彩色聚氨酯透水混凝土強度、透水及老化性能

魯 聰，袁盛杰，廖亞雄，黃蔚源

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司，武漢 430050)

彩色透水混凝土主要是針對城市道路排水設施不完備的缺點而設計，它與傳統路面相比，因為其孔隙率較大、排水能力較強，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構的孔隙流向地下，減少路面積水，對緩解城市排水設施的壓力與保護城市生態環境等有十分重要的意義[1]。此外，由于顏色多樣的特點，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”[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，為城市建設提供一道亮麗的風景線。

彩色聚氨酯透水混凝土主要組成材料有：聚氨酯膠結劑、無機顏料、集料等。試驗選取的聚氨酯是以植物油為原材料采用油脂化學工藝制備而成的雙組份膠結劑，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組分質量比為3∶2)，A組分由聚氨酯原料、擴鏈劑組成，呈現淡黃色；B組分為固化劑，呈現深棕色。無機顏料采用氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠等。

彩色透水混凝土已經廣泛應用于人行道、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性能和施工工藝進行研究，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，可以降低工程成本并且能保證路面質量，同時發現著色增強料對透水混凝土強度有所增強。趙恒政[6]對彩色透水混凝土路面施工進行研究探討，指出彩色鋪裝透水混凝土的使用必須注意骨膠比，并提出公路養護的注意事項。王火明等[7]對多孔隙聚氨酯碎石路面的強度特性與路用性能開展研究，結果表明膠水用量和碎石形狀對強度影響顯著，成型方法和養護時間、溫度對其最終強度幾乎沒有影響；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，它的設計結構具有透水儲水性能，這使它同時具有分擔排水管網壓力、緩解城市內澇等實用功能和改善城市水循環等長期效應。王富軍等[9]通過研究表明透水混凝土可以增強城市透水、透氣面積，調節城市氣候，降低地表溫度，透水路面可以助力海綿城市建設。綜上所述，目前對彩色聚氨酯混凝土的力學性能和老化性能研究較少，試驗將采用三種顏料并摻入納米TiO2，通過改變膠集比和顏色，揭示其力學性能、透水性及耐老化性。

1 實 驗

1.1 原材料

1)聚氨酯

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

表1 聚氨酯基膠結劑的性能指標

2)集料

為了保證試件有良好的粘結性，所采用集料必須質地堅硬、耐久、潔凈。同時，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度、彎拉強度滿足設計標準，集料選用兩個粒徑分別為2.36 mm、4.75 mm，集料的性能指標如表2所示。

表2 集料的性能指標

3)其他材料

試驗選取的無機顏料為：氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠。無機顏料與聚氨酯基膠結劑的質量比為1∶2，摻加無機顏料后聚氨酯基膠結劑的粘稠度增加，有利于膠結劑與碎石的附著。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我國并未頒布相應規范，相關試驗參照《普通混凝土力學性能實驗方法標準》GB/T 50081進行。使用的聚氨酯A、B組分的質量比為3∶2，無機顏料與聚氨酯膠結劑的質量比為1∶2，并制備不同膠集比(聚氨酯膠結劑與集料的質量比):1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40的標準試件，并考慮集料級配對強度的影響，抗壓強度試件尺寸為：100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm。為了防止膠結劑提前固結，必須在30 min內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 試驗方案

考慮不同的膠集比、級配對彩色聚氨酯透水混凝土強度、空隙率、滲水系數的影響；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]與聚氨酯基膠結劑質量比為5%，通過測定光熱老化后的強度變化，研究其對聚氨酯透水混凝土性能的影響。

2 結果與討論

2.1 強度

1)無機顏料對強度的影響 選取粒徑為4.75 mm的集料制作不同顏色的抗壓強度和抗折強度試件，氧化鐵顏料、聚氨酯膠結劑、集料在質量比例為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行強度測定，結果如表3和表4所示。

