CN116444207A - 一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土及其拌和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及含有无机黏结剂或含有无机与有机黏结剂反应产物的砂浆、混凝土或人造石的组合物技术领域，公开了一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土及其拌和方法，以质量份计，包含以下成分：填孔胶浆：6‑9份；填孔胶浆为填充在聚氨酯泡沫颗粒表面孔隙中的胶黏物质；水泥：23‑25份；石墨粉：6‑10份；细骨料：36‑46份；拌和水：30‑50份；堆积体积为细骨料的3‑5倍的聚氨酯泡沫颗粒。本发明中，通过用废弃聚氨酯作为粗骨料，降低混凝土成本的同时解决了采暖过程中的固废；通过掺杂石墨粉，冲抵了粗骨料热导率低的影响并通过裹壳减小了粗骨料的接触热阻，使混凝土在密度低的前提下有足够的热导率；通过高水灰比，使混凝土能够自流摊平且冲抵了石墨粉的影响。

Description

一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土及其拌和方法

技术领域

本发明涉及含有无机黏结剂或含有无机与有机黏结剂反应产物的砂浆、混凝土或人造石的组合物技术领域，特别是涉及一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土及其拌和方法。

背景技术

随着人们对生活质量要求的不断提升，建筑的采暖需求也越来越高。传统的采暖设施，如暖气片、暖炉或者制热空调等，均存在加热不均匀的问题，导致室内一部分地方冷且另一部分地方热，制热空调还会导致空气干燥。

地暖没有加热不均匀的问题，其通过均匀埋设在底板下的加热管（也即地暖管，管内通热水），对整个房间进行均匀加热。由于地暖管位于地板下，而地暖管本身的强度是不足以承载地板以及上方的家具的，因此地暖管外必须包裹上混凝土层，这个混凝土层也即施工中所称的地暖管填充层。

地暖管填充层在施工过程中存在以下问题：

成本高：地暖管填充层通常为10厘米厚的C15混凝土或M7.5水泥砂浆，本身只起到一个简单的支撑作用，却占据了地暖施工中成本的很大一部分；

施工慢：地暖管填充层的施工场合是建筑内部，无法使用大型机械对混凝土进行摊平，也不能进行任何形式的振捣（会破坏地暖管），全程依靠人手进行施工；

限制家具重量：C15级混凝土实测密度为每立方2405公斤（干重），每平米楼板上10厘米厚的混凝土重240.5公斤，而每平米的楼板的承载力通常不超过300公斤力，这样地板上能放的家具重量捉襟见肘。

也就是说，理想的地暖管填充层混凝土，其成本要足够低、要有足够的流动性（达到自流平混凝土的水平）以方便抄平、并且密度要足够低以减少对楼板承载力的占用。

但目前市面上并不存在能够满足以上三条要求的混凝土，因为前两条要求相对比较独立，但第三条要求与地暖管填充层的使用场合存在冲突。地暖管填充层相较于一般的混凝土构件，还有热导率的要求，而降低混凝土密度通常也造成了混凝土热导率的下降，导致现有的很多轻质混凝土热导率不能满足地暖管填充层的需求，因而不能应用在这一场合。

与地暖管配套的，是建筑外墙保温层，其厚度在一般为30至50mm，而在北方地区是为50至80mm左右。每户建筑每次需用到几十平方米的外墙保温层，总体积为数立方米。而外墙保温层的使用寿命低于建筑外墙，约为建筑外墙寿命的三分之一，整个建筑使用周期内需要更换两次外墙保温层，使用期间产生的建筑固废的体积甚至大于建筑外墙，在建筑使用寿命到了之后还要再产生一批建筑固废。

同时，由于外墙保温常采用聚氨酯泡沫作为保温材料，但废弃聚氨酯泡沫的处理非常困难，聚氨酯属于热固塑料，不能像热塑塑料那样简单熔融回收。同时由于聚氨酯含氮，燃烧产物有毒且容易氮氧化物超标，因此也不宜采用焚烧法处理。聚氨酯也不像废弃砖瓦那样环境友好，因此也不能在破碎后直接排放或用于人工造礁。

如果能将废弃聚氨酯泡沫用到地暖管填充层中，将能够解决这种难处理的建筑固废。市面上也存在用到了聚氨酯泡沫的混凝土，但这些混凝土要么需要在混凝土内发泡（如CN106007505B-一种聚氨酯泡沫混凝土及其制备方法，CN114426421A-聚氨酯改性泡沫混凝土及制备方法），要么需要用很低的水灰比来避免混凝土离析（如CN114656279A 一种利用废弃聚氨酯泡沫配制空心砖的配方，制砖用的混凝土非常干硬），均不适合用于地暖管填充层。更致命的是，所有这些用到了聚氨酯泡沫的混凝土，热导率均非常低，普遍比地暖管填充层所需的热导率低一个数量级左右。以上各点导致本领域技术人员对此偏见甚深，目前尚未见有任何将聚氨酯泡沫用于地暖管填充层的尝试。

