高透水聚氨酯无溶剂地坪的设计与开发
邵洪涛１，汪国平１，李学东２ （１． 巴斯夫聚氨酯特种产品（中国）有限公司，上海２００１３７； ２． 巴斯夫聚氨酯（中国）有限公司，广州５１１４４５８）
２. ３ 快速排水结构的设计
从初的泥土、砖石路、水泥沥青地面，到水泥硬化地坪、混凝土压模地坪、聚氨酯薄涂地坪、聚氨酯彩砂彩石彩片地坪，室外地坪的发展基本遵循了起尘性逐步降低和艺术性逐渐增加的趋势。与此同时，应用范围越来越广的室外地坪本身的封闭性也越来越强，导致降雨带来的水分难以下渗，城市排水管网的负荷不断增加。城市遭遇超负荷强降雨天气时，降水很快成为地表径流，而快速堆积的地表径流会引起城市内涝，影响正常通行， 甚至可能带来诸多衍生的灾难 。
城市化建设伴生的封闭性地面所占比例的大幅增加，带来了城市内涝等诸多问题。不断提高城市排水管网相应的排水能力是解决城市内涝的方案之一，但它成本高、影响大、周期长。重新请回地表的土壤也是研究方向之一［２］ ，但重走回头路的代价可想而知。开发推广高透水的室外地坪作为一个标本兼治的解决方案得到了越来越多的重视［３］ ，即设计开发具有高透水性的室外地坪，使其在尽量保持地坪低起尘性和高艺术性的同时，有效缓解城市排水管网面临的巨大压力，改善甚至消除城市内涝等问题。高透水的聚氨酯无溶剂地坪（耐透坪）的设计与开发，在满足环保、美观等要求的同时，实现了室外地坪产品的高透水性，能够分担城市排水管网的压力，改善城市化建设面临的内涝难题。相对于封闭性地坪，透水性地坪耐冻融循环非常稳定［４］ ，这确保其可以在寒冷地区正常应用。
１ 试验部分
１. １ 主要原材料
无溶剂多元醇组合料（ＥｌａｓｔｏｐａｖｅＣ６５５１／２０２ＣＡ）、无溶剂异氰酸酯组合料（ＥｌａｓｔｏｐａｖｅＣ６５５１Ｃ－Ｂ）：巴斯夫公司； 级配碎石（３ ～ ５ ｍｍ、４ ～ ６ ｍｍ、５ ～１０ ｍｍ）：市售。
１. ２ 化学反应机理
聚氨酯无溶剂地坪的主体化学反应是聚氨酯的合成反应，实际的操作使用中，主要的副反应是异氰酸酯基团与水的发泡反应以及异氰酸酯基团的自聚反应。控制副反应，对聚氨酯树脂与碎石间的粘接效果有积极的影响。
１. ３ 性能测试
制备耐透坪测试样品时，先配制聚氨酯树脂。将多元醇组合料（ＥｌａｓｔｏｐａｖｅＣ６５５１／２０２Ｃ－Ａ）和异氰酸酯组合料（ＥｌａｓｔｏｐａｖｅＣ６５５１Ｃ－Ｂ）按照１００ ∶８５（质量比）迅速混合均匀（其固化成品即为聚氨酯树脂）。再将刚混合好尚处于低黏度液体状态的聚氨酯树脂按照指定的量（通常为碎石质量的１％ ～８％）迅速洒入级配碎石中混合均匀。后依据性能测试的要求倒入指定形状的模具中固化成型。渗水系数测定参照ＪＴＧ Ｅ２０—２０１１ 中规定Ｔ ０７３０—２０１１ 方法进行；透水系数测定参照ＤＢ１１／ Ｔ ７７５—２０１０ 中附录Ｂ 进行；孔隙率（不含全封闭孔隙） 的测定参照ＤＢ１１／ Ｔ７７５—２０１０ 中附录Ｃ 进行；耐磨性能测试参照ＧＢ／ Ｔ１２９８８—２００９ 进行；抗压强度测试参照ＧＢ／ Ｔ ０５５３—２００５ 进行；抗弯拉强度测试参照ＧＢ／ Ｔ ０５５８—２００５进行；耐冻融循环性测试参照ＳＬ ３５２—２００６ 进行。对耐透坪中聚氨酯树脂组分反应过程中的多项物理参数进行跟踪测试：将多元醇组合料和异氰酸酯组合料按照１００ ∶８５ 的配比迅速混合均匀后，取１００ ｇ树脂置于２３ ℃下，采用美国Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ公司生产的Ｈａａｋｅ ＲｈｅｏＳｔｒｅｓｓ１ 多功能流变仪配合温度计跟踪测得聚氨酯树脂的黏度、温度和复数模量随反应时间的变化曲线。
