回收聚氨酯泡沫制備輕骨料混凝土及其性能研究

但君雄（武漢科信建筑工程檢測有限公司，湖北 武漢 430071）

隨著社會的不斷發展，人們對節約能源越來越重視，建筑節能成為解決能源危機的重要舉措之一，因此國家出臺了眾多政策推行節能保溫材料在建筑中的應用[1-2]。近年來，建筑行業使用的節能保溫材料分為有機保溫材料和無機保溫材料兩大類，其中有機保溫材料包括模塑聚苯乙烯板（EPS）[3]、擠塑聚苯乙烯板（XPS）[4]和聚氨酯板（PU）[5]等，無機保溫材料包括巖棉板[6]、發泡混凝土[7]、輕質隔墻條板[8]、蒸壓加氣混凝土砌塊[9]和全輕混凝土[10]等。有機與無機保溫材料具備各自的優缺點，比如有機保溫材料具有更低的密度和更好的保溫性能，但其力學性能較低、阻燃性能只能達到B1級；而無機保溫材料力學性能高、阻燃性能能達到A級，但其保溫性能比有機保溫材料差且密度較大[11]。因此，如何充分利用兩者的優點，克服兩者現有缺點，制備出一種高性能的保溫材料意義重大。

輕骨料混凝土指用輕粗骨料、膠凝材料、外加劑和水等制備的干表觀密度不大于1950kg/m3的混凝土，其中典型的代表為全輕混凝土，廣泛應用于樓地面保溫系統。目前，制備輕骨料混凝土的輕骨料主要為陶粒或陶砂，而陶粒或陶砂是經過高溫制備的，其能耗和成本較高，并且陶粒或陶砂的吸水率較大，在施工過程中控制不好容易出現開裂空鼓等現象[12-14]。EPS、XPS 和PU都是保溫性能優異且資源易得的節能保溫材料，并且吸水率都較小，但是PU 的綜合保溫、阻燃性能優于EPS 和XPS，因此，PU 是性能更加優異的節能保溫材料[5,15-16]。高亞麗等[17]摻入不同量的PU制備了泡沫混凝土，研究表明適量的PU可以使發泡混凝土的導熱系數降低、抗壓強度增大，PU 摻量為4%時，發泡混凝土的氣孔特性較好，與未加PU相比，抗壓強度提高75%、導熱系數降低18.7%且阻燃性能仍為A1級。這說明適量的PU 與無機材料結合可以制備出性能較好的保溫材料。但是，目前關于PU 制備全輕混凝土的文獻較少，因此，研究PU制備全輕混凝土及其性能對節能保溫材料的應用具有一定的意義。

本文將回收的PU 作為輕質骨料制備了一種輕骨料混凝土，并研究了輕骨料混凝土的力學性能、保溫性能和阻燃性能，旨在為輕骨料混凝土在建筑工程中的應用提供技術指導。

1 試驗

1.1 試驗原料

華新牌P·O 42.5水泥；回收聚氨酯泡沫板，表觀密度40kg/m3，破碎為平均粒徑1mm～3mm；粉體聚羧酸減水劑，山東騰霄新材料有限公司。

1.2 主要儀器設備

電子天平，PTF-B5000 型，上海亭衡衡器有限公司；砂漿攪拌機，HX-15型，沈陽建工儀器設備廠；電液伺服萬能試驗機，WAW 型，濟南中創工業測試系統有限公司；智能化導熱系數測定儀，DR3030型，鈺展儀器設備（滄州）有限公司。

1.3 輕骨料混凝土的制備

①分別稱取質量比1600 份水泥、400 份粉煤灰、350份水和2份減水劑并用砂漿攪拌機攪拌240s，制備成凈漿漿體；②將制備好的漿體與PU 顆粒按體積比100:0、85:15、70:30、55:45和40:60（即PU占整個體積的0%、15%、30%、45%和60%）攪拌均勻，再各自澆入模具中，分別記為PU-0%、PU-15%、PU-30%、PU-45%和PU-60%；③最后置于溫度20℃、濕度90%以上的環境下養護48h后脫模，繼續養護至28d進行性能檢測。

