彩色聚氨酯透水混凝土強(qiáng)度、透水及老化性能

魯 聰，袁盛杰，廖亞雄，黃蔚源

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430050)

彩色透水混凝土主要是針對城市道路排水設(shè)施不完備的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)，它與傳統(tǒng)路面相比，因?yàn)槠淇紫堵瘦^大、排水能力較強(qiáng)，也被稱作排水混凝土。透水混凝土可以使路面表層的雨水直接通過路面結(jié)構(gòu)的孔隙流向地下，減少路面積水，對緩解城市排水設(shè)施的壓力與保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境等有十分重要的意義[1]。此外，由于顏色多樣的特點(diǎn)，相較于黑色路面降低了對陽光的吸收程度，使城市道路表面溫度降低，可以有效緩解城市的“熱島效應(yīng)”[2]。彩色路面鋪裝可以讓駕駛者感到心情舒暢、身心愉悅，緩解駕駛疲勞；還可以起到美化城市，提升城市形象的作用，為城市建設(shè)提供一道亮麗的風(fēng)景線。

彩色聚氨酯透水混凝土主要組成材料有：聚氨酯膠結(jié)劑、無機(jī)顏料、集料等。試驗(yàn)選取的聚氨酯是以植物油為原材料采用油脂化學(xué)工藝制備而成的雙組份膠結(jié)劑，雙組份聚氨酯在常溫下與集料拌合即可完成固化。聚氨酯是A、B組分混合而成(A、B組分質(zhì)量比為3∶2)，A組分由聚氨酯原料、擴(kuò)鏈劑組成，呈現(xiàn)淡黃色；B組分為固化劑，呈現(xiàn)深棕色。無機(jī)顏料采用氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠等。

彩色透水混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人行道、公園景觀、停車場等地[3，4]。我國對于彩色鋪裝透水混凝土的研究較晚，目前主要針對其施工工藝、強(qiáng)度特性、透水性能研究較多。職曉云等[5]對彩色透水混凝土的技術(shù)性能和施工工藝進(jìn)行研究，提出面層透水混凝土與基層顏色透水性混凝土同步澆筑雙層攤鋪法施工技術(shù)，可以降低工程成本并且能保證路面質(zhì)量，同時(shí)發(fā)現(xiàn)著色增強(qiáng)料對透水混凝土強(qiáng)度有所增強(qiáng)。趙恒政[6]對彩色透水混凝土路面施工進(jìn)行研究探討，指出彩色鋪裝透水混凝土的使用必須注意骨膠比，并提出公路養(yǎng)護(hù)的注意事項(xiàng)。王火明等[7]對多孔隙聚氨酯碎石路面的強(qiáng)度特性與路用性能開展研究，結(jié)果表明膠水用量和碎石形狀對強(qiáng)度影響顯著，成型方法和養(yǎng)護(hù)時(shí)間、溫度對其最終強(qiáng)度幾乎沒有影響；聚氨酯透水路面具有良好的抗變形能力、抗滑性能和耐腐蝕性能。邵洪濤[8]對聚氨酯碎石透水路面研究表明，它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有透水儲水性能，這使它同時(shí)具有分擔(dān)排水管網(wǎng)壓力、緩解城市內(nèi)澇等實(shí)用功能和改善城市水循環(huán)等長期效應(yīng)。王富軍等[9]通過研究表明透水混凝土可以增強(qiáng)城市透水、透氣面積，調(diào)節(jié)城市氣候，降低地表溫度，透水路面可以助力海綿城市建設(shè)。綜上所述，目前對彩色聚氨酯混凝土的力學(xué)性能和老化性能研究較少，試驗(yàn)將采用三種顏料并摻入納米TiO2，通過改變膠集比和顏色，揭示其力學(xué)性能、透水性及耐老化性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

1)聚氨酯

聚氨酯基膠結(jié)劑是一種在分子鏈中含有氨基甲酸脂基團(tuán)(—NHCOO—)和異氰酸酯脂基(—NCO—)起膠結(jié)作用的聚合物，一般由A、B組分按一定質(zhì)量配制而成。該課題所選用的聚氨酯基膠結(jié)劑是一種雙組份膠結(jié)劑，生產(chǎn)廠家為靖江市恒業(yè)膠結(jié)劑科技有限公司，廠家所建議的膠集比(聚氨酯膠結(jié)劑與集料的質(zhì)量比)為1∶30。聚氨酯基A組分為淡黃色液體，B組分為深棕色液體，A、B組分的質(zhì)量比為3∶2，將A、B組分均勻混合后測定相關(guān)性能，如表1所示。

