1、高性能微孔水泥保温板的研制与应用王洪镇 （西北民族大学土木工程学院 甘肃 兰州 730030）摘要：本文介绍了高性能微孔水泥保温板的材料组成、生产工艺技术、微观结构特点和热工及防火性能。阐述了其作为高性能建筑保温系统的应用构造作法。关键词： 微孔水泥保温板 物理化学复合制泡 高效保温与防火 与建筑同寿命Development and application of high-performance micro foam cement insulation boardWANG hong-zhen （School of Civil Engineering, Northwest University
2、for Nationalities，Lanzhou 730124，china）Abstract：This article describes the composite material , microstructure characteristics , production technology and product performance of insulation and fireproofing performance. Elaborate decoration of its building insulation construction practices in the app
3、lication of integrated system.Keyword：micro foam cement board；physical chemistry composite froth ；high-performance insulation and fireproofing；with construction the same duration0 前言近年来因保温材料引发建筑物火灾事故频发，国家在大力提倡节约资源和建筑节能的同时，日益重视对民用建筑保温材料的消防监管。公安部连续发布了规定和通知，要求建设工程必须采用燃烧性能为 A 级的保温材料。同时为了实现建筑外保温系统与主体结构同寿
4、命，避免二次资源浪费，亟需研发应用具有高效保温和防火性能及体系耐久性满足同寿命要求的建筑保温材料。针对目前国内外普遍采用的无机保温材料存在的保温性能差，粘结强度低的不足，我们研制开发了各项性能优良的高性能微孔水泥保温板（以下简称微孔水泥板） 。本文主要介绍该型微孔水泥保温板的材料组成、配合比、性能指标、微观结构特点和生产工艺技术及其建筑外保温系统的构造和作法。微孔水泥保温板以水泥为胶凝材料形成水泥石基体，短切纤维增强整体柔性和抗裂性，通过物理化学方式在水泥石基体中引入大量微小、均匀、稳定的微小气泡，通过特定的外加剂提高微小气泡的封闭性和保温及憎水效果，并经特殊工艺制成一种具有高效保温和防火性的
5、新型多功能保温隔热材料，在建筑物适用的厚度条件下满足较高的（第三步65%）建筑节能要求。其仅在微孔水泥石中引入少量的纤维和外加剂，且均匀地分散在水泥中，故产品的燃烧性能为 A 级。同时，其自身的水泥石质基体与粘结砂浆亲和性良好。不存在诸如泡沫玻璃与水泥砂浆粘结层化学腐蚀问题和岩棉等无机纤维软质保温材料和水泥砂浆粘结不牢靠的现象，可确保体系与建筑物同寿命。不但可用于建筑物外墙外保温还可用于屋面和地面保温。1. 原辅材料1.1 胶凝材料微孔水泥保温板制造工艺需采用一种大水灰比的流态料浆体浇注发泡成型。可采用普通硅酸盐水泥或硬硫铝酸盐水泥，普通硅酸盐水泥早强硬化较慢，但后期强度较高，生产成本也较低。
6、硫铝酸盐水泥凝结快、早期强度高，有利微孔的稳定形成。但由于该型水泥抗碳化能力较差，表面易起粉，一般要与普通硅酸盐水泥和矿渣粉复配成快硬型复合水泥使用。本研制试验用普硅酸盐水泥，采用祁连山牌 P.O42.5 普通硅酸盐水泥，其物理力学性能检测结果见表 1，符合 GB 175-1999 标准指标要求。祁连山 42.5 普通硅酸盐水泥性能检测结果 表 1抗折强度 MPa 抗压强度 MPa水泥品种 初凝/终凝 安定性（饼法）3d 28d 3d 28d祁连山水泥 2 h 22 min/3 h 56 min 合 格 4.0 7.1 18.7 45.2GB175-99 45min/10h 合 格 3.5 6
