摘　要：對風積沙進行物理焙燒和化學覆膜表面處理后，采用親水性的環氧樹脂為膠粘劑及自制的反應型環氧表面活性劑將風積沙粘接制成透水材料。通過紅外光譜、壓縮強度和透水系數測試研究了粘接樹脂的組成，風積沙不同表面改性方法，膠粘劑用量，砂粒大小及分布對透水材料性能的影響，并通過掃描電鏡對透水材料的微觀結構進行了觀察。結果表明，風積沙經焙燒處理后，使用同等樹脂量粘接的樣品，干壓縮強度和濕壓縮強度分別提高0.5倍和1倍左右；焙燒后的風積沙經覆膜處理后，強度分別提高0.2倍和0.5倍以上。

關鍵詞：風積沙；環氧樹脂；反應型表面活性劑；透水材料；壓縮強度；透水系數

0　引　言

　　由于范圍內水資源的緊缺，雨水收集利用成為全關注的焦點。用透水建材鋪裝城市道路和公用場地，將雨水就地滲透到地下，既可緩解和控制城市地下水超采造成的地質環境惡化，又可減輕城市洪水危害、抑制城市熱島效應等作用。在一些發達如德國、日本等得到廣泛應用?？v觀國內外透水性鋪裝材料，以混凝土和陶瓷磚為主，價格相對便宜，但不同程度存在著表面粗糙、孔隙大易被灰塵堵塞使之透水時效短，且混凝土的強度同透水速率相矛盾及陶瓷磚燒結的能耗高等缺陷。
　　我國沙漠化面積占國土資源的18％，有著豐富的風積沙資源。本文以風積沙為研究對象，解決城市雨水收集利用、緩解地下水匱乏為研究目的，利用通用環氧樹脂和環氧樹脂表面活性劑為粘接體系，通過對風積沙表面改性和擠壓成型，將其粘接成具有毛細微孔結構的透水材料，不僅使透水路面美觀，透水時效性長，增加了雨水凈化功能，而且將風積沙變害為寶，實現了科技用沙，緩解水資源匱乏，保護生態環境。

1　實驗部分

1.1　主要原料
　　風積沙：SiO₂質量分數＞87％，粒徑為20～40目(850～425μm)、40～70目(425～212μm)、70～140目(212～106μm)和100～200目(150～75μm)；環氧樹脂：環氧值0.52 mol／100 g；海因環氧樹脂：環氧值0.71 mol／100 g；吐溫-20，黃色液體；固化劑：胺值(KOH)520～560 mg／g。
1.2　儀器
　　WHY-300型微機控制全自動壓力試驗機：上海華龍測試儀器有限公司；101A-2型數顯電熱鼓風干燥箱：上海浦東榮豐科學儀器有限公司；透水測試儀：自制；S―3500型掃描電鏡：日立公司；OCA20接觸角測量儀：北京東方德菲儀器有限公司；150-C凝膠滲透色譜儀：美國WATERS公司。
1.3　樣品的制備
　　將定量的膠粘劑同石英砂混合均勻后，稱量150 g并放入直徑為(50±0.02)mm的圓柱體模具中，加壓15 MPa，時間為30 s，成型后在干燥箱中80℃恒溫4 h后取模，樣塊用于測定壓縮強度；稱250 g放入長(80±0.02)mm，寬(70±0.02)mm，高(40±0.02)mm的長方體模具中，加壓15 MPa，時間為30 s，成型后在干燥箱中80℃恒溫4 h后取模，樣塊用于透水系數試驗。
1.4　性能測試
　　壓縮強度和透水系數按JC／T 945―2005《透水磚》標準測定；孔隙率參照MT／T 41―1987《巖石孔隙率測定方法》測定。

