聚氨酯碎石材料在護岸工程中的應用

鄧建 謝冰冰 呂鵬

摘要：隨著國家對環保要求的不斷提高，塊石料和水泥的用量逐步受到限制，亟需探索兼具工程安全性和生態環保性的護坡新材料。通過多年來河道整治工程的實踐探索，提出將聚氨酯碎石材料應用于岸坡防護工程，并重點闡述了聚氨酯碎石護坡的工藝流程、相關參數及材料要求，研究了護坡材料的抗風浪侵蝕、抗水流沖刷、抗紫外老化、抗酸堿腐蝕、抗凍融以及生態環保方面的性能。通過長江、河口、海岸3個典型工程實例論證了該護坡材料的防護性能和生態效果，以期研究成果能在護岸工程中進行推廣應用。

關鍵詞：聚氨酯碎石;生態環保;河道整治;護岸工程

中圖法分類號：TV861文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.009

文章編號：1006 - 0081（2021）09 - 0053 - 07

0 引 言

目前，護岸工程所采用的材料主要分為兩大類：①石材，包括干砌塊石、漿砌塊石、雷諾護墊、土工網石墊等;②混凝土材料，包括現澆混凝土板、混凝土連鎖塊、混凝土植生塊等。塊石料的開采、水泥的使用會對環境造成一定影響。隨著國家對環保要求的不斷提高，塊石料和水泥的用量逐步受到限制，亟需探索兼具安全性和生態性的護坡新材料[1]。

傳統的護坡型式主要分成砌石、現澆混凝土等剛性護坡與雷諾護墊、混凝土植生塊等生態護坡。剛性護坡隔絕了土體與水體之間的聯系，透水性較差，植物生長困難，生態性較差;對能量的吸收性能差，容易受波浪沖擊，對坡面變形的適應性較差。生態護坡中，雷諾護墊對石料要求較高，需人工平整，鋼絲容易銹蝕后出現斷裂，不易修復，運行過程中容易出現不均勻沉降，塊石受水流掏刷易沿坡面下滑，出現厚薄不一，不滿足防護要求的現象。生態護坡中的混凝土植生塊對場地要求較高，鋪放前需平整壓實，預制過程中需采用定型鋼模，嚴格控制工藝，容易影響施工進度;同時，混凝土植生塊不適用于淹沒時間較長的水位變幅區。聚氨酯碎石護坡結構通過利用聚氨酯優良的物理力學及黏結性能，將普通的碎石塊強化整合為堅固、穩定、開放的整體結構。該護坡型式具有一定的力學性能，整體性好、適應變形及抗沖刷能力強，具有良好的生態性，且取材容易、施工便利，適用于對抗沖、抗侵蝕、生態環保、施工工期等方面有較高要求的海堤、河堤等岸坡防護工程，但缺點是造價相對較高[2]。

本文主要介紹了聚氨酯碎石護坡材料的設計理論、參數及技術要求，論述了該護坡材料的安全性、環保性，并通過一系列工程實例論證了該材料的防護性能和生態效果。

1 聚氨酯碎石護坡設計要求

1.1 工藝流程

聚氨酯（PUR-polyurethane）在化工與塑料行業中是一種非常重要的材料，廣泛應用于汽車、建筑、電子、近海原油和近海天然氣管道防腐層等行業。通過采用一種特殊疏水聚氨酯組合料，將聚氨酯碎石護坡用于護岸建設，其主要工藝流程為：①在標準混凝土攪拌機中將20～40 mm的碎石與相當于其重量1.8%的聚氨酯混合;②將此聚氨酯碎石混合物鋪設到斜坡上作為護岸表層，厚度為10～30 cm;③1 d后，聚氨酯碎石就會熟化并且在2 d后達到最終強度，即聚氨酯碎石護坡建造完畢。

聚氨酯材料中包含約50%的脂肪酸脂天然產物，是可再生資源。聚氨酯碎石護坡以粒徑更小、更廉價的碎石為材料，大幅降低了護坡所需厚度，一般可達到傳統護坡厚度50%，比傳統護坡耗材更省，同時可降低運輸成本和建材的施工成本。國外工程經驗表明：與傳統護坡型式相比，聚氨酯碎石護坡可減少工程投資20%～30%。