7、.5 16.0 42.5本研制试验用硫铝酸盐水泥，采用自主研发的 HF 早强快硬复合水泥，已获国家发明专利（ZL200510096428.1） 。其 HF-32.5 型水泥物理力学性能检测结果见表 2，符合兰州海锋建材科技有限公司企标早强快硬复合水泥Q/HF01-2006 标准指标要求。HF-32.5 早强快硬复合水泥性能检测结果 表 2抗折强度 MPa 抗压强度 MPa水泥品种 初凝/终凝 安定性（饼法） 1d 3d 28d 1d 3d 28dHF 早强快硬水泥 25 min/90 min 合 格 4.0 5.5 5.8 28.7 35.3 43.2Q/HF01-2006 25min/180
8、min 合 格 4.0 5.0 5.5 26.0 32.538.0.1.2 矿物掺合料的选用采用硅灰、粉煤灰、矿渣微粉可增强混凝土的密实性提高强度和耐久性，从而提高混凝土的抗冲磨性。本研制试验用粉煤灰采用兰州西固热电厂优质粉煤灰，其品质检测指标结果见表 3，满足 GB1596-91 标准对级灰的要求。西固热电厂粉煤灰性能检测结果 表 3技 术 指 标项 目 试 验 结 果细度（%） 12 20 45 14.8三氧化硫（%） 3 3 3 0.56烧失量（%） 5 8 15 6.6需水量比（%） 95 105 115 1031.3 增强纤维选用 9mm 长无机矿物与聚丙烯短切复合纤维，经采用自行研
9、制的高效分散剂处理后，具有很好的分散性，可均匀分散于彩色混凝土中减小干缩，提高抗裂性。本试验采用兰州海锋公司 HFPP 聚丙烯纤维和兰维公司聚丙烯睛纤维两种纤维。它们的物理力学性能见表 4。选用的 9mm 纤维，经采用自行研制的高效分散剂处理后，具有很好的分散性，可均匀分散于轻集料微孔混凝土中。纤维的主要技术参数 表 4名 称 材料 长度/mm直径/m比重/kg/m3抗拉强度/MPa弹性模量/MPaHFPP 聚丙烯 19 9 0.91 276 3793兰维 聚丙烯腈 6 13 1.18 910 171001.4 微孔发泡剂非烧结无机材料发泡技术，目前国内外主要采用有物理法和化学法两大类。物理法
10、主要是将泡沫剂水溶液通过压缩空气或高速搅拌等物理方式预先制备成微小的泡沫，再将其与搅拌好的水泥胶凝材料浆体，搅拌混合均匀成料浆，硬化后形成微孔水泥石基体；化学法是将发泡剂与水泥基材料一起混合搅拌均匀制成料浆，在水泥浆体稠化初凝前，通过发泡剂的化学反应产生气体在浆体中形成气泡，使料浆逐渐膨胀而形成泡沫状水泥石基体。物理法发泡时，泡沫剂性能影响很大，为此我们对市售不同品种的引气发泡剂进行了起泡高度、气泡直径、气泡形态、消泡时间等性能的测试和观察。优选出两种国产泡沫剂兰州 HFPM 和河南 CHPM 用于试验研究。 性能见表 5 高效微泡剂主要技术性能指标 表 5项目 兰州 HFPM（液体）河南 C
11、HPM（液体）北京 PM（液体）北京 PM（粉剂）美国（液体）日本（粉剂）泡沫高度/mm 18.6 18.6 15.7 11.2 16.8 17.5消泡时间/min 46 32 17 15 36 35泡径形态 细小 细小 较细 较粗 细小 较细化学发泡采用的发泡剂通常为金属类，如铝粉、锌粉等造价较高；和非金属类，如双氧水、碳化钙等。双氧水造价低廉，反应较快，较易控制。本研制试验采用双氧水为化学发泡剂，品质为市售工业级，浓度27%。并采用金属化合物作为引发剂。同时为协调解决微孔水泥保温板水泥石中微孔的形成、料浆稳定性和流动性，提高制品的强度和防水性。还应使用早强促凝剂、稳泡剂、憎水剂和减水剂等。
12、1.5 拌合水水灰比对料浆的粘稠度、流动性及强度影响十分显著。水的温度直接影响化学发泡的效果，冬季生产须用热水。2. 生产工艺关键技术研究2.1 发泡方式的确定本研制所作大量试验表明：采用物理发泡方式，水泥石中微孔孔径细小 0.251mm，闭孔率高，如图 2（b）所示。制品保温性能好，但浇注后料浆易塌模，对发泡剂稳定性要求很高，同配合比条件下使用不同品种的泡沫剂，料浆容重对浇注高度影响很大。200 230300350 380 390 390120 150200250 260 280300050100150200250300350400450200 300 400 500 600 700 800
