聚氨酯碎石混合料強度特性研究

薛飛 趙維林 崔艷玲

1 河南省建筑科學研究院有限公司（450053）2 河南正商置業有限公司（450000）

聚氨酯碎石混合料強度特性研究

薛飛1趙維林2崔艷玲1

1 河南省建筑科學研究院有限公司（450053）2 河南正商置業有限公司（450000）

聚氨酯碎石透水路面作為一種新型的環保型透水路面，對城市生態環境的改善具有重要意義。聚氨酯碎石混合料在國內外還未曾有過系統研究。為了科學合理地利用聚氨酯碎石混合料修建出高質量透水路面，就要找出聚氨酯碎石混合料強度的影響因素。

透水路面；聚氨酯碎石混合料；抗壓強度；抗折強度；影響因素

聚氨酯碎石混合料在國內外還未曾有過系統研究，很少有相關資料可以借鑒，其性能到底如何還不得而知。為了科學合理地利用聚氨酯碎石混合料修建出高質量透水路面，這里將對聚氨酯碎石混合料的基本物理力學性能進行研究，內容包括:抗壓強度、抗折強度；主要是研究聚氨酯碎石混合料強度的影響因素。

1 齡期及養護溫度

1.1 齡期

本試驗的目的是通過試驗研究確定出聚氨酯碎石混合料的齡期，以便順利開展室內試驗研究，也可用于指導實體工程施工。試驗以4～6 mm大理巖為例，選取現場施工配合比（石子∶膠黏劑=100∶3）進行研究，成型100 mm×100 mm×100 mm立方體抗壓試件，分別測定3 h、6 h、12 h、1 d、3 d、5 d、7 d和30 d的抗壓強度。每一齡期做三個平行試驗，取平均值作為最終結果。通過研究，得到不同齡期抗壓強度見圖1。

圖1 抗壓強度隨齡期變化關系圖

通過試驗結果可知:聚氨酯碎石混合料的抗壓強度隨齡期的增加不斷增長，前期增長迅速，1 d齡期的抗壓強度已經達到21 d強度的88%;后期增長緩慢，逐漸趨于平緩，從1 d齡期到21 d齡期抗壓強度僅增加了0.9 MPa。

1.2 養護溫度

同樣以4～6 mm大理巖為例，成型3.0%（現場施工用量）膠黏劑用量的試件，測定不同養護溫度（25℃、40℃、60℃、100℃）條件下聚氨酯碎石混合料的抗壓強度。為了提高試驗的準確性，在研究某一特定因素對抗壓強度影響時，控制另外兩個因素不變。

圖2 抗壓強度隨養護溫度變化關系圖

通過試驗可得出:養護溫度對抗壓強度的增長有一定的影響，養護溫度越高，抗壓強度增長越快，但總體影響不大；養護24 h后，25℃條件下的抗壓強度已經達到100℃抗壓強度的88%。

1.3 插搗次數選擇

試驗還研究了插搗次數對混合料抗壓強度的影響；同樣以4～6 mm大理巖為例分別成型插搗0次、30次、50次和100次的立方體抗壓試件,尋求強度隨插搗次數的變化規律,試驗結果如圖3所示。

圖3 不同插搗次數抗壓強度變化規律

通過試驗可以看出:混合料抗壓強度在開始階段隨插搗次數的增加不斷增大,但插搗超過50次時抗壓強度增長逐漸趨于穩定,強度已不再增長。依據上述試驗結果，在后續試驗中決定選取試件插搗50次、養護溫度28℃、養護齡期1 d作為測定聚氨酯碎石混合料強度的限定條件。

2 強度形成及破壞特征

2.1 強度形成機理

聚氨酯碎石混合料是一種大孔隙碎石混合料，它通常不含細集料和填料，而是采用單粒徑結構碎石與聚氨酯膠黏劑拌制而成，其強度主要依靠碎石之間的相互嵌擠（點-點接觸）和聚氨酯膠黏劑的黏結強度提供。聚氨酯膠黏劑暴露在空氣中易發生氧化固結，硬化后將集料膠結成整體，強度隨之形成。因此，聚氨酯碎石混合料的強度形成機理與常規的瀝青或水泥膠結料有所不同，致使其路用性能具有特殊性。以3～5 mm大理巖碎石為例，膠黏劑用量5%，實測孔隙率18%，養生期24 h，進行抗壓強度測試，得到聚氨酯碎石混合料全過程抗壓強度試驗的荷載-位移曲線，見圖4。

