彩色聚氨酯混合料透水路面材料技術性能研究

覃木寶，劉家慶，肖華杰，覃江濤

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

0 引言

彩色鋪裝透水混凝土是由粘結劑、集料、顏料等組成的高孔隙率混凝土，因為其排水能力較強，也被稱作排水混凝土[1-3]。透水混凝土主要是針對原城市道路排水設施不完備的缺點而設計的，可以使降到路面表層的雨水直接通過路面流向地下，以補充地下水，對緩解城市排水設施的壓力與保護城市生態環境等有著十分重要的意義。此外，由于顏色特點，降低了對陽光的吸收程度，可減緩城市道路表面的溫度及道路表面的老化效應[4-5]。

目前，關于彩色鋪裝透水混凝土已經開展一些實驗研究。趙祥冉等利用垃圾廢料制備透水混凝土材料并對其性能開展系統研究，得出垃圾廢料制備的透水混凝土是一種新型的環保材料，有利于可持續發展[6]。尹志剛等基于孔結構特征開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配、結構組合等因素對透水混凝土性能的影響，優化了透水混凝土的級配設計與結構組合設計[8-12]。陳凌生對彩色水泥混凝土性能進行研究，得出彩色混凝土的抗壓強度和彎拉強度與普通混凝土相比，強度下降，但是顏料在其中的影響不大[13]。劉寧寧等對透水混凝土路面施工進行了研究探討[14-16]。

綜上所述，關于聚氨酯基膠結劑在道路中應用的研究尚少。透水混凝土孔隙率較大，更易與熱、氧、光等接觸，產生老化，且聚氨酯基膠結劑具有比環氧樹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潛力。但是，聚氨酯基膠結劑在80 ℃以后會出現軟化，由此本文以聚氨酯透水混合料為研究對象，重點分析其耐高溫性和耐老化性。

1 原材料及配合比

1.1 聚氨酯基膠結劑

聚氨酯基膠結劑在分子鏈中含有氨基甲酸酯基團(—NHCOO—)或異氰酸酯酯基(—NCO—)等起膠結作用的膠結劑，一般由A組分和B組分按一定質量比配制而成。本課題所選用的聚氨酯基膠結劑是一種雙組分膠結劑，生產廠家為靖江市恒業膠結劑科技有限公司。聚氨酯基A組分為淡黃色液體，B組分為深棕色液體。按規范要求測定相關性能，其測定結果與河南省工程建設標準《聚氨酯基透水路面技術規程》進行對比均符合要求。聚氨酯基膠結劑的性能指標如表1所示。

表1 聚氨酯基膠結劑的性能指標表

1.2 碎石

為了保證良好的粘結性，所采用的碎石必須質地堅硬、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度、彎拉強度滿足設計標準，本文選用粒徑為4.75～9.5 mm的單級級配集料。

1.3 無機顏料

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機顏料。本次試驗所選用的顏料為：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晶水的氧化鐵(Fe2O3·H2O)；氧化鐵綠主要成分為藍色的酞菁，具有很強的吸收紫外線能力。這三種顏料均有很強的附著性、耐酸性、耐堿性、化學性質穩定等特點。

1.4 材料配合比與試件制備

聚氨酯基雙組分膠結劑在施工時必須按照使用說明進行嚴格配比，試件配合比為A組分與B組分的質量比為3∶2；無機顏料與雙組份膠結劑的質量比為1∶2；雙組分膠結劑混合物與碎石骨料的質量比為1∶30。為了防止混合料固結，必須在20 min內完成試件的制作。

2 性能分析

目前，由聚氨酯基為膠結劑所組成的碎石混合料，其試驗的測定在國內并沒有一致的規范進行評定，所以參照《普通混凝土力學性能實驗方法標準》(GB/T50081)以及《聚氨酯基透水路面技術規程》(DBJ41/T150-2015)的規定進行實驗。

2.1 抗壓強度

通過相同配合比制作不同顏色的標準試件測定抗壓強度，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，加載速率確定為0.3 kN/s。試驗結果如圖1所示。

圖1 不同顏色試件的抗壓強度試驗結果柱狀圖

三種顏色的標準試件的代表值分別為4.9 MPa、5.1 MPa、5.2 MPa，雖然強度不完全一致，但是均在5 MPa左右，強度差別很小，說明不同顏色氧化鐵并不會對抗壓強度造成明顯影響。混合料強度主要由集料間的摩阻力與結合料的粘結力形成，由此可見，不同顏色氧化鐵的加入未對混合料的性能產生明顯影響。

2.2 強度破壞機理分析

在抗壓試驗后將試件通過三維電鏡觀察其表面結構，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劑發生明顯的斷開，如圖2(a)所示；(2)碎石在持續荷載的作用下也發生斷裂，導致試件完全破壞，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 連續孔隙率與透水系數

