摘　要：对风积沙进行物理焙烧和化学覆膜表面处理后，采用亲水性的环氧树脂为胶粘剂及自制的反应型环氧表面活性剂将风积沙粘接制成透水材料。通过红外光谱、压缩强度和透水系数测试研究了粘接树脂的组成，风积沙不同表面改性方法，胶粘剂用量，砂粒大小及分布对透水材料性能的影响，并通过扫描电镜对透水材料的微观结构进行了观察。结果表明，风积沙经焙烧处理后，使用同等树脂量粘接的样品，干压缩强度和湿压缩强度分别提高0.5倍和1倍左右；焙烧后的风积沙经覆膜处理后，强度分别提高0.2倍和0.5倍以上。

关键词：风积沙；环氧树脂；反应型表面活性剂；透水材料；压缩强度；透水系数

0　引　言

　　由于范围内水资源的紧缺，雨水收集利用成为全关注的焦点。用透水建材铺装城市道路和公用场地，将雨水就地渗透到地下，既可缓解和控制城市地下水超采造成的地质环境恶化，又可减轻城市洪水危害、抑制城市热岛效应等作用。在一些发达如德国、日本等得到广泛应用。纵观国内外透水性铺装材料，以混凝土和陶瓷砖为主，价格相对便宜，但不同程度存在着表面粗糙、孔隙大易被灰尘堵塞使之透水时效短，且混凝土的强度同透水速率相矛盾及陶瓷砖烧结的能耗高等缺陷。
　　我国沙漠化面积占国土资源的18％，有着丰富的风积沙资源。本文以风积沙为研究对象，解决城市雨水收集利用、缓解地下水匮乏为研究目的，利用通用环氧树脂和环氧树脂表面活性剂为粘接体系，通过对风积沙表面改性和挤压成型，将其粘接成具有毛细微孔结构的透水材料，不仅使透水路面美观，透水时效性长，增加了雨水净化功能，而且将风积沙变害为宝，实现了科技用沙，缓解水资源匮乏，保护生态环境。

1　实验部分

1.1　主要原料
　　风积沙：SiO₂质量分数＞87％，粒径为20～40目(850～425μm)、40～70目(425～212μm)、70～140目(212～106μm)和100～200目(150～75μm)；环氧树脂：环氧值0.52 mol／100 g；海因环氧树脂：环氧值0.71 mol／100 g；吐温-20，黄色液体；固化剂：胺值(KOH)520～560 mg／g。
1.2　仪器
　　WHY-300型微机控制全自动压力试验机：上海华龙测试仪器有限公司；101A-2型数显电热鼓风干燥箱：上海浦东荣丰科学仪器有限公司；透水测试仪：自制；S―3500型扫描电镜：日立公司；OCA20接触角测量仪：北京东方德菲仪器有限公司；150-C凝胶渗透色谱仪：美国WATERS公司。
1.3　样品的制备
　　将定量的胶粘剂同石英砂混合均匀后，称量150 g并放入直径为(50±0.02)mm的圆柱体模具中，加压15 MPa，时间为30 s，成型后在干燥箱中80℃恒温4 h后取模，样块用于测定压缩强度；称250 g放入长(80±0.02)mm，宽(70±0.02)mm，高(40±0.02)mm的长方体模具中，加压15 MPa，时间为30 s，成型后在干燥箱中80℃恒温4 h后取模，样块用于透水系数试验。
1.4　性能测试
　　压缩强度和透水系数按JC／T 945―2005《透水砖》标准测定；孔隙率参照MT／T 41―1987《岩石孔隙率测定方法》测定。

2　结果与讨论

2.1  透水材料细微结构
　　传统透水材料依靠大孔径(＞1 mm)透水，表面粗糙，易堵塞。本文利用资源丰富、粒径小(425～75μm和212～106μm)的2种天然风积沙为骨料，环氧树脂和反应型表面活性剂为胶粘剂，通过挤压成型制备透水材料。从图1可看出，不同规格风积沙形成的透水材料的平均孔径都在50μm左右，属微米级。水在这种微米级孔径相互贯通的多孔材料上容易形成毛细现象，由水自身重力和毛细效应形成的附加压力的双重力作用可实现快速透水和保水功能。由于对风积沙进行焙烧和表面覆膜处理及选择合适粘接剂，其透水材料具有强度高的特点。从图1(c)和图1(d)看，可观察到大量沙粒被截断的现象，表明粘接后的块体材料界面强度高于沙粒本身。

2.2　粘接树脂的选择
　　风积沙颗粒微小，要将这些小粒径沙粒粘结成相互贯通并具有一定承载力的毛细微孔材料，胶粘剂的种类和用量至关重要。采用无机胶粘剂，用量少则强度达不到承载力要求，用量多则堵塞毛细孔道。采用有机胶粘剂，以环氧树脂粘接沙粒的强度高，但单独使用通用环氧树脂胶粘剂粘接，砂基材料不透水。为此，本文合成了反应型表面活性剂，解决砂基材料的透水性和透水的长效性。
　　反应型表面活性剂的合成方法：将100份的海因环氧树脂同20份的吐温-20混合搅拌，在温度为80～120℃和催化剂作用下反应3 h，使部分海因环氧树脂分子的一端同非离子表面活性剂羟基反应形成醚键，另一端环氧基继续保留，使该分子成为双亲功能的反应型表面活性剂。由反应前后材料的红外光谱图2可知，反应前后没有新的吸收峰产生，反应前后位于3050 cm^-1(环氧环上的C―H伸缩振动)和910 cm^-1(环氧环上C―O―C键的不对称伸缩振动)的环氧吸收峰明显减弱。选取不受表面活性剂影响的―CH₂―键的面内弯曲振动吸收峰(750 cm^-1)为内标，得到反应前后环氧峰的相对峰面积之比为1.54:1。说明该反应过程为表面活性剂端羟基同环氧树脂的环氧基发生反应，形成了C―O―C基团为骨架的醚键。由凝胶渗透色谱测试可知，表面活性剂数均分子质量为2572，环氧树脂数均分子质量为307，过量环氧树脂同非离子表面活性剂反应后，树脂数均分子质量为2891和307，表明表面活性剂同环氧树脂进行等物质的量反应。

