彩色聚氨酯混合料透水路面材料技術(shù)性能研究

覃木寶，劉家慶，肖華杰，覃江濤

(1.廣西交通工程建設(shè)保障中心,廣西 南寧 530012；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；3.南寧市城市建設(shè)投資發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530031；4.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

彩色鋪裝透水混凝土是由粘結(jié)劑、集料、顏料等組成的高孔隙率混凝土，因?yàn)槠渑潘芰^強(qiáng)，也被稱作排水混凝土[1-3]。透水混凝土主要是針對(duì)原城市道路排水設(shè)施不完備的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，可以使降到路面表層的雨水直接通過(guò)路面流向地下，以補(bǔ)充地下水，對(duì)緩解城市排水設(shè)施的壓力與保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境等有著十分重要的意義。此外，由于顏色特點(diǎn)，降低了對(duì)陽(yáng)光的吸收程度，可減緩城市道路表面的溫度及道路表面的老化效應(yīng)[4-5]。

目前，關(guān)于彩色鋪裝透水混凝土已經(jīng)開(kāi)展一些實(shí)驗(yàn)研究。趙祥冉等利用垃圾廢料制備透水混凝土材料并對(duì)其性能開(kāi)展系統(tǒng)研究，得出垃圾廢料制備的透水混凝土是一種新型的環(huán)保材料，有利于可持續(xù)發(fā)展[6]。尹志剛等基于孔結(jié)構(gòu)特征開(kāi)展了再生骨料透水混凝土抗凍耐久性研究[7]。楊福儉等研究了不同骨料級(jí)配、結(jié)構(gòu)組合等因素對(duì)透水混凝土性能的影響，優(yōu)化了透水混凝土的級(jí)配設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)[8-12]。陳凌生對(duì)彩色水泥混凝土性能進(jìn)行研究，得出彩色混凝土的抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度與普通混凝土相比，強(qiáng)度下降，但是顏料在其中的影響不大[13]。劉寧寧等對(duì)透水混凝土路面施工進(jìn)行了研究探討[14-16]。

綜上所述，關(guān)于聚氨酯基膠結(jié)劑在道路中應(yīng)用的研究尚少。透水混凝土孔隙率較大，更易與熱、氧、光等接觸，產(chǎn)生老化，且聚氨酯基膠結(jié)劑具有比環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青更好的耐老化性能，因此在透水混凝土中具有更大的市場(chǎng)潛力。但是，聚氨酯基膠結(jié)劑在80 ℃以后會(huì)出現(xiàn)軟化，由此本文以聚氨酯透水混合料為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析其耐高溫性和耐老化性。

1 原材料及配合比

1.1 聚氨酯基膠結(jié)劑

聚氨酯基膠結(jié)劑在分子鏈中含有氨基甲酸酯基團(tuán)(—NHCOO—)或異氰酸酯酯基(—NCO—)等起膠結(jié)作用的膠結(jié)劑，一般由A組分和B組分按一定質(zhì)量比配制而成。本課題所選用的聚氨酯基膠結(jié)劑是一種雙組分膠結(jié)劑，生產(chǎn)廠家為靖江市恒業(yè)膠結(jié)劑科技有限公司。聚氨酯基A組分為淡黃色液體，B組分為深棕色液體。按規(guī)范要求測(cè)定相關(guān)性能，其測(cè)定結(jié)果與河南省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《聚氨酯基透水路面技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行對(duì)比均符合要求。聚氨酯基膠結(jié)劑的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 聚氨酯基膠結(jié)劑的性能指標(biāo)表

1.2 碎石

為了保證良好的粘結(jié)性，所采用的碎石必須質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈。為了保證透水路面有足夠的孔隙率以確保透水性能，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)，本文選用粒徑為4.75～9.5 mm的單級(jí)級(jí)配集料。

1.3 無(wú)機(jī)顏料

為了使路面有鮮艷的顏色，需要在聚氨酯基混合物中添加適量的無(wú)機(jī)顏料。本次試驗(yàn)所選用的顏料為：氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠。其中，氧化鐵紅的主要成分為三氧化二鐵、鐵丹，具有耐光照射、耐高溫等性能；氧化鐵黃主要成分為含有結(jié)晶水的氧化鐵(Fe2O3·H2O)；氧化鐵綠主要成分為藍(lán)色的酞菁，具有很強(qiáng)的吸收紫外線能力。這三種顏料均有很強(qiáng)的附著性、耐酸性、耐堿性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1.4 材料配合比與試件制備

