气凝胶材料在超低能耗建筑中的应用

  被动式超低能耗建筑助力绿色转型，已经是未来建筑发展的趋势。但目前市场上的被动式超低能耗建筑外墙保温材料是以建筑节能 75% 标准设计，一是不能满足节能率达到 90% 以上的超低能耗建筑技术方面的要求，二是阻燃等级以 B 级为主，存在很大的安全风险隐患。目前，建筑外墙常用的保温材料主要为有机聚合物多孔泡沫材料、无机纤维棉和泡沫无机保温材料。有机聚合物如挤塑板、石墨聚苯板等以其优异的保温效果、较轻的材料密度、方便的施工操作等特性占据了绝大多数市场占有率，但是易燃是其致命缺点。建筑外墙保温材料失火的案例频出，人员财产损失严重，各地也陆续出台了对外墙保温材料阻燃等级的应用限制。而无机保温材料如珍珠岩板等在燃烧性能方面优于有机保温材料，但是导热系数以及容重等性能则稍显逊色，不足以满足市场上对超低能耗建筑保温材料的要求。

  SiO2 气凝胶作为一种多功能的高效保温隔热环保材料，以其独特的低热导率、耐高温，遇火不燃等特性已在航空航天、工业保温领域应用多年。近年来，国内的气凝胶制备技术已有了较大突破，可实现常温常压生产，解决了制备设备能耗高、超临界高压危险性大的难题，原材料成本大幅度降低，故气凝胶类保温材料在建筑保温隔热中的应用变多，更适合用于超低能耗建筑的外墙保温。本文主要是针对 SiO2 气凝胶保温隔热材料在外墙保温系统应用的特点作了分析和总结，对推动气凝胶材料在被动式超低能耗建筑领域的发展提供参考。

  现在的建筑外墙外保温材料选用较多的仍是有机材料（EPS 板等），其绝热性能优异，但由于内部含有大量化学反应极高的化合物，在温度达到一定限度时，就会发生分解反应或降解反应，释放出大量可燃气体，导致火灾发生且难以控制。

  气凝胶自身重量超轻，密度为 3.55kg/m³，仅为空气密度的 2.7 倍。与玻璃纤维针刺毡复合而成的气凝胶毡常见厚度范围为 3-10mm，极少数厂家可制备 20mm气凝胶毡，其密度为 180~220kg/m³，25℃导热系数低至 0.018 W/(m·K)，与传统隔热材料来对比，在相同热阻要求下，其使用厚度最低，可极大程度提高建筑容积率。

  优质的气凝胶毡有超高的憎水性， 憎水率可达 99.7%，而常见的憎水岩棉由于其添加的憎水剂会在使用的过程中老化失效，导致岩棉受潮、吸水，最终影响保温效果。

  选取有机保温板与气凝胶材料来耐火试验。传统保温材料阻燃等级虽可达 B1 级，但有离火自熄，遇火可燃的特性，在火灾发生时易致火势蔓延。气凝胶毡拥有 A1 级防火性能，耐温性可达 600℃以上，并且燃烧过程中不会产生明火、熔化等现象，可有效阻止火势蔓延，是一款出色的阻燃材料。

  气凝胶毡的生产加工工艺，使其在生产、运输、应用的过程中产生纤维丝和气凝胶粉尘，皮肤接触后会产生瘙痒等症状，同时，吸入过量的玻纤丝会对人体造成了严重的伤害。因此，市场上也出现了表面覆膜的气凝胶毡，但由于覆面层的铝箔膜与砂浆粘接力并不理想，故多在外墙内保温龙骨 + 保温材料填充的结构中使用。

  气凝胶毡中的气凝胶粉体依附于玻璃纤维表面，产品整体的抗住压力的强度、垂直于板面的抗拉强度均取决于玻璃纤维毡。市场上毡材的质量也存在一定的差异，且没有相关执行标准，成本较低的气凝胶毡纤维松散，表层纤维与芯部纤维连接不紧密，垂直于板面的抗拉强度仅有 10-15KPa，除强度外其他性能也不高。在工业、储罐等保温领域应用影响不大，故价格低的气凝胶毡也充斥着整个气凝胶毡行业，使该产品长期处在“混乱期”，但如果这种纤维松散的气凝胶毡应用于建筑外墙，则会有空鼓或脱层现象，没办法使用，故建筑外墙应使用性能更好的气凝胶毡。

  质地松散的气凝胶毡纤维疏松，易产生纤维粉尘，同时会增加气凝胶毡掉粉率，最终影响产品导热系数。有学者研究之后发现，因生产工艺等问题，一般憎水型玻纤基材气凝胶毡，通过憎水处理产生硅烷基团，以及干燥过程中残留的部分有机溶剂导致产品燃烧等级降低，仅为 A（A2）级。通过实际燃烧对比，一般憎水型玻纤基材气凝胶毡在产品受火区域接触火焰 5 秒内呈现黑色和黄色不同程度的变色，且燃烧时产生刺鼻气味。

  气凝胶毡有着与岩棉板类似的特征，均为纤维制品。玻纤丝对人体产生的影响，导致实施工程人员望而却步，其参考岩棉保温施工工艺所产生的实施工程的成本，较普通保温材料的实施工程的成本高出 30%，且施工效率较低。质地松散的气凝胶毡，压缩变形量大，块材生产时产品厚度极易造成不均匀，导致涂抹砂浆的厚度不均匀，且不易找平。

