李應(yīng)權(quán):聚合物水泥泡沫保溫材料的研究
一. 前 言
隨著全球工業(yè)化進程的發(fā)展，世界性的能源緊缺矛盾日益突出。建筑能耗是我國能源消耗的大戶，尤其是北方地區(qū)，采暖能耗超過當?shù)厣鐣偰芎牡?0%。因此，建筑節(jié)能受到空前重視。
節(jié)能減排是我國的一項基本國策,“十一五”期間，我國城鎮(zhèn)建筑節(jié)能率要達到50%，其中，部分大城市、北方寒冷地區(qū)節(jié)能率要達到65%，這樣就對保溫材料提出新的要求。
各類建筑保溫材料的優(yōu)缺點
目前，我國建筑保溫使用的主要是有機類保溫材料,如聚苯乙烯泡沫塑料（EPS、XPS）、聚氨酯硬泡（PU）等。
優(yōu)點：輕質(zhì)、保溫性好；
最大的缺陷：易老化、防火安全性差。
各地建筑工程屢屢發(fā)生火災事故?；馂臅rEPS會產(chǎn)生“轟燃”，煙霧大、毒性大，危害嚴重。
央視新址電視文化中心大火
中央電視臺新址北配樓2月9晚上（元宵節(jié)）20時左右發(fā)生火災，火焰往外竄連成一片，并傳出爆炸聲。至少七名消防人員因救火受傷，被送入醫(yī)院，2月10日1時30分，紅廟消防中隊指導員張建勇因救火受傷，搶救無效死亡。
網(wǎng)上報道，據(jù)院方相關(guān)人士透露，從火災現(xiàn)場共救出三十多名傷員，分送北京各大醫(yī)院。
據(jù)北京市消防局提供的資料，起火的電視文化中心共30層，高159米，趕來救援的消防隊使用了98米高的云梯車，但加上水槍所能達到的高度，仍對高159米的著火大樓束手無策。
火災勘察結(jié)果：燃放煙花引燃鈦合金下面的保溫層材料--國家推薦的新型節(jié)能保溫材料XPS。
火災案例
據(jù)不完全統(tǒng)計，北京2007年短短一個月各媒體報道過的引燃保溫層發(fā)生火災的工程就有許多，且都是大面積燒毀：
2007年4月15日 四惠地鐵附近一幢在建住宅樓B-22層西北角保溫層失火。
2007年5月3日 西直門長河灣在建工地保溫層失火，造成四面墻被薰黑，濃煙滾滾，西直門橋上空形成了黑色的“蘑菇云”。
2007年5 月7日 海淀區(qū)蓮花路西南角，華爾街觀典樓盤內(nèi)一幢尚未竣工的26層住宅樓底層保溫層失火。
2007年5月17日 四道口附近一座在建（輕汽西廠改造工程）因保溫層燃燒而失火，造成一名消防員勘察現(xiàn)場受傷。
濟南奧體中心大火
2007年7月27日，濟南奧體中心籃球館發(fā)生大火, 起因:電焊操作引燃保溫材料所致
中央美術(shù)學院望京宿舍火災現(xiàn)場
北京2009年3月16日電截至16日12時11分，中央美術(shù)學院火災完全撲滅，現(xiàn)場清理完畢，火災造成一人受傷，幸無人員死亡。這是北京市消防局16日下午通報的情況。
據(jù)北京市消防局通報，16日10時10分，119指揮中心接到火災報警，中央美院南區(qū)宿舍發(fā)生火災。119指揮中心迅速調(diào)集朝陽消防支隊望京中隊、奧林匹克公園中隊、酒仙橋中隊、亞運村中隊等5個中隊，24部消防車，140余名官兵趕赴火災現(xiàn)場。
火災發(fā)生后，中央美院安保人員及時組織人員疏散，并積極展開初期火災撲救。10時20分，望京中隊率先到場，在組織人員疏散的同時，積極搜尋被困人員，成功救出一名受傷的年輕男子。著火建筑是彩鋼板搭建的二層簡易板房，為學校部分學生、后勤員工、保安人員的宿舍。彩鋼板內(nèi)保溫材料燃燒速度快，煙霧大，加之宿舍內(nèi)易燃物較多，給火災撲救帶來一定難度。
12時11分，火災現(xiàn)場徹底清理完畢，余火全部被撲滅?；馂倪^火面積約1000平方米，一名受傷者被及時送往醫(yī)院進行救治。
北京消防部門提示，彩鋼板內(nèi)保溫材料燃燒速度快，產(chǎn)生的煙霧毒性大，不適合作為學生宿舍的建筑材料。