表1 聚氨酯基膠結(jié)劑的性能指標(biāo)

2)集料

為了保證試件有良好的粘結(jié)性，所采用集料必須質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈。同時(shí)，為確保透水路面有足夠的孔隙率來保證透水性能，又可以保持有足夠的抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，集料選用兩個(gè)粒徑分別為2.36 mm、4.75 mm，集料的性能指標(biāo)如表2所示。

表2 集料的性能指標(biāo)

3)其他材料

試驗(yàn)選取的無機(jī)顏料為：氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠。無機(jī)顏料與聚氨酯基膠結(jié)劑的質(zhì)量比為1∶2，摻加無機(jī)顏料后聚氨酯基膠結(jié)劑的粘稠度增加，有利于膠結(jié)劑與碎石的附著。二氧化鈦(TiO2)作為光改性劑，具有良好的抗紫外老化性能、熱穩(wěn)定性，有良好的使用前景。

1.2 彩色聚氨酯透水混凝土的制備

對于聚氨酯透水混凝土現(xiàn)我國并未頒布相應(yīng)規(guī)范，相關(guān)試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081進(jìn)行。使用的聚氨酯A、B組分的質(zhì)量比為3∶2，無機(jī)顏料與聚氨酯膠結(jié)劑的質(zhì)量比為1∶2，并制備不同膠集比(聚氨酯膠結(jié)劑與集料的質(zhì)量比):1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40的標(biāo)準(zhǔn)試件，并考慮集料級配對強(qiáng)度的影響，抗壓強(qiáng)度試件尺寸為：100 mm×100 mm×100 mm，抗折強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm。為了防止膠結(jié)劑提前固結(jié)，必須在30 min內(nèi)制作完成集料的拌合與試件制作，成型過程為人工振搗40次。

1.3 試驗(yàn)方案

考慮不同的膠集比、級配對彩色聚氨酯透水混凝土強(qiáng)度、空隙率、滲水系數(shù)的影響；為了研究彩色聚氨酯透水混凝土的老化性能，采用二氧化鈦[10]與聚氨酯基膠結(jié)劑質(zhì)量比為5%，通過測定光熱老化后的強(qiáng)度變化，研究其對聚氨酯透水混凝土性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)度

1)無機(jī)顏料對強(qiáng)度的影響 選取粒徑為4.75 mm的集料制作不同顏色的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試件，氧化鐵顏料、聚氨酯膠結(jié)劑、集料在質(zhì)量比例為1∶2∶60，顏料分別為：氧化鐵紅、氧化鐵綠、氧化鐵黃。試件在完全固化后進(jìn)行強(qiáng)度測定，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 不同顏色試件的抗壓強(qiáng)度 /MPa

表4 不同顏色試件的抗折強(qiáng)度 /MPa

如表3所示，氧化鐵紅、氧化鐵綠、氧化鐵黃三種標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度平均值分別為5.12 MPa、5.18 MPa和5.26 MPa，雖然強(qiáng)度不完全一致，但是均在5.2 MPa左右。如表4所示，氧化鐵紅、氧化鐵綠、氧化鐵黃三種標(biāo)準(zhǔn)試件的抗折強(qiáng)度平均值分別為3.66 MPa、3.6 MPa和3.63 MPa，抗折強(qiáng)度的差別較小，均在3.6 MPa以上。在配合比相同的條件下，不同顏色試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度差別很小，說明無機(jī)顏料的顏色并不會對彩色聚氨酯透水混合料的強(qiáng)度造成影響。最后，以不同顏色試件強(qiáng)度的平均值作為該配比的強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度5.19 MPa、抗折強(qiáng)度3.6 MPa。

在這9組抗壓強(qiáng)度中只有兩組強(qiáng)度小于5 MPa，分別為4.95 MPa和4.86 MPa，造成這種差別的主要原因?yàn)椋涸谡駬v過程中使試件的密實(shí)程度可能存在不同，導(dǎo)致試件的孔隙率較大，在荷載作用下試件的抗壓強(qiáng)度存在差異。

