被動(dòng)式超低能耗建筑助力綠色轉(zhuǎn)型，已經(jīng)是未來(lái)建筑發(fā)展的趨勢(shì)。但目前市場(chǎng)上的被動(dòng)式超低能耗建筑外墻保溫材料是以建筑節(jié)能 75% 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，一是不能滿足節(jié)能率達(dá)到 90% 以上的超低能耗建筑技術(shù)要求，二是阻燃等級(jí)以 B 級(jí)為主，存在很大的安全隱患。目前，建筑外墻常用的保溫材料主要為有機(jī)聚合物多孔泡沫材料、無(wú)機(jī)纖維棉和泡沫無(wú)機(jī)保溫材料。有機(jī)聚合物如擠塑板、石墨聚苯板等以其優(yōu)異的保溫效果、較輕的材料密度、方便的施工操作等特性占據(jù)了絕大多數(shù)市場(chǎng)份額，但是易燃是其致命缺點(diǎn)。建筑外墻保溫材料失火的案例頻出，人員財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重，各地也陸續(xù)出臺(tái)了對(duì)外墻保溫材料阻燃等級(jí)的應(yīng)用限制。而無(wú)機(jī)保溫材料如珍珠巖板等在燃燒性能方面優(yōu)于有機(jī)保溫材料，但是導(dǎo)熱系數(shù)以及容重等性能則稍顯遜色，無(wú)法滿足市場(chǎng)上對(duì)超低能耗建筑保溫材料的要求。

SiO2 氣凝膠作為一種多功能的高效保溫隔熱環(huán)保材料，以其獨(dú)特的低熱導(dǎo)率、耐高溫，遇火不燃等特性已在航空航天、工業(yè)保溫領(lǐng)域應(yīng)用多年。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的氣凝膠制備技術(shù)已有了較大突破，可實(shí)現(xiàn)常溫常壓生產(chǎn)，解決了制備設(shè)備能耗高、超臨界高壓危險(xiǎn)性大的難題，原材料成本大幅降低，故氣凝膠類保溫材料在建筑保溫隔熱中的應(yīng)用變多，更適合用于超低能耗建筑的外墻保溫。本文主要針對(duì) SiO2 氣凝膠保溫隔熱材料在外墻保溫系統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)作了分析和總結(jié)，對(duì)推動(dòng)氣凝膠材料在被動(dòng)式超低能耗建筑領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。

保溫材料現(xiàn)狀與缺陷

現(xiàn)在的建筑外墻外保溫材料選用較多的仍是有機(jī)材料（EPS 板等），其絕熱性能優(yōu)異，但由于內(nèi)部含有大量化學(xué)反應(yīng)極高的化合物，在溫度達(dá)到一定限度時(shí)，就會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)或降解反應(yīng)，釋放出大量可燃?xì)怏w，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生且難以控制。 各類保溫材料性能，見(jiàn)表 1。

表 1：各類保溫材料性能表

氣凝膠隔熱氈

保溫優(yōu)勢(shì)

氣凝膠自身重量超輕，密度為 3.55kg/m³，僅為空氣密度的 2.7 倍。與玻璃纖維針刺氈復(fù)合而成的氣凝膠氈常見(jiàn)厚度范圍為 3-10mm，極少數(shù)廠家可制備 20mm氣凝膠氈，其密度為 180~220kg/m³，25℃導(dǎo)熱系數(shù)低至 0.018 W/(m·K)，與傳統(tǒng)隔熱材料進(jìn)行對(duì)比，在相同熱阻要求下，其使用厚度最低，可極大程度提高建筑容積率。

憎水性優(yōu)勢(shì)

優(yōu)質(zhì)的氣凝膠氈有超高的憎水性， 憎水率可達(dá) 99.7%，而常見(jiàn)的憎水巖棉由于其添加的憎水劑會(huì)在使用過(guò)程中老化失效，導(dǎo)致巖棉受潮、吸水，最終影響保溫效果。

耐火優(yōu)勢(shì)