中國科技館火災
2009年4月6日下午2點，中國科技館新館施工工地起火，調(diào)集5個消防中隊、26部車、210名官兵到場撲救。300平方米。消防部門經(jīng)初步調(diào)查，起火物為內(nèi)墻擠塑板保溫層。
中國科技館火災火點是保溫層擠塑板
中國科技館新館是國家重點工程，位于奧運村北辰東路和大屯北路十字路口，計劃于今年9月開館。6日下午2點50分，科技館東南角外墻底部鋁合金板已被燒毀，一層玻璃嚴重損壞，館頂仍不斷冒著滾滾黑煙?，F(xiàn)場的消防員分成兩路滅火。起火處為新館主體結(jié)構(gòu)東南角內(nèi)保溫層的擠塑板，由于風勢等原因，火勢蔓延較快，45米高的新館直至樓頂都有過火。
近來，火災事件頻頻發(fā)生，且都是一些標準性建筑。業(yè)內(nèi)人士曾多次分析國內(nèi)防火建材市場發(fā)展，也預測火災原因多是由于保溫板引起。讓我們想到，國內(nèi)的防火建材市場規(guī)范已是迫在眉睫之事，希望能引起廠商與建筑商及相關(guān)部門的高度重視，減少災難的再次發(fā)生。
南京中環(huán)大樓火災
2009年4月19日10時南京中環(huán)大樓火災, 燃燒物為井壁的保溫層
北京大學體育館（奧運乒乓球館）
2007年7月2日體育館火災原因:外表的保溫材料起火
反 思
大量的保溫工程火災事故，絕非偶然!!! (網(wǎng)上只要搜索保溫 火災,就可以搜索到413,000 項符合保溫 火災的查詢結(jié)果)
暴露出有機保溫材料的重大安全隱患。
業(yè)界人士逐漸將目光轉(zhuǎn)向不燃、環(huán)保、耐久的無機保溫材料。
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公安部關(guān)于征求對“建筑外保溫材料防火措施（草案）”修改意見的函
各有關(guān)單位：
為認真吸取建筑外保溫材料類火災教訓，從源頭上防止此類火災的發(fā)生，公安部消防局會同住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標準定額司于近期召開了建筑外保溫材料防火技術(shù)研討會。根據(jù)調(diào)研及研討會精神，形成了建筑外保溫材料防火措施（草案），擬在有關(guān)通知中提出要求?，F(xiàn)請你單位研究提出修改意見，并將書面修改意見于6月10日前，通過互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送至公安部消防局標準規(guī)范處。
公安部消防局
二00九年六月四日
建筑外保溫材料防火措施（草案）
一、外墻保溫材料燃燒性能要求
1、建筑體積大于10萬立方米或建筑高度大于32米的公共建筑和建筑高度大于100米的居住建筑應(yīng)采用無機材料制作的保溫材料；
2、除建筑體積大于10萬立方米或建筑高度大于32米的公共建筑和建筑高度大于100米的居住建筑外，其他建筑可采用可燃材料做外墻保溫，但應(yīng)采取相應(yīng)的防火構(gòu)造；
3、建筑外裝修材料應(yīng)采用不燃材料。
無機保溫材料
例如：加氣砼、發(fā)泡水泥/泡沫砼、 巖棉、珍珠巖、?；⒅榈?/FONT>
優(yōu)點：環(huán)保、經(jīng)濟、利廢、不燃、耐久；
缺點：自重大、脆性大、易開裂、吸水率高、保溫效果差，不能很好地滿足建筑保溫隔熱的需要。
研究項目簡介
鑒于這種狀況，2007年起, 建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心就開始著手進行“環(huán)保、不燃、耐久的聚合物水泥泡沫保溫材料”的研究,該課題得到國家科技部資助,項目編號：NCSTE-2007-JKZX-284 ,課題的起止時間為2007年～2010年,分三個階段:泡沫保溫材料實驗室階段研究、中試生產(chǎn)及產(chǎn)品標準的制定、施工技術(shù)研究。