发明人经研究发现，聚氨酯泡沫颗粒混凝土之所以热导率低，一则是里面掺杂的聚氨酯泡沫颗粒本身热导率低，二则是聚氨酯泡沫颗粒普遍与混凝土其余部分之间有着明显的接触热阻，因为掺杂的聚氨酯泡沫颗粒与周围结合不牢（聚氨酯泡沫颗粒表面易掉粉）且混凝土离析严重（聚氨酯泡沫颗粒会漂到表面）。

发明内容

本发明提供一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土及其拌和方法。

解决的技术问题是：地暖管填充层在施工过程中成本高、施工慢、限制家具重量；同时与地暖配套的外墙保温层在使用期间产生大量难以处理的固废。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，以质量份计，包含以下成分：

水泥：23-25份；

石墨粉：6-10份；

细骨料：36-46份；所述细骨料为沙子以及建筑垃圾粉中的一种或多种；

拌和水：30-50份；

还包括以下成分：

聚氨酯泡沫颗粒：堆积体积为细骨料的3-5倍，所述聚氨酯泡沫颗粒由废弃聚氨酯保温材料粉碎而成。

进一步，所述聚氨酯泡沫颗粒为硬泡聚氨酯，所述填孔胶浆为羧甲基纤维素钠及硅酸钠的混合溶液，混合溶液中还掺杂有填充剂。

进一步，所述填充剂为水泥，所述填孔胶浆中，72-78%wt为水泥，0.5-1%wt为羧甲基纤维素钠，1-3%wt为硅酸钠，其余为水。

进一步，所述细骨料与聚氨酯泡沫颗粒的堆积体积比为1：3。

进一步，所述石墨粉为目数不小于800目的微粉石墨。

进一步，所述聚氨酯泡沫颗粒为2-4目的颗粒。

进一步，所述混凝土的表面还包裹有纤维网布。

一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土的拌和方法，用于拌和上述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，并包括以下步骤：

步骤一、填孔胶浆中水以外的配料记作干浆，所述干浆为粉末状，将聚氨酯泡沫颗粒和干浆放到混凝土搅拌机里干拌，使羧甲基纤维素钠粉末与填充剂充分混合并填到聚氨酯泡沫颗粒表面孔隙中；

步骤二、搅拌并同时喷淋水，直到干浆都裹到聚氨酯泡沫颗粒上；

步骤三、继续搅拌至少10分钟，使羧甲基纤维素钠吸水溶胀且硅酸钠产生凝胶，形成填孔胶浆；

步骤四、加入其余的配料，搅拌均匀。

进一步，步骤一中采用立式搅拌机进行搅拌，搅拌时加盖以防止水泥灰飘出；

步骤二中搅拌前先停止搅拌机，喷湿聚氨酯泡沫颗粒堆的上表面以防止水泥灰飘出，然后继续喷淋水并搅拌。

进一步，步骤四中，拌和水含有0.5-1%wt的甲酸钙。

本发明一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土及其拌和方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明中，通过用废弃聚氨酯作为粗骨料，并采用一系列手段使之能满足地暖管填充层的热导率要求，降低了混凝土成本与密度，同时解决了与地暖配套的外墙保温层在使用期间产生的固废；

本发明中，通过大幅提升水灰比，使混凝土如同液体一般能够自流摊平，极大降低了地暖管填充层的施工工作量；同时包裹填孔胶浆后聚氨酯泡沫颗粒的密度上升，不再上浮造成离析，而是悬浮在混凝土中，因而高水灰比下也不会离析；且高水灰比还克服了石墨粉对混凝土拌和的不利影响；

本发明中，通过掺杂热导率高的石墨粉的方式，冲抵了粗骨料热导率低的影响，通过在粗骨料表面包填孔胶浆的方式，克服了粗骨料表面高接触热阻的问题；以上两点结合，使采用低密度混凝土浇筑地暖管填充层的同时确保了地暖管填充层有足够的热导率。