2　結果與討論

2.1  透水材料細微結構
　　傳統透水材料依靠大孔徑(＞1 mm)透水，表面粗糙，易堵塞。本文利用資源豐富、粒徑小(425～75μm和212～106μm)的2種天然風積沙為骨料，環氧樹脂和反應型表面活性劑為膠粘劑，通過擠壓成型制備透水材料。從圖1可看出，不同規格風積沙形成的透水材料的平均孔徑都在50μm左右，屬微米級。水在這種微米級孔徑相互貫通的多孔材料上容易形成毛細現象，由水自身重力和毛細效應形成的附加壓力的雙重力作用可實現快速透水和保水功能。由于對風積沙進行焙燒和表面覆膜處理及選擇合適粘接劑，其透水材料具有強度高的特點。從圖1(c)和圖1(d)看，可觀察到大量沙粒被截斷的現象，表明粘接后的塊體材料界面強度高于沙粒本身。

2.2　粘接樹脂的選擇
　　風積沙顆粒微小，要將這些小粒徑沙粒粘結成相互貫通并具有一定承載力的毛細微孔材料，膠粘劑的種類和用量至關重要。采用無機膠粘劑，用量少則強度達不到承載力要求，用量多則堵塞毛細孔道。采用有機膠粘劑，以環氧樹脂粘接沙粒的強度高，但單獨使用通用環氧樹脂膠粘劑粘接，砂基材料不透水。為此，本文合成了反應型表面活性劑，解決砂基材料的透水性和透水的長效性。
　　反應型表面活性劑的合成方法：將100份的海因環氧樹脂同20份的吐溫-20混合攪拌，在溫度為80～120℃和催化劑作用下反應3 h，使部分海因環氧樹脂分子的一端同非離子表面活性劑羥基反應形成醚鍵，另一端環氧基繼續保留，使該分子成為雙親功能的反應型表面活性劑。由反應前后材料的紅外光譜圖2可知，反應前后沒有新的吸收峰產生，反應前后位于3050 cm^-1(環氧環上的C―H伸縮振動)和910 cm^-1(環氧環上C―O―C鍵的不對稱伸縮振動)的環氧吸收峰明顯減弱。選取不受表面活性劑影響的―CH₂―鍵的面內彎曲振動吸收峰(750 cm^-1)為內標，得到反應前后環氧峰的相對峰面積之比為1.54:1。說明該反應過程為表面活性劑端羥基同環氧樹脂的環氧基發生反應，形成了C―O―C基團為骨架的醚鍵。由凝膠滲透色譜測試可知，表面活性劑數均分子質量為2572，環氧樹脂數均分子質量為307，過量環氧樹脂同非離子表面活性劑反應后，樹脂數均分子質量為2891和307，表明表面活性劑同環氧樹脂進行等物質的量反應。

　　反應型表面活性劑對膠粘劑浸潤性的影響分析：接觸角大小可作為評價表面極性大小的指標之一，材料接觸角越小，表明該材料表面(測量深度一般為0.5～1μm)的浸潤性越強。對于親水和疏水的概念，較為普遍的說法是以接觸角90°為界限，也就是接觸角θ＞90°固體表面定義為疏水表面；θ＜90°的定義為親水表面。但是，近年研究表明，實際上親水和疏水的界限定義在約65°，按照此界限，擴大了疏水表面的范圍。
　　本文以不同比例的反應型表面活性劑和環氧樹脂混合、固化完全后，用懸滴法測量水與固化面的接觸角，用以表征反應型表面活性劑含量對樹脂浸潤性的影響(見圖3)。

　　結果表明，在無反應型表面活性劑時，固化后的樹脂膜表面接觸角為76.2°，該表面疏水，用該樹脂粘接的微孔級沙粒材料不透水。隨著反應型表面活性劑用量的增加，接觸角顯著減小，當質量分數約＞20％時，接觸角基本保持在35.5°附近；表面活性劑用量增加時，砂基材料透水速率增加，當質量分數約＞20％時，透水速率變化不大(見圖4)。因此，透水速率同材料表面的極性相關，即接觸角越大，透水速率越??；接觸角不變時，透水速率基本保持恒定。由于用含反應型表面活性劑的環氧樹脂粘接的砂基透水材料，非離子親水基團連接在固化樹脂交聯網上的側鏈上，保證了透水的永久性。