２ 高透水地坪的结构设计
耐透坪利用碎石结构体具有的开放式孔隙快速透水，以缓解城市排水管网压力，实现雨天无径流的功能。
２. １ 结构设计原理
碎石受压堆积时内部会形成孔隙结构，并对表面提供支撑力。碎石结构体中连续且开放的孔隙结构可以实现高透水性能（见图１），因此以碎石结构体为原型开发高透水地坪，有利于满足室外地坪对于透水性和艺术性的要求，其中的关键是确保碎石结构体有足够的透水性和长期的稳定性。
碎石结构体的稳定性取决于碎石本身的强度和碎石孔隙的固定效果，而后者取决于所添加树脂的机械性能和粘接强度。成品地坪承受地表传下的压力时会对碎石孔隙的连接处产生较大的压强和剪切力；当气温在冰点附近时会因为存水的冻融而产生膨胀或收缩，在碎石孔隙的连接处产生形变。树脂须有足够的强度和韧性，以保证成品地坪有足够的抗压性能、抗弯拉性能和抗冻融循环性能。
２. ２ 高透水聚氨酯无溶剂地坪的开发及性能
高透水聚氨酯无溶剂地坪（耐透坪）作为解决城市内涝等环境问题的产品，所选用的树脂应是不含溶剂的环保材料，且须具有物理强度高、反应速度慢、固化收缩率低等特点。由无溶剂多元醇组合料和无溶剂异氰酸酯组合料合成的聚氨酯树脂，能够满足上述各项要求。将它与级配碎石（３～１０ ｍｍ）按比例混合均匀后压实成型，可制成具有高开放式孔隙结构的聚氨酯碎石结构体，即耐透坪。耐透坪的施工简单，先由多元醇组合料与异氰酸酯组合料混合均匀，再按照碎石质量１％ ～８％的比例加至级配碎石中搅匀并铺设，后使用长条或平整压实机将表面整平压实并薄撒止滑砂。
根据设计的要求，耐透坪应能实现并保持水分迅速下渗的高透水效果，并具有一定的应急贮水性，避免地面出现径流而给人员通行造成麻烦。如图２ 所示，暴雨中隔离带左侧的不透水地面已明显出现妨碍通行的径流，而隔离带右侧整个耐透坪无任何积水出现。耐透坪具有的高透水功能和一定的应急贮水功能，能有效缓解城市的内涝，减轻暴雨天气下径流的出现，维持雨季路面通行。
耐透坪表面展现的是天然彩石的本色，彩石耐候性、耐晒性好，使用年限长，通过不同的设计调配，可以长久展现色泽装饰效果；聚氨酯树脂具有优良的韧性，耐透坪由此具有良好的吸震性能及其带来的舒适的步行脚感。上述石彩与韧性优势展现的是天然石材和聚氨酯树脂的特点，聚氨酯无溶剂彩砂地坪也有类似的效果 。而耐透坪表面独特的开放式孔隙结构和止滑设计，使它同时拥有良好的吸音降噪和干湿防滑的效果。
排水的设计可以根据具体施工项目的环境条件决定，这也体现出耐透坪对诸多条件限制复杂的地坪改进项目有着很好的适应能力。对于直接铺设在具有良好透水性能的土壤上的耐透坪工程，先铺设大直径的碎石来加强基层强度即可；对于直接铺设在高封闭性的水泥地面上的耐透坪工程，则需在耐透坪的下面直接埋设一根排水槽，以实现快速排水。图３ 为施工中和施工完成后的耐透坪，图３ 左就是采用该方案，在耐透坪下面埋设一条排水槽的人行道项目。完工后（图３ 右），展现出色的吸震、舒适、止滑的使用效果和美观的艺术效果，在降雨时则体现出优异的排水效果。
３ 结果与讨论
３. １ 耐透坪中聚氨酯树脂组分的反应性与操作时间
耐透坪中聚氨酯树脂的黏度与反应时间的关系如图４ 所示。聚氨酯树脂的模量和反应时间的关系如图５ 所示。
