CN111471398B - 一种冷态施工彩色封层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷态施工彩色封层材料及其制备方法，涉及公路材料技术领域。其技术要点是：冷态施工彩色封层材料的原料包括如下重量份数的组分：乳化脱色沥青90‑110份；膨润土5‑35份；微晶高岭石5‑20份；硅微粉5‑20份；色粉1‑8份；玄武岩机制砂1‑30份；水80‑150份；所述乳化脱色沥青的原料包括如下重量份数的组分：脱色沥青40‑65份；乳化剂1.5‑4份；水40‑70份；盐酸0.5‑4份；稳定剂0.1‑2份；丙烯酸树脂溶液0.1‑4份；硅烷偶联剂0.1‑4份。本发明的冷态施工彩色封层材料具有抗老化性能优异的优点。

Description

一种冷态施工彩色封层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及公路材料技术领域，尤其是涉及一种冷态施工彩色封层材料及其制备方法。
背景技术
沥青路面是指在矿质材料中掺入路用沥青材料铺筑的各种类型的路面。沥青结合料提高了铺路用粒料抵抗行车和自然因素对路面损害的能力，使路面平整少尘、不透水、经久耐用。因此，沥青路面是道路建设中一种被最广泛采用的高级路面。然而，伴随着日益增大的交通量、载荷量以及愈加恶劣的自然环境、气候因素，原有沥青路面在未达到设计年限时便已出现诸如裂缝、车辙、坑槽、沉陷、表面破损、松散等路面早期病害，这在很大程度上降低了沥青路面的行车舒适度，并且不利于行车安全。针对此类的沥青路面早期病害，碎石封层、稀浆封层、微表处等路面封层技术应时而生。
在公开号为CN102174245A的中国发明专利中公开了一种或用于碎石封层的环氧沥青、碎石封层材料及碎石封层方法，用于碎石封层的环氧沥青，由下述重量百分比的原料制成：环氧树脂：50.0％～80.0％，固化剂：10.0％～30.0％，沥青：5.0％～15.0％，助剂：5.0％～15.0％，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，所述固化剂为聚酰胺与三乙烯四胺或二乙烯三胺分别按2∶1的重量比配制而成；所述助剂为邻苯二甲酸酯；所述沥青为70号道路石油沥青。
上述的现有技术方案存在以下缺陷：环氧树脂和沥青在室外的耐老化性能较差，很容易发生氧化、光老化、热老化作用，导致封层材料的防护作用较差，因此，需要对封层材料的抗老化性能进行改善。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种冷态施工彩色封层材料，其具有抗老化性能优异的优点。
本发明的第二个目的在于提供一种冷态施工彩色封层材料的制备方法，其具有施工时无需加热、节约能源、施工方便的优点。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种冷态施工彩色封层材料，其原料包括如下重量份数的组分：
乳化脱色沥青90-110份；
膨润土5-35份；
微晶高岭石5-20份；
硅微粉5-20份；
色粉1-8份；
玄武岩机制砂1-30份；
水80-150份；
所述乳化脱色沥青的原料包括如下重量份数的组分：
脱色沥青40-65份；
乳化剂1.5-4份；
水40-70份；
盐酸0.5-4份；
稳定剂0.1-2份；
丙烯酸树脂溶液0.1-4份；
硅烷偶联剂0.1-4份。
通过采用上述技术方案，加入膨润土后，可以提高脱色沥青的防氧老化功能，主要原理是：膨润土的主要成分是蒙脱石，蒙脱石的层状结构可以有效地组织氧气的渗入和沥青轻组分的挥发，对改善沥青抗老化作用有显著效果。而且，膨润土还可以提高沥青的高温稳定性，可以抵抗热老化。
加入微晶高岭石后，沥青的耐老化性能得到了进一步提升，紫外老化过程中，沥青中的分散相表现出明显的缔合作用，使得沥青硬化，最终导致性能的劣化，而微晶高岭石的加入有效抑制了沥青紫外老化过程中分散相的缔合作用，减缓了沥青的硬化，显著改善了沥青的耐紫外老化性能。
膨润土和微晶高岭石分别提高了封层材料的抗热老化、抗氧化和抗紫外老化性能。
硅烷偶联剂能够改善脱色沥青的电荷吸附性，硅烷偶联剂改性后使脱色沥青微粒表面带正电荷，而封层中的矿料表面带负电荷，二者混合后通过静电吸引力相互吸引，带正电荷的沥青微粒会很快吸附在矿料表面，将水分子从矿料表面挤出；当矿料表面的沥青微粒相互靠近破乳聚结后就形成了一层均匀而牢固的沥青薄膜；此过程中，乳化剂与硅烷偶联剂配合起到无机材料与有机材料之间的“桥梁”作用，该作用比单纯乳化剂的作用要强很多；带正电的亲水基一端紧紧吸附在矿料表面，亲油的一端则深入沥青内部，将矿料与沥青紧密相连，从而提高了脱色沥青与矿料的粘附性。丙烯酸树脂乳液能够增强脱色沥青的韧性，提高其耐磨性能。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述乳化脱色沥青的原料还包括8-10份的聚氨酯树脂。
