微珠掺量对热反射隔热涂料隔热性能的影响

文章编号：1009-6825（2015）03-0117-03
微珠掺量对热反射隔热涂料隔热性能的影响
收稿日期：2014-11-20作者简介：马一平（1960-），男，博士生导师，教授；
杨帆（1991-），男，在读硕士；王翠（1989-），女，在读硕士
马一平
杨帆王翠
（同济大学材料科学与工程学院，上海201800）
摘
要：通过模拟试验，研究分析了不同空心玻璃微珠掺量对热反射隔热涂料隔热性能的影响，试验结果表明，未掺微珠的涂料与
微珠掺量为15%的涂料相比，隔热效果相差4ħ左右。

关键词：空心玻璃微珠，掺量，隔热性能，隔热机理中图分类号：TU561．6
文献标识码：A
0引言
建筑节能对于我国的能源安全尤为重要，在社会能源消耗
中，
建筑能耗较高，建筑节能势在必行［1］。

隔热涂料作为一种功能性涂料，通过降低被涂覆物内部热量积累以达到节能和改善工作环境的目的。

研制出一种隔热效果明显的隔热涂料是非常必要的。

空心玻璃微珠是20世纪50年代 60年代发展起来的一
种微粒材料，
其工业化生产始于20世纪50年代美国的3M 公司，已作为一种新型填充材料应用于多个领域中
［2］。

将具备优异隔
热性能的空心玻璃微珠掺加到反射型隔热建筑外墙涂料中是否能使其隔热性能得到进一步的提升值得研究。

1试验
1．1
试验原材料
丙烯酸乳液；钛白粉，金红石型；轻质碳酸钙，国产；某种碱土金属碳酸盐（受专利保护不公开）；S60HS 系列空心玻璃微珠，3M 公司；其他助剂包括润湿剂、成膜剂、分散剂、消泡剂、增稠剂（工
业级）等，均为市售工业品。

1．2试验仪器与设备
SFJ-400磨砂、分散、搅拌多用机，上海现代环境工程技术有
限公司；VMS3020标准型影像仪，
上海光学仪器厂；涂料隔热性能测试装置（自制）；高倍偏光显微镜，
上海光学仪器厂；FXL-1型吸收率和法向发射率测量装置，北京南奇星科技发展有限公司；JK-XU /XA 型多路温度测试仪，常州市金艾联电子科技有限公司。

1．3隔热涂料的制备
本试验是在本课题组自主研制出的一种以碱土金属碳酸盐
作为主要功能性填料的具有低太阳吸收率高发射率的隔热涂料［3］
的配方基础上，涂料基础配合比见表1。

通过掺加不同掺量的空心玻璃微珠来研究其隔热性能是否得到提升。

这种热反射建筑隔热涂料的主要性能参数见表2。

将润湿剂等助剂均匀分散在水中，逐步加入二氧化钛、轻质碳
酸钙等，高速搅拌30min 后降低转速按计量加入空心玻璃微珠和
其余功能性助剂，
充分搅拌使微珠分散均匀，最后加入丙烯酸乳液，继续搅拌30min ，并加入适量增稠剂调节至合适粘度。

为研
究空心玻璃微珠掺量对涂料隔热性能的影响，试验微珠掺量分别为5%，
10%，15%，20%。

表1
基础配合比
原材料去离子水颜填料丙烯酸乳液
功能性助剂空心玻璃微珠
w /%
30 40
10 20
15 20
5 10
0 20
表2
未掺微珠自制涂料隔热性能
太阳反射比隔热温差/ħ
隔热温差衰减/ħ
半球发射率0．88
15
8
0．90
1．4试验样品性能及表征1．4．1高倍偏光显微镜表征
将装有空心玻璃微珠样品的载玻片置于载物台上，使样品在载玻片充分分散开，通过高倍偏光显微镜获取其微观照片。

1．4．2
吸收率的测试
涂料样品的吸收率通过FXL-1型吸收率和法向发射率测量装置测定。

分别配制不同微珠掺量的涂料涂刷在40mm ˑ40mm 的铝板上制成测试样品，实验采取5个数据为一组，测量5组，共
25个吸收率数据，取平均值作为一个样品的吸收率结果。