13、料 浆 容 重 kg/m3浇注高度mm 兰 州 HFPM河 南 CHPM图 1 最大浇注高度-料浆容重关系如图 1 所示，随着泡沫剂引入量的增加，料浆容重减小，浇注后料浆稳定性变差，最大浇注高度下降。为获得较好的保温性，微孔水泥板的料浆容重尽可能要小，一般为250kg/m3，制品干容重为 160kg/m3 左右。此时最大浇注高度仅为 200mm。模具效率低下，无法较好的满足大规模生产的工艺要求。采用物理发泡法时应选择快硬硫铝酸盐水泥为胶凝材料，提高浆体稠化硬化速度，才能满足稳定浇注的要求。而采用化学发泡方式，水泥石中泡沫孔径粗大 35mm，闭孔率低，如图 2（a ）所示。同容重条件下制品保温性
14、能较差，但浇注后料浆逐步发气，稳定性较好，浇注后发气高度大。不易塌模。（a）化学发泡孔 （b）物理制泡孔图 2 物理法和化学法制泡泡径对比研究表明：微孔水泥保温板采用物理化学复合发泡工艺，先在料浆中引入部分细小的微孔泡沫，可显著增加料浆的粘聚度，增加浆体稠度，降低化学发气的初始密度，从而减小料浆内部的对发气存在的压力，有利于化学发气气泡的长成，避免纯化学发泡条件下造成气泡合并变大和逸出现象。最终形成孔径细小的微孔水泥石基体。同时，仍可获得较高的发气高度，提高生产效率。与同容重纯化学发泡制成的产品相比，导热系数更低。2.2 工艺条件控制重点采用物理化学复合制泡工艺制造微孔水泥保温材料，通过浆体浇
15、注成型的过程实际是微孔泡沫引入，料浆体反应发泡和水泥胶凝材料凝结硬化的三个过程。物理法引入微泡的过程较易控制，泡沫的引入量由可测得的初始料浆容重反应出。预物理发泡有利于后期化学发泡的进行。而化学反应发泡量，虽取决于发泡剂的用量，但受到料浆流动度、和易性和温度等诸多因素的影响，不易控制。实际生产中发泡过程还必须与水泥凝结稠化过程协调步调一致，才能获得理想的微孔水泥基体。试验表明：双氧水发泡剂在碱性条件下，通过催化引发，78min 内发气达到最大值，1015min 发气反应趋于结束。故应对水泥胶凝材料调凝，使水泥的初凝在 20min 开始，之后迅速稠化和硬化。才能避免发气快，凝结稠化慢，料浆体内形
16、成的微孔泡沫因不能及时固结，承受不住压力而塌陷和逸出；同时也要避免调凝过快，造成凝结稠化快，发气慢，料浆体发气膨胀高度不够，使产品容重过高，影响保温性能。总之，只有通过配合比设计和工艺参数的确定，控制协调好几个过程的关系，才能生产出高性能的微孔水泥保温材料。2.3 配合比的优化如上所述，配合比的确定是关键控制点之一。微孔水泥保温材料的研制是试验科学，必须通过大量的实际配制才能优化出适用的配方。以下是本研制的试验优化配合比之一，供参考。以干容重 160 级微孔水泥保温板为例：每立方米制品材料用量快硬水泥 110kg粉煤灰（一级干灰） 20 kg促凝剂 0.1 kg物理制泡剂 3kg双氧水 8kg
17、引发剂 5 kg短纤维 0.9kg憎水稳泡剂 3kg高效减水剂 0.5kg水灰比 0.6，水温 2030 度，控制料浆容重 500kg/m3，发气高度倍数 2。2.4 生产工艺流程微孔水泥保温板可采用先进的工艺技术以实现机械化大规模生产。2010 年我们为兰州海锋公司设计建成了年产 2 万立方米微孔水泥保温板生产线，在该生产线的设计中采用了移动式坯体成型模车、微机自控配料预物理发泡搅拌制浆、可控化学发泡分料浇注机、太阳能光电热辐射养护窑、自动脱模移坯吊机、自动多片切割机组、热塑膜包装机组等多项专利和自有工艺技术。实现了微孔水泥保温板的机械化规模生产，满足了市场对 A 级保温材料的需求，促进了其
18、在建筑保温工程的推广与应用。微孔水泥保温板生产工艺流程见图3图 3 生产工艺流程3.微孔水泥保温板性能及其建筑保温系统应用3.1 主要性能指标微孔水泥保温板技术性能指标见表 6表 6性能指标项目 单位超轻型 普轻型试验方法干密度 kg/m 200 300 GB/T 5486导热系数 W/(mk) 0.05 0.06 GB/T 10294抗压强度 MPa 0.30 0.40 GB/T 5486抗拉强度 MPa 0.13 0.13 JGJ144吸水率（V/V） % 10.0 10.0干燥收缩值 mm/m 0.80 0.80 GB/T 11969 快速法胶凝材料粉煤灰纤维水及外加剂微机自控配料 搅拌