通过采用上述技术方案，环氧树脂耐候性差，易老化，因而使用寿命较聚氨酯要短，加入聚氨酯后可以提高封层材料的氧化稳定性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述乳化脱色沥青的原料还包括0.1-0.5份的抗氧化剂。
通过采用上述技术方案，吸收紫外线后聚氨酯分子内发生重排,使聚氨酯黄变,力学性能及其它性能变差，抗氧剂可以抑制聚氨酯的老化或黄变。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述乳化脱色沥青的原料还包括0.5-1.5份的纳米活性炭纤维。
通过采用上述技术方案，封层材料中的纳米活性炭纤维表面疏松而多孔，具有良好的吸附性能，与乳化脱色沥青混合后能够与丙烯酸树脂乳液、硅烷偶联剂及乳化剂发生物理共混，当与硅烷偶联剂粘附在一起的沥青微粒受热时，纳米活性炭纤维的高热导性能将热量迅速传递，从而改善了沥青微粒的软化点，有效的防止沥青温度过高而软化，从而提高本发明封层材料的抗紫外老化性。硅微粉与纳米活性炭纤维相互配合，起到分散与支撑的作用，在提高抗老化性能的同时，能够提高封层材料的支撑强度。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述乳化脱色沥青的原料还包括1-1.5份的丁苯胶乳。
通过采用上述技术方案，经研究发现，加入丁苯胶乳后，软化点可以在空白对照的基础上提升，延度可以达到老化前水平，针入度衰减降低。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：其原料包括如下重量份数的组分：
乳化脱色沥青95-105份；
膨润土10-30份；
微晶高岭石10-15份；
硅微粉10-15份；
色粉3-5份；
玄武岩机制砂10-20份；
水90-130份；
所述乳化脱色沥青的原料包括如下重量份数的组分：
脱色沥青45-55份；
乳化剂2-3份；
水50-60份；
盐酸1-3份；
稳定剂0.5-1份；
丙烯酸树脂溶液1-3份；
硅烷偶联剂1-3份。
通过采用上述技术方案，在上述配比下，封层材料的抗热老化、抗氧化和抗紫外老化性能较佳。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述乳化脱色沥青通过如下步骤制备得到：按照重量份将乳化剂、盐酸和水混合后，搅拌均匀，加热至50-55℃，得到混合物A；将脱色沥青加热至135-140℃，并与混合物A混合后剪切乳化，乳化后的温度为80-90℃，得到混合物B；将稳定剂、丙烯酸树脂溶液和硅烷偶联剂加入混合物B中，混合搅拌均匀，得到乳化脱色沥青。
通过采用上述技术方案，调节乳化剂溶液的酸度后再与沥青混合，剪切乳化使沥青破碎为细小的微粒并能被乳化均匀，有利于分散，初步改善了沥青微粒的分散性能；加入稳定剂、丙烯酸树脂乳液及硅烷偶联剂，对沥青微粒进行吸附改性，从而进一步提高了沥青微粒的分散性能，提高了改性乳化沥青与矿料的粘附性，并改善了改性乳化沥青的韧性，提高了其耐磨性能。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种冷态施工彩色封层材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，向水中依次加入膨润土、微晶高岭石、硅微粉和色粉，混合后剪切，得到第一混合物；
步骤二，将乳化脱色沥青加入第一混合物中，边加入边搅拌，得到第二混合物；
步骤三，向第二混合物中加入玄武岩机制砂，搅拌混合均匀，得到冷态施工彩色封层材料。
通过采用上述技术方案，先将骨料混合后剪切，形成微小均匀的微粒；再乳化脱色沥青于搅拌下匀速加入至第一混合物中，使两者混合均匀，避免存在局部团聚的现象；最后加入玄武岩机制砂进行支撑，得到具有耐磨、防水与抗老化性能优异的封层材料。该材料在施工时无需加热、节约能源、施工方便，还可以根据颜色需要调整色粉的种类。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过加入膨润土和微晶高岭石，分别提高了封层材料的抗热老化、抗氧化和抗紫外老化性能。
2.通过加入聚氨酯，可以提高封层材料的氧化稳定性，由于吸收紫外线后聚氨酯分子内发生重排,使聚氨酯黄变,力学性能及其它性能变差，抗氧剂可以抑制聚氨酯的老化或黄变。
3.通过加入纳米活性炭纤维，纳米活性炭纤维的高热导性能将热量迅速传递，从而改善了沥青微粒的软化点，有效的防止沥青温度过高而软化，从而提高本发明封层材料的抗紫外老化性。硅微粉与纳米活性炭纤维相互配合，起到分散与支撑的作用，在提高抗老化性能的同时，能够提高封层材料的支撑强度。