圖4 聚氨酯碎石混合料全過程荷載-位移曲線（抗壓試驗）

由此可見，聚氨酯碎石混合料不僅具有類似于水泥混凝土的高強度和高模量，具備足夠的抗永久變形的能力，還具有類似于瀝青混凝土材料的良好柔韌性，這不僅與聚氨酯膠黏劑有關，還與聚氨酯碎石混合料特有的骨架空隙結構有關。

2.2 強度破壞特征

對于聚氨酯碎石混合料這種大孔隙混凝土，強度破壞特征到底如何，是集料先發生破壞還是膠黏劑薄層先發生破壞,這是值得研究的關鍵內容之一。從抗壓試件的破壞斷面分析:聚氨酯碎石混合料抗壓強度基本都是在點接觸位置發生破壞，破壞有兩種情況:1）黏結界面遭到破壞；2）碎石被壓碎。這說明了聚氨酯碎石混合料的抗折、抗壓強度與膠黏劑用量及集料抵抗折斷的能力密切相關。

3 強度影響因素

聚氨酯碎石混合料其實是透水混凝土的一種，其破壞機理不同于普通混凝土：聚氨酯碎石混合料大孔隙率結構使其受力更加復雜多變，而且聚氨酯膠黏劑流動性較大,自身所形成的膠漿層較薄，多余膠黏劑向下流淌，導致底部孔隙堵塞，也就是說，和一般路面結構相比，膠漿強度的提高對聚氨酯碎石透水路面整體強度的貢獻較小。因此，在保證聚氨酯碎石混合料透水性的前提下如何提高混合料的強度是值得深入研究的問題之一。

3.1 膠黏劑用量

膠黏劑用量（3.0%），以其為中心成型不同膠黏劑用量的立方體抗壓試件（100 mm×100 mm×100 mm），室溫養護至24 h測量其抗壓強度值。三檔碎石依次成型2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%和7.0%的聚氨酯碎石混合料，抗壓強度試驗結果如圖5所示。

圖5 不同膠黏劑用量抗壓強度變化曲線

從上述圖可知:隨著膠黏劑用量的增加，抗壓強度逐漸增大，但增加幅度明顯不同，前期隨著膠黏劑用量的增加抗壓強度增長較快，后期逐漸趨于平緩。

成型不同膠黏劑用量的抗折標準試件（150 mm×150 mm×550 mm）,養護至24 h測定抗折強度。三檔碎石依次成型3.0%、5.0%和7.0%的聚氨酯碎石混合料抗折試件，旨在測量不同膠黏劑用量下聚氨酯碎石混合料抗折強度變化規律。試驗結果如圖6所示。

從試驗結果可以看出:對于同種規格集料，隨著膠黏劑用量的增加，抗折強度逐漸增大。觀察抗折試件破壞斷面可知，部分聚氨酯碎石混合料破壞斷面發生在集料與集料交界處，原因明確，即集料間的黏結力不足；還有部分破壞斷面是因為集料直接被折斷，即集料質量不高。

圖6 不同膠黏劑用量抗壓強度變化曲線

3.2 集料

試驗測定不同粒徑大理巖和花崗巖集料的強度變化規律，所用三檔花崗巖（科研專用）均由重慶交科院提供；試驗前將集料水洗，烘干后過1.18 mm篩,去除1.18 mm以下細料顆粒，各級配組成如表1所示。

表1 花崗巖集料篩分試驗結果

選取兩種方案同時研究粒徑大小對聚氨酯碎石混合料抗壓強度的影響:①對于3～5 mm和4～6 mm大理巖,測量不同膠黏劑用量（2.0%、3.0%、5.0%）下的抗壓強度；②對于3～5 mm、5～10 mm和10～15 mm花崗巖，測量相同膠黏劑用量（3.0%）下的抗壓強度，通過縱橫向對比，得出聚氨酯碎石混合料抗壓強度隨粒徑變化的規律。具體試驗結果見圖7。

圖7 不同粒徑抗壓強度變化規律

試驗測定三檔花崗巖集料相同膠黏劑用量（3.0%）下抗折強度的變化規律,所用三檔花崗巖（科研專用）均由重慶交科院提供；試驗前將集料水洗，烘干后過1.18 mm篩，去除1.18 mm以下細料顆粒。試驗結果如圖8所示。

