聚氨酯碎石材料在护岸工程中的应用

邓建 谢冰冰 吕鹏

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

中图法分类号：TV861文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.009

文章编号：1006 - 0081（2021）09 - 0053 - 07

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為护岸表层，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。由于聚氨酯碎石护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）。

1.3.2 矿物骨料

聚氨酯碎石护坡碎石骨料的粒径取20～40 mm。要求碎石骨料坚硬，遇水不易破碎或水解，湿抗压强度大于50 MPa，软化系数大于0.7，密度不小于2.55 t/m3。

1.3.3 垫层和土工布

根据工程需要，聚氨酯碎石护坡下可设砂碎石垫层和土工布。砂碎石垫层中粗砂粒径范围为0.5～2.0 mm，碎石粒径范围为2～30 mm，粗砂和碎石比例1∶1。土工布可采用400 g/m2丙纶短纤无纺土工布，主要指标如下：单位面积质量不小于400 g/m2，断裂强力不小于12.5 kN/m，断裂延长率为25%～100%，顶破强度不小于2.1 kN，撕破强度不小于0.33 kN，等效孔径?90为0.07～0.20 mm，渗透系数为1×10-1～1×10-3 cm/s。

2 安全性与环保性

2.1 抗风浪侵蚀

南京水利科学研究院开展了聚氨酯碎石护坡抗风浪冲蚀物理模型试验[5]，试验装置采用长波浪水槽，水槽长60 m、宽1.8 m、高1.6 m，并配有风、波、流设备（图2）。试验采用1∶15的模型比尺，对聚氨酯碎石护坡进行了波浪物理模型试验，并与栅栏板护面进行了对比。

试验波浪按重力相似准则模拟，不规则波波谱采用JONSWAP谱，试验步骤如下：首先率定波浪要素，然后构造试验断面，并对原岸滩断面先用小波进行试验，以使堤身密实，最后进行各项试验内容。在进行聚氨酯护面压强分布试验时，在聚氨酯护面的外表面和内表面分别安装波浪压强测点，同步测量压强，除了分析外表面和内表面的压强外，还分析内、外表面压强差，即护面所受净压强。

试验采用的波浪要素为上海横沙某围垦工程的设计波浪，得到以下主要结论。

（1）采用30 cm厚聚氨酯碎石（粒径20～40 mm）护面在100 a一遇水位（5.89 m）加100 a一遇波浪（波高H13%=4.09 m，波周期Tm=8.14 s）作用下，坡面正、负最大净压强分别为12.3，-9.8 kPa，外侧正、负最大压强分别为29.5，-6.5 kPa，内侧正、负最大压强分别为23.0，-0.3 kPa。

（2）采用20 cm厚聚氨酯碎石及30 cm厚聚氨酯碎石（粒径20～40 mm）护面，当坡度分别为1∶2和1∶3时，若堤顶、斜坡面、堤脚处聚氨酯碎石护面没有连接成整体，在50 a一遇高水位（5.59 m）加50 a一遇波浪（波高H13%=3.48 m，波周期Tm=7.84 s）作用下，堤顶及坡脚处聚氨酯碎石护面均发生掀动失稳;若将顶、斜坡面，堤脚处聚氨酯碎石护面连接成整体，同时将坡脚处聚氨酯碎石护面降低到与护脚块石面齐平，断面聚氨酯碎石护面均满足稳定性要求。

（3）试验断面在50 a一遇波浪（波高H13%=3.48 m，波周期Tm=7.84 s）作用下，采用栅栏板护面（灌砌石垫层）最大爬高为9.16 m;采用聚氨酯碎石护面（粒径20～40 mm）最大爬高为8.76 m;采用聚氨酯碎石护面（粒径30～60 mm）最大爬高为7.74 m。

试验结果表明：聚氨酯碎石护坡有良好的抗风浪冲蚀特性，在高水位及强风浪条件下能保持较好的消浪性能和稳定性能，对比栅栏板护面型式，聚氨酯碎石护坡能更有效地消散与吸收波浪冲击力的能力，降低波浪爬高，减少波浪越堤的发生。