4.经研究发现，加入丁苯胶乳后，软化点可以在空白对照的基础上提升，延度可以达到老化前水平，针入度衰减降低。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：一种冷态施工彩色封层材料，其原料各组分及其相应的重量份数如表1所示，乳化脱色沥青的原料各组分及其相应的重量份数如表2所示。
其中，乳化剂选用阳离子乳化剂PCR，盐酸的体积浓度为30％，稳定剂是硬脂酸钙，色粉为复合钛红(R3002)，在其他实施例中，色粉还可以采用钴绿、钴蓝、复合钛黄等无机颜料，玄武岩机制砂的粒径大小为0.18-0.6mm，丙烯酸乳树脂液选用水性丙烯酸乳液CF-352，硅烷偶联剂选用硅烷偶联剂KH-550。
乳化脱色沥青通过如下步骤制备得到：按照重量份将乳化剂、盐酸和水混合后，搅拌均匀，加热至50℃，得到混合物A；将脱色沥青加热至135℃，并与混合物A混合后剪切乳化，乳化后的温度为80℃，得到混合物B；将稳定剂、丙烯酸树脂溶液和硅烷偶联剂加入混合物B中，混合搅拌均匀，得到乳化脱色沥青。
冷态施工彩色封层材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，向水中依次加入膨润土、微晶高岭石、硅微粉和色粉，混合后剪切，搅拌10min，得到第一混合物；
步骤二，将乳化脱色沥青加入第一混合物中，边加入边搅拌，控制搅拌速度为2500r/min，加完后持续搅拌5min，得到第二混合物；
步骤三，向第二混合物中加入玄武岩机制砂，搅拌速度为2000r/min，搅拌8min，混合均匀，得到冷态施工彩色封层材料。
实施例2-5：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，其原料的各组分及其相应的重量份数如表1所示。
表1实施例1-5中原料的各组分及其重量份数
Figure BDA0002534804060000051
Figure BDA0002534804060000061
实施例6：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料的各组分及其相应的重量份数如表2所示。
实施例7：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料的各组分及其相应的重量份数如表2所示。
表2乳化脱色沥青的原料的各组分及其相应的重量份数
Figure BDA0002534804060000062
实施例8：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括8份的聚氨酯树脂，乳化脱色沥青通过如下步骤制备得到：按照重量份将乳化剂、盐酸和水混合后，搅拌均匀，加热至50℃，得到混合物A；将脱色沥青加热至135℃，并与混合物A混合后剪切乳化，乳化后的温度为80℃，得到混合物B；将稳定剂、丙烯酸树脂溶液和硅烷偶联剂加入混合物B中，再加入聚氨酯树脂，混合搅拌均匀，得到乳化脱色沥青。
实施例9：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例8的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括9份的聚氨酯树脂。
实施例10：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例8的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括10份的聚氨酯树脂。
实施例11：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例9的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括0.1份的抗氧化剂，抗氧化剂选用β-胡萝卜素，乳化脱色沥青通过如下步骤制备得到：按照重量份将乳化剂、盐酸和水混合后，搅拌均匀，加热至50℃，得到混合物A；将脱色沥青加热至135℃，并与混合物A混合后剪切乳化，乳化后的温度为80℃，得到混合物B；将稳定剂、丙烯酸树脂溶液和硅烷偶联剂加入混合物B中，再加入聚氨酯树脂和抗氧化剂，混合搅拌均匀，得到乳化脱色沥青。
β-胡萝卜素分子结构中含有11个π电子共轭双键,其结构具有阻止自由基破坏、吸收紫外线、耐候等功能,无毒且环境友好。
实施例12：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例9的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括0.3份的抗氧化剂。
实施例13：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例9的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括0.5份的抗氧化剂。
