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(fā)展，人們對節(jié)約能源越來越重視，建筑節(jié)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(jié)能保溫材料在建筑中的應(yīng)用[1-2]。近年來，建筑行業(yè)使用的節(jié)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(fā)泡混凝土[7]、輕質(zhì)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(yōu)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(xué)性能較低、阻燃性能只能達到B1級；而無機保溫材料力學(xué)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(yōu)點，克服兩者現(xiàn)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(yīng)用于樓地面保溫系統(tǒng)。目前，制備輕骨料混凝土的輕骨料主要為陶?；蛱丈?，而陶粒或陶砂是經(jīng)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(xiàn)開裂空鼓等現(xiàn)象[12-14]。EPS、XPS 和PU都是保溫性能優(yōu)異且資源易得的節(jié)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(yōu)于EPS 和XPS，因此，PU 是性能更加優(yōu)異的節(jié)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(fā)泡混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低、抗壓強度增大，PU 摻量為4%時，發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)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(jié)合可以制備出性能較好的保溫材料。但是，目前關(guān)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(jié)能保溫材料的應(yīng)用具有一定的意義。

本文將回收的PU 作為輕質(zhì)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(xué)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(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

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(shè)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(shè)備廠；電液伺服萬能試驗機，WAW 型，濟南中創(chuàng)工業(yè)測試系統(tǒng)有限公司；智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，DR3030型，鈺展儀器設(shè)備（滄州）有限公司。

1.3 輕骨料混凝土的制備

①分別稱取質(zhì)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(huán)境下養(yǎng)護48h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護至28d進行性能檢測。

1.4 性能測試

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

2 結(jié)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(jié)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(jù)體積，填充了輕骨料混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(jīng)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(wǎng)絡(luò)，當(dāng)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(jié)構(gòu)能承受的外力的能力急劇降低，也就導(dǎo)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(jié)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(xù)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(dāng)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(nèi)部的遷移，降低了輕骨料混凝土的吸水率；但是，當(dāng)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(jié)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(nèi)部傳遞，導(dǎo)致此時混凝土的總體吸水率反而出現(xiàn)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(xù)增加PU吸水率超過了不加PU的試樣反而出現(xiàn)增大。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

不同PU 體積比制備的輕骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)檢測結(jié)果見表2。

表2 輕骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)

由表2 可知，未加PU 的輕骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，保溫性能不斷提高。這是因為PU 自身的導(dǎo)熱系數(shù)極低，一般不超過0.024W/(m·K)，遠低于水泥凈漿的導(dǎo)熱系數(shù)，加入PU后，PU填充在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，抑制了熱量在混凝土內(nèi)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(nèi)部有孔隙，但是間隙中的填充為空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)不斷降低。

2.4 阻燃性能

阻燃性能是建筑節(jié)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(jié)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(xù)燃燒時間始終為零（即試樣無法持續(xù)燃燒），輕骨料混凝土的質(zhì)量損失率、總熱值和爐內(nèi)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(jù)GB 8624-2012[23]對不燃等級的要求，質(zhì)量損失率≤50%、持續(xù)燃燒時間為0s、爐內(nèi)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(jù)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(dǎo)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(nèi)傳遞，最終會導(dǎo)致部分PU 熱分解，這會導(dǎo)致放熱及PU質(zhì)量降低，當(dāng)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(nèi)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(zhì)量比，導(dǎo)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(jié)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(xù)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(xù)燃燒時間始終為零（即試樣無法持續(xù)燃燒），輕骨料混凝土的質(zhì)量損失率、總熱值和爐內(nèi)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(jié)合輕骨料混凝土的干表觀密度、抗壓強度、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)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(yōu)，其干表觀密度為996kg/m3、抗壓強度為17.9MPa、48h吸水率為2.2%、導(dǎo)熱系數(shù)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。