回收聚氨酯泡沫制备轻骨料混凝土及其性能研究

但君雄（武汉科信建筑工程检测有限公司，湖北 武汉 430071）

随着社会的不断发展，人们对节约能源越来越重视，建筑节能成为解决能源危机的重要举措之一，因此国家出台了众多政策推行节能保温材料在建筑中的应用[1-2]。近年来，建筑行业使用的节能保温材料分为有机保温材料和无机保温材料两大类，其中有机保温材料包括模塑聚苯乙烯板（EPS）[3]、挤塑聚苯乙烯板（XPS）[4]和聚氨酯板（PU）[5]等，无机保温材料包括岩棉板[6]、发泡混凝土[7]、轻质隔墙条板[8]、蒸压加气混凝土砌块[9]和全轻混凝土[10]等。有机与无机保温材料具备各自的优缺点，比如有机保温材料具有更低的密度和更好的保温性能，但其力学性能较低、阻燃性能只能达到B1级；而无机保温材料力学性能高、阻燃性能能达到A级，但其保温性能比有机保温材料差且密度较大[11]。因此，如何充分利用两者的优点，克服两者现有缺点，制备出一种高性能的保温材料意义重大。

轻骨料混凝土指用轻粗骨料、胶凝材料、外加剂和水等制备的干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土，其中典型的代表为全轻混凝土，广泛应用于楼地面保温系统。目前，制备轻骨料混凝土的轻骨料主要为陶粒或陶砂，而陶粒或陶砂是经过高温制备的，其能耗和成本较高，并且陶粒或陶砂的吸水率较大，在施工过程中控制不好容易出现开裂空鼓等现象[12-14]。EPS、XPS 和PU都是保温性能优异且资源易得的节能保温材料，并且吸水率都较小，但是PU 的综合保温、阻燃性能优于EPS 和XPS，因此，PU 是性能更加优异的节能保温材料[5,15-16]。高亚丽等[17]掺入不同量的PU制备了泡沫混凝土，研究表明适量的PU可以使发泡混凝土的导热系数降低、抗压强度增大，PU 掺量为4%时，发泡混凝土的气孔特性较好，与未加PU相比，抗压强度提高75%、导热系数降低18.7%且阻燃性能仍为A1级。这说明适量的PU 与无机材料结合可以制备出性能较好的保温材料。但是，目前关于PU 制备全轻混凝土的文献较少，因此，研究PU制备全轻混凝土及其性能对节能保温材料的应用具有一定的意义。

本文将回收的PU 作为轻质骨料制备了一种轻骨料混凝土，并研究了轻骨料混凝土的力学性能、保温性能和阻燃性能，旨在为轻骨料混凝土在建筑工程中的应用提供技术指导。

1 试验

1.1 试验原料

华新牌P·O 42.5水泥；回收聚氨酯泡沫板，表观密度40kg/m3，破碎为平均粒径1mm～3mm；粉体聚羧酸减水剂，山东腾霄新材料有限公司。

1.2 主要仪器设备

电子天平，PTF-B5000 型，上海亭衡衡器有限公司；砂浆搅拌机，HX-15型，沈阳建工仪器设备厂；电液伺服万能试验机，WAW 型，济南中创工业测试系统有限公司；智能化导热系数测定仪，DR3030型，钰展仪器设备（沧州）有限公司。

1.3 轻骨料混凝土的制备

①分别称取质量比1600 份水泥、400 份粉煤灰、350份水和2份减水剂并用砂浆搅拌机搅拌240s，制备成净浆浆体；②将制备好的浆体与PU 颗粒按体积比100:0、85:15、70:30、55:45和40:60（即PU占整个体积的0%、15%、30%、45%和60%）搅拌均匀，再各自浇入模具中，分别记为PU-0%、PU-15%、PU-30%、PU-45%和PU-60%；③最后置于温度20℃、湿度90%以上的环境下养护48h后脱模，继续养护至28d进行性能检测。

1.4 性能测试

依据JGJ/T 12-2019[12]测试干表观密度、抗压强度和导热系数，依据JGJ 51-2002[18]测试吸水率，依据GB 14402-2007[19]测试热值，依据GB/T 5464-2010[20]测试不燃性。

2 结果与分析

2.1 干表观密度和抗压强度

不同PU 体积比制备的轻骨料混凝土的干表观密度和抗压强度检测结果如图1所示。

图1 轻骨料混凝土的干表观密度和抗压强度

由图1 可知，未加PU 制备的轻骨料混凝土干表观密度为1805kg/m3、抗压强度为48.5MPa，随着PU 不断掺入，PU所占体积越来越大，轻骨料混凝土的干表观密度不断降低，抗压强度也逐渐减小。PU的体积为15%、30%、40%和60%时，轻骨料混凝土的干表观密度分别降低14.8%、29.6%、44.8%和59.5%，轻骨料混凝土的抗压强度分别减小39.0%、53.2%、63.1%和89.2%。这是因为PU 的密度极小，只有净浆浆体密度的1/45，随着PU 加入，PU 不断占据体积，填充了轻骨料混凝土的内部结构，因此，随着PU 的加入混凝土的干表观密度不断降低；而PU 自身的抗压强度远远低于水泥胶凝材料，随着PU的增加，轻骨料混凝土在受到外部荷载时，抗压强度必然降低。另外，从图1还可看出，PU占轻骨料混凝土体积为60%时，轻骨料混凝土的抗压强度急剧下降，其抗压强度已经无法满足JGJ 51-2002中保温型轻骨料混凝土最低等级LC5.0 的要求[18]。这是因为PU 掺量不高时，PU 周围被净浆浆体包裹，净浆浆体仍然是一个较完整的胶凝材料网络，当PU占轻骨料混凝土体积达到一定量（比如60%），包裹PU的净浆浆体变薄，甚至部分PU直接相连，此时在外部荷载下，这个结构能承受的外力的能力急剧降低，也就导致轻骨料混凝土抗压强度显著降低。