1.2 相關參數

聚氨酯碎石護坡的主要參數可通過相關的技術檢測或理論計算得到。

1.2.1 容? ?重

根據《聚氨酯碎石料護岸設計手冊》相關結論[3]，聚氨酯碎石護坡的容重主要由碎石材料類型和級配決定，經試驗測定，其取值范圍如表1所示。

1.2.2 孔隙率

聚氨酯碎石護坡孔隙率取決于石料級配，根據荷蘭代爾夫特理工大學關于聚氨酯碎石護坡孔隙率的試驗成果——《聚氨酯碎石護坡初步應用研究》[4]，孔隙率一般為40%～50%，因此，聚氨酯碎石材料為一種多孔隙透水性材料。

1.2.3 力學指標

南京水利科學研究院和四川大學水利水電學院分別對聚氨酯碎石材料的相關力學指標進行了試驗研究，并完成了相關研究報告——《聚氨酯碎石護坡波浪斷面物理模型試驗報告》《聚氨酯固化碎石護岸的小型物理模型試驗報告》[5-6]。

聚氨酯固化碎石試樣包括550 mm×150 mm×150 mm的抗折試樣和150 mm×150 mm×150 mm的抗拉壓試樣，試驗儀器及過程如圖1所示，試驗方法參照GB T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》執行。聚氨酯碎石材料抗拉、抗壓和抗折試驗結果如表2所示。

聚氨酯碎石材料主要性能指標為：抗拉強度約0.52 MPa，抗壓強度2.87～5.27 MPa，抗折強度2.13～3.31 MPa。

1.2.4 護坡厚度

聚氨酯碎石護坡的厚度需滿足其在風浪作用下自身穩定性要求。由于聚氨酯碎石護坡為多孔的整體結構，可參照混凝土護坡的護面厚度要求，一般設置為15～30 cm。

1.3材料要求

聚氨酯碎石護坡主要由聚氨酯黏合劑和礦物骨料組成。

1.3.1 聚氨酯黏合劑

用于聚氨酯碎石護坡的聚氨酯材料主要包含兩種成分：A組分為特種植物油改性多元醇，B組分為異氰酸酯。修建護坡時將兩者混合可形成強力黏合劑，固化后即為固體聚氨酯。A，B組的混合比例為100：65;A，B材料混合后的聚氨酯材料為惰性材料，不具備吸水性，不會在水體中浸泡產生膨脹。聚氨酯黏合劑用量一般取礦物骨料重量的1.8%，且需滿足以下性能指標（表3）。

1.3.2 礦物骨料

聚氨酯碎石護坡碎石骨料的粒徑取20～40 mm。要求碎石骨料堅硬，遇水不易破碎或水解，濕抗壓強度大于50 MPa，軟化系數大于0.7，密度不小于2.55 t/m3。

1.3.3 墊層和土工布

根據工程需要，聚氨酯碎石護坡下可設砂碎石墊層和土工布。砂碎石墊層中粗砂粒徑范圍為0.5～2.0 mm，碎石粒徑范圍為2～30 mm，粗砂和碎石比例1∶1。土工布可采用400 g/m2丙綸短纖無紡土工布，主要指標如下：單位面積質量不小于400 g/m2，斷裂強力不小于12.5 kN/m，斷裂延長率為25%～100%，頂破強度不小于2.1 kN，撕破強度不小于0.33 kN，等效孔徑?90為0.07～0.20 mm，滲透系數為1×10-1～1×10-3 cm/s。

2 安全性與環保性

2.1 抗風浪侵蝕

南京水利科學研究院開展了聚氨酯碎石護坡抗風浪沖蝕物理模型試驗[5]，試驗裝置采用長波浪水槽，水槽長60 m、寬1.8 m、高1.6 m，并配有風、波、流設備（圖2）。試驗采用1∶15的模型比尺，對聚氨酯碎石護坡進行了波浪物理模型試驗，并與柵欄板護面進行了對比。

試驗波浪按重力相似準則模擬，不規則波波譜采用JONSWAP譜，試驗步驟如下：首先率定波浪要素，然后構造試驗斷面，并對原岸灘斷面先用小波進行試驗，以使堤身密實，最后進行各項試驗內容。在進行聚氨酯護面壓強分布試驗時，在聚氨酯護面的外表面和內表面分別安裝波浪壓強測點，同步測量壓強，除了分析外表面和內表面的壓強外，還分析內、外表面壓強差，即護面所受凈壓強。