2.2抗水流冲刷

荷兰水利部门分别对聚氨酯碎石护坡、植草护坡与开孔沥青碎石护坡进行越堤冲刷模拟试验[7-8]。在3个系列的试验中，模拟装置分别以每米30，75，125 L/s的水量反复冲刷各材质护坡，每个系列的持续冲刷时间均超过6 h。试验结果表明：即使在最高流量每米125 L/s（大约相当于12 m/s的流速）的试验中，聚氨酯碎石护坡未检测到任何损坏，聚氨酯碎石材料耐水流冲刷磨损效果较好。

同时，该试验室对荷兰两处示范工程进行了现场跟蹤，项目从建成后50～150 d内，遭受70 a一遇的风暴潮（最大风速35 m/s）的袭击，护坡结构表面出现极微小的磨损，破坏率约为0.3%，与沥青碎石护坡的行业规范5%相比可以忽略不计。

2014年建设的韩国昌原市匡庐州河堤岸，采用聚氨酯碎石护坡，设计流速为3 m/s[9]。2014年8月在大规模洪水冲刷下，记录的最大流速是6 m/s，结构稳定，未出现破损，聚氨酯护坡材料抗冲刷、抗磨损性能较好。

2.3抗紫外老化

德国亚太拉斯材料测试技术有限公司（Altas Material Testing Technology Gmbh）2010年进行了聚氨酯碎石材料的抗紫外线老化试验[3]。试验采用氙弧灯（模拟自然光的首选光源）对聚氨酯碎石试样进行照射，通过检查试样在紫外线照射前后的抗压强度来判断其抗紫外线老化性能。聚氨酯碎石试样尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，采用16～32 mm玄武岩石料和比重为1.8%的聚氨酯制备而成。试验结果表明：经过12 000 h照射后，紫外线未对试样的抗压强度产生不良影响。根据ISO 4892-2：2006标准，12 000 h紫外线模拟照射相当于欧洲中部地区阳光照射12 a。

汉堡-哈尔堡工业大学采用阿列纽斯-相关性方法对聚氨酯碎石护坡的耐久性进行了试验[3]。在试验过程中，研究人员将环境温度提高到80℃，从而使原本在海水中缓慢进行的材料降解作用加快，然后利用试验结果外推得到20℃～30℃条件下试验材料耐海水侵蚀及抗紫外线老化的耐久性。试验结果表明：聚氨酯碎石试件在20℃～30℃的海水环境中工作性能完全稳定，即使暴露在紫外线照射环境中，聚氨酯碎石材料也具有显著的耐海水侵蚀性能，预测其在20℃～30℃海水环境使用年限为70～100 a。

2.4 抗酸碱腐蚀

聚氨酯材料主要由A组分-特种植物油改性多元醇和B组分-异氰酸酯混合而成，属于反应性高分子材料。其中，B组分的异氰酸酯链段刚性比较大，有利于阻止介质的入侵，使聚氨酯硬段富含刚性结构，结晶能力强，耐腐烛性更为优异。

聚胺酯抗多种酸碱和有机溶剂腐蚀，因此在恶劣环境下经常用替代橡胶制品。目前常用于飞机外壁涂料、木器涂料、交通运输工具、防腐蚀涂装、机床及仪表仪器涂装、塑料涂料等。

2.5 抗冻融性

黑龙江水利科学研究院进行了聚氨酯碎石技术在高寒区工程中应用研究[10]，并进行了聚氨酯低温冻胀适应性室内模型试验。试验箱体尺寸4.5 m×3.0 m×1.5 m（长×宽×高），模型箱体底层结构分为3层：第一层为底板加热层，由直径2.0 cm的铜管弯曲构成;第二层为无纺布和5 cm砂石垫层;第三层为底板补水层，由盘曲的塑料管制成，塑料管周围铺设5 cm卵石，其上覆盖无纺布。试验时长为300 h，温度变化范围为-25℃～25℃。试验结果表明：聚氨酯碎石材料在冻融循环条件下会发生一定的冻胀变形，最大变形量可达到13.5 mm，考虑到该材料为柔性结构，断裂延伸率超过48%，故该变形不会对结构安全造成不利影响。同时，经过多次冻融循环后，聚氨酯材料均未出现冻融剥蚀现象，且增加用胶和增大碎石粒径可以有效抑制冻融剥蚀。聚氨酯碎石材料的抗冻融性能较好，可广泛应用于高寒地区的岸坡防护工程中。