一. 水泥基泡沫材料的分類
水泥基材料包含水泥凈漿、砂漿和砼等，這些材料都以水泥為膠凝材料。
以水泥基材料為基礎(chǔ)，通過各種方式引入氣泡，所形成的材料統(tǒng)稱為水泥基泡沫材料，分為：
1. 將泡沫劑水溶液通過物理方式預先制備出泡沫，再與攪拌好的水泥基材料漿體混合均勻攪拌成料漿，此為發(fā)泡水泥、泡沫砂漿或泡沫砼；
2. 將引氣劑與水、水泥、砂、石一同混合攪拌制成的砼為引氣砼,采用這種方式通常氣泡含量不高，砼含氣量一般在10%以內(nèi)；
3. 采用機械充氣的方法制成的砼稱為充氣砼；
4.將發(fā)泡劑與水泥基材料一起混合攪拌均勻制成料漿，在靜停過程中通過化學反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，料漿逐漸膨脹，所形成的材料為加氣砼，又分為蒸壓加氣砼和免蒸壓加氣砼。這種方法稱為化學發(fā)泡；
5. 同時采用物理制泡方式和化學發(fā)泡方式(4)制備的材料稱之為復合發(fā)泡材料。
6. 通過聚合物對（采用以上五種制泡方式中的任意一種）水泥基泡沫材料改性制備的有機-無機復合泡沫材料統(tǒng)稱為聚合物水泥泡沫材料。
二. 研究方案和技術(shù)路線
以特種水泥為基材，通過物理化學方式引入大量微小、均勻、穩(wěn)定的氣泡，通過成膜聚合物提高氣泡的封閉性和保溫效果，并結(jié)合納米增效技術(shù)、粉體表面改性技術(shù)、疏水化處理技術(shù)等措施，經(jīng)特定工藝制成一種新型多功能保溫隔熱材料，建筑節(jié)能率可達65%以上。它僅在水泥中引入少量的成膜聚合物，而且均勻地分散在水泥中，產(chǎn)品不燃燒（A級），輕質(zhì)、保溫、經(jīng)濟、環(huán)保、利廢、無毒、耐久、與建筑物同壽命,可應(yīng)用于屋面、墻體和地面保溫。
三. 關(guān)鍵組分材料與設(shè)備的研制
1.聚合物水泥泡沫材料關(guān)鍵組分的研究：
?、貶J-1高性能泡沫劑的研制
②SP-Ⅱ新型發(fā)泡機的設(shè)計開發(fā)
?、蹖Ｓ酶咝p水劑的研制
?、芨男跃酆衔锏膬?yōu)選
3.1 HJ-1高性能泡沫劑的研制
制備的泡沫
氣泡形態(tài)
沉降距、泌水量測定裝置
國內(nèi)外泡沫劑技術(shù)性能對比
國內(nèi)外泡沫劑穩(wěn)定性對比
制泡后2小時
國內(nèi)外泡沫劑穩(wěn)定性對比
制泡后24小時
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3.2 SP-Ⅱ新型發(fā)泡機的設(shè)計開發(fā)
圖3.3 新型發(fā)泡機工作原理圖
圖3.4 SP-Ⅱ新型發(fā)泡機樣機
3.2 SP-Ⅱ新型發(fā)泡機的設(shè)計開發(fā)
針對HJ-1高性能泡沫劑有別于常規(guī)制泡工藝參數(shù)的特點，我們自主設(shè)計開發(fā)了配套使用的SP-Ⅱ新型發(fā)泡機，其可實現(xiàn)雙向送液、雙泡管發(fā)泡、無氣阻?？筛鶕?jù)需要寬幅調(diào)整泡沫密度，目標定量重復性好，泡沫細膩、泡徑均勻，解決送液氣阻問題，在常規(guī)條件下均能順利發(fā)泡，整機安全可靠，便于調(diào)整、維護、檢修。
3.3 專用高效減水劑的研制
本研究所用的專用減水劑為自主研制，其最大特點是與泡沫相容性好，對氣泡穩(wěn)定性無不利影響，增強效果顯著，而且摻量低、減水率高、流動度保持率高、低收縮、堿含量低、環(huán)境友好。
在泡沫材料專用高性能減水劑方面，先后突破了第一代脂類、第二代醚類以及第三代功能類聚羧酸鹽減水劑的合成、與泡沫配伍等技術(shù)難關(guān)，凈漿減水率≥60%，低摻量、高減水、高增強、低堿、低收縮、環(huán)境友好