試驗采用的波浪要素為上海橫沙某圍墾工程的設計波浪，得到以下主要結論。

（1）采用30 cm厚聚氨酯碎石（粒徑20～40 mm）護面在100 a一遇水位（5.89 m）加100 a一遇波浪（波高H13%=4.09 m，波周期Tm=8.14 s）作用下，坡面正、負最大凈壓強分別為12.3，-9.8 kPa，外側正、負最大壓強分別為29.5，-6.5 kPa，內側正、負最大壓強分別為23.0，-0.3 kPa。

（2）采用20 cm厚聚氨酯碎石及30 cm厚聚氨酯碎石（粒徑20～40 mm）護面，當坡度分別為1∶2和1∶3時，若堤頂、斜坡面、堤腳處聚氨酯碎石護面沒有連接成整體，在50 a一遇高水位（5.59 m）加50 a一遇波浪（波高H13%=3.48 m，波周期Tm=7.84 s）作用下，堤頂及坡腳處聚氨酯碎石護面均發生掀動失穩;若將頂、斜坡面，堤腳處聚氨酯碎石護面連接成整體，同時將坡腳處聚氨酯碎石護面降低到與護腳塊石面齊平，斷面聚氨酯碎石護面均滿足穩定性要求。

（3）試驗斷面在50 a一遇波浪（波高H13%=3.48 m，波周期Tm=7.84 s）作用下，采用柵欄板護面（灌砌石墊層）最大爬高為9.16 m;采用聚氨酯碎石護面（粒徑20～40 mm）最大爬高為8.76 m;采用聚氨酯碎石護面（粒徑30～60 mm）最大爬高為7.74 m。

試驗結果表明：聚氨酯碎石護坡有良好的抗風浪沖蝕特性，在高水位及強風浪條件下能保持較好的消浪性能和穩定性能，對比柵欄板護面型式，聚氨酯碎石護坡能更有效地消散與吸收波浪沖擊力的能力，降低波浪爬高，減少波浪越堤的發生。

2.2抗水流沖刷

荷蘭水利部門分別對聚氨酯碎石護坡、植草護坡與開孔瀝青碎石護坡進行越堤沖刷模擬試驗[7-8]。在3個系列的試驗中，模擬裝置分別以每米30，75，125 L/s的水量反復沖刷各材質護坡，每個系列的持續沖刷時間均超過6 h。試驗結果表明：即使在最高流量每米125 L/s（大約相當于12 m/s的流速）的試驗中，聚氨酯碎石護坡未檢測到任何損壞，聚氨酯碎石材料耐水流沖刷磨損效果較好。

同時，該試驗室對荷蘭兩處示范工程進行了現場跟蹤，項目從建成后50～150 d內，遭受70 a一遇的風暴潮（最大風速35 m/s）的襲擊，護坡結構表面出現極微小的磨損，破壞率約為0.3%，與瀝青碎石護坡的行業規范5%相比可以忽略不計。

2014年建設的韓國昌原市匡廬州河堤岸，采用聚氨酯碎石護坡，設計流速為3 m/s[9]。2014年8月在大規模洪水沖刷下，記錄的最大流速是6 m/s，結構穩定，未出現破損，聚氨酯護坡材料抗沖刷、抗磨損性能較好。

2.3抗紫外老化

德國亞太拉斯材料測試技術有限公司（Altas Material Testing Technology Gmbh）2010年進行了聚氨酯碎石材料的抗紫外線老化試驗[3]。試驗采用氙弧燈（模擬自然光的首選光源）對聚氨酯碎石試樣進行照射，通過檢查試樣在紫外線照射前后的抗壓強度來判斷其抗紫外線老化性能。聚氨酯碎石試樣尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，采用16～32 mm玄武巖石料和比重為1.8%的聚氨酯制備而成。試驗結果表明：經過12 000 h照射后，紫外線未對試樣的抗壓強度產生不良影響。根據ISO 4892-2：2006標準，12 000 h紫外線模擬照射相當于歐洲中部地區陽光照射12 a。

漢堡-哈爾堡工業大學采用阿列紐斯-相關性方法對聚氨酯碎石護坡的耐久性進行了試驗[3]。在試驗過程中，研究人員將環境溫度提高到80℃，從而使原本在海水中緩慢進行的材料降解作用加快，然后利用試驗結果外推得到20℃～30℃條件下試驗材料耐海水侵蝕及抗紫外線老化的耐久性。試驗結果表明：聚氨酯碎石試件在20℃～30℃的海水環境中工作性能完全穩定，即使暴露在紫外線照射環境中，聚氨酯碎石材料也具有顯著的耐海水侵蝕性能，預測其在20℃～30℃海水環境使用年限為70～100 a。

