摘要：针对在传统建筑外墙外保温材料中，有机保温材料阻燃性差、强度低，而无机保温材料保温效率不高、自重大等问题，为更好地满足节能建筑墙体保温、阻燃以及轻质高强等综合性能需求，将两种不同性能特点的保温材料进行复合应用是一种有效途径。结合相关研究成果，对有机/无机复合保温材料的研究进行了总结阐述，着重介绍了几种有机泡沫基与无机胶凝基复合保温材料。最后，在发泡材料、制备工艺以及绿色低碳等方面，对未来节能建筑墙体中复合保温材料的发展趋势提出了展望。
关键词：建筑墙体；外墙外保温；有机泡沫材料；无机胶凝材料；复合保温材料
当前，为更好地保护生态环境，实现可持续发展，我国大力推行低碳化建筑，并相应制定了“碳达峰”和“碳中和”的重大战略目标。然而，在我国各行业的能耗中，建筑领域的能耗占据了相当大的比重[1]，严重阻碍了“双碳”目标的顺利实现。因此，推行绿色节能的低碳化建筑是必然途径。传统的墙体保温方式包括内保温、夹心保温以及外保温。外墙内保温存在热桥效应，热损失较大；外墙夹心保温连接节点繁琐，且保温效率不高；而外墙外保温不存在热桥效应，整体保温性能优异，故得到了大量的应用。在外墙外保温技术中，外墙外保温材料是实现建筑节能的关键措施。在我国以往的保温材料选择中，主要包括有机泡沫塑料和无机泡体两大类。前者包括酚醛树脂、EPS和PU等保温材料，这类材料导热率低、自重轻，但易老化、易燃。后者包括泡沫混凝土、泡沫玻璃以及岩棉等材质[2]，这类材料阻燃性好、承载能力强，但保温性能相对较差，且生产过程能耗大，不利于低碳环保。综上所述，外墙外保温材料无论是单独采取有机泡沫塑料还是无机泡体，均存在不同程度的缺陷，难以满足当下墙体保温材料阻燃、承载能力强以及保温性能好的综合要求。因此，有必要将传统两类墙体保温材料进行优势互补，结合各自材料性能的长处，取长补短，研究开发新型的有机/无机墙体复合保温材料及工艺，从而制备出符合目前低碳节能建筑理念的墙体保温材料。本文就当前我国建筑墙体外墙外保温中新型复合保温材料的研究与应用现状进行阐述，并提出了未来的展望。
1有机泡沫基复合保温材料
1.1聚氨酯基复合保温材料
聚氨酯作为“第五大塑料”，具有低密度、低导热率、防水以及耐老化等特性，作为建筑保温隔热材料具有良好的适用性和极大的发展空间。聚氨酯的工业化应用始于20世纪50年代，之后得到了快速的发展与大量的研究[3-4]。但其作为一种高聚物，自身结构呈多孔性，具备易自燃的缺陷，且阻燃性能差，无法满足建筑材料防火的要求，故使用上受到一定的限制。为实现聚氨酯材料的更好利用，提高其阻燃性能是必经之途，故而聚氨酯基复合保温材料的制备与研究成为业界热点。罗凤姿[5]为提高聚氨酯材料的阻燃性能，尝试采用可膨胀石墨（EG）作为阻燃剂，并借助一系列措施探索了复合材料的燃烧性能。研究表明，添加可膨胀石墨有利于强化复合材料的阻燃与抑烟功能，15%掺量的EG能使材料的热释放速率降低为原先的1/20，每平方米的总烟释放量由836.7m2降低至23m2；同时，材料炭层结构得到改善，热稳定性提高，有毒有害气体的释放也得到有效控制。王振英等[6]基于膨胀石墨、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）等材料，分析了聚氨酯/PMMA发泡复合材料的保温与力学性能。研究指出，5%的PMMA微粒掺量下，PUR复合材料的导热系数为0.031W/(m•K)，极限氧指数为28.2%，PMMA微粒掺量提高至10%时，PUR复合材料的导热系数为0.033W/(m•K)，相应的极限氧指数为28.4%。