本发明中，由于聚氨酯泡沫颗粒不再上浮且与混凝土其余部分结合牢靠，因此混凝土强度明显提升，不会因为混凝土被压裂而影响传热。

具体实施方式

一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，以质量份计，包含以下成分：

填孔胶浆：6-9份；填孔胶浆为填充在聚氨酯泡沫颗粒表面孔隙中的胶黏物质；由于容易崩落产生灰尘，聚氨酯泡沫颗粒的表面能相当低，对于本申请中的这种高水灰比的混凝土而言，在混凝土凝固完成后，聚氨酯泡沫颗粒更倾向于与混凝土其余部分分离开，而聚氨酯泡沫颗粒表面的孔隙中很容易卡进去气泡或者是沙粒，进一步恶化聚氨酯泡沫颗粒与混凝土其余部分的连接。因此这里用高表面能的填孔胶浆改善其与混凝土其余部分的结合，并预先把聚氨酯泡沫颗粒表面的孔隙填上，避免气泡或者是沙粒进入。除此之外，包上这么一层填孔胶浆，还可避免聚氨酯泡沫颗粒在这种高水灰比的混凝土中漂起来。6-9份则为聚氨酯泡沫颗粒表面孔隙的体积。多了之后留不住，少了的话效果差。

水泥：23-25份；这个比例高于常规的C15混凝土，以适应本申请中这种聚氨酯泡沫颗粒粗骨料；如果是高标号水泥可少用一些，到23份，如果是低标号水泥可以多加一些，到25份。

石墨粉：6-10份；这里石墨粉过少的话热导率就难以满足需求，过多的话成本优势就没有了。

细骨料：36-46份；细骨料为沙子以及建筑垃圾粉中的一种或多种；这个比例考虑了不同密度的细骨料，确保细骨料能够填充出骨料之间的空隙。如果细骨料的密度较高，就多放一些，到46份，较低，就少放一些，到36份。这里三种可能的细骨料可以任意比例相互掺混使用，具体根据现场获得的成本决定。

拌和水：30-50份。这里拌和水一般不超过50份，50份以上的话，混凝土收面会有困难，而30以下的话，混凝土没法自流。

聚氨酯泡沫颗粒由废弃聚氨酯保温材料粉碎而成；这里聚氨酯泡沫颗粒的作用是粗骨料，除了建筑外墙保温板，冰箱、冷库、集装箱板等地方也会产生废弃聚氨酯保温材料，亦可投入使用。其堆积体积为细骨料的3-5倍，这里之所以用体积比来定义聚氨酯泡沫颗粒用量，是因为其密度波动极大。

聚氨酯泡沫颗粒为硬泡聚氨酯。市面上的聚氨酯泡沫，主要分为硬泡和软泡两种，两种聚氨酯泡沫不仅硬度不同，工艺和成分也有所不同：

硬泡：是由硬泡聚醚多元醇（又称白料），与聚合MDI（又称黑料）反应制备的。

软泡：是用软泡聚酯多元醇和TDI-65/35通过箱式发泡工艺生产的。

对于这两种常见的聚氨酯泡沫而言，软泡聚氨酯显而易见地会对混凝土抗压强度造成不利影响，因为软泡聚氨酯根本不具备抗压能力。但实际制备的混凝土试块显示，采用软泡聚氨酯颗粒作为粗骨料拌和出的混凝土的抗压强度达到了7兆帕，且也没有像预料的那样用手按压后出现孔洞。在对混凝土切片后我们发现，水泥浆能够渗入到聚氨酯泡沫中一部分。聚氨酯泡沫不同于聚苯乙烯泡沫，聚氨酯泡沫普遍是开孔或半开孔结构，在混凝土拌和过程中，水泥浆能够渗入到聚氨酯泡沫中一部分，这虽然一定程度上增加了聚氨酯泡沫的密度，但也增加了其抗压强度。考虑到作为外墙保温材料的聚氨酯泡沫均为硬泡，而硬泡聚氨酯作为粗骨料拌和出的混凝土的强度要好于软泡聚氨酯（抗压强度普遍能达到9兆帕，有部分试块甚至能达到12兆帕），因此本实施例选用硬泡聚氨酯作为粗骨料拌和混凝土。

填孔胶浆为羧甲基纤维素钠及硅酸钠的混合溶液，混合溶液中还掺杂有填充剂，填充剂避免后续拌和把填孔胶浆洗掉。

填充剂为水泥，填孔胶浆中，72-78%wt为水泥，0.5-1%wt为羧甲基纤维素钠，1-3%wt为硅酸钠，其余为水。这里填孔胶浆是一种干硬水泥浆，难以在后续的拌和中被冲掉，同时，在混凝土凝固过程中，由于水泥含量高，会因结晶水化合物的形成，而体积膨胀，进一步增加聚氨酯泡沫颗粒与混凝土其余部分的连接强度，降低接触热阻并提升混凝土强度。注意这里填孔胶浆中的水泥和水，与拌和水以及其余部分的水泥是分开算的，23-25份水泥里不包含填孔胶浆中的水泥，30-50份的拌和水中的水也不包含填孔胶浆中的水。