2)膠集比對強(qiáng)度的影響 通過研究表明，氧化鐵顏料的種類不會對試件的強(qiáng)度造成影響，選取粒徑為4.75 mm的集料制作標(biāo)準(zhǔn)試件，顏料選取氧化鐵紅，制備不同膠集比：1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

如圖1所示，試件的抗壓、抗折強(qiáng)度隨著膠集比的增大而逐漸增大。當(dāng)膠集比大于1∶25后，試件的抗壓強(qiáng)度變化并不明顯。當(dāng)膠集比為1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15時(shí)，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為4.35 MPa、4.69 MPa、5.19 MPa、5.59 MPa、6.2 MPa、6.51 MPa；以膠集比1∶30作為基準(zhǔn)，試件的抗壓強(qiáng)度變化幅度分別為：-16.18%、-9.63%、0、7.71%、19.46%、25.43%。當(dāng)膠集比為1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15時(shí)，抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為3.11 MPa、3.35 MPa、3.63 MPa、4.56 MPa、5.02 MPa、5.21 MPa；以膠集比1∶30作為基準(zhǔn)，試件的抗折強(qiáng)度變化幅度分別為：-14.33%、-7.71%、0、25.62%、38.29%、43.53%。當(dāng)膠集比相同時(shí)，彩色聚氨酯透水混凝土的抗壓強(qiáng)度大于抗折強(qiáng)度。隨著聚氨酯膠結(jié)劑的增加，包裹在集料表面的聚氨酯基膠結(jié)劑的厚度增加，使每粒集料間的粘結(jié)力提升，從而導(dǎo)致試件的強(qiáng)度增大。

3)集料配合比對強(qiáng)度的影響 集料配合比對試件的強(qiáng)度有重要的影響，選取氧化鐵顏料、聚氨酯膠結(jié)劑、集料在質(zhì)量比為1∶2∶60，而集料選用復(fù)合級配4.75 mm∶2.36 mm=1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5時(shí)，制作標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，當(dāng)復(fù)合級配4.75 mm∶2.36 mm=1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度分別為5.49 MPa、5.86 MPa、6.54 MPa、6.32 MPa、6.03 MPa；試件的抗折強(qiáng)度分別為4.36 MPa、5.03 MPa、5.84 MPa、5.76 MPa、5.65 MPa。在膠集比相同時(shí)，單一級配下試件抗壓強(qiáng)度為5.19 MPa，與單一級配相比復(fù)合級配的強(qiáng)度增幅分別為5.88%、12.91%、26.01%、21.77%、16.18%；在膠集比相同時(shí)，單一級配下試件抗折強(qiáng)度為3.63 MPa，與單一級配相比復(fù)合級配的強(qiáng)度增幅分別為20.11%、38.56%、60.88%、58.68%、55.65%。當(dāng)集料的配合比改變時(shí)，試件的抗壓、抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。與單一級配相比，復(fù)合級配有較多的細(xì)集料可以充分填充粗集料之間的空隙，從而形成骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)，使試件的抗壓強(qiáng)度增加。當(dāng)集料的配合比小于1∶3時(shí)，粗集料較少、細(xì)集料過多，從而形成懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，細(xì)集料過多，集料的總體表面積變大，膠集比相同時(shí)集料表面的聚氨酯膠結(jié)劑厚度變薄，集料間的粘結(jié)力降低，試件結(jié)構(gòu)的變化和膠結(jié)劑厚度變薄均使彩色聚氨酯透水混合料強(qiáng)度有所降低，但是仍比單一級配的強(qiáng)度高。

通過使用三維電鏡觀察破壞后的試件結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示，可以明顯的觀察到：碎石之間的聚氨酯基膠結(jié)劑發(fā)生明顯的斷裂；荷載的作用下集料也發(fā)生碎裂，從而導(dǎo)致試件破壞。

2.2 彩色聚氨酯透水混凝土的孔隙率

通過研究表明，試件的孔隙率對透水性能有一定的影響，選取粒徑為4.75 mm的集料制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件，顏料選取氧化鐵紅，制備不同膠集比：1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15的標(biāo)準(zhǔn)試件通過網(wǎng)籃法進(jìn)行孔隙率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，當(dāng)膠集比為1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15時(shí)，試件的孔隙率分別為32.6%、30.2%、29.3%、28.1%、24.9%、22.7%，結(jié)果表明聚氨酯膠結(jié)劑的用量會影響聚氨酯基碎石混合料的孔隙率，隨著膠集比的減小，混合料的孔隙率也在逐漸降低；聚氨酯用量的增加，使集料表面的膠結(jié)劑薄膜厚度也逐漸增加，從而影響彩色聚氨酯透水混凝土的孔隙率。