選取有機(jī)保溫板與氣凝膠材料進(jìn)行耐火試驗(yàn)。傳統(tǒng)保溫材料阻燃等級(jí)雖可達(dá) B1 級(jí)，但有離火自熄，遇火可燃的特性，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)易致火勢(shì)蔓延。氣凝膠氈擁有 A1 級(jí)防火性能，耐溫性可達(dá) 600℃以上，并且燃燒過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生明火、熔化等現(xiàn)象，可有效阻止火勢(shì)蔓延，是一款出色的阻燃材料。

氣凝膠隔熱氈的應(yīng)用現(xiàn)狀

氣凝膠氈的生產(chǎn)加工工藝，使其在生產(chǎn)、運(yùn)輸、應(yīng)用的過(guò)程中產(chǎn)生纖維絲和氣凝膠粉塵，皮膚接觸后會(huì)產(chǎn)生瘙癢等癥狀，同時(shí)，吸入過(guò)量的玻纖絲會(huì)對(duì)人體造成傷害。因此，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了表面覆膜的氣凝膠氈，但由于覆面層的鋁箔膜與砂漿粘接力并不理想，故多在外墻內(nèi)保溫龍骨 + 保溫材料填充的結(jié)構(gòu)中使用。

氣凝膠氈中的氣凝膠粉體依附于玻璃纖維表面，產(chǎn)品整體的抗壓強(qiáng)度、垂直于板面的抗拉強(qiáng)度均取決于玻璃纖維氈。市場(chǎng)上氈材的質(zhì)量也存在差異，且沒(méi)有相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，成本較低的氣凝膠氈纖維松散，表層纖維與芯部纖維連接不緊密，垂直于板面的抗拉強(qiáng)度僅有 10-15KPa，除強(qiáng)度外其他性能也不高。在工業(yè)、儲(chǔ)罐等保溫領(lǐng)域應(yīng)用影響不大，故價(jià)格低廉的氣凝膠氈也充斥著整個(gè)氣凝膠氈行業(yè)，使該產(chǎn)品一直處于“混亂期”，但如果這種纖維松散的氣凝膠氈應(yīng)用于建筑外墻，則會(huì)有空鼓或脫層現(xiàn)象，無(wú)法使用，故建筑外墻應(yīng)使用性能更好的氣凝膠氈。

氣凝膠隔熱氈在建筑應(yīng)用中的問(wèn)題

性能影響燃燒等級(jí)

質(zhì)地松散的氣凝膠氈纖維疏松，易產(chǎn)生纖維粉塵，同時(shí)會(huì)增加氣凝膠氈掉粉率，最終影響產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，因生產(chǎn)工藝等問(wèn)題，一般憎水型玻纖基材氣凝膠氈，通過(guò)憎水處理產(chǎn)生硅烷基團(tuán)，以及干燥過(guò)程中殘留的部分有機(jī)溶劑導(dǎo)致產(chǎn)品燃燒等級(jí)降低，僅為 A（A2）級(jí)。通過(guò)實(shí)際燃燒對(duì)比，一般憎水型玻纖基材氣凝膠氈在產(chǎn)品受火區(qū)域接觸火焰 5 秒內(nèi)呈現(xiàn)黑色和黃色不同程度的變色，且燃燒時(shí)產(chǎn)生刺鼻氣味。

施工困難

氣凝膠氈有著與巖棉板類似的特征，均為纖維制品。玻纖絲對(duì)人體產(chǎn)生的影響，導(dǎo)致施工人員望而卻步，其參考巖棉保溫施工工藝所產(chǎn)生的施工成本，較普通保溫材料的施工成本高出 30%，且施工效率較低。質(zhì)地松散的氣凝膠氈，壓縮變形量大，塊材生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品厚度極易造成不均勻，導(dǎo)致涂抹砂漿的厚度不均勻，且不易找平。

