随着塑料工业的快速发展，泡沫塑料制品，比如聚苯乙烯(EPS)泡沫、聚氨酯(PU)泡沫等，被广泛应用于工业、建筑等领域。泡沫塑料在生产和使用过程中产生大量废旧塑料，然而废旧塑料无法自然降解，通过掩埋和燃烧废旧塑料造成环境污染。因此，国内外科研人员将废旧塑料回收粉碎后用于建筑混凝土工程，尤其是制备泡沫混凝土(FC)，既解决废旧塑料污染问题，又节约资源[1-3]。Kou等[4]利用聚氯乙烯(PVC)颗粒与膨胀黏土制备轻质混凝土。结果表明：与未加入PVC颗粒的轻质混凝土相比，加入PVC颗粒后，提高FC的抗氯离子渗透性和抗干燥收缩性能。杨奉源等[5]向FC中填充废旧EPS泡沫制备FC复合材料。结果表明：与纯FC相比，随着EPS掺量的增加，FC复合材料的抗压强度先增大后降低，导热系数基本不变。PU具有保温隔热、隔音且可塑性好等优点，被应用于建筑节能保温、太阳能热水器水箱夹层腔体、汽车坐垫、门板和顶棚衬里等部位[6-8]。但是，利用废旧PU制备FC复合材料的研究较少。本实验将废旧PU粉碎后加入FC，制备FC/PU复合材料，并研究这种FC/PU复合材料的气孔结构、力学性能和导热性能，为指导废旧PU在建筑工程中的回收应用提供依据。1实验部分1.1主要原料水泥，P·O 42.5，广东清新水泥有限公司；十二烷基苯磺酸钠发泡剂(K12)，JF-Ⅱ，固含量37%，合肥新材料有限公司；回收聚氨酯(PU)泡沫，废品太阳能热水器。1.2仪器与设备水泥净浆搅拌机，JJ-5，无锡式建工试验仪器设备有限公司；砂浆搅拌机，HX-15，沈阳建工仪器设备厂；万能试验机，WE-100B，浙江中科仪器有限公司；旋转黏度计，NXS-Ⅱ，成都仪器厂；Supereyes电子显微镜，PH-100，深圳市博视达光学仪器有限公司；智能导热系数测定仪，TSWL-DR-3030、燃烧热值试验仪，TSWL-RSR-01、建材不燃性试验炉，TSWL-BRL-01，天津赛威朗仪器设备有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，S-4800，日本日立公司。1.3样品制备表1为FC/PU复合材料配方。将发泡剂K12和水按质量比为1∶2.5稀释，制成发泡液。将水泥、PU与水按表1配比在净浆搅拌机中搅拌4 min，制成水泥浆。将发泡液与水泥浆倒入砂浆搅拌机搅拌3 min。搅拌浆体立即测试扩展度和黏度。其他浆体制成100 mm×100 mm×100 mm和300 mm×300 mm×30 mm试样，标准养护28 d进行测试。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.007.T001表1FC/PU复合材料配方Tab.1Formula of FC/PU composites样品编号组分配比/（kg·m-3）PU掺量（m（PU）∶m（水泥））/%水水泥K12PU11355001000213550010513135500101024135500101535135500102046135500102551.4性能测试与表征浆体黏度测试：量取250 mL浆体，检测分四个阶段：以150 s-1剪切速率预剪切30 s，经30 s将剪切速率从0升至20 s-1，经30 s将剪切速率从20 s-1升至为150 s-1，经30 s将剪切速率从150 s-1降至100 s-1。浆体黏度为第二阶段~第四阶段的平均黏度。气孔特性测试：样品尺寸100 mm×100 mm×100 mm，沿样品垂直方向，样品的1/2处锯出断面。利用120、200和400目的砂纸依次打磨，并除去表面粉体。Supereyes电子显微镜下放大100倍，采集照片。形状因子SI表征孔变形程度，SI为1时，气孔为球形，SI值越高（即比1大）越偏离球形。SI的计算公式为：SI=P24πA （1）式（1）中：A为气孔投影面积，mm2；P为气孔投影周长，mm。抗压强度测试：样品尺寸100 mm×100 mm×100 mm，在(60±5) ℃干燥箱中烘干至恒重，加压速率为1.5 kN/s。SEM表征：对样品断面喷金处理，观察断面表面形貌。导热系数测试：样品尺寸为300 mm×300 mm×30 mm，在(60±5) ℃干燥箱中烘干至恒重，测定仪冷板温度设定15 ℃，热板温度为35 ℃。阻燃性能测试：称取50 g样品研磨，称取0.5 g粉末，按GB/T 14402—2007进行测试。不燃性按GB/T 5464—2010进行测试，样品直径45 mm、高度50 mm。2结果与讨论2.1流变性能分析流变性影响FC后期气孔结构、力学性能和导热性能。FC的黏度能够反映流变特性，黏度低则流变性好。较好的流变性有助于发泡成孔，但是流变性太强，可能导致FC离析分层或发泡剂泡沫稳定性下降，使气孔变形或破损，对FC后期力学性能产生不利影响[9-10]。图1为FC和FC/PU复合材料浆体黏度。