2.3　風積沙表面改性對粘接強度的影響
　　實驗表明，風積沙焙燒處理后干強度和濕強度能分別提高0.5倍和1倍左右(見表1)。原因在于通過焙燒處理，改善了風積沙的表面結構，減少了膠粘劑因填充沙粒表面裂隙、紋理、麻點、空洞等所造成的膠粘劑體系的消耗，同時大幅降低沙粒表面可剝離吸附物的含量，增加樹脂膜與沙粒表面附著強度和它本身的內聚強度，避免偽內聚斷裂、偽附著斷裂和附著斷裂的發生，從而大幅度提高風積沙材料的強度。

　　從表1可知，焙燒后的風積沙經覆膜處理后，使用同等樹脂量粘接的樣品，干強度和濕強度分別能提高0.2倍和0.5倍以上。原因在于風積沙透水材料在長期浸泡于水中的環境條件下，由于水分子的滲透，使膠粘劑固化物的力學性能大幅下降，破壞膠粘劑網狀分子之間的氫鍵與其它次價鍵，使固化的膠粘劑發生增塑，從而引起模量及熱變形溫度等性能的下降。為了提高材料的粘結強度和耐水性能，對石英砂進行熱覆膜預固化處理，目的一是通過偶聯劑提高膠粘劑同石英砂之間界面粘結強度；二是通過膠粘劑熱覆膜固化處理使膠粘劑完整覆膜硅砂表面，降低表面缺陷，避免水分子滲透進入固化后的膠粘劑同硅砂之間的界面，降低材料的力學性能。
2.4　膠粘劑用量對材料透水速率和強度的影響
　　膠粘劑將風積沙粘接在一起，固化成型后形成無數相互貫通的毛細網絡。當雨水滴落在表面上時，雨滴迅速潤濕毛細孔壁，孔中液面將呈凹形，形成的彎曲液面將產生向下附加壓力，在該附加壓力和液體自身重力的合力作用下，雨水沿這些貫通的毛細管迅速滲入基層。膠粘劑含量增加，透水材料抗壓強度顯著增加，但透水系數卻逐漸下降，尤其是當膠粘劑的質量分數＞10％時，透水系數下降比較顯著(見表2)，說明隨著膠粘劑含量增加，膠粘劑占據沙粒之間的部分孔隙，堵塞部分有效毛細孔網絡，造成透水系數下降。反復實驗表明，適宜的粘合劑質量分數為在10％以內。

2.5　沙粒粒徑大小及分布對材料強度和透水速率的影響
　　膠粘劑用量確定后，沙粒粒徑大小及分布對材料強度和透水速率的影響同樣不可忽略。實驗表明，沙粒圓球度越好，顆粒越大，粒徑分布越窄，沙粒之間形成的有效開孔毛細網絡越多，材料的透水性越好；透水系數與孔隙率關系不大，而同沙粒之間有效開孔毛細網絡密切相關(見表3)。對于不同粒徑的骨料，在膠粘劑用量相同時，孔隙率在28％左右，透水系數與孔隙率關系不大，而與骨料粒徑有很大的關系，骨料粒徑大的砂塊比粒徑小的透水系數高。

3　結　論

　　1)用樹脂膠粘劑粘接的風積沙透水材料，孔隙屬微米級蜂窩網狀結構。
　　2)所用的風積沙粒徑越大，其透水性越好；樹脂用量越少，其透水性越好，而壓縮強度降低。在實際應用中，應綜合考慮壓縮強度與透水性的關系。
　　3)風積沙焙燒處理后，使用同等樹脂量粘接的樣品，干強度和濕強度能分別提高0.5倍和1倍左右；焙燒后的風積沙經覆膜處理后，使用同等樹脂量粘接的樣品，干強度和濕強度分別能提高0.2倍和0.5倍以上。