1.4 性能測試

依據JGJ/T 12-2019[12]測試干表觀密度、抗壓強度和導熱系數，依據JGJ 51-2002[18]測試吸水率，依據GB 14402-2007[19]測試熱值，依據GB/T 5464-2010[20]測試不燃性。

2 結果與分析

2.1 干表觀密度和抗壓強度

不同PU 體積比制備的輕骨料混凝土的干表觀密度和抗壓強度檢測結果如圖1所示。

圖1 輕骨料混凝土的干表觀密度和抗壓強度

由圖1 可知，未加PU 制備的輕骨料混凝土干表觀密度為1805kg/m3、抗壓強度為48.5MPa，隨著PU 不斷摻入，PU所占體積越來越大，輕骨料混凝土的干表觀密度不斷降低，抗壓強度也逐漸減小。PU的體積為15%、30%、40%和60%時，輕骨料混凝土的干表觀密度分別降低14.8%、29.6%、44.8%和59.5%，輕骨料混凝土的抗壓強度分別減小39.0%、53.2%、63.1%和89.2%。這是因為PU 的密度極小，只有凈漿漿體密度的1/45，隨著PU 加入，PU 不斷占據體積，填充了輕骨料混凝土的內部結構，因此，隨著PU 的加入混凝土的干表觀密度不斷降低；而PU 自身的抗壓強度遠遠低于水泥膠凝材料，隨著PU的增加，輕骨料混凝土在受到外部荷載時，抗壓強度必然降低。另外，從圖1還可看出，PU占輕骨料混凝土體積為60%時，輕骨料混凝土的抗壓強度急劇下降，其抗壓強度已經無法滿足JGJ 51-2002中保溫型輕骨料混凝土最低等級LC5.0 的要求[18]。這是因為PU 摻量不高時，PU 周圍被凈漿漿體包裹，凈漿漿體仍然是一個較完整的膠凝材料網絡，當PU占輕骨料混凝土體積達到一定量（比如60%），包裹PU的凈漿漿體變薄，甚至部分PU直接相連，此時在外部荷載下，這個結構能承受的外力的能力急劇降低，也就導致輕骨料混凝土抗壓強度顯著降低。

2.2 吸水率

不同PU體積比制備的輕骨料混凝土48h吸水率檢測結果見表1。

表1 輕骨料混凝土的48h吸水率

由表1 可知，隨著PU 不斷摻入，PU 占輕骨料混凝土的體積越來越大，輕骨料混凝土的吸水率先降低后增大。PU體積比為0%～45%之間時，隨著PU摻量的逐漸增加，輕骨料混凝土的吸水率不斷降低，PU體積比為45%時輕骨料混凝土的吸水率降至最小值2.2%；繼續增加PU至體積比60%時，輕骨料混凝土的吸水率反而增大。這是因為PU 具有一定防水效果，其吸水率較小，當PU 摻量不高時，隨著PU 增加，PU 分散到混凝土中，此時凈漿漿體包裹住PU，在浸水時，混凝土中的PU可以抑制水在混凝土內部的遷移，降低了輕骨料混凝土的吸水率；但是，當PU摻量過高時（比如體積比達到60%），此時部分PU 不能充分被凈漿漿體包裹，可能部分PU直接相連，而PU之間沒有粘結會存在間隙，雖然PU有一定的防水效果，但是水可以通過PU間的間隙快速向混凝土內部傳遞，導致此時混凝土的總體吸水率反而出現上升[21]。因此，PU 占體積45%時輕骨料混凝土的吸水率最小，而繼續增加PU吸水率超過了不加PU的試樣反而出現增大。