细骨料与聚氨酯泡沫颗粒的堆积体积比为1：3。堆积起来的聚氨酯泡沫颗粒之间的孔隙率，约为整个堆积体积的1/3，且由于本申请中水的混凝土的水灰比极大，混凝土几乎为液相，可确保细骨料充分填充在粗骨料之间，因此这里不再以富勒理想级配曲线公式设计粗细骨料的配比，而是直接认定细骨料填充满粗骨料之间的间隙。此外，考虑到聚氨酯泡沫颗粒并非刚性的，因此其体积比常规的混凝土中的粗骨料高。

石墨粉为目数不小于800目的微粉石墨。这里石墨粉，是作为填充在细骨料之间的间隙的物质而存在，如果目数小于800目的话会挤占细骨料的空间。

聚氨酯泡沫颗粒为2-4目的颗粒。聚氨酯泡沫颗粒大于2目的话，几乎无法阻止聚氨酯泡沫颗粒在混凝土中漂浮起来，并且对热导率的影响比较明显。而如果颗粒小于4目的话就过小了，无法作为粗骨料使用。

混凝土的表面还包裹有纤维网布，在地暖管填充层浇筑完后，利用市面上常用的刮尺挂网一体机，在填充层表面挂一层网，如此则无需抹面，且即使有聚氨酯泡沫颗粒漂浮到混凝土表面，也不会造成影响。

一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土的拌和方法，用于拌和上述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，并包括以下步骤：

步骤一、填孔胶浆中水以外的配料记作干浆，干浆为粉末状，将聚氨酯泡沫颗粒和干浆放到混凝土搅拌机里干拌，使羧甲基纤维素钠粉末与填充剂充分混合并填到聚氨酯泡沫颗粒表面孔隙中；

羧甲基纤维素钠溶解是非常慢的，且很容易结块，且填孔胶浆如果本身几乎不具备流动性，很难进入到聚氨酯泡沫颗粒表面的孔隙中；因此这里先进行干拌，使干浆直接进到聚氨酯泡沫颗粒表面的孔隙中，并使羧甲基纤维素钠分散开，避免结块。这里采用立式搅拌机进行搅拌，以方便喷水，搅拌时加盖以防止水泥灰飘出；

步骤二、搅拌并同时喷淋水，直到干浆都裹到聚氨酯泡沫颗粒上；步骤二中搅拌前先停止搅拌机，喷湿聚氨酯泡沫颗粒堆的上表面以防止水泥灰飘出，然后继续喷淋水并搅拌。

步骤三、继续搅拌至少10分钟，使羧甲基纤维素钠吸水溶胀且硅酸钠产生凝胶，形成填孔胶浆；10分钟的搅拌不足以使羧甲基纤维素钠完全溶解，只能使其部分溶解，但已经能够提升粘度了。

步骤四、加入其余的配料，搅拌均匀。注意搅拌时不要过快，防止聚氨酯泡沫颗粒表面包裹的填孔胶浆损失过多。

步骤四中，拌和水含有0.5-1%wt的甲酸钙。甲酸钙是一种不影响后续强度的早强剂，能够确保在高水灰比下凝结顺利。同时还可以与填孔胶浆中的硅酸钠反应，进一步增强粗骨料与混凝土其余部分的结合紧密程度，并避免聚氨酯泡沫颗粒上浮。注意，甲酸钙不是必须的，可以不加，用普通的水作为拌和水。

实施例1：

本发明最大的优势在于低成本，因此这里用本发明中成本尽可能高的配方与市面上的C15混凝土比较价格，如下：

原料单价如下：

聚氨酯泡沫：现场自制（原料为报废的外墙保温板）；

羧甲基纤维素钠：6元每公斤；

硅酸钠：2元每公斤；

水泥：400元每吨；

石墨粉：1670元每吨；

沙子：90元每吨；

建筑垃圾粉末：现场自制（原料为碎砖瓦、拆下来的墙体及混凝土地板等）。

施工项目中的混凝土，配方为：

水泥30质量份，沙子20质量份，建筑垃圾粉20质量份，拌合水50质量份，羧甲基纤维素钠0.1质量份，硅酸钠0.2质量份，石墨粉7质量份。聚氨酯泡沫颗粒的堆积体积为沙子的三倍。