2.4 抗酸堿腐蝕

聚氨酯材料主要由A組分-特種植物油改性多元醇和B組分-異氰酸酯混合而成，屬于反應性高分子材料。其中，B組分的異氰酸酯鏈段剛性比較大，有利于阻止介質的入侵，使聚氨酯硬段富含剛性結構，結晶能力強，耐腐燭性更為優異。

聚胺酯抗多種酸堿和有機溶劑腐蝕，因此在惡劣環境下經常用替代橡膠制品。目前常用于飛機外壁涂料、木器涂料、交通運輸工具、防腐蝕涂裝、機床及儀表儀器涂裝、塑料涂料等。

2.5 抗凍融性

黑龍江水利科學研究院進行了聚氨酯碎石技術在高寒區工程中應用研究[10]，并進行了聚氨酯低溫凍脹適應性室內模型試驗。試驗箱體尺寸4.5 m×3.0 m×1.5 m（長×寬×高），模型箱體底層結構分為3層：第一層為底板加熱層，由直徑2.0 cm的銅管彎曲構成;第二層為無紡布和5 cm砂石墊層;第三層為底板補水層，由盤曲的塑料管制成，塑料管周圍鋪設5 cm卵石，其上覆蓋無紡布。試驗時長為300 h，溫度變化范圍為-25℃～25℃。試驗結果表明：聚氨酯碎石材料在凍融循環條件下會發生一定的凍脹變形，最大變形量可達到13.5 mm，考慮到該材料為柔性結構，斷裂延伸率超過48%，故該變形不會對結構安全造成不利影響。同時，經過多次凍融循環后，聚氨酯材料均未出現凍融剝蝕現象，且增加用膠和增大碎石粒徑可以有效抑制凍融剝蝕。聚氨酯碎石材料的抗凍融性能較好，可廣泛應用于高寒地區的岸坡防護工程中。

2.6 生態環保性

聚氨酯材料中包含約50%的脂肪酸脂天然產物，是可再生資源。其環保性通過國內外多家研究或檢測機構的論證。

（1）聚氨酯碎石材料2016年通過了英國飲用水監督管理局的飲用水源地使用許可，說明聚氨酯碎石材料與水體直接接觸，無毒性污染。

（2）聚氨酯碎石材料2018年獲得了上海化工研究院檢測中心的非限制性貨物鑒定證書，證書對其毒性監測結果為無毒物質。

（3）2009年德國弗勞恩霍夫分子生物學與應用生態學研究所研究了聚氨酯碎石護坡對水生生物群落的急性和慢性毒性影響，研究的水生生物對象包括假單胞桿菌、亞斑點苔蘚、搖蚊、大型蚤、斑馬魚胚胎。研究報告指出：聚氨酯對以上水生生物均無急性和慢性毒性影響。

（4）獨立研究機構德國費森尤斯研究所（Institut Fresenius）和荷蘭英創（INTRON）對聚氨酯與碎石復合物巴斯夫（Elastocoast）（包含未硬化和已硬化）在6種水體環境中進行了測試[3]，證明聚氨酯與碎石復合物材料對水生生物及生態環境沒有任何不良影響。

（5）荷蘭阿姆斯特丹大學對聚氨酯的環保性進行了相關試驗研究[11]。將聚氨酯包裹的碎石與所培育的藻類混合在一起，其中有矽藻、單細胞聚球藻、瘦鞘寺藻、假魚腥藻經過27 d的培育，所有的石頭都覆蓋了海藻，說明聚氨酯對藻類生長無毒性污染。

3 工程實例

3.1 武漢漢江閻王嘴護岸工程（長江）

閻王嘴護岸工程位于武漢漢江，施工時間為2018年7月，面積1 300 m2，主要設計流速為3 m/s，護坡厚度為15 cm，坡比為1∶3，碎石粒徑為20～40 mm。施工完成1～2 a后，坡面植被生長良好（圖3～5）。

該護岸工程段分別采用了聯鎖護坡磚、聚氨酯碎石、雷諾護墊格和立體網狀4種生態護坡型式進行現場試驗。試驗結果表明：聚氨酯碎石護坡具有更好的生態效果。工程實施后岸坡完整性、穩定性均較好，未出現損毀情況。