研究表明，PUR（聚氨酯）/PMMA发泡复合材料不仅能有效隔绝噪声，而且保温性能良好、阻燃效果显著。对于聚氨酯基复合保温材料，当下主要是将聚氨酯与膨胀石墨、氧化铝气凝胶以及膨胀蛭石等无机材料进行复合，从而制得阻燃性能优异、导热率低的高效墙体保温复合材料。研究指出，膨胀石墨有助于强化阻燃性，氧化铝气凝胶能一定程度上提升复合材料的防火性能，而膨胀蛭石则能提升复合材料的阻燃功能。因此，实践中可根据具体工况针对性地选择需要复合的材料种类，从而高效提升聚氨酯基复合保温材料的综合性能。
1.2酚醛泡沫基复合保温材料
酚醛泡沫材料属于高分子有机硬质泡沫塑料，具有防火、无毒、导热率低、燃烧时不滴落、耐老化以及适用温度范围大等特性，但其韧性较差，在使用中易发生脆裂或粉化等不良现象，成为其在保温领域推广应用的瓶颈。近些年来，研究者试图将酚醛树脂与无机材料进行复合，在维持酚醛树脂保温性能好的前提下，强化其韧性与结构强度。宋丽霞等[7]将纳米碳材料作为掺加物，通过悬浮工艺制备了酚醛树脂/纳米碳复合保温材料。其中，该复合材料中所应用的纳米碳材料种类包括碳纳米纤维、碳纳米颗粒以及碳纳米管等。研究结果表明，相比于原始的酚醛树脂材料，酚醛树脂/纳米碳复合保温材料在具备良好的保温功能的基础上，力学强度与阻燃性能均获得了一定的提升；掺加碳纳米纤维复合而成的材料综合性能最佳，当掺加量为10%时，相应复合材料的弯曲强度达到约10MPa，热导率约为0.030W/(m•K)。陈亚丽等[8]将膨胀珍珠岩经过相应助剂的添加后，基于酚醛树脂基体，采取热压成型工艺制备了复合保温材料，并研究了复合材料性能的影响条件。研究认为，在复合材料制备过程中，最佳工艺参数为：控制酚醛树脂用量为40%，采取220℃的热压温度，并保压2h，固化剂用量取3%，压缩比为2.0。此时，膨胀珍珠岩/酚醛树脂复合材料的抗压、抗折强度分别为1.331、1.147MPa，导热系数为0.047W/(m•K)，表明该复合材料既克服了酚醛树脂韧性差、易掉渣的缺陷，又具备良好的保温功能。针对酚醛泡沫基复合保温材料，目前主要是将酚醛树脂与纳米碳材料、膨胀珍珠岩等无机保温材料进行复合，取得的主要研究结论为：将酚醛泡沫材料与其他无机材料复合后，材料保温性能、阻燃性能等均得到了保持，且力学性能获得一定的改善，但所得复合材料的密度增大，由此引起建筑外墙自重变大。因此，需要进一步研究降低复合材料的密度，以获得轻质高强、阻燃与保温性能优异的外墙外保温复合材料。另外，也可对酚醛泡沫材料进行改性处理[9]，包括掺加甘蔗渣纤维以及枣椰子纤维等各种纤维材料作为增强措施，从而克服酚醛泡沫材料韧性差的缺陷。
2无机胶凝基复合保温材料
2.1水泥基复合保温材料
水泥是土木工程领域最为重要的原材料之一，作为一种关键的无机胶凝材料，其能与水混合形成砂浆，并将砂、石等材料凝结固化，形成整体受力结构，发挥预期的力学性能。水泥基墙体保温材料凭借综合费用少、强度大的优势，在建筑保温领域得到大量应用，但其保温功效较差，且易吸水发潮。因此，研究者拟将其与有机材料复合，降低热导率，提升保温功效，并在制备过程中掺加一定量的防水剂，从而改善其易吸水发潮的弊端。王正洲等[10]基于聚苯乙烯发泡颗粒，考虑将膨胀蛭石置于颗粒表面处，并以环氧树脂使其粘结牢固，以此形成CEPS材料。在CEPS材料的基础上，另行添加一定掺量的水泥进行搅拌混合，制得复合泡沫材料。探讨分析了该复合材料的保温性能与防火机制。