CN110981283B - 一种环保型金属质感透水路面材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种环保型金属质感透水路面材料，以高分子聚合物为胶结材料，提升路面抗弯拉性能和耐水力作用的能力，冻融循环性能良好；高分子聚合物多为无色，更能突出碎石本来的颜色，以天然碎石的颜色作为装饰色，也便于着色；将普通颜料改为二氧化硅包覆的金属颜料，色彩鲜艳多样且具有金属质感，性能稳定，不易掉色，在胶结料内易分散，用量少，效果好；本发明的施工工艺简单，工期短，一般施工24h即可开放通行；连续孔隙率大，降噪能力强，材料环保，不造成二次污染，易修补。

Description

一种环保型金属质感透水路面材料
技术领域
本发明属于道路建设技术领域，具体涉及一种环保型金属质感透水路面材料。
背景技术
随着社会发展，城市规模越来越大，不透水路面的性能局限性也越来越明显。一方面在下雨的时候只能依靠市政排水管网将水排掉，在降水量较大时增加排水负荷，加剧城市内涝。另一方面阻断了自然的地面蒸发循环系统，是造成城市热岛效应的主要原因之一。此外，不透水路面还有增加城市噪音、积水造成交通隐患等多种弊端。针对以上问题，透水路面材料应运而生，而随着“海绵城市”概念的提出，透水路面的应用也越来越广泛。
常见的透水路面材料为透水混凝土路面或透水沥青路面。透水混凝土路面具有混凝土路面的缺点：抗弯拉能力差，易开裂。而由于透水路面材料一般采用单级配或间断级配集料，颗粒间空隙大，开裂后路面剥落现象严重。此外混凝土路面在冻融循环和降噪方面的表现也比较差。透水沥青路面对道路材料要求较高，而且沥青本身抵抗水破坏能力较差，容易在水的作用下造成剥落。另外，混凝土路面一般为灰白色，沥青路面一般为黑色，而目前市面上的彩色路面一般为后期染色，容易掉色。
发明内容
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种环保型金属质感透水路面材料，由集料、胶粘剂和金属颜料组成。
优选的，所述胶粘剂与集料的质量比为1:15~1:30。
优选的，所述金属颜料的添加量为胶粘剂重量的0.5%~10%。
优选的，所述胶粘剂为聚氨酯或环氧树脂。
优选的，所述集料为碎石，粒径2~12mm（当粒径小于8mm时，单级配、间断级配都能满足性能要求，单级配的连续孔隙率相对好一些，透水性更强，间断级配的强度相对好一些，可根据需求以及碎石原料的粒径分布进行选择；当选择8mm以上的级配时，孔隙率太大，强度不够，需要配合间断级配的小粒径碎石）。
优选的，所述二氧化硅包覆的片状铝颜料采用如下方法制备得到：将铝粉和无水乙醇加入到烧瓶中，然后升温至45~55℃，同时滴加A液和B液，滴加完毕后（A液和B液滴加完毕后反应体系的pH为7~9）升温至80~100℃，反应3h以上，随后经过抽滤、干燥得到二氧化硅包覆的片状铝颜料；其中A液为TEOS的乙醇溶液，B液为乙醇、氨水（25wt% ~ 28wt%）和水的混合溶液。
优选的，所述金属颜料为二氧化硅包覆的片状铝颜料（银色）或将二氧化硅包覆的片状铝颜料再经彩色颜料包覆形成的彩色金属颜料。彩色颜料可根据需要选自氧化铁红、氧化铁绿、氧化铁黄、铁蓝、铬红、铬黄、锰红、酞青蓝、酞青绿等中的任一种或几种。
优选的，所述A液和B液的体积比为1:1。
优选的，所述A液和B液的滴加速度均为1 滴/秒。
优选的，所述铝粉与TEOS的重量比为1:2.2~2.6。
本发明产生的有益效果是：以高分子聚合物为胶结材料，提升路面抗弯拉性能和耐水力作用的能力，冻融循环性能良好；高分子聚合物多为无色，更能突出碎石本来的颜色，以天然碎石的颜色作为装饰色，也便于着色；将普通颜料改为二氧化硅包覆的金属颜料，色彩鲜艳多样且具有金属质感，性能稳定，不易掉色，在胶结料内易分散，用量少，效果好；本发明的施工工艺简单，工期短，一般施工24h即可开放通行；连续孔隙率大，降噪能力强，材料环保，不造成二次污染，易修补。
附图说明
图1为对照例1、对照例2、实施例1、对照例3制备的二氧化硅包覆铝粉的SEM对比图；
图2为对照例4－6、实施例1制备的纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料的SEM对比图；
图3为采用一步法制备的包覆铝粉的SEM图；
图4为未包覆的铝粉，对照例8、对照例9、实施例1制备的包覆铝粉的SEM对比图；
图5未包覆的铝粉，对照例8、实施例1、对照例9的刮板结果对比图；