存在安全隱患

氣凝膠氈通過(guò)薄抹灰工藝粘貼于寬度不小于 3.0m，高度不小于 2.0m，面積不小于 6㎡ 的墻體上，經(jīng)過(guò) 28天養(yǎng)護(hù)周期后進(jìn)行耐候測(cè)試。第一階段進(jìn)行高溫—淋水循環(huán) 80 次，每次不少于 6h；第二階段進(jìn)行48h 狀態(tài)調(diào)節(jié)；第三階段進(jìn)行加熱—冷凍循環(huán) 5 次，每次不少于 24 小時(shí)。測(cè)試溫度按《外墻保溫工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ144-2019 附錄 A.1 進(jìn)行，取得了相關(guān)檢測(cè)報(bào)告。

通過(guò)測(cè)試，了解到氣凝膠氈的纖維緊密程度，直接影響著外墻保溫結(jié)構(gòu)的耐久性。因氣凝膠氈表面纖維與芯部纖維連接不緊密，無(wú)法使其與砂漿進(jìn)行緊密結(jié)合，猶如在滿是浮灰的基層表面粘貼膠帶，其實(shí)并未與材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效粘接，及易出現(xiàn)分層和空鼓，最終出現(xiàn)安全問(wèn)題。

外墻外保溫用氣凝膠氈應(yīng)用與施工

基于應(yīng)用端改良新款氣凝膠氈后，并在三亞某示范項(xiàng)目中應(yīng)用。示范項(xiàng)目?jī)?yōu)化后的綜合能耗的相對(duì)節(jié)能率可達(dá)到 70%，在提高建筑節(jié)能率的同時(shí)，對(duì)氣凝膠氈的施工方法和參數(shù)選擇也指導(dǎo)了方向。數(shù)據(jù)見(jiàn)圖 1、圖 2和表 2。

圖 1：基準(zhǔn)建筑的全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

圖 2：設(shè)計(jì)建筑的全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

表 2：三亞某示范項(xiàng)目能耗數(shù)據(jù)對(duì)比表

防水性和強(qiáng)度選擇

施工前，在各廠家產(chǎn)品測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，短切玻纖增強(qiáng) SiO2 氣凝膠氈，憎水率可達(dá) 99.9%，質(zhì)量吸濕率及體積吸水率也為最優(yōu)，見(jiàn)表 3。

表 3：氣凝膠氈防水性能測(cè)試結(jié)果

同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，短切玻纖增強(qiáng) SiO2 氣凝膠氈的測(cè)試結(jié)果大于 0.035MPa，氈材自身斷裂，力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)突出，且產(chǎn)品自身的抗壓強(qiáng)度、板面平整度更為優(yōu)異，更易于后續(xù)施工。而普通氣凝膠氈的垂直于表面抗拉強(qiáng)度僅為 0.015MPa，粘接層斷裂，膠粘劑無(wú)法與氣凝膠氈實(shí)現(xiàn)有效粘接。

表面處理選擇

因材料特性，氣凝膠氈表層纖維的抗拉強(qiáng)度較弱，極易影響與砂漿的粘接性能，為極大程度降低產(chǎn)品在運(yùn)輸、施工過(guò)程中產(chǎn)生纖維粉塵的危害，同時(shí)要確保各項(xiàng)性能不受影響，須在其表面進(jìn)行涂覆處理。經(jīng)測(cè)試，涂覆普通涂料的氈材，在溫度 120℃時(shí)，4 小時(shí)涂層出現(xiàn)黃變，10 小時(shí)出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，且涂料與氈材的附著力并不理想。而涂覆柔性漿料，涂層可滿足 200℃耐溫性，彎折不開裂，同時(shí)可使氈材垂直于表面的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行有效提高，且不影響粘接性能。

氣凝膠氈施工方法

現(xiàn)階段氣凝膠氈在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用方式多以龍骨+填充保溫材料的方式使用，應(yīng)用單一，無(wú)法有效體現(xiàn)和控制產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)的氣凝膠氈無(wú)法有效得到推廣。在建筑外墻外保溫系統(tǒng)中，薄抹灰技術(shù)更適合氣凝膠氈材料的應(yīng)用。