　　反应型表面活性剂对胶粘剂浸润性的影响分析：接触角大小可作为评价表面极性大小的指标之一，材料接触角越小，表明该材料表面(测量深度一般为0.5～1μm)的浸润性越强。对于亲水和疏水的概念，较为普遍的说法是以接触角90°为界限，也就是接触角θ＞90°固体表面定义为疏水表面；θ＜90°的定义为亲水表面。但是，近年研究表明，实际上亲水和疏水的界限定义在约65°，按照此界限，扩大了疏水表面的范围。
　　本文以不同比例的反应型表面活性剂和环氧树脂混合、固化完全后，用悬滴法测量水与固化面的接触角，用以表征反应型表面活性剂含量对树脂浸润性的影响(见图3)。

　　结果表明，在无反应型表面活性剂时，固化后的树脂膜表面接触角为76.2°，该表面疏水，用该树脂粘接的微孔级沙粒材料不透水。随着反应型表面活性剂用量的增加，接触角显著减小，当质量分数约＞20％时，接触角基本保持在35.5°附近；表面活性剂用量增加时，砂基材料透水速率增加，当质量分数约＞20％时，透水速率变化不大(见图4)。因此，透水速率同材料表面的极性相关，即接触角越大，透水速率越小；接触角不变时，透水速率基本保持恒定。由于用含反应型表面活性剂的环氧树脂粘接的砂基透水材料，非离子亲水基团连接在固化树脂交联网上的侧链上，保证了透水的永久性。

2.3　风积沙表面改性对粘接强度的影响
　　实验表明，风积沙焙烧处理后干强度和湿强度能分别提高0.5倍和1倍左右(见表1)。原因在于通过焙烧处理，改善了风积沙的表面结构，减少了胶粘剂因填充沙粒表面裂隙、纹理、麻点、空洞等所造成的胶粘剂体系的消耗，同时大幅降低沙粒表面可剥离吸附物的含量，增加树脂膜与沙粒表面附着强度和它本身的内聚强度，避免伪内聚断裂、伪附着断裂和附着断裂的发生，从而大幅度提高风积沙材料的强度。

　　从表1可知，焙烧后的风积沙经覆膜处理后，使用同等树脂量粘接的样品，干强度和湿强度分别能提高0.2倍和0.5倍以上。原因在于风积沙透水材料在长期浸泡于水中的环境条件下，由于水分子的渗透，使胶粘剂固化物的力学性能大幅下降，破坏胶粘剂网状分子之间的氢键与其它次价键，使固化的胶粘剂发生增塑，从而引起模量及热变形温度等性能的下降。为了提高材料的粘结强度和耐水性能，对石英砂进行热覆膜预固化处理，目的一是通过偶联剂提高胶粘剂同石英砂之间界面粘结强度；二是通过胶粘剂热覆膜固化处理使胶粘剂完整覆膜硅砂表面，降低表面缺陷，避免水分子渗透进入固化后的胶粘剂同硅砂之间的界面，降低材料的力学性能。
2.4　胶粘剂用量对材料透水速率和强度的影响
　　胶粘剂将风积沙粘接在一起，固化成型后形成无数相互贯通的毛细网络。当雨水滴落在表面上时，雨滴迅速润湿毛细孔壁，孔中液面将呈凹形，形成的弯曲液面将产生向下附加压力，在该附加压力和液体自身重力的合力作用下，雨水沿这些贯通的毛细管迅速渗入基层。胶粘剂含量增加，透水材料抗压强度显著增加，但透水系数却逐渐下降，尤其是当胶粘剂的质量分数＞10％时，透水系数下降比较显著(见表2)，说明随着胶粘剂含量增加，胶粘剂占据沙粒之间的部分孔隙，堵塞部分有效毛细孔网络，造成透水系数下降。反复实验表明，适宜的粘合剂质量分数为在10％以内。

2.5　沙粒粒径大小及分布对材料强度和透水速率的影响
　　胶粘剂用量确定后，沙粒粒径大小及分布对材料强度和透水速率的影响同样不可忽略。实验表明，沙粒圆球度越好，颗粒越大，粒径分布越窄，沙粒之间形成的有效开孔毛细网络越多，材料的透水性越好；透水系数与孔隙率关系不大，而同沙粒之间有效开孔毛细网络密切相关(见表3)。对于不同粒径的骨料，在胶粘剂用量相同时，孔隙率在28％左右，透水系数与孔隙率关系不大，而与骨料粒径有很大的关系，骨料粒径大的砂块比粒径小的透水系数高。

3　结　论

　　1)用树脂胶粘剂粘接的风积沙透水材料，孔隙属微米级蜂窝网状结构。
　　2)所用的风积沙粒径越大，其透水性越好；树脂用量越少，其透水性越好，而压缩强度降低。在实际应用中，应综合考虑压缩强度与透水性的关系。
　　3)风积沙焙烧处理后，使用同等树脂量粘接的样品，干强度和湿强度能分别提高0.5倍和1倍左右；焙烧后的风积沙经覆膜处理后，使用同等树脂量粘接的样品，干强度和湿强度分别能提高0.2倍和0.5倍以上。