彩色聚氨酯混合料透水路面材料技术性能研究

2022-08-01覃木宝刘家庆肖华杰覃江涛

西部交通科技 2022年5期

覃木宝，刘家庆，肖华杰，覃江涛

(1.广西交通工程建设保障中心,广西南宁 530012；2.广西新发展交通集团有限公司，广西南宁 530029；3.南宁市城市建设投资发展有限责任公司，广西南宁 530031；4.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

彩色铺装透水混凝土是由粘结剂、集料、颜料等组成的高孔隙率混凝土，因为其排水能力较强，也被称作排水混凝土[1-3]。透水混凝土主要是针对原城市道路排水设施不完备的缺点而设计的，可以使降到路面表层的雨水直接通过路面流向地下，以补充地下水，对缓解城市排水设施的压力与保护城市生态环境等有着十分重要的意义。此外，由于颜色特点，降低了对阳光的吸收程度，可减缓城市道路表面的温度及道路表面的老化效应[4-5]。

目前，关于彩色铺装透水混凝土已经开展一些实验研究。赵祥冉等利用垃圾废料制备透水混凝土材料并对其性能开展系统研究，得出垃圾废料制备的透水混凝土是一种新型的环保材料，有利于可持续发展[6]。尹志刚等基于孔结构特征开展了再生骨料透水混凝土抗冻耐久性研究[7]。杨福俭等研究了不同骨料级配、结构组合等因素对透水混凝土性能的影响，优化了透水混凝土的级配设计与结构组合设计[8-12]。陈凌生对彩色水泥混凝土性能进行研究，得出彩色混凝土的抗压强度和弯拉强度与普通混凝土相比，强度下降，但是颜料在其中的影响不大[13]。刘宁宁等对透水混凝土路面施工进行了研究探讨[14-16]。

综上所述，关于聚氨酯基胶结剂在道路中应用的研究尚少。透水混凝土孔隙率较大，更易与热、氧、光等接触，产生老化，且聚氨酯基胶结剂具有比环氧树脂和沥青更好的耐老化性能，因此在透水混凝土中具有更大的市场潜力。但是，聚氨酯基胶结剂在80 ℃以后会出现软化，由此本文以聚氨酯透水混合料为研究对象，重点分析其耐高温性和耐老化性。

1 原材料及配合比

1.1 聚氨酯基胶结剂

聚氨酯基胶结剂在分子链中含有氨基甲酸酯基团(—NHCOO—)或异氰酸酯酯基(—NCO—)等起胶结作用的胶结剂，一般由A组分和B组分按一定质量比配制而成。本课题所选用的聚氨酯基胶结剂是一种双组分胶结剂，生产厂家为靖江市恒业胶结剂科技有限公司。聚氨酯基A组分为淡黄色液体，B组分为深棕色液体。按规范要求测定相关性能，其测定结果与河南省工程建设标准《聚氨酯基透水路面技术规程》进行对比均符合要求。聚氨酯基胶结剂的性能指标如表1所示。

表1 聚氨酯基胶结剂的性能指标表

1.2 碎石

为了保证良好的粘结性，所采用的碎石必须质地坚硬、耐久、洁净。为了保证透水路面有足够的孔隙率以确保透水性能，又可以保持有足够的抗压强度、弯拉强度满足设计标准，本文选用粒径为4.75～9.5 mm的单级级配集料。

1.3 无机颜料

为了使路面有鲜艳的颜色，需要在聚氨酯基混合物中添加适量的无机颜料。本次试验所选用的颜料为：氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁绿。其中，氧化铁红的主要成分为三氧化二铁、铁丹，具有耐光照射、耐高温等性能；氧化铁黄主要成分为含有结晶水的氧化铁(Fe2O3·H2O)；氧化铁绿主要成分为蓝色的酞菁，具有很强的吸收紫外线能力。这三种颜料均有很强的附着性、耐酸性、耐碱性、化学性质稳定等特点。

1.4 材料配合比与试件制备

聚氨酯基双组分胶结剂在施工时必须按照使用说明进行严格配比，试件配合比为A组分与B组分的质量比为3∶2；无机颜料与双组份胶结剂的质量比为1∶2；双组分胶结剂混合物与碎石骨料的质量比为1∶30。为了防止混合料固结，必须在20 min内完成试件的制作。

2 性能分析

目前，由聚氨酯基为胶结剂所组成的碎石混合料，其试验的测定在国内并没有一致的规范进行评定，所以参照《普通混凝土力学性能实验方法标准》(GB/T50081)以及《聚氨酯基透水路面技术规程》(DBJ41/T150-2015)的规定进行实验。

2.1 抗压强度

通过相同配合比制作不同颜色的标准试件测定抗压强度，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，加载速率确定为0.3 kN/s。试验结果如图1所示。

图1 不同颜色试件的抗压强度试验结果柱状图

三种颜色的标准试件的代表值分别为4.9 MPa、5.1 MPa、5.2 MPa，虽然强度不完全一致，但是均在5 MPa左右，强度差别很小，说明不同颜色氧化铁并不会对抗压强度造成明显影响。混合料强度主要由集料间的摩阻力与结合料的粘结力形成，由此可见，不同颜色氧化铁的加入未对混合料的性能产生明显影响。