透水混合料作為功能性路面材料，連續孔隙率是評價透水混合料性能的重要指標之一。本研究對三種顏色試件進行連續孔隙率的測定，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同顏色試件的連續孔隙率試驗結果柱狀圖

三種顏色的標準試件連續孔隙率的代表值分別為33.9%、32.6%、34.2%，雖然連續孔隙率不完全一致，但是均在33%左右，連續孔隙率差別很小，說明試件的顏色并不會對連續孔隙率造成明顯影響。混合料連續孔隙率主要取決于集料級配，混合料的工作性能在一定程度上影響試件成型過程中形成的孔隙。由三種顏色聚氨酯混合料的連續孔隙率對比可知，不同顏色的氧化鐵未對聚氨酯的工作性能產生影響。

根據《透水水泥混凝土路面技術規程》，通過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行透水系數試驗，并根據規范所提供的計算公式，見式(1)，計算不同顏色聚氨酯混合料的透水系數，結果如下頁表2所示。

(1)

式中：KT——試件的透水系數(mm/s)；

Q——一定時間內溢流出來的水量(mm3)；

L——試件的高度(mm)；

A——試件的底面面積(mm2)；

H——水位差(mm)；

t——時間(s)。

表2 不同顏色聚氨酯混合料的透水系數試驗計算結果表

三種顏色的標準試件透水系數的代表值分別為0.112 1、0.110 4、0.115 2，與連續孔隙率相似，雖然透水系數不完全一致，但是均在0.11左右，差別很小，說明混合料試件的顏色并不會對透水系數造成明顯影響，其透水系數主要取決于集料級配。同時，由表2可知，連續孔隙率與透水系數具有緊密的相關性。由于本次試驗使用的碎石粒徑為4.75～9.5 mm，且加入聚氨酯基膠結劑后形成的試件空隙較大，試驗計算的透水系數完全滿足《聚氨酯基透水路面技術規程》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

經過前文試驗已經得知，未經任何處理的標準試件抗壓強度與顏色無關，抗壓強度為5.1 MPa。為了更好地模擬冷熱交替，將不同顏色的標準試件放入老化試驗箱5 h后，將試件取出完全冷卻至室溫作為一個冷熱循環。三種顏色試件分別經過5、10、15、20個冷熱循環后再次測定其抗壓強度。試驗結果如圖3所示。

圖4 不同顏色試件在不同冷熱循環次數下的強度損失率對比曲線圖

對紅色試件進行高溫處理后，其標準試件的抗壓強度有明顯提升，在25 h后標準試件的抗壓強度為4.9 MPa，強度變化不明顯；而在50 h、75 h、100 h后標準試件的抗壓強度分別為6.8 MPa、5.9 MPa、6 MPa，與未經高溫處理的標準試件相比強度均有較大提升。

對黃色和綠色標準試件經過高溫老化處理后，測定其抗壓強度。經分析后兩者有相似性：在經過25 h的高溫處理后，強度均有極大上升，分別為6.5 MPa、6.87 MPa，強度增長率分別為27.5%、34.7%；在50 h后強度與25 h后相比強度分別下降為5.2 MPa、5.1 MPa，但與未經高溫處理試件相差不大，可以認為在25 h后再經高溫處理其強度仍在下降，在75 h高溫處理后強度分別下降為4.53 MPa、4.5 MPa，強度損失率分別為11.1%、11.8%，在100 h后，強度分別下降為4.33 MPa、4.2 MPa，強度損失率分別為15.1%、17.6%。

混合料試件強度的變化與聚氨酯基膠結劑的物理化學性能有關。高溫處理加速了聚氨酯基膠結劑內部的化學反應，降低了彈性而增加了黏性，使其強度上升；而隨著冷熱循環的進行，聚氨酯基膠結劑變形能力下降，在不斷熱脹冷縮中導致其結構內應力增加，加速老化破壞，導致強度下降。

同時，強度的上述變化還與其吸熱特性有關。本次老化試驗采用的儀器通過電阻絲加熱實現，屬于熱輻射，即紅外輻射。不同顏色物質對光的吸收具有選擇性，其中紅色試件對紅外光的吸收能力較差，而綠色和黃色試件對紅外光的吸收能力相對較強，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，在冷熱循環中熱應力積累較快，強度損失也就大，而紅色試件相對較小。

3 結語

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，并對比分析了其抗壓強度、孔隙率、透水系數、抗高溫老化等性能，得出如下結論：

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

(2)當試件經過不同程度的高溫老化后，紅色試件的抗壓強度呈現上升趨勢，而綠色、黃色試件的抗壓強度先增大后減小，即不同顏色會因其不同的吸熱性能影響聚氨酯的性能，進而影響其與集料的粘結強度。

(3)集料級配對透水鋪面材料的路用性能影響顯著，需進一步開展不同級配下彩色聚氨酯混合料路用性能的研究，并考慮紫外線、雨水及冰凍等對彩色聚氨酯混合料的老化作用。