图6为对照例10、实施例1、对照例11、对照例12制备的二氧化硅包覆铝粉的SEM对比图；
图7为未包覆铝粉、对照例10、实施例1、对照例11、对照例12二氧化硅包覆铝粉的刮板结果对比图；
图8为未包覆的铝粉及Al-SiO2样品的粒度分布曲线。
具体实施方式
以下实施例和对比例中的铝粉在使用前，需要对铝粉进行预处理，铝粉的预处理过程如下：为了除去Al粉制备过程中添加的硬脂酸或石油烃类等。称取10g的片状铝粉到500mL烧杯中，加入200mL无水乙醇，超声处理20min，抽滤，无水乙醇洗涤3次，将乙醇洗后的铝粉在80℃烘箱干燥2h。
实施例1
一种纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料的制备方法，包括以下步骤：①将2.7g预处理过的铝粉和67.5mL无水乙醇加入到250 mL四颈烧瓶中，然后升温至50℃；②分别用恒压滴液漏斗同时滴加A液和B液，滴加完毕后升温至80℃，反应3h，随后经过抽滤、干燥得到纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料；其中A液为40.5 mL TEOS的乙醇溶液（TEOS为6g），B液为40.5 mL乙醇、氨水和水的混合溶液（无水乙醇稀释的4.9mL氨水和10.8 mL水），A液和B液的滴加速度均为1 滴/秒。
实施例2
一种纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料的制备方法，包括以下步骤：①将2.7g预处理过的铝粉和67.5mL无水乙醇加入到250 mL四颈烧瓶中，然后升温至45℃；②分别用恒压滴液漏斗同时滴加A液和B液，滴加完毕后升温至80℃，反应4h，随后经过抽滤、干燥得到纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料；其中A液为40.5 mL TEOS的乙醇溶液（TEOS为7g），B液为40.5 mL乙醇、氨水和水的混合溶液（无水乙醇稀释的4.9mL氨水和10.8 mL水），A液和B液的滴加速度均为1 滴/秒。
实施例3
一种纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料的制备方法，包括以下步骤：①将2.7g预处理过的铝粉和67.5mL无水乙醇加入到250 mL四颈烧瓶中，然后升温至55℃；②分别用恒压滴液漏斗同时滴加A液和B液，滴加完毕后升温至80℃，反应3h，随后经过抽滤、干燥得到纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料；其中A液为40.5 mL TEOS的乙醇溶液（TEOS为6.5g），B液为40.5mL乙醇、氨水和水的混合溶液（无水乙醇稀释的4.9mL氨水和10.8 mL水），A液和B液的滴加速度均为1 滴/秒。
对照例1
对照例1的步骤与实施例1相同，除了将步骤①中的温度变为30℃。
对照例2
对照例2的步骤与实施例1相同，除了将步骤①中的温度变为40℃。
对照例3
对照例3的步骤与实施例1相同，除了将步骤①中的温度变为60℃。
对照例1、对照例2、实施例1、对照例3制备的纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料的SEM图分别如图1a－1d所示，由图1a－1d可知，第一阶段温度较低30℃时，如图（1(a)），纳米SiO2包覆层疏松，温度为40 ℃时（1(b)），纳米SiO2包覆层颗粒很小，且不致密，说明较低温度下，正硅酸乙酯的水解不完全，在铝粉表面沉积的纳米SiO2粒子不能形成紧密连续的膜。温度为50℃时（1(c)），形成的纳米SiO2包覆层致密，颗粒大小均匀，说明水解缩合速率适中。当再提高温度至60℃时（1(d)），SiO2粒子形成明显的团聚，说明水解速率过快，未及时有序沉积在铝粉表面，而形成絮状包覆。
对照例4
对照例4的步骤与实施例1相同，除了将步骤②中的温度变为50℃。
对照例5
对照例5的步骤与实施例1相同，除了将步骤②中的温度变为60℃。
对照例6
对照例6的步骤与实施例1相同，除了将步骤②中的温度变为70℃。
对照例4－6、实施例1制备的纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料的SEM图分别如图2a－2d所示，对照例4－6制备的样品表面均出现了颗粒团聚的现象，而实施例1制备的样品表面颗粒大小均匀，且未出现团聚现象。这是由于在整个反应体系中，铝粉表面的SiO2一直处于沉积-溶解的竞争过程，在温度到达80℃时，相比于前三个样品，溶解的速率最高，该温度下样品表面颗粒尺寸缩小，达到了适当的尺寸。