2.2 强度破坏机理分析

在抗压试验后将试件通过三维电镜观察其表面结构，可以明显地观察到聚氨酯混合料的破坏形式主要分为两种类型：(1)集料之间的聚氨酯基胶结剂发生明显的断开，如图2(a)所示；(2)碎石在持续荷载的作用下也发生断裂，导致试件完全破坏，失去承受荷载的作用，如图2(b)所示。

图2 聚氨酯混合料破坏面三维电镜图

2.3 连续孔隙率与透水系数

透水混合料作为功能性路面材料，连续孔隙率是评价透水混合料性能的重要指标之一。本研究对三种颜色试件进行连续孔隙率的测定，试验结果如图3所示。

图3 不同颜色试件的连续孔隙率试验结果柱状图

三种颜色的标准试件连续孔隙率的代表值分别为33.9%、32.6%、34.2%，虽然连续孔隙率不完全一致，但是均在33%左右，连续孔隙率差别很小，说明试件的颜色并不会对连续孔隙率造成明显影响。混合料连续孔隙率主要取决于集料级配，混合料的工作性能在一定程度上影响试件成型过程中形成的孔隙。由三种颜色聚氨酯混合料的连续孔隙率对比可知，不同颜色的氧化铁未对聚氨酯的工作性能产生影响。

根据《透水水泥混凝土路面技术规程》，通过制作不同颜色聚氨酯混合料的圆柱形试件，并放入渗透装置中进行透水系数试验，并根据规范所提供的计算公式，见式(1)，计算不同颜色聚氨酯混合料的透水系数，结果如下页表2所示。

(1)

式中：KT——试件的透水系数(mm/s)；

Q——一定时间内溢流出来的水量(mm3)；

L——试件的高度(mm)；

A——试件的底面面积(mm2)；

H——水位差(mm)；

t——时间(s)。

表2 不同颜色聚氨酯混合料的透水系数试验计算结果表

三种颜色的标准试件透水系数的代表值分别为0.112 1、0.110 4、0.115 2，与连续孔隙率相似，虽然透水系数不完全一致，但是均在0.11左右，差别很小，说明混合料试件的颜色并不会对透水系数造成明显影响，其透水系数主要取决于集料级配。同时，由表2可知，连续孔隙率与透水系数具有紧密的相关性。由于本次试验使用的碎石粒径为4.75～9.5 mm，且加入聚氨酯基胶结剂后形成的试件空隙较大，试验计算的透水系数完全满足《聚氨酯基透水路面技术规程》的要求(2×10-2mm/s)，可以使流向路面上的水快速排出。

2.4 抗高温老化性能

经过前文试验已经得知，未经任何处理的标准试件抗压强度与颜色无关，抗压强度为5.1 MPa。为了更好地模拟冷热交替，将不同颜色的标准试件放入老化试验箱5 h后，将试件取出完全冷却至室温作为一个冷热循环。三种颜色试件分别经过5、10、15、20个冷热循环后再次测定其抗压强度。试验结果如图3所示。

图4 不同颜色试件在不同冷热循环次数下的强度损失率对比曲线图

对红色试件进行高温处理后，其标准试件的抗压强度有明显提升，在25 h后标准试件的抗压强度为4.9 MPa，强度变化不明显；而在50 h、75 h、100 h后标准试件的抗压强度分别为6.8 MPa、5.9 MPa、6 MPa，与未经高温处理的标准试件相比强度均有较大提升。

对黄色和绿色标准试件经过高温老化处理后，测定其抗压强度。经分析后两者有相似性：在经过25 h的高温处理后，强度均有极大上升，分别为6.5 MPa、6.87 MPa，强度增长率分别为27.5%、34.7%；在50 h后强度与25 h后相比强度分别下降为5.2 MPa、5.1 MPa，但与未经高温处理试件相差不大，可以认为在25 h后再经高温处理其强度仍在下降，在75 h高温处理后强度分别下降为4.53 MPa、4.5 MPa，强度损失率分别为11.1%、11.8%，在100 h后，强度分别下降为4.33 MPa、4.2 MPa，强度损失率分别为15.1%、17.6%。

混合料试件强度的变化与聚氨酯基胶结剂的物理化学性能有关。高温处理加速了聚氨酯基胶结剂内部的化学反应，降低了弹性而增加了黏性，使其强度上升；而随着冷热循环的进行，聚氨酯基胶结剂变形能力下降，在不断热胀冷缩中导致其结构内应力增加，加速老化破坏，导致强度下降。

同时，强度的上述变化还与其吸热特性有关。本次老化试验采用的仪器通过电阻丝加热实现，属于热辐射，即红外辐射。不同颜色物质对光的吸收具有选择性，其中红色试件对红外光的吸收能力较差，而绿色和黄色试件对红外光的吸收能力相对较强，这就造成红色试件的粘弹性变化较小，黄色和绿色试件粘弹性变化较大，在冷热循环中热应力积累较快，强度损失也就大，而红色试件相对较小。