图４ 可以看出，耐透坪所用的聚氨酯树脂在反应前期（＜１５ ｍｉｎ）的黏度很低（＜１ ０００ ｍＰａ·ｓ），这利于多元醇组合料和异氰酸酯组合料相互间混合均匀。随着反应时间的增加，聚氨酯树脂的黏度也缓慢增加，在反应至２５ ｍｉｎ 时黏度升高到３ ０００ ｍＰａ·ｓ。这段时间的黏度大小适合聚氨酯树脂和级配碎石的混合与分散。反应约３０ ｍｉｎ 后黏度开始快速上升，大致对应耐透坪在铺设施工中使用长条或平整压实机将耐透坪表面整平压实的时间。从图５ 也可以发现，反应约３０ ｍｉｎ 后，聚氨酯树脂的贮能模量（Ｇ′）和损耗模量（Ｇ″）也都开始快速增加，但约４７ ｍｉｎ 时损耗模量突然降低。这意味着聚氨酯树脂开始从黏流态转为固态，它的佳操作时间已结束。实际上，正式施工中聚氨酯树脂和碎石混在一起，耐透坪单位质量的放热量不足实验室测试的聚氨酯样品的十分之一，且散热效率也高于纯聚氨酯样品，因此不会出现试验中如此明显的温度上升（见图５ 中温度曲线），实际使用中这款聚氨酯树脂会表现出更长的操作时间。
３. ２ 耐透坪的孔隙率和透水性能
耐透坪的孔隙率直接反映了耐透坪本身的贮水性能，并对透水性能有很强的影响。聚氨酯树脂用量对孔隙率的影响如图６ 所示。
图６ 显示，树脂用量对３～５ ｍｍ 碎石结构体的孔隙率的负面影响明显，因此一旦耐透坪的强度等性能满足要求，则应控制聚氨酯树脂的加量。当聚氨酯树脂加量不超过碎石质量的３％时，耐透坪的孔隙率超过３０％。考虑到碎石的粒径会影响内部孔隙的形状与大小，对透水效果可能带来一定的影响，表１ 列出了聚氨酯树脂用量为碎石质量的３％时，不同粒径碎石的渗水系数和透水系数。
注：１—参照ＪＴＧ Ｅ２０—２０１１ 中Ｔ ０７３０—２０１１，利用路面渗水仪测定标准试件（３００ ｍｍ×３００ ｍｍ×５０ ｍｍ） 的渗水系数；２—参照ＤＢ１１／ Ｔ ７７５—２０１０ 透水混凝土路面技术规程得到透水系数。
由表１ 可以看出，碎石粒径在３～１０ ｍｍ 之间时，粒径的变化对透水性能的影响不明显。气象学上对暴雨的定义通常为３０. ０～６９. ９ ｍｍ／１２ ｈ 或者５０. ０～９９. ９ ｍｍ／２４ ｈ（各地气象部门对当地各类降水等级标准有所不同，例如华南一带的暴雨定为日降水量≥８０ ｍｍ，而新疆地区暴雨则定为日降水量≥３０ ｍｍ）。耐透坪的理论排水效率足以应对１００ｍｍ／ ｈ 的降水 ，实际工程中整体的排水效率还受到流水面宽度和坡度等影响 ，但规范施工的耐透坪可以满足暴雨条件下的排水要求。
耐透坪整体具有约３０％的空隙率，本身拥有一定的贮水功能，短时的积水可以贮存其中，能有效地缓解特殊情况下出现雨水倒灌，回流表面层的现象，避免在地表形成径流影响通行。
３. ３ 耐透坪的物理性能
表２ 列出了耐透坪的相关物理性能（聚氨酯树脂加量为碎石质量的３％）。
由表２ 可以看出，耐透坪的综合物理性能好。尤其耐冻融循环高达２００，这意味着耐透坪是一款可以在寒冷地区应用的透水地坪，并可以充分发挥透水地坪的止滑优势———化雪时出色的止滑性能，是透水地坪相比不透水地坪的一个明显优势 ，而足够好的耐冻融循环性能是发挥该项优势的前提。但是若在严寒地区应用耐透坪，尚需开展深入研究。同时，与常见不透水地坪相比，耐透坪的抗压强度偏低，产品设计取值要考虑其差异，不建议应用于重载道路，建议耐透坪优先考虑应用于轻载道路、人行地坪等。
４ 结 语
（１）采用碎石结构体为原型开发的耐透坪具有很高的透水性能，可缓解暴雨时路面径流等问题，分担城市排水管网面临的巨大压力。
（２）采用聚氨酯树脂配合天然石材制备的耐透坪有着良好的艺术效果和使用效果，在环保性、操作性、通行舒适度方面都有尚佳的表现。
（３）耐透坪达到Ｆ２００ 的耐冻融性能，可在寒冷地区体现其止滑性能的优势。耐透坪抗压强度低于不透水地坪，多应用于轻载道路、人行道等。