聚氨酯基雙組分膠結(jié)劑在施工時(shí)必須按照使用說(shuō)明進(jìn)行嚴(yán)格配比，試件配合比為A組分與B組分的質(zhì)量比為3∶2；無(wú)機(jī)顏料與雙組份膠結(jié)劑的質(zhì)量比為1∶2；雙組分膠結(jié)劑混合物與碎石骨料的質(zhì)量比為1∶30。為了防止混合料固結(jié)，必須在20 min內(nèi)完成試件的制作。

2 性能分析

目前，由聚氨酯基為膠結(jié)劑所組成的碎石混合料，其試驗(yàn)的測(cè)定在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有一致的規(guī)范進(jìn)行評(píng)定，所以參照《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081)以及《聚氨酯基透水路面技術(shù)規(guī)程》(DBJ41/T150-2015)的規(guī)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1 抗壓強(qiáng)度

通過(guò)相同配合比制作不同顏色的標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)定抗壓強(qiáng)度，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，加載速率確定為0.3 kN/s。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同顏色試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

三種顏色的標(biāo)準(zhǔn)試件的代表值分別為4.9 MPa、5.1 MPa、5.2 MPa，雖然強(qiáng)度不完全一致，但是均在5 MPa左右，強(qiáng)度差別很小，說(shuō)明不同顏色氧化鐵并不會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度造成明顯影響?；旌狭蠌?qiáng)度主要由集料間的摩阻力與結(jié)合料的粘結(jié)力形成，由此可見(jiàn)，不同顏色氧化鐵的加入未對(duì)混合料的性能產(chǎn)生明顯影響。

2.2 強(qiáng)度破壞機(jī)理分析

在抗壓試驗(yàn)后將試件通過(guò)三維電鏡觀察其表面結(jié)構(gòu)，可以明顯地觀察到聚氨酯混合料的破壞形式主要分為兩種類型：(1)集料之間的聚氨酯基膠結(jié)劑發(fā)生明顯的斷開(kāi)，如圖2(a)所示；(2)碎石在持續(xù)荷載的作用下也發(fā)生斷裂，導(dǎo)致試件完全破壞，失去承受荷載的作用，如圖2(b)所示。

圖2 聚氨酯混合料破壞面三維電鏡圖

2.3 連續(xù)孔隙率與透水系數(shù)

透水混合料作為功能性路面材料，連續(xù)孔隙率是評(píng)價(jià)透水混合料性能的重要指標(biāo)之一。本研究對(duì)三種顏色試件進(jìn)行連續(xù)孔隙率的測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同顏色試件的連續(xù)孔隙率試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

三種顏色的標(biāo)準(zhǔn)試件連續(xù)孔隙率的代表值分別為33.9%、32.6%、34.2%，雖然連續(xù)孔隙率不完全一致，但是均在33%左右，連續(xù)孔隙率差別很小，說(shuō)明試件的顏色并不會(huì)對(duì)連續(xù)孔隙率造成明顯影響?；旌狭线B續(xù)孔隙率主要取決于集料級(jí)配，混合料的工作性能在一定程度上影響試件成型過(guò)程中形成的孔隙。由三種顏色聚氨酯混合料的連續(xù)孔隙率對(duì)比可知，不同顏色的氧化鐵未對(duì)聚氨酯的工作性能產(chǎn)生影響。

根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》，通過(guò)制作不同顏色聚氨酯混合料的圓柱形試件，并放入滲透裝置中進(jìn)行透水系數(shù)試驗(yàn)，并根據(jù)規(guī)范所提供的計(jì)算公式，見(jiàn)式(1)，計(jì)算不同顏色聚氨酯混合料的透水系數(shù)，結(jié)果如下頁(yè)表2所示。

(1)

式中：KT——試件的透水系數(shù)(mm/s)；

Q——一定時(shí)間內(nèi)溢流出來(lái)的水量(mm3)；

L——試件的高度(mm)；

A——試件的底面面積(mm2)；

H——水位差(mm)；

t——時(shí)間(s)。

表2 不同顏色聚氨酯混合料的透水系數(shù)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表

三種顏色的標(biāo)準(zhǔn)試件透水系數(shù)的代表值分別為0.112 1、0.110 4、0.115 2，與連續(xù)孔隙率相似，雖然透水系數(shù)不完全一致，但是均在0.11左右，差別很小，說(shuō)明混合料試件的顏色并不會(huì)對(duì)透水系數(shù)造成明顯影響，其透水系數(shù)主要取決于集料級(jí)配。同時(shí)，由表2可知，連續(xù)孔隙率與透水系數(shù)具有緊密的相關(guān)性。由于本次試驗(yàn)使用的碎石粒徑為4.75～9.5 mm，且加入聚氨酯基膠結(jié)劑后形成的試件空隙較大，試驗(yàn)計(jì)算的透水系數(shù)完全滿足《聚氨酯基透水路面技術(shù)規(guī)程》的要求(2×10-2mm/s)，可以使流向路面上的水快速排出。