圖8 不同粒徑花崗巖抗折強度變化規律

由上述試驗可知:對于同種花崗巖集料，3～5 mm聚氨酯碎石混合料抗壓強度最大，為6.0 MPa；5～10 mm聚氨酯碎石混合料抗壓強度居中；10～15 mm花崗巖抗壓強度值最小，為4.6 MPa，也就是說，在膠黏劑用量相同時集料粒徑越小抗壓強度值越大。對于大理巖集料,在不同膠黏劑用量下，3～5 mm聚氨酯碎石混合料的抗壓強度普遍高于4～6 mm聚氨酯碎石混合料的抗壓強度。

抗折強度試驗結果可知:對于同種集料，當膠黏劑用量一定時,抗折強度隨著粒徑的增大而減小，究其原因是小粒徑集料增加了混合料間的接觸點，實際上等于增加了有效承載面積，因而粒徑越小抗折強度越大。

綜上所述，集料粒徑對抗壓強度和抗折強度均產生一定影響，減小骨料粒徑對提高聚氨酯碎石混合料的強度具有重要作用，這主要與聚氨酯碎石的結構組成和破壞特征有關；聚氨酯碎石混合料是由集料、膠黏劑和孔隙組成的蜂窩狀結構，主要特點是孔隙率大、透水性能好，其破壞幾乎都發生在集料點-點接觸界面，當集料粒徑較小時接觸點越多，表面黏結面積越大，相應的強度也就越高。

從聚氨酯碎石混合料的破壞過程來看:集料與集料點-點接觸界面和集料自身（集料較軟時）易產生裂縫，隨著荷載繼續增大，前期產生的裂縫不斷擴展，最終導致破壞。另外，混合料中的集料形狀各異，排列組合很不規則，這就使內部結構受力極其復雜，在點-點接觸位置普遍存在應力集中，而實際上粒徑越大，受力越復雜，變異性越大，這也在一定程度上解釋了粒徑越大強度越低的原因。通過試驗研究得知:在不改變其他條件時減小集料（碎石）粒徑可提高聚氨酯碎石混合料的抗壓及抗折強度。

4 試驗結果分析

從根本上分析聚氨酯碎石混合料強度影響因素主要有三個方面:一是集料與聚氨酯膠黏劑的界面黏結強度；二是混合料點-點接觸的總面積；三是集料性質，包括集料形狀及基本力學特性（壓碎值、抗折斷能力等）。

1）集料與膠黏劑界面粘結強度

界面黏結強度與膠黏劑用量、集料表面潔凈程度等因素有關，一般來說，膠黏劑用量越大、集料越干凈，聚氨酯碎石混合料的強度越高。其中，膠黏劑用量存在一個適宜的用量，當用量小于此值時則不能很好地包裹集料，導致混合料黏結力不足；當用量大于此值時多余膠黏劑容易流淌沉結在底部，導致透水性能下降。

2）混合料點-點接觸總黏結面積

總黏結面積是單位體積混合料中所有集料接觸點處黏結面積的總和，主要與膠黏劑用量、接觸點數量、集料粒徑及集料表面粗糙程度等因素有關。膠黏劑用量越大、接觸點數量越多、集料粒徑越小及集料表面越粗糙，總黏結面積越大，混合料強度越高。在以上諸因素中，膠黏劑用量與集料形狀是最重要的兩個因素，當聚氨酯膠黏劑及集料粒徑已經確定的情況下，混合料的強度可通過膠黏劑用量及集料形狀來控制。

3）集料性質

從抗壓、抗折試件破壞斷面可知，聚氨酯碎石混合料的破壞在一定程度上與集料質量有關。抗壓強度試驗后集料被壓碎，而在抗折試驗后有部分集料被折斷，因此集料的質量對混合料的強度有較大的影響。為了提高聚氨酯碎石混合料的強度，推薦選用壓碎值小、表面潔凈且形狀接近于立方體的集料。

[1]付培江.透水混凝土強度相關性試驗研究[D].北京:北方工業大學,2009.

[2]徐仁崇,桂苗苗,龔明子,劉君秀,陳清己.不同成型方法對透水混凝土性能的影響研究[J].混凝土,2011(11):129-131.

[3]楊靜,蔣國梁.透水性混凝土路面材料強度的研究[J].混凝土,2000(10):27-30.

[4]張朝輝,王沁芳,楊娟.透水混凝土強度和透水性影響因素研究[J].混凝土,2008,20（3）:7-9.