目前雖多地發(fā)文禁止或限制新建建筑的薄抹灰工藝，但舊改項(xiàng)目仍可以使用，且如果類似氣凝膠氈這類高保溫、高阻燃的材料可以大面積推廣，嚴(yán)格執(zhí)行施工標(biāo)準(zhǔn)，施工和監(jiān)管體系完善，薄抹灰工藝或許可重新煥發(fā)活力也未可知。施工流程，如圖 3 所示。

圖 3：施工流程圖

氣凝膠隔熱涂料的應(yīng)用

在氣凝膠復(fù)合制品中，氣凝膠隔熱涂料產(chǎn)品也相對(duì)成熟，其保溫效果也較其他類型的涂料相對(duì)明顯。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá) 3個(gè)月的自然環(huán)境下性能對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，氣凝膠隔熱涂料在隔熱保溫效果上有明顯優(yōu)勢(shì)。因其隔熱保溫特性，應(yīng)用場(chǎng)景更為廣泛，在夏熱冬暖等熱輻射較大的地區(qū)，建筑保溫系統(tǒng)使用氣凝膠隔熱涂料，可有效阻止輻射熱的入侵，同時(shí)降低室內(nèi)冷空氣的流失，從而減少建筑能耗，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖 4 所示。

圖 4：涂料性能檢測(cè)曲線

氣凝膠保溫板的應(yīng)用

氣凝膠復(fù)合不燃保溫板采用氣凝膠、水泥基膠凝材料和可發(fā)性聚苯乙烯等原料，通過(guò)特殊工藝復(fù)合加工制成，防火等級(jí)可達(dá)到 A2 級(jí)。相較于傳統(tǒng)保溫材料和同類產(chǎn)品，具有諸多優(yōu)勢(shì)：導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫性能佳，單位能耗低；容重輕、吸水率低、強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)；施工簡(jiǎn)便，工期短，施工效率高；綠色環(huán)保，安全可靠；產(chǎn)品規(guī)格多樣化，綜合性價(jià)比高。因此，氣凝膠復(fù)合不燃保溫板具備替代傳統(tǒng)保溫材料的潛力，可有效解決吸水、掉粉、脫落、纖維過(guò)敏等問(wèn)題。

氣凝膠復(fù)合不燃保溫板適用于保溫裝飾一體化及薄抹灰體系，廣泛應(yīng)用于新建建筑、工業(yè)廠房、舊樓改造、活動(dòng)房等場(chǎng)景，可以滿足建筑行業(yè)對(duì)安全環(huán)保、高效節(jié)能等方面的需求，其應(yīng)用能夠極大提高外墻外保溫系統(tǒng)的節(jié)能性，助力建筑實(shí)現(xiàn)超低能耗，如圖 5 所示。

圖 5：外墻外保溫用氣凝膠復(fù)合不燃保溫板

結(jié)語(yǔ)

氣凝膠材料憑借其卓越的保溫性能，有效提高了建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，降低了建筑能耗損失，并增強(qiáng)了建筑的耐火性。在“十四五”規(guī)劃期間，氣凝膠材料作為綠色建筑推薦材料，有望在綠色建筑領(lǐng)域迎來(lái)更大的發(fā)展機(jī)遇。然而，目前氣凝膠制品在外墻保溫方面的實(shí)際應(yīng)用案例較少，仍處于市場(chǎng)推廣階段。為此，我們亟需將試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和示范工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行充分總結(jié)，制定相關(guān)的施工工藝、監(jiān)理監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，為各個(gè)環(huán)節(jié)提供執(zhí)行準(zhǔn)則、質(zhì)量保障和安全保險(xiǎn)，推動(dòng)氣凝膠材料在外墻保溫領(lǐng)域的進(jìn)一步規(guī)范化和推廣，以滿足綠色建筑的需求。

“路雖遠(yuǎn)行則將至，事雖難做則必成”，盡管被動(dòng)式超低能耗建筑目前還處于“混亂期”，但我們相信它將逐漸邁向“應(yīng)用期”和“升級(jí)期”，穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)由超低能耗向近零能耗、凈零能耗的轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)能目標(biāo)，為中國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”作出重要貢獻(xiàn)。