2.4 抗高溫老化性能

經(jīng)過(guò)前文試驗(yàn)已經(jīng)得知，未經(jīng)任何處理的標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度與顏色無(wú)關(guān)，抗壓強(qiáng)度為5.1 MPa。為了更好地模擬冷熱交替，將不同顏色的標(biāo)準(zhǔn)試件放入老化試驗(yàn)箱5 h后，將試件取出完全冷卻至室溫作為一個(gè)冷熱循環(huán)。三種顏色試件分別經(jīng)過(guò)5、10、15、20個(gè)冷熱循環(huán)后再次測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖4 不同顏色試件在不同冷熱循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度損失率對(duì)比曲線圖

對(duì)紅色試件進(jìn)行高溫處理后，其標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度有明顯提升，在25 h后標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度為4.9 MPa，強(qiáng)度變化不明顯；而在50 h、75 h、100 h后標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度分別為6.8 MPa、5.9 MPa、6 MPa，與未經(jīng)高溫處理的標(biāo)準(zhǔn)試件相比強(qiáng)度均有較大提升。

對(duì)黃色和綠色標(biāo)準(zhǔn)試件經(jīng)過(guò)高溫老化處理后，測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。經(jīng)分析后兩者有相似性：在經(jīng)過(guò)25 h的高溫處理后，強(qiáng)度均有極大上升，分別為6.5 MPa、6.87 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為27.5%、34.7%；在50 h后強(qiáng)度與25 h后相比強(qiáng)度分別下降為5.2 MPa、5.1 MPa，但與未經(jīng)高溫處理試件相差不大，可以認(rèn)為在25 h后再經(jīng)高溫處理其強(qiáng)度仍在下降，在75 h高溫處理后強(qiáng)度分別下降為4.53 MPa、4.5 MPa，強(qiáng)度損失率分別為11.1%、11.8%，在100 h后，強(qiáng)度分別下降為4.33 MPa、4.2 MPa，強(qiáng)度損失率分別為15.1%、17.6%。

混合料試件強(qiáng)度的變化與聚氨酯基膠結(jié)劑的物理化學(xué)性能有關(guān)。高溫處理加速了聚氨酯基膠結(jié)劑內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，降低了彈性而增加了黏性，使其強(qiáng)度上升；而隨著冷熱循環(huán)的進(jìn)行，聚氨酯基膠結(jié)劑變形能力下降，在不斷熱脹冷縮中導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力增加，加速老化破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

同時(shí)，強(qiáng)度的上述變化還與其吸熱特性有關(guān)。本次老化試驗(yàn)采用的儀器通過(guò)電阻絲加熱實(shí)現(xiàn)，屬于熱輻射，即紅外輻射。不同顏色物質(zhì)對(duì)光的吸收具有選擇性，其中紅色試件對(duì)紅外光的吸收能力較差，而綠色和黃色試件對(duì)紅外光的吸收能力相對(duì)較強(qiáng)，這就造成紅色試件的粘彈性變化較小，黃色和綠色試件粘彈性變化較大，在冷熱循環(huán)中熱應(yīng)力積累較快，強(qiáng)度損失也就大，而紅色試件相對(duì)較小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用紅、黃、綠三種鐵基氧化物顏料制作了三種顏色的聚氨酯混合料試件，并對(duì)比分析了其抗壓強(qiáng)度、孔隙率、透水系數(shù)、抗高溫老化等性能，得出如下結(jié)論：

(1)紅、黃、綠三種鐵基氧化物顏料對(duì)聚氨酯混合料強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率及透水率基本不產(chǎn)生影響，即顏料的摻入未對(duì)聚氨酯的工作性能產(chǎn)生影響。

(2)當(dāng)試件經(jīng)過(guò)不同程度的高溫老化后，紅色試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而綠色、黃色試件的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，即不同顏色會(huì)因其不同的吸熱性能影響聚氨酯的性能，進(jìn)而影響其與集料的粘結(jié)強(qiáng)度。

(3)集料級(jí)配對(duì)透水鋪面材料的路用性能影響顯著，需進(jìn)一步開(kāi)展不同級(jí)配下彩色聚氨酯混合料路用性能的研究，并考慮紫外線、雨水及冰凍等對(duì)彩色聚氨酯混合料的老化作用。