试验结果显示，无机化包覆聚苯乙烯颗粒掺加量为1000mL时，可制得低导热率、高强度的复合材料，其导热系数为0.0544W/(m•K)。另外，EPS颗粒的无机化包覆量越大，所得材料的总放热量与烟释放量均相应越低。娄冬等[11]将粉煤灰及其激活剂、轻骨料以及聚乙烯醇纤维等与水泥基材料混合，制备获得轻质水泥基发泡保温材料，并探讨了相应掺量对复合材料的性能影响。试验得出，粉煤灰掺量宜不大于30%，粉煤灰激活剂掺量为2.5%时效果最佳，轻骨料比率为24%时导热系数最为稳定，聚乙烯醇纤维掺量小于1%时，可显著提升材料的韧性与表面微观形貌。综上可知，水泥基墙体保温材料的复合条件可以为聚苯乙烯、聚乙烯醇纤维等有机材料，并重点研究各掺加物的掺量对于复合材料性能的影响方面。研究表明，适当的无机化包覆聚苯乙烯颗粒掺量有助于获得低导热率、高强度的复合材料，而聚乙烯醇纤维（或者微硅粉、叶纤维等）的掺入，可提升复合材料的韧性，改善其力学性能。
2.2石膏基复合保温材料
石膏作为一种重要的建材，在工业生产与建筑制品中应用广泛。石膏的主要化学成分为硫酸钙，根据脱水状况可有多种结晶形式。石膏及其制品具有质轻、防火、凝结快速、隔热性好以及取材丰富等优势，在硅酸盐水泥生产或硅酸盐建筑制品生产中，也可用作缓凝剂或外加剂。但石膏产品强度偏低，且耐水性弱，因此在特定环境中应用受限。为此，不少研究者将石膏与其他有机保温材料进行复合，从而提升其强度与耐水性，实现石膏及其产品更好的发展与应用。薛力梨等[12]通过将泡沫玻璃掺入于脱硫石膏和粉煤灰混合物中，并采取三种制备工艺（振动、包裹以及分层浇筑）制得复合保温材料。研究表明，分层浇筑工艺获得的复合材料导热系数为0.10~0.14W/(m2•K)，强度在0.5MPa以上，相关指标均符合规范要求。廖仕雄等[13]为研究确定磷建筑石膏的保温特性，探析了原材中轻质粘土陶粒的具体作用以及影响原理。研究指出，为抵抗轻质粘土陶粒的上浮现象，可加入0.2%的纤维素醚；控制轻质粘土陶粒掺量为12%，粒径为8~11mm时，可获得相对理想的轻质高强、低导热率的石膏基复合保温材料，此时的绝干抗折、抗压强度分别为1.89、8.12MPa，表观密度为1102kg/m3，导热系数相比空白对照组下降约65%，为0.17W/(m•K)。众所周知，石膏及其制品的最大缺陷为强度略低、耐水性较差。目前开展的相关研究改进工作主要是改善其强度不高的问题，例如掺入废纸板、钢渣等。而针对其耐水性差的缺陷，主要是在制备复合材料的过程中采取添加防水剂的手段。除强度与耐水性外，针对石膏基复合保温材料，还应当重视其保温性能与阻燃特性，通过多因素试验分析，从而合理选择相关复合材料，保证应用效果。
3结论与展望
在未来，对于节能建筑墙体中的复合保温材料而言，可重点在以下几方面实现突破。（1）考虑使用发泡陶瓷或发泡水泥等具备一定泡沫气孔构造的无机材料，并掺加一定量的有机保温材料，从而在较好的阻燃性与力学强度的基础上，降低导热率，提升保温效果。（2）在传统模压、发泡等制备工艺的基础上，研发应用新型的复合保温材料制备工艺，如微波加热、超声搅拌以及冷冻干燥等方法，获得性能更加理想的保温材料。（3）兼顾墙体保温材料的现代化综合需求，除满足使用功能要求，如阻燃性能好、保温效果佳以及力学强度大等之外，也要注重与其他装饰装修材料的协同搭配，达到保温、装饰一体化的目的。同时，还应当降低不良气体的挥发污染，实现建筑墙体保温技术的低碳化，助推国家“双碳”目标的实现。
作者：王晓彬 王辉珉 李国凯 单位：中航建设集团有限公司