FXL-1型吸收率和法向发射率测量装置为同济大学与北京南奇星公司共同研制的测定仪器，对可见光至红外波段（0．35μm 2．5μm ）的吸收率进行测定。

为使吸收率测定结果更具参考价值，本课题组成员对一些较为常见的材料进行了吸收率的测定
［3］
，如表3所示。

表3
不同材料的吸收率［3］
材料
铜箔沥青炭黑混凝土波长吸收率
0．53
0．89
0．98
0．82
1．4．3
隔热性能测试
本文中将隔热性能测试分两次进行，
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
首先对未掺微珠的热反On overlay rubber asphalt road performance
Zhao Wenmei
（Heilongjiang Ｒoad Survey and Design Institute ，Harbin 150040，China ）
Abstract ：The paper modifies the asphalt with the ground tire ，analyzes the influences of 40mesh ，60mesh and 80mesh rubber powders on the modification of matrix asphalt with the mixtures of 18%，20%and 22%rubber powders ，explores the rubber asphalt performance evaluation indexes ，adopts SMA-13grading to undertake the experiment on 80mesh rubber asphalt mixers under the 20%rubber powder mixing volume ，tests its road performance ，so it achieves some valuable conclusion．Key words ：rubber asphalt ，overlay ，road performance
·
711·第41卷第3期2015年1月
山西
建筑
SHANXI
AＲCHITECTUＲE
Vol．41No．3Jan．2015
DOI:10.13719/14-1279/tu.2015.03.065
射隔热涂料（课题组自主研发）与市面在售的反射隔热涂料的隔热性能进行对比。

第二步将不同微珠掺量的反射隔热涂料与不掺微珠的反射隔热涂料进行隔热性能的对比。

如图1所示，涂料隔热性能的测试采用课题组自制的实际曝
晒模拟装置进行。

曝晒装置的主体是一个内部涂覆黑漆的木箱，
其尺寸为300mm ˑ300mm ˑ300mm ，在其中一个侧面中心处打一直径约5mm 的小孔用来装测温仪热电偶导线的导管，测温仪导线穿过导管采用导热胶带粘贴至曝晒样品内表面。

木箱四周及底部用30mm 厚的泡沫塑料板（导热系数为0．04W /（m ·K ））包覆。

将相应的需要曝晒的材料使用硅胶在曝晒箱顶部密封固定在曝晒箱顶部，并以多通道温度测定仪记录各装置内温度。

2结果与讨论
2．1
空心玻璃微珠的微观形貌分析
空心玻璃微珠形态偏光放大照片如图2所示。

从图2中看
出，微珠是一颗颗透明的微米级玻璃质密闭中空正球体。

从宏观
上看是纯白色的粉末，
其粒径大小不等，其平均粒径为30μm 。

图1
日间曝晒模拟实验装置图
图2
玻璃微珠偏光放大显微镜图
2．2涂料吸收率
实验分别对收集到的市面在售三种热反射隔热涂料（北京产
涂料A 、北京产涂料B 、福建产涂料C ）及不同空心玻璃微珠掺量（0%，5%，10%，15%，20%）的自制涂料的吸收率进行测定。

不同种涂料的吸收率见表4，其变化曲线见图3。

不同空心玻璃微珠掺量的自制涂料吸收率见表5，其变化曲线见图4。

表4
不同涂料的吸收率
材料涂料A
涂料B 涂料C 自制涂料（未掺微珠）
波长吸收率
0．6698
0．6866
0．6593
0．6671
图3不同涂料的吸收率
0.690
0.6850.6800.6750.6700.6650.6600.655
吸收率
涂料A ■
■■
■
0.690.680.670.660.650.640.630.620.61
吸收率
■
■
■■
■
■
05
101520
掺量/%
图4吸收率随30μm
玻璃微珠掺量变化的变化
自制涂料
涂料C
涂料B 如图3所示，几种反射型隔热涂料的吸收率在0．65 0．69之
间，
不同涂料的隔热性能由于原材料、配合比、配制方法等原因存在一定的差异性。

同时，从图3中可以看出，不掺微珠的自制热反射隔
热涂料的吸收率并不是几种涂料中最低的，
还有进一步提升的空间。

表5
30μm 空心玻璃微珠掺量样品的吸收率
微珠平均粒径/μm
掺量/%
吸收率30
00．65672
0．674650．6817100．6610150．617320
0．6334
如图4所示，样品吸收率随30μm 玻璃微珠掺量变化发生的
变化。