19、制浆 物理预制泡化学发泡剂 移动坯体成型模车光电干热养护整体脱模堆放养护坯体自动多片切割成品热塑膜包装出厂清理组模喷涂隔离剂高速搅拌浇注机碳化系数 - 0.80 0.80 GB/T 11969软化系数 - 0.80 0.80 JGJ51燃烧性能测定：微孔水泥保温板属非燃烧体，依据建筑材料及制品燃烧性能分级GB8624-2006，测试评定为 A1 级。3.2 微孔水泥保温板热工计算微孔水泥保温板建筑保温系统的热工的设计计算可依据民用建筑热工设计规范（GB50176-93） 、 公共建筑节能设计标准 （GB50189-2005）和严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准 （JGJ26-2010）进行。微
20、孔水泥保温板在绝干状态下，具有较低的导热系数，虽具有一定的憎水性，但吸水后，其导热系数会增加，保温效果有所降低。如自产普轻型板经检测：干密度为 245 kg/m(绝干状态下)的导热系数为 0.0566 W/(mk)，体积吸水率在 8%时的导热系数为 0.0684 W/(mk)。因此，进行热工计算时应根据实际热工测试数据，考虑不利因素影响修正后，对其导热系数、蓄热系数设计值进行修正，修正系数的选取参照表 7 取值。微孔水泥保温板板的 c、Sc、修正系数值 表 7型号 干密度（/m3） c W/（mK） Sc W/（m2K）修正系数超轻型 200 0.05 0.91 1.20普轻型 300 0.0
21、6 1.07 1.20设计例如 200 厚剪力墙外贴 80 厚超轻型微孔水泥保温板墙体（双面计 15mm 水泥砂浆，计内外表面换热阻 0.15 m2.K/W） ，算得墙体主断面传热系数 0.61w/m2k，可能满足国家寒冷地区居住建筑 65%节能对 9 层以上建筑外墙围护结构传热系数0.7w/m 2k 的限值要求，说明微孔水泥保温板热工性能良好，适用于寒冷地区建筑外墙外保温工程。3.3 微孔水泥保温板墙体保温系统基本构造作法微孔水泥保温板建筑保温系统的基本构造和作法如图 4 所示， 图 4 微孔水泥保温板建筑墙体保温系统基本构造墙体外保温工程应用 防火隔离带工程应用3.4 微孔水泥保温板施工要
22、点进行外墙粘贴施工时，微孔水泥保温板铺贴之前应清除表面浮尘。粘贴施工应从首层开始，并距勒脚地面 300mm 处弹出水平线，用 1：3 水泥砂浆并按照要求添加一定的防水剂，粉刷和微孔水泥保温板相同厚度的防水层做托架，干固后自下而上沿水平方向横向铺贴微孔水泥保温板板，上下排之间微孔水泥保温板的粘贴应错缝 1/2 板长。微孔水泥保温板与基层墙体粘贴采用满贴法粘贴，粘贴时用铁抹子在每块微孔水泥保温板上均匀批刮一层厚不小于 3mm 的粘结砂浆，粘贴面积应大于 95%，及时粘贴并挤压到基层上，板与板之间的接缝缝隙不得大于 1mm。 由于微孔保温板自重相对聚苯板等较大，外贴时，如图 4 所示，应采取支托措施
23、和机械固定措施。防火隔离带施工：用微孔水泥保温板做防火隔离带时，防火隔离带采用粘结剂满贴。面层施工做法（含锚栓）同外贴微孔水泥保温板面层做法相同。结语微孔水泥保温板防火性能卓越，与水泥砂浆粘结性好，生产工艺技术适合工业化规模生产，制品热工性能指标卓越，其建筑保温墙体系统施工快捷粘结牢靠，耐久性可与建筑主体同寿命，适宜厚度条件下可满足国家第三步（65%）建筑节能目标要求。是目前同时可满足 A 级防火、高效保温及同寿命要求的较理想产品。参考文献：1 李福昌，王树茜. 粉煤灰发泡保温材料制品的研究J 粉煤灰综合利用，1998.12 朱洪波，王培铭，张继东.一种新型加气混凝土发气材料J. 建筑材料学报, 2011.43 耿承达. 粉煤灰水泥发泡保温材料的研究与应用J . 房材与应用，2000.2作者基本情况表姓名 王洪镇 性别 男 籍贯 河北 国籍 / 民族 中国 /汉 出生年月 1967-11 职称 教授专业 复合材料 Email L工作单位 西北民族大学土木工程学院 职务 /联系电话 13609369962 传真 0931-2927956通信地址 兰州市城关区自由路第一新村 15 号民泰公寓 4-801 室邮编 730030研究方向 主要从事新型节能墙材和特种混凝土的研发毕业院校 武汉工业大学西安建筑科技大学
