近日，北京工业大学韩昌报教授、宋雪梅副教授课题组联合廊谷（北京）新材料科技有限公司与中国测试控股集团股份有限公司在建筑节能领域重要学术期刊《Energy and Buildings》上发表了题为“Cement-based external wall insulation material with thermal performance improvement by partial substitution of calcium silicate”的学术论文。外墙复合保温材料在建筑行业节能减排方面显示出巨大潜力，但水泥基材料作为外墙复合保温材料之一存在导热系数高的问题。该文章以发泡聚苯乙烯(EPS)和不同硅酸钙含量的水泥为原料，采用压缩法制备了复合保温材料。多孔硅酸钙的加入为水泥水化提供了成核位点，促进了水化反应，使无机胶凝相孔隙率由75%提高到85%，平均孔径由2826.09 nm细化到421.31 nm。硅酸钙含量为20%的水泥基复合保温材料的导热系数为0.0423 W/(m·K)，比不含硅酸钙的水泥基复合保温材料的导热系数(0.055 W/(m·K))低23.1%。仿真分析表明，保温性能的提高是由于无机胶凝相孔隙结构的改变导致固气界面的增加、传热壁的变薄和传热路径的延长。这种复合保温材料丰富了外墙保温材料的种类，为外墙保温提供了新的选择。

  据估计建筑业约占全球能源消耗的35%，因此，实现建筑业的节能减排对于双碳工程至关重要。数据表明建筑业70%以上的能耗来自建筑的空调和采暖。因此，高效利用外墙保温材料对于减少传热、降热/制冷要求具备极其重大的学术研究与工程应用价值。目前，有机外墙保温材料由于抗燃烧性能差，其使用频率慢慢地减少；而无机外墙保温材料又存在导热系数较高或不稳定和对人体健康有害的缺点。因此，使用无机材料包裹有机材料制备复合保温材料，并通过对无机胶凝相进行多孔硅酸钙掺杂进行孔隙结构调控，可以同时兼具高燃烧等级、强力学性能和低导热系数等特点。

  图1(a)~(c)展示了水热法制备的硅酸钙的XRD图谱与SEM图片，制得的硅酸钙化学式为Ca6(Si2O7)(OH)6；在SEM图像中能够准确的看出制备得到的硅酸钙有着非常丰富的孔隙和层片状结构。图1(d)展示了复合保温材料中的无机胶凝相包裹有机EPS相形成了紧密的过渡边界。图1(c)和(d)分别为硅酸钙含量为0%和20%的无机胶凝材料的截面形貌和结构, 硅酸钙含量为0%时的水化产物呈枝状连接生长，硅酸钙含量为20%时的水化产物呈针状从多孔硅酸钙的孔隙中生长并覆盖其表面。图1(g) 展示了随着硅酸钙含量的增加，无机胶凝相的孔隙率由75.29%上升至87.01%，平均孔径先减小后增大，在硅酸钙含量为20%时最小为421.31 nm。图1(h)表明随着硅酸钙含量的增加，无机胶凝相最终累积孔体积增加，即孔隙率增加。图1(i)表明随着硅酸钙含量的增加，水泥基聚苯复合保温材料中的无机胶凝相的最可几孔径分布先减小后增大。

  图2(a)展示了复合保温材料的抗拉强度随硅酸钙含量的增加而减小，但从始至终保持在0.09 MPa以上；抗压强度随硅酸钙含量的增加先增大后减小，始终保持在0.2 MPa以上。图2(b)展示了随着硅酸钙含量的增加，复合保温材料的密度略有下降，大约在106~109 kg/m3之间；导热系数先减小后增大，且当硅酸钙含量为20%时，导热系数最小可达0.0423 W/(m·K)。图2(c)展示了随着硅酸钙含量的增加，复合保温材料的软化系数减小（均大于0.7），体积吸水率增大（均低于12%）。图2(d)展示了无机水泥块的导热系数随着硅酸钙含量的增加而下降，在30%的硅酸钙替代量下导热系数为0.235 W/(m·K)。图2(e)展示了无机胶凝相中导热系数贡献占比，λs、λg、λr随温度上升而增大，固相占88%~93%以上，气相占7%~12%左右。图2(f)说明无机胶凝相中辐射导热系数在中温范围内几乎能忽略不计。

  如图3(a)，传热模型由空气孔隙和无机胶凝相组成，设定每个立方体内所有球体的总体积保持不变，以探索相同孔隙率条件下不同孔径对传热的影响。图3(b)表明气孔的平均孔径越大，顶部向底部传热越快，模型达到热平衡时间越短。图3(c)展示了大孔模型、中孔模型、小孔模型分别在11.6 s、17.1 s、20.5 s完成传热。图3(d)展示了不同孔隙模型不同传热时间的热梯度分布，不难发现在相似孔隙率条件下，减小平均孔径能够更好的降低传热速率，来提升保温性能。

  硅酸钙对水泥水化反应的影响如图4(a)所示，水泥水化产物氢氧化钙和硅酸钙凝胶首先在硅酸钙薄片上呈针状析出，然后水化产物沿硅酸钙表面生长至完全覆盖。如图4(b) 所示：在低硅酸钙含量 (10%) 时，水化产物覆盖层状硅酸钙后继续向外扩散。由于成核位点数量少，距离远，离表面较远的水化产物形成疏松孔隙，孔隙数量多且孔径小如图4(c)；当硅酸钙含量增加时，由于成核位点数量多、距离近，扩散生长的水化产物之间迅速接触，之后水化产物的生长方向不再向外而向内，使扩散范围内的水化产物致密度增大，形成如图4(d)的粗骨架水化产物；但在更高的硅酸钙含量 (20%以上) 下，由于水泥初始含量较低，水化产物在不同成核位点扩散的交联程度变差，形成较大的裂缝，增大了无机胶凝相的平均孔径。如图4(e)展示了不同孔径无机胶凝相传热差异原因：孔隙数量的增多与孔径半径的减小使得无机胶凝相固气界面数量增加、传热界面变薄以及传热路径延长，以此来降低了水泥基聚苯复合保温材料的导热系数。

  本文以EPS和不同硅酸钙含量的水泥为原料，采用压制法制备了复合保温材料，实现了水泥基保温材料的低导热性能。硅酸钙含量为20%时，复合保温材料的导热系数为0.0423 W/(m·K)，比不含硅酸钙的复合保温材料的导热系数低23.1%。硅酸钙含量为20%的复合保温材料抗压强度为0.24 MPa，抗拉强度为0.12 MPa，体积吸水率为7.9%，软化系数为0.8。多孔硅酸钙的加入促进了无机胶凝相的水化过程，将无机胶凝相的孔隙率从75%提高到85%，将平均孔径从2826.09 nm细化到421.31 nm。有限元分析表明，孔隙增多且半径减小使得无机胶凝相固气界面面积越大、换热壁减薄、换热路径延长是导热系数下降的最终的原因。本研究创新性地提出了硅酸钙部分替代复合保温材料中的水泥，为提高水泥基外墙保温材料的保温性能提供了新的思路。

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