2.3 彩色聚氨酯透水混凝土的滲水系數(shù)

實(shí)驗(yàn)參照《透水水泥混凝土路面路面技術(shù)規(guī)程》，通過制作不同膠集比的試件放入滲透裝置中進(jìn)行試驗(yàn)，研究膠集比對滲水系數(shù)的影響，滲水系數(shù)按照式(1)進(jìn)行計(jì)算。對于同一膠集比，進(jìn)行三次試驗(yàn)取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

(1)

式中,KT為試件的滲水系數(shù)；Q為t時(shí)間內(nèi)水的流量；L為試件高度；A為試件的底面積；ρ為水的密度；t為時(shí)間；Δh為水位差，選取的水位差為30 cm。

不同膠集比的彩色聚氨酯透水混凝土的滲水系數(shù)如圖6所示，當(dāng)膠集比為1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15時(shí)，試件的滲水系數(shù)分別為0.86 cm/s、0.75 cm/s、0.59 cm/s、0.46 cm/s、0.31 cm/s、0.23 cm/s。隨著膠集比的增加，彩色聚氨酯透水混凝土的滲水系數(shù)逐漸降低，呈現(xiàn)線性關(guān)系。當(dāng)膠集比1∶15的彩色聚氨酯透水混凝土的滲水系數(shù)為膠集比為1∶40的3.7倍，說明聚氨酯膠結(jié)劑的用量會影響透水混凝土的滲水系數(shù)。

2.4 彩色聚氨酯透水混凝土的紫外老化性能

老化試驗(yàn)選取粒徑為4.75 mm的集料制作膠集比為1∶30的標(biāo)準(zhǔn)試件，無機(jī)顏料選取：氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠，TiO2摻量為聚氨酯膠結(jié)劑質(zhì)量的5%。未老化的彩色透水聚氨酯混合料的抗壓強(qiáng)度為5.19 MPa。試件在紫外老化箱進(jìn)行老化，試驗(yàn)條件為100 h，光照強(qiáng)度600 W/m2，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 摻加TiO2老化后的抗壓強(qiáng)度值 /MPa

摻加氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠的標(biāo)準(zhǔn)試件通過光熱老化后，強(qiáng)度變化分別為-14.64%、-11.37%、-12.9%，聚氨酯膠結(jié)劑在經(jīng)過光熱處理后產(chǎn)生降解，導(dǎo)致膠結(jié)劑內(nèi)部的分子鍵斷裂最終導(dǎo)致試件的強(qiáng)度降低。在試件中摻加5%的TiO2后，試件的抗壓強(qiáng)度變化率分別為-4.04%、-3.27%、-5.01%，強(qiáng)度有所下降；但是與未摻加TiO2的試件相比，強(qiáng)度仍有所提升，結(jié)果說明TiO2對老化性能有所提高。

3 結(jié) 論

采用紅、黃、綠三種鐵基氧化物顏料和六種膠集比(1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40)制作試件，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、孔隙率、透水系數(shù)、老化試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

a.當(dāng)膠集比、集料粒徑不變時(shí)，氧化鐵紅、氧化鐵綠、氧化鐵黃三種標(biāo)準(zhǔn)試件的強(qiáng)度平均值差別很小，說明無機(jī)顏料的種類和顏色并不會對彩色聚氨酯透水混合料的強(qiáng)度造成影響。

b.當(dāng)碎石粒徑不變時(shí)，隨著膠集比增大，強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢；當(dāng)膠集比不變，碎石由單級配變?yōu)閺?fù)合級配，強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢。

c.當(dāng)集料級配、顏料的摻量不變時(shí)，隨著膠集比增大，混凝土孔隙率和透水系數(shù)降低。

d.摻加5%的TiO2彩色聚氨酯試件在經(jīng)過紫外老化后，強(qiáng)度損失降低，結(jié)果說明TiO2對老化性能有所提高。