从图1可以看出，PU掺量为0~4%时，随着PU掺量增加，FC/PU浆体剪切应力减小，黏度从15.0 Pa·s降至5.6 Pa·s。PU掺量为4%时，黏度比FC降低62.7%。PU掺量为4%~5%时，随着PU掺量增加，FC/PU浆体剪切应力逐渐增大，黏度逐渐升高。这说明PU掺量为0~4%时，PU提高复合材料流变性；PU掺量达到5%时，PU的掺入对复合材料浆体流变性不利。这是因为PU的吸水率很低，PU掺量未超过4%时，较多水分分散于水泥和发泡剂泡沫，相当于水胶比增加。另外，PU表面光滑，颗粒接近球形，减少浆体之间的摩擦力，提高润滑作用。当PU掺量达到5%，复合材料初始浆体的流变性过高，PU密度较轻，PU在浆体中出现分层和上浮，使PU分布不均匀，导致PU的润滑作用降低，浆体剪切应力增加，黏度增大，浆体流变性降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.007.F001图1FC和FC/PU复合材料浆体黏度Fig.1Slurry viscosity of FC and FC/PU composites2.2气孔特性分析FC气孔大小、气孔形状和气孔数量影响FC性能。FC密度或孔隙率一定时，气孔数量越多，气孔分布均匀，气孔孔径较小且气孔越接近球形，则抗压强度越高，导热系数越小[11-13]。图2为FC和FC/PU复合材料孔径分布。从图2可以看出，PU掺量为0~4%时，随着PU掺量增加，FC/PU中50、100和200 μm的小孔径气孔分布百分比逐渐增大；FC/PU中300、400、500和600 μm的大孔径气孔分布百分比逐渐降低。PU掺量为4%~5%时，随着PU掺量增加，50、100和200 μm气孔分布百分比逐渐降低；300、400、500和600 μm的气孔分布百分比逐渐降增大。这可能是因为PU掺量较低时（不超过4%），浆体流变性较好，PU均匀分散于浆体，浆体黏度较小。浆体对发泡剂气泡的挤压较小，不易破坏气泡，有利于增加小气泡的数量，保证气泡完整性，有利于后期形成球形小气孔。PU掺量较高时（超过4%），复合材料初始浆体的流变性过高，PU部分分层和上浮，浆体中PU分布不均匀，部分位置浆体黏度增加，有些发泡剂气泡被挤压或破损，使小气孔数量减少，大气泡数量增加。PU掺量不超过4%，有利于小孔径气孔的形成。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.007.F002图2FC和FC/PU复合材料孔径分布Fig.2Distribution of pore size of FC and FC/PU composites样品气孔数量总和和对应照片面积之比，为气孔密度。样品所有气孔孔径尺寸，进行加权平均，得到平均气孔孔径值。表2为FC和FC/PU复合材料的气孔特性。从表2可以看出，当PU掺量为0~4%，随着PU掺量的增加，复合材料的气孔密度增大，平均孔径减小，气孔形状因子接近1。这是因为浆体流变性变好且浆体气泡比较稳定，容易形成小气孔。当PU掺量达到5%，复合材料的气孔密度减小，平均孔径增大，且气孔形状因子变大。这是因为PU掺量过大，PU出现分层和上浮，浆体不均匀，部分浆体对气泡挤压，气泡在浆体中稳定性下降，出现气泡变形或破损，并且破损的气孔连接变成大气孔。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.007.T002表2FC和FC/PU复合材料的气孔特性Tab.2Characteristics of pore of FC and FC/PU composites样品编号PU掺量/%气孔密度/（个·mm-2）平均孔径/μm形状因子范围102247.41.21~1.35213213.01.15~1.22324170.21.09~1.16435155.71.06~1.13546127.41.01~1.08653273.91.19~1.392.3抗压强度分析抗压强度决定FC的等级和应用范围，图3为FC和FC/PU复合材料的抗压强度。FC/PU复合材料的气孔分布和结构对抗压强度具有重要影响，从图3可以看出，当PU掺量为0~4%，FC/PU的抗压强度随着PU掺量增加而增大；PU掺量为4%时，FC/PU的抗压强度，与FC相比，提高75.0%；当PU掺量超过4%时，FC/PU的抗压强度随着PU掺量增加而降低。这是因为FC的抗压强度与气孔特性密切相关，FC受压时，容易应力集中而破坏，而形状接近圆形的小孔径气孔有利于避免应力集中[10,14]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.007.F003图3FC和FC/PU复合材料抗压强度Fig.3The compressive strength of FC and FC/PU composites图4为FC和FC/PU复合材料SEM照片。