2.3 導熱系數

不同PU 體積比制備的輕骨料混凝土的導熱系數檢測結果見表2。

表2 輕骨料混凝土的導熱系數

由表2 可知，未加PU 的輕骨料混凝土導熱系數極高，無法滿足保溫材料的要求，隨著PU摻量增加，輕骨料混凝土的導熱系數逐漸降低，保溫性能不斷提高。這是因為PU 自身的導熱系數極低，一般不超過0.024W/(m·K)，遠低于水泥凈漿的導熱系數，加入PU后，PU填充在混凝土內部結構中，抑制了熱量在混凝土內部的傳播。雖然PU 體積比達到60%時，PU 過量可能會形成PU 直接相連，造成混凝土內部有孔隙，但是間隙中的填充為空氣，而空氣的導熱系數約0.023W/(m·K)[15,21-22]。因此，總體而言，隨著PU 摻量增加，輕骨料混凝土的導熱系數不斷降低。

2.4 阻燃性能

阻燃性能是建筑節能保溫材料的重要性能，本文對輕骨料混凝土的阻燃性能檢測結果見表3。

表3 輕骨料混凝土阻燃性能

由表3可知，隨著PU體積比增大，輕骨料混凝土的持續燃燒時間始終為零（即試樣無法持續燃燒），輕骨料混凝土的質量損失率、總熱值和爐內升溫不斷增大，說明PU 的加入降低了輕骨料混凝土的阻燃性能。但是根據GB 8624-2012[23]對不燃等級的要求，質量損失率≤50%、持續燃燒時間為0s、爐內升溫≤30℃且總熱值≤2.0MJ·kg-1時，則材料的阻燃等級為A1 級。依據表3可知，隨著PU 體積比增大，雖然輕骨料混凝土的綜合阻燃性能有所降低，但仍然滿足A1不燃等級要求。

PU 所占體積比增加時，導致輕骨料混凝土的阻燃性能有所降低，原因是凈漿漿體不燃，而PU 是可燃材料，PU加入后會被凈漿包裹，但是隨著時間延長，熱量還是會慢慢向內傳遞，最終會導致部分PU 熱分解，這會導致放熱及PU質量降低，當PU摻量較低時，凈漿漿體包裹PU 的包裹層較厚，分解釋放熱量較慢；隨著PU摻量增加，凈漿包裹PU 的包裹層變薄，熱量容易向內傳遞，PU也更容易熱分解；并且PU體積比增加，也就增加了可分解的PU的質量比，導致可以分解的PU增加，因此，隨著PU 體積比增加，輕骨料混凝土的阻燃性能降低[21]。

3 結語

（1）隨著PU 占輕骨料混凝土的體積比增大，輕骨料混凝土的干表觀密度不斷降低，抗壓強度也逐漸減小。

（2）隨著PU 占輕骨料混凝土的體積比增大，輕骨料混凝土的吸水率先降低后增大。PU 體積比為0%～45%之間時，隨著PU 摻量的逐漸增加，輕骨料混凝土的吸水率不斷降低，PU體積比為45%時輕骨料混凝土的吸水率降至最小值2.2%；繼續增加PU至體積比60%時，輕骨料混凝土的吸水率反而增大。

（3）未加PU 的輕骨料混凝土導熱系數極高，無法滿足保溫材料的要求，隨著PU 體積比增大，輕骨料混凝土導熱系數逐漸降低，保溫性能不斷提高。

（4）隨著PU 占輕骨料混凝土的體積比增大，輕骨料混凝土的持續燃燒時間始終為零（即試樣無法持續燃燒），輕骨料混凝土的質量損失率、總熱值和爐內升溫不斷增大，PU的加入降低了輕骨料混凝土的阻燃性能，但仍然滿足A1級要求。

（5）結合輕骨料混凝土的干表觀密度、抗壓強度、吸水率、導熱系數和阻燃性能分析，可以得出PU 體積比為45%時，輕骨料混凝土的綜合性能最優，其干表觀密度為996kg/m3、抗壓強度為17.9MPa、48h吸水率為2.2%、導熱系數為0.251W/(m·K)、阻燃等級滿足A1，達到DB42T 1227-2016中LC15等級輕骨料混凝土的要求。