2.6 生态环保性

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。其环保性通过国内外多家研究或检测机构的论证。

（1）聚氨酯碎石材料2016年通过了英国饮用水监督管理局的饮用水源地使用许可，说明聚氨酯碎石材料与水体直接接触，无毒性污染。

（2）聚氨酯碎石材料2018年获得了上海化工研究院检测中心的非限制性货物鉴定证书，证书对其毒性监测结果为无毒物质。

（3）2009年德国弗劳恩霍夫分子生物学与应用生态学研究所研究了聚氨酯碎石护坡对水生生物群落的急性和慢性毒性影响，研究的水生生物对象包括假单胞杆菌、亚斑点苔藓、摇蚊、大型蚤、斑马鱼胚胎。研究报告指出：聚氨酯对以上水生生物均无急性和慢性毒性影响。

（4）独立研究机构德国费森尤斯研究所（Institut Fresenius）和荷兰英创（INTRON）对聚氨酯与碎石复合物巴斯夫（Elastocoast）（包含未硬化和已硬化）在6种水体环境中进行了测试[3]，证明聚氨酯与碎石复合物材料对水生生物及生态环境没有任何不良影响。

（5）荷兰阿姆斯特丹大学对聚氨酯的环保性进行了相关试验研究[11]。将聚氨酯包裹的碎石与所培育的藻类混合在一起，其中有矽藻、单细胞聚球藻、瘦鞘寺藻、假鱼腥藻经过27 d的培育，所有的石头都覆盖了海藻，说明聚氨酯对藻类生长无毒性污染。

3 工程实例

3.1 武汉汉江阎王嘴护岸工程（长江）

阎王嘴护岸工程位于武汉汉江，施工时间为2018年7月，面积1 300 m2，主要设计流速为3 m/s，护坡厚度为15 cm，坡比为1∶3，碎石粒径为20～40 mm。施工完成1～2 a后，坡面植被生长良好（图3～5）。

该护岸工程段分别采用了联锁护坡砖、聚氨酯碎石、雷诺护垫格和立体网状4种生态护坡型式进行现场试验。试验结果表明：聚氨酯碎石护坡具有更好的生态效果。工程实施后岸坡完整性、稳定性均较好，未出现损毁情况。

3.2 上海横沙东滩圈围（八期）工程（河口）

上海横沙东滩圈围（八期）工程位于上海横沙岛，施工时间2018年1月，面积972 m2。由于该工程位于长江口，受到风暴潮影响较大，设计荷载为4.09 m波高。该工程现场实施时分段采用了不同的厚度和碎石粒径，护坡厚度20，25，30 cm，坡比为1∶2，碎石粒径分别为10～30，20～40 mm。

2018年7月22日台风“安比”、2018年8月3日台风“云雀”、2018年8月17日臺风“温比亚”在上海登陆，2018年8月12日台风“摩羯”在浙江温岭登陆，该护坡结构在一个月内经历了4次台风的考验，局部出现碎石脱落、护坡面层变薄的情况。2018年10月，业主单位组织参建各方对破坏现场进行了查勘，并提出对护脚块石进行修整、清理以及对护坡聚氨酯碎石进行修复的方案（图6～7）。调查研究表明：在大波浪作用下，护脚平台处块石对上方聚氨酯碎石护坡面的碎石进行持续的撞击，导致护坡面层碎石不断脱落，厚度变薄直至完全丧失，是横沙东滩圈围（八期）聚氨酯碎石护坡试验段发生局部损坏的根本原因。

3.3 三亚市三亚湾西端岸线修复工程（海岸）

三亚湾西端岸线修复工程位于三亚市三亚湾，施工时间2019年6月，面积1 000 m2，主要设计荷载为2.0 m波浪。护坡厚度为20 cm，坡比为1∶2，碎石粒径为20～40 mm。

2019年7月，台风“木恩”过后，护坡完整性较好，岸坡稳定，结构未发现损毁现象。施工完成后1～2 a，坡面上植物生长良好。工程实践表明：聚氨酯碎石护坡的抗风浪能力较强，生态性较好（图8～11）。