对照例7
一种纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料的制备方法，包括以下步骤：①将2.7g预处理过的铝粉和67.5mL无水乙醇加入到250 mL四颈烧瓶中，然后升温至80℃；②分别用恒压滴液漏斗同时滴加A液和B液，滴加完毕后继续反应3h，随后经过抽滤、干燥得到纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料；其中A液为40.5 mL TEOS的乙醇溶液（TEOS为6g），B液为40.5 mL乙醇、氨水和水的混合溶液（无水乙醇稀释的4.9mL氨水和10.8 mL水），A液和B液的滴加速度均为1滴/秒。
对照例7中温度不分阶段，采用一步法制备包覆铝粉，制备的包覆铝粉的SEM图如图3所示，出现了明显的团聚现象。
对照例8
对照例8的步骤与实施例1相同，除了将所用到的乙醇全部替换成乙二醇乙醚。
对照例9
对照例9的步骤与实施例1相同，除了将所用到的乙醇全部替换成异丙醇。
未包覆的铝粉，对照例8、对照例9、实施例1制备的包覆铝粉的FE-SEM分别如图4a-4d，由图4a-4d可知，乙二醇乙醚作为溶剂时（4(b)），与未经包覆处理的铝粉（4(a)）一样片状粉表面十分光洁，没有包覆上纳米SiO2粒子。当采用异丙醇作为溶剂时（4(c)），纳米SiO2粒子出现明显的团聚现象，在本发明的反应体系条件下，只有当乙醇作为溶剂时（4(d)），纳米SiO2粒子分散均匀且颗粒大小较为均一，包覆效果较好。
未包覆的铝粉，对照例8、实施例1、对照例9制备的包覆铝粉的的刮板结果分别如图5a-5d所示，从刮板实验结果来看，乙二醇乙醚为溶剂（5(b)）的遮盖率极差，根本无法遮盖试纸的黑色区域，可能是由于乙二醇乙醚作为溶剂时，不仅铝金属粉表面没有包覆上纳米SiO2，而且在反应过程中，将原本铝片表面的有机油脂保护层洗掉，进而和刮板所用的树脂相容性变差，导致其遮盖力下降；异丙醇为溶剂（5d)）遮盖率一般，通过FE-SEM图（4(c)）可以看出纳米SiO2出现明显的团聚现象，影响了入射光的反射和折射，从而色泽较暗淡。乙醇为溶剂（5(c)）遮盖率最佳，且外观光亮，色泽与原样最接近，主要是由于铝金属片状粉表面的纳米SiO2包覆层均匀致密，既起到了保护铝粉亲水性的目的，又对光路的反射和折射不产生过多的负面影响，因此其刮板效果与未包覆的铝粉相比，其遮盖力和光泽度最为接近。综上所述，本发明的反应体系中，不同的反应溶剂对制备得到的SiO2薄膜包覆片状铝颜料的性能影响极大，采用乙醇作为反应溶剂才能得到性能良好的SiO2薄膜包覆片状铝颜料。
对照例10
对照例10的步骤与实施例1相同，除了步骤②中TEOS的用量替换为5g。
对照例11
对照例11的步骤与实施例1相同，除了步骤②中TEOS的用量替换为8g。
对照例12
对照例12的步骤与实施例1相同，除了步骤②中TEOS的用量替换为12g。
对照例10、实施例1、对照例11、对照例12二氧化硅包覆铝粉的FE-SEM图分别如图6a－6d所示，当TEOS用量为5 g（6(a)）较少时，在铝金属片状粉表面形成较为疏松的SiO2包覆层，包覆效果较差。而当TEOS用量增大为8 g（6(c)）过量时在铝粉表面形成的SiO2包覆层开始团聚；而当TEOS用量增大为12 g（6(d)）较为过量时，在铝粉表面形成的SiO2包覆层团聚严重，且不均匀。当TEOS用量为6 g（6(b)）时，表面形成的SiO2包覆层致密，均匀，包覆效果较好。
未包覆铝粉、对照例10、实施例1、对照例11、对照例12二氧化硅包覆铝粉的刮板结果分别如图7a-7e所示，由图7a-7e可知，5 g TEOS（7(b)）与12 g TEOS（7(e)）样品遮盖率较低，8 g TEOS（7(d)）样品颜色偏暗且手感粗糙，仅6 g TEOS（7(c)）样品遮盖率及色泽与未包覆铝粉最接近。
为了考察改性包覆对于铝粉颗粒粒度的影响，采用激光粒度测试仪对未包覆的铝粉与实施例1制备的纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料（Al-SiO2）样品进行粒度分布分析，其结果如图8及表1所示。
表1 未包覆的铝粉及Al-SiO2样品的平均粒度分布值
未包覆的铝粉 Al-SiO<sub>2</sub>
d<sub>50</sub>/μm 22.36 25.72