实施例14：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括0.5份的纳米活性炭纤维，乳化脱色沥青通过如下步骤制备得到：按照重量份将乳化剂、盐酸和水混合后，搅拌均匀，加热至50℃，得到混合物A；将脱色沥青加热至135℃，并与混合物A混合后剪切乳化，乳化后的温度为80℃，得到混合物B；将稳定剂、丙烯酸树脂溶液和硅烷偶联剂加入混合物B中，再加入纳米活性炭纤维，混合搅拌均匀，得到乳化脱色沥青。
实施例15：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例14的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括1份的纳米活性炭纤维。
实施例16：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例14的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括1.5份的纳米活性炭纤维。
实施例17：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括1份的丁苯胶乳，乳化脱色沥青通过如下步骤制备得到：按照重量份将乳化剂、盐酸和水混合后，搅拌均匀，加热至50℃，得到混合物A；将脱色沥青加热至135℃，再加入丁苯胶乳，并与混合物A混合后剪切乳化，乳化后的温度为80℃，得到混合物B；将稳定剂、丙烯酸树脂溶液和硅烷偶联剂加入混合物B中，混合搅拌均匀，得到乳化脱色沥青。
实施例18：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例17的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括1.3份的丁苯胶乳。
实施例19：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例17的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括1.5份的丁苯胶乳。
实施例20：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，乳化脱色沥青的原料还包括9份的聚氨酯树脂、0.3份的抗氧化剂、1份的纳米活性炭纤维和1.3份的丁苯胶乳；
乳化脱色沥青通过如下步骤制备得到：按照重量份将乳化剂、盐酸和水混合后，搅拌均匀，加热至50℃，得到混合物A；将脱色沥青加热至135℃，再加入丁苯胶乳，并与混合物A混合后剪切乳化，乳化后的温度为80℃，得到混合物B；将稳定剂、丙烯酸树脂溶液和硅烷偶联剂加入混合物B中，再加入聚氨酯树脂、抗氧化剂和纳米活性炭纤维，混合搅拌均匀，得到乳化脱色沥青。
对比例1：采用公开号为CN102174245A的实施例1制备封层材料。
对比例2：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，未加入膨润土和微晶高岭石。
对比例3：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，未加入膨润土。
对比例4：一种冷态施工彩色封层材料，与实施例1的不同之处在于，未加入微晶高岭石。
空白对照：脱色沥青。
抗老化性能测试
试验方法：(1)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJE20-2001)中沥青旋转薄膜加热试验的要求对实施例1-20和对比例1-4中的封层材料进行抗热老化测试，然后再按照T0727-2011《从沥青混合料中回收沥青的方法(旋转蒸发器法)》，从老化后的封层材料中回收沥青，再测定针入度、软化点、延度。
(2)采用江苏艾默生科技有限发展公司生产的氙灯耐气候老化试验箱，对实施例1-20和对比例1-4中的封层材料进行沥青室内加速光老化测试，测试参数：光照强度600w/m2，温度60℃，湿度45％，时间6天。
(3)为了较为真实地模拟沥青路面在夏季高温天气的氧老化，将经过沥青旋转薄膜加热试验老化后的75g封层材料样品装入450cm2的浅盘中，置于60℃强制通风烘箱中，老化10天模拟沥青路面夏季高温环境对沥青的氧老化，然后再按照T0727-2011《从沥青混合料中回收沥青的方法(旋转蒸发器法)》，从老化后的封层材料中回收沥青，再测定针入度、软化点、延度。
空白对照测试其老化前和老化后的针入度、软化点、延度。
表3抗热老化测试结果
Figure BDA0002534804060000081
Figure BDA0002534804060000091
抗热老化测试结果及分析：根据表3，由实施例1、对比例2-4和空白对照可知，加入膨润土后，针入度、软化点、延度下降幅度减小，而未加入微晶高岭石，对针入度、软化点、延度的影响不大，说明膨润土可以在一定程度上提高封层材料抗热老化性能。
