墙体的厚度以及使用保温材料来进行建筑节能，这种节能手段是建筑节能中最重要的节能措施，约占建筑节能的40%，特别是保温隔热材料的应用，使整个建筑的能耗下降约30%。

第三：建筑在使用过程中的节能,主要是运用各种节能电器来进行节能。

综上所述，最有效的建筑节能手段是保温材料的应用，这种节能方式是目前各国优先发展的节能措施^[2]。

1.1.3 建筑节能的发展状况

自能源危机以来，各国都相继开展了能源战略，特别是在建筑节能上，投入了大量的人力物力。特别是北欧地区，由于天气严寒，冬季漫长，在冬季时需要大量的能量用于供暖，所以在北欧地区，供暖消耗了大量的能源。因此，北欧地区优先使用大量的保温材料，同时加宽墙体的厚度来减少供暖能源的消耗，特别是保温材料的大量使用，可以节约大量能源。同样在美国、法国、日本等发达国家也相继开始了以保温材料为主要节能措施的建筑节能计划^[3]。并取得了一定的效果。

相较于国外，我国的建筑节能起步较晚，远远落后于发达国家。但我国已经注意到在发展的同时，要实现可持续发展，因此，在建筑节能上采取三步走的节能战略。

第一步：1980年到1986年，是建筑节能的探索阶段，这一时期的目标是节能30%；

第二步：1987年到2005年，开始建筑节能的具体实施阶段，开发节能技术，探究新型保温材料，进一步提高节能的百分比，制定一系列的节能标准，如《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》和《公共建筑节能设计标准》等标准，明确地提出了节能要达到50%。

第三步：2005年至今，在第二步的基础上，继续开发新型保温材料，节能达到65%^[3]。

1.1.4 建筑节能的重要性及课题意义

能源是制约世界经济发展的重要因素，因此，必须要进行能源的合理利用，实现人类的可持续发展。自工业革命以来，能源的不合理使用带来了许多环境问题，使世界各国深受其害。为此，我们必须实行能源节约计划，建筑节能由于在能源消耗方面占有巨大比重，理所当然成为人们首要考虑的领域。建筑节能的实施，对于世界各国，特别是对于我国具有重大意义：

（1）我国正处于高速发展阶段，建筑的年建造量居高不下，所以，建筑节能各种技术手段的应用，可以节约大量能源。

（2）我国人口众多，目前，我国人口总量约14亿，约占世界人口总数的五分之一，但是我国的资源匮乏，人均能源占有量不足世界的40%，所以，建筑节能在能源节约方面具有重大意义。

（3）建筑节能可以减少能源消耗，从而减少二氧化碳的排放量，有利于我国完成节能减排的战略目标，也可以为世界节能减排做出贡献。

（4）在经济方面，建筑节能有利于减少建筑使用过程的成本，有利于经济的可持续发展，与我国的可持续发展战略相契合。

综上所述，研究保温隔热材料的制备及性能优化，对节能降耗、可持续发展，十分重要。

1.2 国内外保温隔热材料发展现状

据调查，建筑能耗约占总能耗的30%以上，随着世界经济的发展，人们生活水平的提高，人们对于建筑的需求量增加，这一数据必然还会上升^[4]。因此，建筑节能及其重要。建筑节能最有效的措施是在建筑的外墙结构、屋顶等结构使用保温隔热材料。保温隔热材料可以大量的节约能源，使建筑更加宜居，提高房屋的舒适度，同时可以降低建筑的运行成本，具有较好的经济效益。所以，各国都积极发展保温隔热材料，特别是能源危机以后，各国都纷纷关心能源问题，这使保温隔热材料得到迅速发展。

1.2.1 国外保温隔热材料发展现状

由于经济、技术等原因，国外保温隔热材料的起步较早，早在上世纪70年代能源危机以后，国外，特别是发达国家以建筑节能为核心开始了保温隔热材料的研究工作，提出了保温材料的各种方向，制定了一系列标准，并在建设过程中强制实施。

例如：欧洲国家早在70年代开始，就制定了新的节能标准，并在新建建筑中执行，同时对于使用保温材料的建筑给予相应的补贴。例如，瑞典对于使用保温材料的建筑给予30%的补贴。美国曾颁布法令，要求全国建筑90%以上要使用保温材料，以减少能源消耗，以应对能源危机以及能源问题所造成的气候变化^[5]。

进入到21世纪，能源问题更加突出，各国对于能源节约更加重视，建筑节能中保温材料的发展的战略地位进一步提升。欧美国家研制了性能更为优良的保温材料，以及用于建筑的以保温材料为核心的保温系统。