2.2 吸水率

不同PU体积比制备的轻骨料混凝土48h吸水率检测结果见表1。

表1 轻骨料混凝土的48h吸水率

由表1 可知，随着PU 不断掺入，PU 占轻骨料混凝土的体积越来越大，轻骨料混凝土的吸水率先降低后增大。PU体积比为0%～45%之间时，随着PU掺量的逐渐增加，轻骨料混凝土的吸水率不断降低，PU体积比为45%时轻骨料混凝土的吸水率降至最小值2.2%；继续增加PU至体积比60%时，轻骨料混凝土的吸水率反而增大。这是因为PU 具有一定防水效果，其吸水率较小，当PU 掺量不高时，随着PU 增加，PU 分散到混凝土中，此时净浆浆体包裹住PU，在浸水时，混凝土中的PU可以抑制水在混凝土内部的迁移，降低了轻骨料混凝土的吸水率；但是，当PU掺量过高时（比如体积比达到60%），此时部分PU 不能充分被净浆浆体包裹，可能部分PU直接相连，而PU之间没有粘结会存在间隙，虽然PU有一定的防水效果，但是水可以通过PU间的间隙快速向混凝土内部传递，导致此时混凝土的总体吸水率反而出现上升[21]。因此，PU 占体积45%时轻骨料混凝土的吸水率最小，而继续增加PU吸水率超过了不加PU的试样反而出现增大。

2.3 导热系数

不同PU 体积比制备的轻骨料混凝土的导热系数检测结果见表2。

表2 轻骨料混凝土的导热系数

由表2 可知，未加PU 的轻骨料混凝土导热系数极高，无法满足保温材料的要求，随着PU掺量增加，轻骨料混凝土的导热系数逐渐降低，保温性能不断提高。这是因为PU 自身的导热系数极低，一般不超过0.024W/(m·K)，远低于水泥净浆的导热系数，加入PU后，PU填充在混凝土内部结构中，抑制了热量在混凝土内部的传播。虽然PU 体积比达到60%时，PU 过量可能会形成PU 直接相连，造成混凝土内部有孔隙，但是间隙中的填充为空气，而空气的导热系数约0.023W/(m·K)[15,21-22]。因此，总体而言，随着PU 掺量增加，轻骨料混凝土的导热系数不断降低。

2.4 阻燃性能

阻燃性能是建筑节能保温材料的重要性能，本文对轻骨料混凝土的阻燃性能检测结果见表3。

表3 轻骨料混凝土阻燃性能

由表3可知，随着PU体积比增大，轻骨料混凝土的持续燃烧时间始终为零（即试样无法持续燃烧），轻骨料混凝土的质量损失率、总热值和炉内升温不断增大，说明PU 的加入降低了轻骨料混凝土的阻燃性能。但是根据GB 8624-2012[23]对不燃等级的要求，质量损失率≤50%、持续燃烧时间为0s、炉内升温≤30℃且总热值≤2.0MJ·kg-1时，则材料的阻燃等级为A1 级。依据表3可知，随着PU 体积比增大，虽然轻骨料混凝土的综合阻燃性能有所降低，但仍然满足A1不燃等级要求。

PU 所占体积比增加时，导致轻骨料混凝土的阻燃性能有所降低，原因是净浆浆体不燃，而PU 是可燃材料，PU加入后会被净浆包裹，但是随着时间延长，热量还是会慢慢向内传递，最终会导致部分PU 热分解，这会导致放热及PU质量降低，当PU掺量较低时，净浆浆体包裹PU 的包裹层较厚，分解释放热量较慢；随着PU掺量增加，净浆包裹PU 的包裹层变薄，热量容易向内传递，PU也更容易热分解；并且PU体积比增加，也就增加了可分解的PU的质量比，导致可以分解的PU增加，因此，随着PU 体积比增加，轻骨料混凝土的阻燃性能降低[21]。

3 结语

（1）随着PU 占轻骨料混凝土的体积比增大，轻骨料混凝土的干表观密度不断降低，抗压强度也逐渐减小。

（2）随着PU 占轻骨料混凝土的体积比增大，轻骨料混凝土的吸水率先降低后增大。PU 体积比为0%～45%之间时，随着PU 掺量的逐渐增加，轻骨料混凝土的吸水率不断降低，PU体积比为45%时轻骨料混凝土的吸水率降至最小值2.2%；继续增加PU至体积比60%时，轻骨料混凝土的吸水率反而增大。

（3）未加PU 的轻骨料混凝土导热系数极高，无法满足保温材料的要求，随着PU 体积比增大，轻骨料混凝土导热系数逐渐降低，保温性能不断提高。

（4）随着PU 占轻骨料混凝土的体积比增大，轻骨料混凝土的持续燃烧时间始终为零（即试样无法持续燃烧），轻骨料混凝土的质量损失率、总热值和炉内升温不断增大，PU的加入降低了轻骨料混凝土的阻燃性能，但仍然满足A1级要求。

（5）结合轻骨料混凝土的干表观密度、抗压强度、吸水率、导热系数和阻燃性能分析，可以得出PU 体积比为45%时，轻骨料混凝土的综合性能最优，其干表观密度为996kg/m3、抗压强度为17.9MPa、48h吸水率为2.2%、导热系数为0.251W/(m·K)、阻燃等级满足A1，达到DB42T 1227-2016中LC15等级轻骨料混凝土的要求。