实施例8-10加入聚氨酯树脂后，针入度、软化点、延度基本无变化，说明聚氨酯树脂对封层材料抗热老化性能的影响不大。
实施例14-16加入纳米活性炭纤维后，针入度、软化点、延度下降幅度减小，说明纳米活性炭纤维可以提高沥青微粒的软化点，提高封层材料的抗热老化性能。
实施例17-19加入丁苯胶乳后，针入度、软化点、延度下降幅度减小，说明丁苯胶乳可以提高封层材料抗热老化性能。
实施例20同时加入纳米活性炭纤维、丁苯胶乳后，针入度、软化点、延度下降幅度进一步减小，说明二者协同增效，提高封层材料抗热老化性能。
表4沥青室内加速光老化测试结果
Figure BDA0002534804060000092
Figure BDA0002534804060000101
沥青室内加速光老化测试结果及分析：根据表4，由实施例1、对比例2-4可知，加入微晶高岭石后，针入度、软化点、延度下降幅度减小，而未加入膨润土，对针入度、软化点、延度的影响不大，说明微晶高岭石可以提高封层材料抗紫外老化性能。
实施例8-10加入聚氨酯树脂后，针入度、软化点、延度基本无变化，说明聚氨酯树脂对封层材料抗紫外老化性能的影响不大。
实施例11-13加入抗氧化剂后，针入度、软化点、延度下降幅度减小，说明抗氧化剂可以抑制聚氨酯的老化，提高封层材料抗紫外老化性能。
实施例14-16加入纳米活性炭纤维后，针入度、软化点、延度下降幅度减小，说明纳米活性炭纤维可以提高封层材料抗紫外老化性能。
实施例17-19加入丁苯胶乳后，针入度、软化点、基本无变延度化，说明丁苯胶乳对封层材料抗紫外老化性能的影响不大。
实施例20同时加入纳米活性炭纤维、抗氧化剂后，针入度、软化点、延度下降幅度进一步减小，说明二者协同增效，提高封层材料抗热老化性能。
表5氧老化测试结果
Figure BDA0002534804060000102
Figure BDA0002534804060000111
氧老化测试结果及分析：根据表5，由实施例1、对比例2-4可知，加入膨润土后，针入度、软化点、延度下降幅度减小，而未加入微晶高岭石，对针入度、软化点、延度的影响不大，说明膨润土可以提高封层材料抗氧老化性能。
实施例8-10加入聚氨酯树脂后，针入度、软化点、延度下降幅度减小，说明聚氨酯树脂可以提高封层材料的抗氧老化性能。
实施例11-13加入抗氧化剂后，针入度、软化点、延度下降幅度减小，说明抗氧化剂可以抑制聚氨酯的氧化，进一步提高封层材料抗氧老化性能。
实施例14-16加入纳米活性炭纤维后，针入度、软化点、延度基本无变化，说明纳米活性炭纤维对封层材料抗氧老化性能的影响不大。
实施例17-19加入丁苯胶乳后，针入度、软化点、延度基本无变化，说明丁苯胶乳对封层材料抗氧老化性能的影响不大。
实施例20同时加入聚氨酯树脂、抗氧化剂后，针入度、软化点、延度均大幅增加。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种冷态施工彩色封层材料，其特征在于，其原料包括如下重量份数的组分：
乳化脱色沥青90-110份；
膨润土5-35份；
微晶高岭石5-20份；
硅微粉5-20份；
色粉1-8份；
玄武岩机制砂1-30份；
水80-150份；
所述乳化脱色沥青的原料包括如下重量份数的组分：
脱色沥青40-65份；
乳化剂1.5-4份；
水40-70份；
盐酸0.5-4份；
稳定剂0.1-2份；
丙烯酸树脂溶液0.1-4份；
硅烷偶联剂0.1-4份；
纳米活性炭纤维0.5-1.5份；
抗氧化剂0.1-0.5份；
其中，稳定剂是硬脂酸钙，乳化剂是阳离子乳化剂PCR。
2.根据权利要求1所述的一种冷态施工彩色封层材料，其特征在于，所述乳化脱色沥青的原料还包括8-10份的聚氨酯树脂。
3.根据权利要求1所述的一种冷态施工彩色封层材料，其特征在于，所述乳化脱色沥青的原料还包括1-1.5份的丁苯胶乳。
4.根据权利要求1所述的一种冷态施工彩色封层材料，其特征在于，所述乳化脱色沥青通过如下步骤制备得到：按照重量份将乳化剂、盐酸和水混合后，搅拌均匀，加热至50-55℃，得到混合物A；将脱色沥青加热至135-140℃，并与混合物A混合后剪切乳化，乳化后的温度为80-90℃，得到混合物B；将稳定剂、丙烯酸树脂溶液和硅烷偶联剂加入混合物B中，混合搅拌均匀，得到乳化脱色沥青。
5.权利要求1-4任一项所述的一种冷态施工彩色封层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，向水中依次加入膨润土、微晶高岭石、硅微粉和色粉，混合后剪切，得到第一混合物；
步骤二，将乳化脱色沥青加入第一混合物中，边加入边搅拌，得到第二混合物；
步骤三，向第二混合物中加入玄武岩机制砂，搅拌混合均匀，得到冷态施工彩色封层材料。
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