干混凝土中，含有相当于水泥23-28%wt的化学结合水，这里统一算作25%。

则每吨干的混凝土的成本为230.7元，密度为1.623吨每立方米，折合为每立方米374.5元。

而普通C15混凝土的成本为450元每立方米（商砼），本项目中的混凝土每吨节约了75.5元的成本，也即混凝土这一项上就节约成本16.8%。

该混凝土的热导率为0.9302 W/(m·K)，与M7.5水泥砂浆相仿。作为对照，不掺杂石墨粉也不包填孔胶浆时，热导率为0.2604 W/(m·K)，不掺杂石墨粉但包填孔胶浆时，热导率为0.3763 W/(m·K)，掺杂的石墨粉增加到10质量份时，热导率增加到1.188 W/(m·K)。

由此可见，对聚氨酯泡沫颗粒包浆处理提升混凝土热导率的效果还是有一定效果的，但不足以使混凝土热导率达到M7.5水泥砂浆的程度。而掺杂石墨粉同样提升了混凝土的热导率，且石墨粉掺杂的越多，混凝土热导率提升的越多。

虽然石墨粉掺杂越多，热导率越高，但石墨粉本身价格比水泥和粗骨料及细骨料都高，掺杂过多的石墨粉将显著提升混凝土成本。这里只需让混凝土的热导率达到水泥砂浆或低标号混凝土的程度即可，再高的话可能会适得其反。因为地暖管填充层除了让地暖管的热量传递到室内之外，还有一个功能就是蓄热，如果盲目提升地暖管填充层混凝土的热导率，将会影响到蓄热效果。掺7质量份石墨粉后，混凝土的热导率就刚好与水泥砂浆或低标号混凝土相当，这是在多次反复调整石墨粉用量后得出的一个较优的配方，受限于篇幅，这里不再列出调整过程中那些临时的混凝土配方。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，其特征在于：以质量份计，包含以下成分：

填孔胶浆：6-9份；所述填孔胶浆为填充在聚氨酯泡沫颗粒表面孔隙中的胶黏物质；

水泥：23-25份；

石墨粉：6-10份；

细骨料：36-46份；所述细骨料为沙子以及建筑垃圾粉中的一种或多种；

拌和水：30-50份；

还包括以下成分：

聚氨酯泡沫颗粒：堆积体积为细骨料的3-5倍，所述聚氨酯泡沫颗粒由废弃聚氨酯保温材料粉碎而成。

2.根据权利要求1所述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，其特征在于：所述聚氨酯泡沫颗粒为硬泡聚氨酯，所述填孔胶浆为羧甲基纤维素钠及硅酸钠的混合溶液，混合溶液中还掺杂有填充剂。

3.根据权利要求2所述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，其特征在于：所述填充剂为水泥，所述填孔胶浆中，72-78%wt为水泥，0.5-1%wt为羧甲基纤维素钠，1-3%wt为硅酸钠，其余为水。

4.根据权利要求1所述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，其特征在于：所述细骨料与聚氨酯泡沫颗粒的堆积体积比为1：3。

5.根据权利要求1所述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，其特征在于：所述石墨粉为目数不小于800目的微粉石墨。

6.根据权利要求1所述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，其特征在于：所述聚氨酯泡沫颗粒为2-4目的颗粒。

7.根据权利要求1所述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，其特征在于：所述混凝土的表面还包裹有纤维网布。

8.一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土的拌和方法，其特征在于：用于拌和如权利要求2所述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土，并包括以下步骤：

步骤一、填孔胶浆中水以外的配料记作干浆，所述干浆为粉末状，将聚氨酯泡沫颗粒和干浆放到混凝土搅拌机里干拌，使羧甲基纤维素钠粉末与填充剂充分混合并填到聚氨酯泡沫颗粒表面孔隙中；

步骤二、搅拌并同时喷淋水，直到干浆都裹到聚氨酯泡沫颗粒上；

步骤三、继续搅拌至少10分钟，使羧甲基纤维素钠吸水溶胀且硅酸钠产生凝胶，形成填孔胶浆；

步骤四、加入其余的配料，搅拌均匀。

9.根据权利要求8所述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土的拌和方法，其特征在于：

步骤一中采用立式搅拌机进行搅拌，搅拌时加盖以防止水泥灰飘出；

步骤二中搅拌前先停止搅拌机，喷湿聚氨酯泡沫颗粒堆的上表面以防止水泥灰飘出，然后继续喷淋水并搅拌。

10.根据权利要求8所述的一种轻质环保易施工的地暖管填充层混凝土的拌和方法，其特征在于：步骤四中，拌和水含有0.5-1%wt的甲酸钙。