玻璃微珠掺量在5% 15%之间时，
样品的吸收率随着掺量增加而迅速减小，并在掺量为15%时吸收率达到最低值0．6173。

当微珠掺量增加到20%时，样品吸收率较掺量为15%时增大。

并且当玻璃微珠掺量大于15%时，配制样品的流变性很大，涂刷施工性能差。

2．3实际曝晒模拟试验图5为市售热反射隔热涂料与本课题组自主研制的反射隔热涂料模拟实际曝晒的时间温度曲线。

如图5所示，曝晒箱内部的温度随着日照强度的增强而升高，随日照强度的减弱而下降。

在日照强度最强时，四种涂料涂刷的铝板内表面温度达到峰值，吸收率最大的涂料B 与吸收率最小的涂料C 涂刷的铝板内表面温度相差4ħ左右。

四种涂料间隔热性能的差异与其吸收率的大小大体上一致。

图5不同种类涂料实际曝晒时间温度曲线
4440
36
32
28
24
20
T /℃
7:30
10:0012:3015:00
17:30
时间
涂料C 涂料B 涂料A 自制涂料
■
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●●●●●●●图6为不同微珠掺量样品模拟实际曝晒的时间温度曲线。

如图6所示，在太阳光的照射下，涂料涂刷的铝板内表面温度随着日照强度的增强呈现出升高的趋势，
随着日照强度的逐渐减弱呈现降低的趋势。

在12点 13点之间达到了当日温度的峰值，其中，空心玻璃微珠掺量为15%的涂料样品与不掺微珠的样品之间温差达4ħ左右。

可见在涂料中掺加空心玻璃微珠能够提升其隔热性能，但不同的空心玻璃微珠掺量对提升涂料样品隔热性能所起到的效果有所不同。

从图6可以看出，相比空心玻璃微珠掺量为5%，
10%的涂料样品的隔热性能，15%空心玻璃微珠掺量对涂料样品隔热性能的提升效果最好。

当空心玻璃微珠掺量为20%时，涂料样品的流变性很大，涂刷施工性能差，无法进行涂刷，
因此未进行曝晒实验。

图6
不同微珠掺量涂料实际曝晒时间温度曲线
2422201816141210864
T /℃
8:30
10:30
12:3014:3016:30
时间
未掺微珠
微珠掺量15%微珠掺量10%微珠掺量5%
■
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●2．4机理分析
本试验中不同空心玻璃微珠掺量对涂料隔热性能的影响与微珠在涂料中的排布及数量有关。

当空心微珠与涂料混合涂覆在建筑物表面时，
排列紧密的玻璃微珠会形成一层隔热膜。

在这层薄膜间进行热传导时，大部分的热量会绕过微珠进行传导，绕过微珠的热量传导路径明显增长，只有小部分的热量会经过微珠进行传导。

与此同时，微珠本身壳体和中孔传热能力也较弱，在非高温下，辐射传热占总传热量的比例也很小，故也可不考虑热辐射。

因而加微珠的涂层隔热效果良好。

5%微珠掺量的在涂膜
·
811·第41卷第3期2015年1月
山西建筑
文章编号：1009-6825（2015）03-0119-03
粉煤灰混凝土的水化和碳化机理
收稿日期：2014-11-17作者简介：张雨（1989-），男，在读硕士
张
雨
（东南大学，江苏南京210000）
摘
要：对粉煤灰在混凝土中的作用机理进行了分析，结合相关研究成果，详细阐述了粉煤灰混凝土的水化过程与水化产物，并探
讨了粉煤灰混凝土的抗碳化性能，得到了一些有价值的结论，以供参考。

关键词：粉煤灰，混凝土，水化，碳化
中图分类号：TU528
文献标识码：A
粉煤灰是火力发电过程中的副产品，来源于锅炉中煤粉燃烧
后的未燃尽无机残渣，
熔融的未燃尽颗粒随烟道气一起从锅炉中排出，冷却后收集得到的粉末即为粉煤灰（也称飞灰），是一种硅
质或硅铝质材料，本身具有很小的或没有胶凝性，常温下能与Ca （OH ）2或其他氢氧化物发生化学反应生成具有胶凝性的水化产物
［1］。