从图4a~图4e可以看出，当PU掺量较低，随着PU掺量的增加，浆体流变性较好，提高复合材料气孔稳定性，复合材料浆体达到初始强度前，保证气孔稳定性并减少破损，复合材料产生更多完整的小孔径气孔，破损孔数量减少。小孔径完整气孔有利于分散材料内部应力，增强复合材料的抗压强度。从图4f可以看出，当PU掺量较高，浆体黏度太低，气孔容易被挤压或破损，小孔径气孔变少，大孔径气孔变多，且出现破损孔。随着PU掺量的增加，单位体积浆体中水泥含量降低，且PU抗压强度远低于水泥浆体抗压强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.007.F004图4FC和FC/PU复合材料SEM照片Fig.4SEM images of FC and FC/PU composites2.4导热系数分析图5为FC和FC/PU复合材料导热系数。从图5可以看出，当PU掺量为0~3%，FC/PU导热系数降低速率较快；当PU掺量超过3%，FC/PU导热系数降低速率较慢。PU掺量为4%时，FC/PU导热系数与FC相比降低18.7%。PU掺量增至5%，FC/PU导热系数为0.073 W/(m·K)。复合材料导热系数降低是因为PU导热系数小于水泥，随着PU的掺入，FC/PU导热系数降低；另外，当PU掺入一定量，FC/PU产生较多完整的小孔径气孔，孔隙率一定时，含小孔径试样中形成的气孔数量更多。而热量在水泥浆体中传播的速度大于在气孔中传播，热量主要通过水泥浆体传递。而FC/PU小气孔较多，气孔的比表面积较大，热量传递的路径变长，导热系数变小[14-16]。当PU掺量较低，PU降低FC/PU导热系数，且PU的加入增加小孔径气孔数量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.007.F005图5FC和FC/PU复合材料导热系数Fig.5The thermal conductivity of FC and FC/PU composites2.5阻燃性能分析表3和图6为FC和FC/PU复合材料的阻燃性能。根据《建筑材料及制品燃烧性能分级》(GB 8624—2012)A1级要求，炉内升温不超过30 ℃、质量损失不超过50%、持续燃烧时间为0 s，总热值不超过2.0 MJ/kg。从表3可以看出，当PU掺量为0~5%，随着PU掺量增加，复合材料质量损失和总热值增大，但是仍然满足A1级要求。从图6可看出，随着PU掺量的增加，炉内温度增大。掺量较低时，温度达到平衡的时间较长；掺量较高时，温度达到平衡的时间缩短。当掺量达到5%，升温至32.2 ℃，已经不满足A1级阻燃要求。原因是，PU是可燃型材料，而FC中水泥浆体不燃（除了部分杂质或可挥发性物质）。当PU掺量较低，PU被水泥浆体包裹，释放热量较慢，温度达到平衡较慢；随着PU掺量的增加，包裹PU的水泥砂浆膜较薄，热量容易释放，因此温度达到平衡较快。为了保证复合材料阻燃性能达到A1级，PU掺量最大为4%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.007.T003表3FC和FC/PU复合材料阻燃性能Tab.3Flame retardancy of FC and FC/PU composites样品编号PU掺量/%质量损失率/%持续燃烧时间/s总热量/（MJ·kg-1）101.500.94212.401.13323.501.31434.601.53545.401.72656.601.9210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.007.F006图6不同PU掺量下的FC/PU复合材料燃烧温升Fig.6Temperature rise during combustion of FC/PU composites under different PU contents3结论（1）PU掺量为0~4%时，随着PU掺量增加，浆体剪切应力减小，黏度降低，浆体流变性能增强。PU掺量为4%时，浆体黏度达到最小(5.6 Pa·s)。PU的掺入改变气孔孔径的分布和气孔结构。PU掺量较少时，FC/PU气孔孔径分布均匀，且平均孔径较小，孔结构接近球形；PU掺量过大时，FC/PU气孔孔结构因子变大。（2）随着PU掺量的增加，FC/PU抗压强度先增大后降低。当PU掺量为0~4%，FC/PU抗压强度逐渐增大；当PU掺量为4%~5%，FC/PU抗压强度逐渐降低。（3）随着PU掺量的增加，FC/PU的导热系数逐渐降低。当PU掺量为0~3%，复合材料的导热系数降低速率较快；当PU掺量超过3%，复合材料导热系数降低速率较慢。（4）PU掺量为4%时，FC/PU的综合性能最优，与未掺入PU相比，黏度降低62.7%，抗压强度提高75.0%，导热系数降低18.7%，阻燃性能达到A1级。