專用高性能減水劑的試驗結(jié)果
系列專用外加劑的研制
3.4 聚合物
聚合物是本項目研究的關(guān)鍵材料之一。本項目優(yōu)選出一種特殊組成的成膜聚合物，其能附著在水泥凝膠體或顆粒表面形成完整、連續(xù)、密實的膜結(jié)構(gòu)，從而提高了泡壁的封閉性，因而大大提高了泡沫材料的保溫效果；同時它還能提高材料的韌性、抗裂性、粘接力和防水、密封性能，降低吸水率，因而材料在潮濕環(huán)境下的保溫隔熱性能大大提高。
SEM照片
未加成膜物
加入成膜物
解決的關(guān)鍵技術(shù)
(1)引入成膜聚合物，使其附著在泡壁表面形成完整、連續(xù)、密實的膜結(jié)構(gòu)，提高了泡壁的封閉性，因而大大提高了泡沫材料的保溫效果、并降低吸水性、脆性、開裂。
(2)應(yīng)用納米改性技術(shù)，促使泡壁材料微觀結(jié)構(gòu)的有序化排列，提高泡壁的連續(xù)性和均勻性，從而提高保溫效果。
泡沫材料單個泡壁形態(tài)
改性前的泡壁
改性后的泡壁
3.5 其它關(guān)鍵組分的研制
3.5.1 憎水劑的優(yōu)選
水泥基泡沫材料存在的最大問題之一就是吸水率高。保溫材料一旦吸水，其導熱系數(shù)將大幅度提高，保溫效果大大降低。降低吸水率的方法很多，采用內(nèi)摻或外涂憎水劑是簡便易行的方法。通過大量的正交試驗，我們優(yōu)選出特定組成的憎水劑，其具有優(yōu)異的憎水性和持久的防水性，對多孔保溫材料最為適合。
通過粉體改性和外加劑技術(shù)等措施,促凝、早強、高強化
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聚合物水泥泡沫材料集成技術(shù)研究
在研制出聚合物水泥泡沫材料關(guān)鍵組分材料—聚合物、泡沫劑及多種專用外加劑的的基礎(chǔ)上，采用自主設(shè)計開發(fā)的新型發(fā)泡機，對泡沫劑配比、濃度、溫度等影響因素以及制泡工藝參數(shù)進行了系統(tǒng)研究，得到一整套制備高性能泡沫的工藝技術(shù)。采用正交試驗方法，對影響凈漿性能的各種因素進行系統(tǒng)研究，確定了各種組成材料的最佳匹配與用量。通過對影響聚合物水泥泡沫材料性能的各種因素進行深入研究，掌握了制備高性能聚合物水泥泡沫材料的影響規(guī)律。通過材料配方與制備工藝技術(shù)優(yōu)化與集成，獲得了高性能的聚合物水泥泡沫材料，實現(xiàn)了水泥基泡沫材料整體關(guān)鍵技術(shù)的重大突破。
通過系統(tǒng)集成技術(shù)工藝，獲得了高性能聚合物水泥泡沫材料，可使建筑節(jié)能率達65%以上。本材料不僅節(jié)能，而且利廢，可利用工業(yè)廢渣30%左右，有利于環(huán)境保護，促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。
超輕質(zhì)水泥基泡沫材料
本品容重150kg/m3 加氣砼≥ 350kg/m3
普通泡沫砼與本品對比
普通泡沫砼吸水率大 本品憎水效果圖 本品截面放大圖
力學性能測試儀器設(shè)備
導熱系數(shù)測定
導熱系數(shù)測定
檢驗報告
查新報告
專利受理通知書
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技術(shù)先進性的比較
材料研究小結(jié)