4 结 论

（1）聚氨酯碎石护坡的建筑原料主要为碎石骨料和聚氨酯黏合剂，来源广泛，质量可控。聚氨酯碎石护坡的技术工艺流程简单，可操作性强，便于施工。

（2）聚氨酯碎石护坡具有良好的抗风浪冲蚀和抗水流冲刷能力。相关研究表明：聚氨酯碎石护坡的多孔开放结构能有效地消散与吸收波浪冲击力，降低波浪爬高，且能够适应一定程度的荷载和变形，具有较好的稳定性。

（3）聚氨酯碎石护坡具有较好的耐久性。相关研究表明：聚氨酯碎石材料的抗压强度在紫外线照射前后无明显变化，聚氨酯碎石护坡在20℃～30℃海水和紫外线环境条件下，其使用寿命预测为70～100 a。同时，聚氨酯材料具有良好的耐酸碱腐蚀和严寒地区的抗冻融性能。

（4）聚氨酯碎石护坡具有良好的生态环保性。广泛的毒物学研究充分证明，聚氨酯黏合剂对水生生物及生态环境没有任何可以预期的不良影响，且聚氨酯碎石护坡的多孔结构可成为水生动植物的栖息地，有利于护坡植被的恢复和水生生态系统稳定性的提高。

（5）聚氨酯碎石材料已在长江、河口、海岸等工程得以应用，并具有良好的抗冲刷、抗侵蚀和生态环保性。实践表明：聚氨酯碎石材料可广泛应用于长江中下游堤防和护岸工程的岸坡防护中，同时也可逐步运用于现状滩面相对较高的海堤、海岸线修复整治工程中。

参考文献：

[1] 闵凤阳，孙贵州，王家生，等. 河流生态护岸的工程实践[J]. 水利水电快报，2017，38（11）：69-74.

[2] 董小卓，顾德华，朱小飞. 聚氨酯碎石护坡的结构特点及工程应用[C]// 中国土木工程学会.中国土木工程学会城市防洪2008年学术年会论文集.北京：中国土木工程学会，2008：91-93.

[3] BASF Polyurethane GmbH. Polyurethane Bonded Aggregate Revetments Design Manual[R]. Germany： BASF Polyurethane GmbH，2010.

[4] Delft University of Technology. Preliminary Study Of Pur-Revetments Application[R]. Netherlands：Delft University of Technology，2008.

[5] 南京水利科学研究院. 聚氨酯碎石护坡波浪断面物理模型试验报告[R]. 南京：南京水利科学研究院，2017.

[6] 四川大学水利水电学院. 聚氨酯固化碎石护岸的小型物理模型试验报告[R]. 成都：四川大学水利水电学院，2019.

[7] Delft University of Technology. The Elastocoast System： A study of possible failure mechanisms[R]. Netherlands：Delft University of Technology，2008.

[8] Delft University of Technology. Elastomeric revetments-A new way of coastal protection[R]. Netherlands：Delft University of Technology，2009.

[9] 韓国土木工程与建筑技术研究院. 基于无毒材料和现场施工检验的环保护岸技术开发[R]. 首尔：韩国土木工程与建筑技术研究院，2016.

[10] 黑龙江水利科学研究院. 聚氨酯低温冻胀适应性室内模型试验总结报告[R]. 哈尔滨：黑龙江水利科学研究院，2010.

[11] University of Amsterdam. Early colonization of littoral communities on polyurethane coated substrates： a field and laboratory study[R]. Netherlands：University of Amsterdam，2008.

（编辑：江 文）

Application of porous polyurethane mixture in bankslope protection engineering

DENG Jian1，XIE Bingbing2，LYU Peng1

（1. Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China;  2. Institute of Rock and Soil Mechanics，

Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：With the continuous improvement of environmental protection requirements， the using amount of block stone and cement is gradually restricted. It is urgent to explore new slope protection materials that have performances of safety and ecology. Through practice and exploration of river improvement projects， it was proposed to apply porous polyurethane mixture in bank slope protection projects. In this paper，we introduced the technological process， related parameters and material requirements of porous polyurethane mixture slope protection. Also， we analyzed the anti-wave erosion and scouring， anti-ultraviolet aging， corrosion resistance， freezing- thawing resistance and ecological environmental protection of slope protection material. The protection performance and ecological effect of the slope protection material were demonstrated through three typical engineering examples of Yangtze River， estuary and coast. It is expected to be popularized and applied in bank protection engineering.

Key words：porous polyurethane mixture;ecology;channel improvement;bankslope protection engineering