3.2 上海橫沙東灘圈圍（八期）工程（河口）

上海橫沙東灘圈圍（八期）工程位于上海橫沙島，施工時間2018年1月，面積972 m2。由于該工程位于長江口，受到風暴潮影響較大，設計荷載為4.09 m波高。該工程現場實施時分段采用了不同的厚度和碎石粒徑，護坡厚度20，25，30 cm，坡比為1∶2，碎石粒徑分別為10～30，20～40 mm。

2018年7月22日臺風“安比”、2018年8月3日臺風“云雀”、2018年8月17日臺風“溫比亞”在上海登陸，2018年8月12日臺風“摩羯”在浙江溫嶺登陸，該護坡結構在一個月內經歷了4次臺風的考驗，局部出現碎石脫落、護坡面層變薄的情況。2018年10月，業主單位組織參建各方對破壞現場進行了查勘，并提出對護腳塊石進行修整、清理以及對護坡聚氨酯碎石進行修復的方案（圖6～7）。調查研究表明：在大波浪作用下，護腳平臺處塊石對上方聚氨酯碎石護坡面的碎石進行持續的撞擊，導致護坡面層碎石不斷脫落，厚度變薄直至完全喪失，是橫沙東灘圈圍（八期）聚氨酯碎石護坡試驗段發生局部損壞的根本原因。

3.3 三亞市三亞灣西端岸線修復工程（海岸）

三亞灣西端岸線修復工程位于三亞市三亞灣，施工時間2019年6月，面積1 000 m2，主要設計荷載為2.0 m波浪。護坡厚度為20 cm，坡比為1∶2，碎石粒徑為20～40 mm。

2019年7月，臺風“木恩”過后，護坡完整性較好，岸坡穩定，結構未發現損毀現象。施工完成后1～2 a，坡面上植物生長良好。工程實踐表明：聚氨酯碎石護坡的抗風浪能力較強，生態性較好（圖8～11）。

4 結 論

（1）聚氨酯碎石護坡的建筑原料主要為碎石骨料和聚氨酯黏合劑，來源廣泛，質量可控。聚氨酯碎石護坡的技術工藝流程簡單，可操作性強，便于施工。

（2）聚氨酯碎石護坡具有良好的抗風浪沖蝕和抗水流沖刷能力。相關研究表明：聚氨酯碎石護坡的多孔開放結構能有效地消散與吸收波浪沖擊力，降低波浪爬高，且能夠適應一定程度的荷載和變形，具有較好的穩定性。

（3）聚氨酯碎石護坡具有較好的耐久性。相關研究表明：聚氨酯碎石材料的抗壓強度在紫外線照射前后無明顯變化，聚氨酯碎石護坡在20℃～30℃海水和紫外線環境條件下，其使用壽命預測為70～100 a。同時，聚氨酯材料具有良好的耐酸堿腐蝕和嚴寒地區的抗凍融性能。

（4）聚氨酯碎石護坡具有良好的生態環保性。廣泛的毒物學研究充分證明，聚氨酯黏合劑對水生生物及生態環境沒有任何可以預期的不良影響，且聚氨酯碎石護坡的多孔結構可成為水生動植物的棲息地，有利于護坡植被的恢復和水生生態系統穩定性的提高。

（5）聚氨酯碎石材料已在長江、河口、海岸等工程得以應用，并具有良好的抗沖刷、抗侵蝕和生態環保性。實踐表明：聚氨酯碎石材料可廣泛應用于長江中下游堤防和護岸工程的岸坡防護中，同時也可逐步運用于現狀灘面相對較高的海堤、海岸線修復整治工程中。

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（編輯：江 文）

Application of porous polyurethane mixture in bankslope protection engineering

DENG Jian1，XIE Bingbing2，LYU Peng1

（1. Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China;? 2. Institute of Rock and Soil Mechanics，

Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：With the continuous improvement of environmental protection requirements， the using amount of block stone and cement is gradually restricted. It is urgent to explore new slope protection materials that have performances of safety and ecology. Through practice and exploration of river improvement projects， it was proposed to apply porous polyurethane mixture in bank slope protection projects. In this paper，we introduced the technological process， related parameters and material requirements of porous polyurethane mixture slope protection. Also， we analyzed the anti-wave erosion and scouring， anti-ultraviolet aging， corrosion resistance， freezing- thawing resistance and ecological environmental protection of slope protection material. The protection performance and ecological effect of the slope protection material were demonstrated through three typical engineering examples of Yangtze River， estuary and coast. It is expected to be popularized and applied in bank protection engineering.

Key words：porous polyurethane mixture;ecology;channel improvement;bankslope protection engineering