本項目開發(fā)出的泡沫保溫材料具有低密度、低導熱系數(shù)、低吸水率、高防火性和高耐久等優(yōu)越性能。其主要技術(shù)指標為：干表觀密度 ≤190kg/m3、導熱系數(shù) ≤0.049W/（m·K）、抗壓強度≥220kPa ，環(huán)保、耐久、不燃（A級）。經(jīng)過國家房建材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心檢驗，材料全面達到預期指標，技術(shù)性能優(yōu)于膠粉聚苯顆粒保溫漿料等，特別需要強調(diào)的是本品不燃燒（A級），耐久性好?？蓱?yīng)用于屋面、墻體和地面（地暖）保溫。
本項目的研制成功為建筑行業(yè)增添了新型高性能保溫材料品種，填補了國內(nèi)外空白。我中心對該項技術(shù)擁有完全的知識產(chǎn)權(quán)，所提出的發(fā)明專利申請“高性能聚合物水泥泡沫材料的制備方法”國家知識產(chǎn)權(quán)局予以受理，專利申請?zhí)枺?00810177390.4。
二.2 施工技術(shù)研究
水泥基泡沫保溫材料施工技術(shù)研究
(1)在屋面保溫系統(tǒng)中的施工技術(shù)研究
(2)在墻體保溫系統(tǒng)中的施工技術(shù)研究
?、倜獠鹉０瀣F(xiàn)澆墻體保溫系統(tǒng)一體化成型
?、陬A制板材干掛或粘貼保溫系統(tǒng)
?、蹔A芯墻體和填芯墻體自保溫系統(tǒng)
(3)在地面（地暖）保溫中的施工技術(shù)研究
二.3.1 屋面保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖
二.3.2 現(xiàn)澆墻體保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖
也可內(nèi)澆外掛施工
二.3.3 現(xiàn)澆自保溫墻體
容重568kg/m3, 強度5.15MPa, 導熱系數(shù)0.112W/(m·K)
二.3.4 粘貼保溫板墻體保溫系統(tǒng)
粘貼保溫板墻體保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖
二.3.5 干掛復合板材墻體保溫系統(tǒng)
二.3.6 填芯砌塊墻體自保溫系統(tǒng)
二.3.7 夾芯墻體自保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖
二.3.8 地面保溫系統(tǒng)（地暖）
三. 可行性分析
● 市場容量
● 市場需求狀況
● 經(jīng)濟效益
● 社會效益
● 前景預測
● 發(fā)展前景
三.1 市場容量
我國建筑保溫市場巨大?！笆晃濉逼陂g，全國城鎮(zhèn)建筑節(jié)能率將達到50%，其中，各特大城市和部分大城市節(jié)能率將達到65%。根據(jù)建設(shè)部副部長仇保興介紹，當前中國有400多億平方米既有建筑，估計至少有三分之一，約130多億平方米需要進行保溫節(jié)能改造，按改造費為200元/m2元計，僅既有建筑的節(jié)能改造費用就高達26000億！此外，每年城鄉(xiāng)新建建筑竣工面積約20億平方米，造價按100～150元/m2計算，每年新建筑節(jié)能造價約有2000～3000億元；預計到2020年底，全國房屋建筑面積將新增近300億平方米，新建筑節(jié)能造價約有30000～45000億元，也就是說，既有建筑的節(jié)能改造和新建建筑保溫節(jié)能合計有超過50000億元人民幣的大市場！
三.2 市場需求狀況
目前國內(nèi)外市場常用保溫材料聚苯泡沫（EPS、XPS）、聚氨酯硬泡體（PU）等，雖然具有輕質(zhì)、保溫性好的優(yōu)點，但其缺陷是易老化、防火安全性差，各地建筑工程屢屢發(fā)生火災事故，火災時EPS很快就會熔化并“轟燃”，燃燒時煙霧大、毒性大，危害嚴重。由于涉及嚴重的防火問題，在歐美，聚苯板保溫體系已經(jīng)很少使用。對于PU，除了防火和價格問題，還存在施工時對氣候敏感，風吹影響噴涂、潮濕影響粘結(jié)，收縮大，噴涂時散發(fā)毒氣等缺點。而且這些有機泡沫材料易老化，不能與建筑物同壽命，在建筑物使用期內(nèi)，需要多次進行保溫層更換，浪費大量人力、物力、財力。而無機保溫材料如泡沫水泥、泡沫砼則密度大、吸水率大、保溫效果差，不能很好地滿足外墻外保溫體系和屋面保溫隔熱的需要。因此市場迫切需要研制新型的保溫節(jié)能材料及其配套技術(shù)。