表3 不同顏色試件的抗壓強度 /MPa

表4 不同顏色試件的抗折強度 /MPa

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

在這9組抗壓強度中只有兩組強度小于5 MPa，分別為4.95 MPa和4.86 MPa，造成這種差別的主要原因為：在振搗過程中使試件的密實程度可能存在不同，導致試件的孔隙率較大，在荷載作用下試件的抗壓強度存在差異。

2)膠集比對強度的影響 通過研究表明，氧化鐵顏料的種類不會對試件的強度造成影響，選取粒徑為4.75 mm的集料制作標準試件，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的標準試件進行抗壓、抗折強度試驗，試驗結果如圖1所示。

如圖1所示，試件的抗壓、抗折強度隨著膠集比的增大而逐漸增大。當膠集比大于1∶25后，試件的抗壓強度變化并不明顯。當膠集比為1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15時，抗壓強度標準值分別為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，試件的抗壓強度變化幅度分別為：-16.18%、-9.63%、0、7.71%、19.46%、25.43%。當膠集比為1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15時，抗折強度標準值分別為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，試件的抗折強度變化幅度分別為：-14.33%、-7.71%、0、25.62%、38.29%、43.53%。當膠集比相同時，彩色聚氨酯透水混凝土的抗壓強度大于抗折強度。隨著聚氨酯膠結劑的增加，包裹在集料表面的聚氨酯基膠結劑的厚度增加，使每粒集料間的粘結力提升，從而導致試件的強度增大。

3)集料配合比對強度的影響 集料配合比對試件的強度有重要的影響，選取氧化鐵顏料、聚氨酯膠結劑、集料在質量比為1∶2∶60，而集料選用復合級配4.75 mm∶2.36 mm=1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5時，制作標準試件進行強度試驗，結果如圖2所示。

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

通過使用三維電鏡觀察破壞后的試件結構如圖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劑發生明顯的斷裂；荷載的作用下集料也發生碎裂，從而導致試件破壞。

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的標準試件通過網籃法進行孔隙率試驗，試驗結果如圖5所示。

如圖5所示，當膠集比為1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15時，試件的孔隙率分別為32.6%、30.2%、29.3%、28.1%、24.9%、22.7%，結果表明聚氨酯膠結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

實驗參照《透水水泥混凝土路面路面技術規程》，通過制作不同膠集比的試件放入滲透裝置中進行試驗，研究膠集比對滲水系數的影響，滲水系數按照式(1)進行計算。對于同一膠集比，進行三次試驗取其平均值作為試驗結果。

(1)

式中,KT為試件的滲水系數；Q為t時間內水的流量；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如圖6所示，當膠集比為1∶40、1∶35、1∶30、1∶25、1∶20、1∶15時，試件的滲水系數分別為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逐漸降低，呈現線性關系。當膠集比1∶15的彩色聚氨酯透水混凝土的滲水系數為膠集比為1∶40的3.7倍，說明聚氨酯膠結劑的用量會影響透水混凝土的滲水系數。

2.4 彩色聚氨酯透水混凝土的紫外老化性能

老化試驗選取粒徑為4.75 mm的集料制作膠集比為1∶30的標準試件，無機顏料選?。貉趸F紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠，TiO2摻量為聚氨酯膠結劑質量的5%。未老化的彩色透水聚氨酯混合料的抗壓強度為5.19 MPa。試件在紫外老化箱進行老化，試驗條件為100 h，光照強度600 W/m2，試驗結果如表5所示。

表5 摻加TiO2老化后的抗壓強度值 /MPa

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

3 結 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，進行了抗壓強度、孔隙率、透水系數、老化試驗，得出以下結論。

a.當膠集比、集料粒徑不變時，氧化鐵紅、氧化鐵綠、氧化鐵黃三種標準試件的強度平均值差別很小，說明無機顏料的種類和顏色并不會對彩色聚氨酯透水混合料的強度造成影響。

b.當碎石粒徑不變時，隨著膠集比增大，強度呈現上升趨勢；當膠集比不變，碎石由單級配變為復合級配，強度呈現上升趨勢。

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

d.摻加5%的TiO2彩色聚氨酯試件在經過紫外老化后，強度損失降低，結果說明TiO2對老化性能有所提高。