[01538009]高性能水泥基建筑节能材料微结构设计与性能调控

性能优良的建筑节能材料可控制建筑围护结构内外热交换,降低温控设备使用频率,提高能源使用效率,被认为是实现建筑节能的关键举措之一。然而,广泛应用的有机节能材料节能能力强,但是存在防火问题,即使经过阻燃改造,消防隐患仍难以消除;矿物棉、气凝胶、泡沫玻璃、泡沫陶瓷等无机保温隔热材料又存在危害人体健康、工艺复杂、能耗高等一种或多种问题。水泥基建筑节能材料因轻质、防火、安全、固碳、工作性可调、生产制造利废等优点,在节能、安全防火、环保、施工、成本等方面综合表现均衡,是目前最有潜力取代现有节能材料大规模应用,降低建筑能耗的节能材料之一,但仍存在轻质高强与低导热系数难以协同的问题,制约了其在建筑节能的应用。在四川省科技厅支持下,从高性能水泥基建筑节能材料微结构设计和性能调控方面开展基础科学研究,引入微纳米科学理论与技术手段,以微结构设计、构筑实现气孔结构微纳化、表/界面微结构强化,从而调控高性能水泥基建筑节能材料保温隔热、力学等性能。 在微结构设计和构筑方面：基于膨润土中主要矿物蒙脱石,在富水环境中充分水化,形成大量纳米片,与水泥基材料复合后,存在于水泥基材料内,充分切割细化毛细孔,形成大量的微纳米结构和表界面;蒙脱石纳米片与水泥水化产物的相互作用,强化微结构和界面,避免了干燥对微结构的破坏,构筑出微纳米孔结构和丰富的表界面。基于此,明确了气孔结构微纳化、表界面微结构构筑与强化机理,也形成了基于预饱和膨润土的水泥基材料微结构构筑新方法。在此方法基础上,制备了水泥基材料,研究了孔结构、表界面微结构对材料导热系数和力学性能的影响,明确了微纳米孔结构对保温隔热、力学性能的影响机制。在微结构构筑方法基础上,制备了体相材料,系统研究了膨润土料浆体积掺量、水灰比、膨润土粒径、纳米二氧化硅成孔剂、气凝胶、纳米硅改性预饱和膨润土、地聚合物取代水泥、快速养护等方式对水泥基建筑节能材料体相结构、微结构影响,获取了影响规律,并同时明确了孔结构和表界面微结构形成和演化机理,获取了以纳米硅改性、膨润土粒径调控等系列高效调控体相材料微纳米结构的方法,实现了体相材料可控制备。在体相可控设计制备的基础上,开展了微结构与体相材料性能关系研究,获得了纳米微结构与材料力学强度和导热系数的数学关系,明确了纳米微结构强化体相保温隔热性能、力学性能原理,并由此开发了高性能水泥基建筑节能材料产品,其导热系数低于同密度水泥基多孔材料导热系数20%以上,强度高于同密度的水泥基多孔材料100%以上。 基于蒙脱石纳米片,以微纳米科学理论与技术为指导,以微结构设计、构筑实现气孔结构微纳化、表/界面微结构强化,调控高性能水泥基建筑节能材料保温隔热、力学等性能,明晰水泥基建筑节能材料微结构与宏观性能关系,实现高性能水泥基建筑节能材料高效保温隔热与轻质高强、防火阻燃的功能协同,具有一定的创新性。 高性能水泥基建筑节能材料微纳孔结构、表/界面微结构的可控构筑方法,提高了现有制备工艺的可靠性和可控性,为高性能水泥基建筑节能材料的规模化生产、高质高效建筑节能应用奠定科技基础;而且研究还揭示了高性能水泥基建筑节能材料微结构和性能关系基本规律,可为微结构设计和性能调控提供理论依据,从而为水泥基建筑节能材料的绿色化和高性能化设计、制备提供新方法和新技术。另外,开发的高性能水泥基建筑节能材料,一方面将加速传统高能耗、高消耗建材工业的绿色化转型和高端升级,从而助力工业节能减排;另一方面也将为绿色建筑、超低能耗建筑的发展提供关键高性能节能材料及产品,大幅降低建筑能耗,提高能量使用效率。