聚氨酯碎石材料在护岸工程中的应用

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摘要：摘要：随着国家对环保要求的不断提高，块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态环保性的护坡新材料。通过多年来河道整治工程的实践探索，提出将聚氨酯碎石材料应用于岸坡防护工程，并重点阐述了聚氨酯碎石护坡的工艺流程、相关参数及

　　摘要：随着国家对环保要求的不断提高，块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态环保性的护坡新材料。通过多年来河道整治工程的实践探索，提出将聚氨酯碎石材料应用于岸坡防护工程，并重点阐述了聚氨酯碎石护坡的工艺流程、相关参数及材料要求，研究了护坡材料的抗风浪侵蚀、抗水流冲刷、抗紫外老化、抗酸碱腐蚀、抗冻融以及生态环保方面的性能。通过长江、河口、海岸3个典型工程实例论证了该护坡材料的防护性能和生态效果，以期研究成果能在护岸工程中进行推广应用。

　　关键词：聚氨酯碎石;生态环保;河道整治;护岸工程

　　0 引 言

　　目前，护岸工程所采用的材料主要分为两大类：①石材，包括干砌块石、浆砌块石、雷诺护垫、土工网石垫等;②混凝土材料，包括现浇混凝土板、混凝土连锁块、混凝土植生块等。块石料的开采、水泥的使用会对环境造成一定影响。随着国家对环保要求的不断提高，块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态性的护坡新材料[1]。

　　传统的护坡型式主要分成砌石、现浇混凝土等刚性护坡与雷诺护垫、混凝土植生块等生态护坡。刚性护坡隔绝了土体与水体之间的联系，透水性较差，植物生长困难，生态性较差;对能量的吸收性能差，容易受波浪冲击，对坡面变形的适应性较差。生态护坡中，雷诺护垫对石料要求较高，需人工平整，钢丝容易锈蚀后出现断裂，不易修复，运行过程中容易出现不均匀沉降，块石受水流掏刷易沿坡面下滑，出现厚薄不一，不满足防护要求的现象。生态护坡中的混凝土植生块对场地要求较高，铺放前需平整压实，预制过程中需采用定型钢模，严格控制工艺，容易影响施工进度;同时，混凝土植生块不适用于淹没时间较长的水位变幅区。聚氨酯碎石护坡结构通过利用聚氨酯优良的物理力学及黏结性能，将普通的碎石块强化整合为坚固、稳定、开放的整体结构。该护坡型式具有一定的力学性能，整体性好、适应变形及抗冲刷能力强，具有良好的生态性，且取材容易、施工便利，适用于对抗冲、抗侵蚀、生态环保、施工工期等方面有较高要求的海堤、河堤等岸坡防护工程，但缺点是造价相对较高[2]。

　　本文主要介绍了聚氨酯碎石护坡材料的设计理论、参数及技术要求，论述了该护坡材料的安全性、环保性，并通过一系列工程实例论证了该材料的防护性能和生态效果。

　　1 聚氨酯碎石护坡设计要求

　　1.1 工艺流程

　　聚氨酯(PUR-polyurethane)在化工与塑料行业中是一种非常重要的材料，广泛应用于汽车、建筑、电子、近海原油和近海天然气管道防腐层等行业。通过采用一种特殊疏水聚氨酯组合料，将聚氨酯碎石护坡用于护岸建设，其主要工艺流程为：①在标准混凝土搅拌机中将20～40 mm的碎石与相当于其重量1.8%的聚氨酯混合;②将此聚氨酯碎石混合物铺设到斜坡上作为护岸表层，厚度为10～30 cm;③1 d后，聚氨酯碎石就会熟化并且在2 d后达到最终强度，即聚氨酯碎石护坡建造完毕。

　　聚氨酯材料中包含约50%的脂肪酸脂天然产物，是可再生资源。聚氨酯碎石护坡以粒径更小、更廉价的碎石为材料，大幅降低了护坡所需厚度，一般可达到传统护坡厚度50%，比传统护坡耗材更省，同时可降低运输成本和建材的施工成本。国外工程经验表明：与传统护坡型式相比，聚氨酯碎石护坡可减少工程投资20%～30%。

　　1.2 相关参数

　　聚氨酯碎石护坡的主要参数可通过相关的技术检测或理论计算得到。

　　1.2.1 容 重

　　根据《聚氨酯碎石料护岸设计手册》相关结论[3]，聚氨酯碎石护坡的容重主要由碎石材料类型和级配决定，经试验测定，其取值范围如表1所示。

　　1.2.2 孔隙率

　　聚氨酯碎石护坡孔隙率取决于石料级配，根据荷兰代尔夫特理工大学关于聚氨酯碎石护坡孔隙率的试验成果——《聚氨酯碎石护坡初步应用研究》[4]，孔隙率一般为40%～50%，因此，聚氨酯碎石材料为一种多孔隙透水性材料。

　　1.2.3 力学指标

　　南京水利科学研究院和四川大学水利水电学院分别对聚氨酯碎石材料的相关力学指标进行了试验研究，并完成了相关研究报告——《聚氨酯碎石护坡波浪断面物理模型试验报告》《聚氨酯固化碎石护岸的小型物理模型试验报告》[5-6]。

　　聚氨酯固化碎石试样包括550 mm×150 mm×150 mm的抗折试样和150 mm×150 mm×150 mm的抗拉压试样，试验仪器及过程如图1所示，试验方法参照GB T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》执行。聚氨酯碎石材料抗拉、抗压和抗折试验结果如表2所示。

　　聚氨酯碎石材料主要性能指标为：抗拉强度约0.52 MPa，抗压强度2.87～5.27 MPa，抗折强度2.13～3.31 MPa。

　　1.2.4 护坡厚度

　　聚氨酯碎石护坡的厚度需满足其在风浪作用下自身稳定性要求。由于聚氨酯碎石護坡为多孔的整体结构，可参照混凝土护坡的护面厚度要求，一般设置为15～30 cm。

　　1.3 材料要求

　　聚氨酯碎石护坡主要由聚氨酯黏合剂和矿物骨料组成。

　　1.3.1 聚氨酯黏合剂

　　用于聚氨酯碎石护坡的聚氨酯材料主要包含两种成分：A组分为特种植物油改性多元醇，B组分为异氰酸酯。修建护坡时将两者混合可形成强力黏合剂，固化后即为固体聚氨酯。A，B组的混合比例为100：65;A，B材料混合后的聚氨酯材料为惰性材料，不具备吸水性，不会在水体中浸泡产生膨胀。聚氨酯黏合剂用量一般取矿物骨料重量的1.8%，且需满足以下性能指标(表3)。

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