1粉煤灰在混凝土中作用机理的分析
沈旦申在1981年提出了“粉煤灰效应”假说，比较确切地评
价了粉煤灰的品质［1］。

一般情况下，
将粉煤灰在混凝土中的作用归结为3个效应的综合：1）火山灰反应效应—
——化学作用。

粉煤灰是结晶体、玻璃体及少量未燃炭粒组成的一个混合体。

玻璃体中的主要化学成分SiO 2，
Al 2O 3与水泥水化生成的Ca （OH ）2发生火山灰反应，生成C-S-H 凝胶。

2）微集料填充效应———物理作用。

粉煤灰颗粒很小，颗粒强度高，其致密作用对混凝土强度的发展有利；其次，粉煤灰颗粒填充到微小孔隙中，减少了孔隙体积
和较大孔隙，对混凝土的耐久性有利。

3）颗粒形态效应———物理作用。

粉煤灰颗粒多呈球形，
粒径很小，表面比较光滑，这些球形小颗粒掺入混凝土中，犹如滚珠，可以提高混凝土的和易性，减少用水量。

研究发现，粉煤灰颗粒越细、球形颗粒含量越高，混凝土的用水量越少。

试验采用Ⅰ级粉煤灰（细度＜45μm ）替代50%
的水泥，混凝土的用水量降低约20%［2］。

2粉煤灰混凝土的水化过程与水化产物
粉煤灰混凝土中粉煤灰和水泥的水化是一个非常漫长的过
程，
即使在混凝土硬化后水化仍在进行。

一般认为，在粉煤灰混凝土中，首先是水泥水化，然后是水泥水化产物Ca （OH ）2与粉煤
灰的硅铝玻璃体反应，
生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，即粉煤灰是二次水化。

H．F．W．Taylor 认为粉煤灰水泥水化与普通硅酸盐
水泥水化在四个方面有很大的差异［3］
：1）熟料相水化速度；2）Ca （OH ）2含量；3）水泥熟料水化产物；4）粉煤灰水化产物。

本文从已有的研究结果出发，尝试找出不同学者研究结论之间的共同与差异之处，部分回答了Taylor 提出的四个问题。

熟料相水化速度：
Etsuo Sakai 等的试验着重于掺加粉煤灰对水泥长期水化速度的影响。

他们的研究结果表明，从长期水化结果来看，粉煤灰加速C 3S 的水化，延缓C 2S 与C 4AF 的水化，对于C 3A 的水化速度，粉煤灰似乎影响不大［4］。

G．Baert 等以Avrami 和Jander 方程为依据，把掺加粉煤灰的水泥水化分为结晶成核与晶体生长、相边界反应和扩散三个过程櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
，中排布稀疏，因此不能够形成致密的隔热层。

随着空心玻璃微珠掺量增加到15%，玻璃微珠在涂膜中的排列逐渐致密，呈饱和状
态，涂膜的隔热效果明显。

若继续增加玻璃微珠的含量到20%，玻璃微珠不断叠加，只能增加涂膜的厚度而对涂膜表面的微珠排
布密度不产生影响。

同时，相比于微珠含量，涂料成膜基料的浓度太低，对微珠不能充分包覆，成膜能力降低导致涂料的流平性
能降低，
涂层的光滑度受到影响，涂层表面凹凸不平，对太阳辐射热的吸收率将提高。

3结语
吸收率与模拟实际曝晒试验表明，与市售的热反射型隔热涂
料相比，不掺微珠的自制热反射隔热涂料隔热性能并不是最优异
的。

通过在课题组自主研制的热反射隔热涂料中掺加微珠可降低涂料的吸收率，提升涂料的隔热性能。

微珠的最佳掺量范围在
10%左右，与未掺微珠的涂料相比，微珠掺量为15%的涂料隔热
效果好4ħ左右。

参考文献：［1］高霞，王恩．中国建筑节能发展趋势［J ］
．中华民居，2013(8):193-194．［2］彭
寿，王芸，彭程，等．空心玻璃微珠制备方法及应用
研究进展［
J ］．硅酸盐通报，2012，31(6):1508-1513．［3］马一平，赵
彪，李远珊．建筑材料日间曝晒和夜间辐射致
冷热效果的研究［
J ］．材料导报，2009(4):58-63．The influence of micro beads content to the thermal
insulation property of reflective thermal insulation coatings
Ma Yiping
Yang Fan
Wang Cui
（Materials Science and Engineering School ，Tongji University ，Shanghai 201800，China ）
Abstract ：Through the simulation test ，this paper researched and analyzed the influence of different hollow glass micro bead content to the ther-mal insulation property of reflective thermal insulation coatings ，the test results showed that ，compared the coating without micro bead with the coating with 15%micro bead content ，the heat insulation effect differed 4ħaround．
Key words ：hollow glass micro bead ，content ，thermal insulation property ，insulation mechanism
·
911·第41卷第3期2015年1月
山西
建筑
SHANXI
AＲCHITECTUＲE
Vol．41No．3Jan．2015
DOI:10.13719/14-1279/tu.2015.03.066。