  气凝胶毡通过薄抹灰工艺粘贴于宽度不小于 3.0m，高度不小于 2.0m，面积不小于 6㎡ 的墙体上，经过 28天养护周期后进行耐候测试。第一阶段进行高温—淋水循环80 次，每次不少于6h；第二阶段进行48h 状态调节；第三阶段加热—冷冻循环5 次，每次不少于24 小时。测试温度按《外墙保温工程技术标准》JGJ144-2019 附录 A.1 进行，取得了相关检测报告。

  通过测试，了解到气凝胶毡的纤维紧密程度，直接影响着外墙保温与结构的耐久性。因气凝胶毡表面纤维与芯部纤维连接不紧密，无法使其与砂浆进行紧密结合，犹如在满是浮灰的基层表面粘贴胶带，其实并未与材料结构可以进行有效粘接，及易出现分层和空鼓，最终出现安全问题。

  基于应用端改良新款气凝胶毡后，并在三亚某示范项目中应用。示范项目优化后的综合能耗的相对节能率可达到 70%，在提高建筑节能率的同时，对气凝胶毡的施工方法和参数选择也指导了方向。数

  施工前，在各厂家产品测试中发现，短切玻纤增强 SiO2 气凝胶毡，憎水率可达 99.9%，质量吸湿率及体积吸水率也为最优。

  同时也发现，短切玻纤增强 SiO2 气凝胶毡的测试结果大于 0.035MPa，毡材自身断裂，力学性能优势突出，且产品自身的抗压强度、板面平整度更为优异，更易于后续施工。而普通气凝胶毡的垂直于表面抗拉强度仅为 0.015MPa，粘接层断裂，胶粘剂无法与气凝胶毡实现有效粘接。

  因材料特性，气凝胶毡表层纤维的抗拉强度较弱，极易影响与砂浆的粘接性能，为极大程度降低产品在运输、施工过程中产生纤维粉尘的危害，同时要确保各项性能不受影响，须在其表面进行涂覆处理。经测试，涂覆普通涂料的毡材，在温度 120℃时，4 小时涂层出现黄变，10 小时出现粉化现象，且涂料与毡材的附着力并不理想。而涂覆柔性浆料，涂层可满足 200℃耐温性，弯折不开裂，同时可使毡材垂直于表面的抗拉强度进行相对有效提高，且不影响粘接性能。

  现阶段气凝胶毡在建筑领域的应用方式多以龙骨+填充保温材料的方式使用，应用单一，无法有效体现和控制产品质量，优质的气凝胶毡无法有效得到推广。在建筑外墙外保温系统中，薄抹灰技术更适合气凝胶毡材料的应用。

  目前虽多地发文禁止或限制新建建筑的薄抹灰工艺，但旧改项目仍能够正常的使用，且如果类似气凝胶毡这类高保温、高阻燃的材料可以大面积推广，严格执行施工标准，施工和监督管理体系完善，薄抹灰工艺或许可重新焕发活力也未可知。施工流程，如图 3 所示。

  在气凝胶复合制品中，气凝胶隔热涂料产品也相对成熟，其保温效果也较别的类型的涂料相对明显。经过长达 3个月的自然环境下性能对比测试发现，气凝胶隔热涂料在夏天隔热，冬天保温效果上有明显优势。因其夏天隔热，冬天保温特性，应用场景更广泛，在夏热冬暖等热辐射较大的地区，建筑保温系统使用气凝胶隔热涂料，可有效阻止辐射热的入侵，同时降低室内冷空气的流失，由此减少建筑能耗，测试数据如图 4 所示。

  气凝胶复合不燃保温板采用气凝胶、水泥基胶凝材料和可发性聚苯乙烯等原料，通过特殊工艺复合加工制作而成，防火等级可达到 A2 级。相较于传统保温材料和同种类型的产品，具有诸多优势：导热系数低，保温性能佳，单位能耗低；容重轻、吸水率低、强度高，常规使用的寿命长；实施工程简单方便，工期短，施工效率高；绿色环保，安全可靠；产品规格多样化，综合性能好价格低。因此，气凝胶复合不燃保温板具备替代传统保温材料的潜力，可有效解决吸水、掉粉、脱落、纤维过敏等问题。

  气凝胶复合不燃保温板适用于保温装饰一体化及薄抹灰体系，大范围的应用于新建建筑、工业生产厂房、旧楼改造、活动房等场景，能够完全满足建筑行业对安全环保、高效率节约能源等方面的需求，其应用能够极大提高外墙外保温系统的节能性，助力建筑实现超低能耗，如图 5 所示。

  气凝胶材料凭借其卓越的保温性能，有效提升了建筑外围护结构的热阻，降低了建筑能耗损失，并增强了建筑的耐火性。在“十四五”规划期间，气凝胶材料作为绿色建筑推荐材料，有望在绿色建筑领域迎来更大的发展机遇。然而，目前气凝胶制品在外墙保温方面的实际应用案例较少，仍处于市场推广阶段。为此，我们亟需将试验检测结果和示范工程的应用经验进行充分总结，制定相关的施工工艺、监理监测标准，为所有的环节提供执行准则、质量保障和安全保险，推动气凝胶材料在外墙保温领域的进一步规范化和推广，以满足绿色建筑的需求。

  “路虽远行则将至，事虽难做则必成”，尽管被动式超低能耗建筑目前还处于“混乱期”，但我们始终相信它将逐渐迈向“应用期”和“升级期”，稳步实现由超低能耗向近零能耗、净零能耗的转变，最终实现建筑产能目标，为中国实现“碳达峰、碳中和”作出重要贡献。