保温材料在发展的历程中，主要有有机保温材料、无机保温材料，有机无机复合保温材料。保温体系有有机夹层保温体系，保温砂浆外墙保温系统等。以保温砂浆为主要材料的保温系统具有强度高、耐火性好、耐久性好、稳定性强的优点，但同时，受限于保温砂浆本身的导热系数比有机保温材料高，保温效果不及有机保温材料。

近年来，美国科学家研制出有一种发泡水泥浆料的多相复合保温材料，这种材料通过有机、无机复合，加入天然橡胶、玻璃纤维、纳米陶瓷组成的一种多相复合结构，保证保温材料的低导热系数的同时，其力学性能和防水性能大大提高。虽然这种保温材料价格昂贵，但是在经济发展程度较高的美国来说具有一定的使用价值^[6]。

1.2.2 国内保温隔热材料发展现状

由于我国的经济起步较晚，建筑节能的起步也就相对较晚，所以我国的保温材料的发展时间与国外相比晚了20年左右，保温材料的研究成果也与发达国家有较大的差距。我国于上世纪80年代开始注意能源问题，并开始了建筑节能三步走战略：1986年实施节能30%；2000年实现50%节能；从2005年起，北京等发达地区开始推行65%的第三步节能战略，到2010年，全国新建建筑争取三分之一以上要达到绿色建筑和节能建筑标准。到2020年，通过进一步推广绿色建筑和节能建筑，使全社会建筑的总能耗能够达到节能65%的总目标^[7]。

建筑节能三步走战略极大的推进了保温材料的发展，我国也逐步开始了保温材料的研究与标准的制定工作，从80年代开始，我国通过借鉴国外成熟的标准规范，并结合我国国情，开始对于保温材料的尺寸、技术规格、性能指标等制定标准，这样一来，极大地促进了保温材料的发展。自此，我国开始了保温材料的研制与应用。岩矿棉、玻璃棉、泡沫塑料、硅酸铝纤维、膨胀珍珠岩等保温材料逐渐进入市场。

到了21世纪，经济快速发展，也推动了保温保温材料的研发进程，许多企业与高校、研究院合作，共同研发，推广保温材料的应用。近年来，以玻化微珠为轻质骨料的保温砂浆体系的保温隔热材料引起了国内学者与企业的注意。

玻化微珠为轻质骨料的保温材料不仅导热系数低，而且是以水泥为结构，强度大大提高，同时稳定性、耐火性、密度都很优良，是很好的保温隔热材料。而且这种保温材料价格低廉，原料来源广泛，绿色节能，在我国具有很好的发展前景^[8]。

市场上的玻化微珠质量参差不齐，导致水泥基保温材料的保温效果不好。为此，国内许多学者都提出了自己的解决方案，例如浙江大学建筑工程学院钱晓倩提出在水泥基保温材料中加入发泡剂，是保温材料内部呈微小气孔结构，降低保温材料的热导率，从而提高材料的保温性能。

1.3 保温材料种类

1.3.1 有机保温材料

1. 聚氨酯：聚氨酯是一种有机保温隔热材料，结构为链状的氨基甲酸酯，市场上最主要的聚氨酯产品为硬质聚氨酯泡沫，这种聚氨酯泡沫具有导热系数低、密度小、化学性能稳定、耐水性极佳的优点，但同时，这种泡沫也存在着极大的缺陷，耐火性能不仅极差，而且属于易燃物，硬质聚氨酯泡沫的燃烧速度很快，并且在燃烧的过程中会放出的剧毒气体和大量的浓烟，对人们的生命财产安全造成重大的威胁^[9]。
2. 聚苯乙稀泡沫塑料：聚苯乙烯泡沫的主要原料为聚苯乙烯树脂，起保温作用是因为内部有大量的微型封闭空隙。这种泡沫塑料的保温性能很好，密度也很小，在上世纪80年代被用作保温材料，而且使用量比较大。但是这种保温材料与大部分保温材料一样，耐火性能很差，而且很难通过技术手段加以改进。为此，人们在聚苯乙烯泡沫塑料的基础上，开发出一种以聚苯颗粒为轻制骨料的保温砂浆，这种保温材料可以很好的解决聚苯乙烯泡沫强度低、易燃的缺点，其中，最为关键的是耐火性能大大提高^[10]。

但是这种保温材料仍有一定的不足之处：

第一：聚苯乙烯保温砂浆易开裂，脱落。这与施工条件有关，同时也是材料本身的缺陷，由于这是一种有机无机复合材料，在界面处的结合力不强，容易出现脱落的问题，导致强度、使用条件都很难满足实际要求。