三.3 經(jīng)濟效益
經(jīng)濟效益方面，若按建廠、銷售產(chǎn)品模式考慮，項目產(chǎn)業(yè)化初期，可考慮建設(shè)年產(chǎn)2萬m3聚合物水泥泡沫材料的小型生產(chǎn)線。原材料成本價約150～400元/m3，銷售價按300～800元/m3計算，則年銷售收入為600～1600萬元，可實現(xiàn)毛利潤300～800萬元，經(jīng)濟效益良好。隨著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，經(jīng)濟規(guī)模預計為20萬m3/年（相當于年生產(chǎn)3.6萬噸干粉料），年銷售收入6千萬～ 1.6億元，實現(xiàn)毛利潤3～8千萬，經(jīng)濟效益顯著。
在工程應(yīng)用方面，2萬m3材料，按5cm厚度計算，可完成40萬m2的保溫層施工。保溫層材料成本15 ～40元/m2左右?？傮w成本不高于聚苯板、聚氨酯硬泡體。但在技術(shù)性能方面，本品不燃燒，且耐候性好、經(jīng)久耐用，與建筑物同壽命，在建筑物使用期內(nèi)無需多次進行保溫層更換，綜合經(jīng)濟效益明顯優(yōu)于苯板?？梢灶A見，本項目產(chǎn)品與系統(tǒng)將有廣闊的市場前景。
三.4 社會效益
本項目符合國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策，項目成果可大大改善建筑保溫節(jié)能狀況，大大降低建筑采暖和空調(diào)能耗，使人們在耗能較低的前提下，獲得舒適的生活環(huán)境，降低采暖燃煤以及排放二氧化碳、二氧化硫，有利于保護環(huán)境、改善人類生存空間，同時，本項目可利用工業(yè)廢渣，有利于循環(huán)經(jīng)濟及可持續(xù)發(fā)展，可有效緩解經(jīng)濟發(fā)展與資源之間的矛盾，對于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會發(fā)展新模式意義重大。本項目的研究成果可帶動整個建筑節(jié)能行業(yè)在材料新品種、生產(chǎn)與施工工藝等方面的推陳出新和升級換代，對提高我國新材料的自主創(chuàng)新能力，推進建材工業(yè)、建筑工業(yè)技術(shù)進步具有重要意義。
三.5 發(fā)展前景
新年伊始，建設(shè)部就表示：要大力發(fā)展新型節(jié)能節(jié)材建筑材料。本項目研究的聚合物水泥泡沫材料具有輕質(zhì)、保溫、環(huán)保、經(jīng)濟、防火、耐久等優(yōu)點，可應(yīng)用于屋面、墻體和地面（地暖）保溫等，節(jié)能率可達65%以上。經(jīng)過國家建筑材料工業(yè)房建材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心檢驗，其技術(shù)性能全面優(yōu)于傳統(tǒng)的膠粉聚苯顆粒保溫漿料，本品不燃燒（A級），使用安全,且耐候性好,與建筑物同壽命。與傳統(tǒng)的保溫材料相比，具有明顯的競爭優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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