d<sub>90</sub>/μm 35.79 50.90
由图8及表1可知，Al-SiO2样品的d50为25.72μm，比未包覆的铝粉的d50增大了约15%。可见，表面包覆的纳米SiO2比较薄。从其粒径分布来看，Al-SiO2样品分布区间比未包覆的铝粉略宽，且整体粒径右移。
实施例4
一种环保型金属质感透水路面材料，由碎石、胶粘剂和纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料组成；纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料采用实施例1中的方法制备得到。其中，聚氨酯:碎石（质量比）=1:16，SiO2薄膜包覆片状铝颜料的添加量为聚氨酯质量的3%；聚氨酯为双组份，A组分:B组分（质量比）=4:1；碎石粒径为2~4mm:6~8mm=1:3（质量比）。
环保型金属质感透水路面材料的制备方法如下：先将二氧化硅包覆的片状铝颜料与A组分聚氨酯混合均匀，然后加入B组分，混合均匀后加入碎石中拌匀、成型。
本实施例中制备的环保型金属质感透水路面材料的性能检测结果如下：24h弯拉强度，4.84MPa；24h抗压强度，8.26MPa；连续孔隙率，32%；透水系数，2900mL/min。
实施例5
一种环保型金属质感透水路面材料，由碎石、聚氨酯和彩色金属颜料（砖红色）组成。其中，聚氨酯:碎石（质量比）=1:20，二氧化硅包覆的彩色金属颜料（砖红色）添加量为聚氨酯质量的2%；聚氨酯为双组份，A组分:B组分=4:1；碎石粒径4~8mm。
环保型金属质感透水路面材料的制备方法如下：先将二氧化硅包覆的彩色金属颜料（砖红色）与A组分聚氨酯混合均匀，然后加入B组分，混合均匀后加入碎石中拌匀、成型。
本实施例中的彩色金属颜料（砖红色）为将二氧化硅包覆的片状铝颜料再经Fe2O3包覆形成的砖红色金属颜料，制备方法包括以下步骤：将7.4g Al/SiO2粉（即实施例1中制备得到纳米SiO2薄膜包覆片状铝颜料）、100mL 无水乙醇于250mL四口烧瓶中，在 45℃下搅拌 1h，充分分散后，在 40min 内加入 H2O2的水溶液（6.5wt%） 10mL，然后用恒压滴液漏斗于3h内逐滴加入 30mL FeCl3·6H2O 的水溶液（Fe3+浓度为1.2mol/L），并同时匀速加入氨水，控制体系的 pH 值为6.5，继续保温搅拌 3h，抽滤，无水乙醇洗涤3次，80℃干燥后，在马弗炉中500℃煅烧2h，得到砖红色SiO2/Fe2O3双层包覆彩色金属颜料。
本实施例中制备的环保型金属质感透水路面材料的性能检测结果如下：24h弯拉强度，4.18MPa；24h抗压强度，8.77MPa；连续孔隙率34%；透水系数，3000mL/min。

Claims (3)

1.一种环保型金属质感透水路面材料，其特征在于由集料、胶粘剂和金属颜料组成；所述胶粘剂与集料的质量比为1:15~1:30；所述金属颜料的添加量为胶粘剂重量的0.5%~10%；
所述金属颜料为将二氧化硅包覆的片状铝颜料再经Fe2O3包覆形成的砖红色SiO2/Fe2O3双层包覆彩色金属颜料，制备方法包括以下步骤：将7 .4g 二氧化硅包覆的片状铝颜料、100mL 无水乙醇于250mL四口烧瓶中，在 45℃下搅拌 1h，充分分散后，在 40min 内加入6.5wt% H2O2水溶液10mL，然后用恒压滴液漏斗于3h内逐滴加入 30mL Fe3+浓度为1.2mol/L的FeCl3·6H2O 的水溶液，并同时匀速加入氨水，控制体系的 pH 值为6.5，继续保温搅拌3h，抽滤，无水乙醇洗涤3次，80℃干燥后，在马弗炉中500℃煅烧2h，得到砖红色SiO2/Fe2O3双层包覆彩色金属颜料；
所述二氧化硅包覆的片状铝颜料采用如下方法制备得到：将铝粉和无水乙醇加入到烧瓶中，然后升温至50℃，同时滴加A液和B液，滴加完毕后升温至80℃，反应3h以上，随后经过抽滤、干燥得到二氧化硅包覆的片状铝颜料；其中A液为TEOS的乙醇溶液，B液为乙醇、氨水和水的混合溶液；所述A液和B液的体积比为1:1；所述A液和B液的滴加速度均为1 滴/秒；所述铝粉与TEOS的重量比1︰2.2。
2.如权利要求1所述环保型金属质感透水路面材料，其特征在于：所述胶粘剂为聚氨酯或环氧树脂。
3.如权利要求1所述环保型金属质感透水路面材料，其特征在于：所述集料为碎石，粒径2~12mm。
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