发光透水胶粘石的制备与性能研究

高庆强

（福建省建筑科学研究院，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350025）

0 引言

为缓解城市内涝、保护和改善城市生态环境，近年来国家正积极推进海绵城市建设。透水铺装材料具有良好的透水功能，可使雨水较快地渗入地表，能有效减小径流总量，减弱城市热岛效应，是海绵城市建设中良好的“海绵体”[1]。常见透水铺装材料主要有透水水泥混凝土路面、透水沥青路面、透水砖路面、透水胶粘石路面[2]。透水胶粘石是以高分子树脂为胶结材料，靠树脂聚合固化将骨料胶结成的多孔混凝土。透水胶粘石主要以天然石骨料为主，具有色彩多样、自然美观等优点，被越来越广泛铺装于景观道路、公园广场、城市树池、休闲小道等[3]。但目前常见透水胶粘石路面存在抗滑性不足，耐候性不佳，夜间装饰性和照明功能不足，且发光型透水胶粘石路面比较少见。

本文选用无色透明的单组份聚氨酯胶粘剂为胶结料，研究了不同胶骨比、骨料类型、制备工艺等对发光透水胶粘石的抗压强度、透水系数及发光效果的影响，制备出具有夜间装饰功能的新型透水铺装材料。

1 试验

1.1 原材料

（1）胶粘剂：采用树脂胶粘剂为胶结料，其性能应满足无毒环保、粘结力高、耐候性好、稠度适宜、色泽较浅等要求。目前，胶粘剂主要采用环氧树脂和聚氨酯两大类。经对不同厂家的两类树脂胶粘剂对比分析，本文最终选用陶氏公司产的VORRAMR MR1045K型单组份湿气固化聚氨酯胶粘剂。该胶粘剂无色透明，黏度为2000～4000 mPa·s，固化时间为4～6 h（15℃，相对湿度 70%）。

（2）骨料：采用泉州清源文化石有限公司生产的天然卵石作为骨料，粒径分别为2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm，颜色选用黑色、灰色、米黄、红色等4种，性能符合GB/T 14685—2011《建设用砂石卵石》的相关要求。

（3）发光材料：采用发光时间长、发光亮度高的光致发光材料，性能符合GB/T 24980—2010《稀土长余辉荧光粉》的相关要求。经对比分析不同发光材料的发光亮度和余晖时间，最终选用广州珠江光电新材料有限公司生产的A和B型黄绿色发光材料，细度分别为20目、100目，其中A材料10 min和60 min发光相对亮度分别为80%、68%，B材料10 min和60 min发光相对亮度分别为85%、72%。

1.2 制备工艺

1.2.1 喷涂制备工艺

（1）按一定比例称取胶粘剂和天然石，混合均匀搅拌2～3 min；（2）摊平，静压成型，厚度为 3 cm；（3）自然养护 3 d；（4）按一定比例称取发光材料和胶粘剂，混合均匀后，装入W77型下壶式喷枪，进行喷涂；（5）自然养护3 d，待试。

1.2.2 披刮制备工艺

（1）按一定比例称取胶粘剂和天然石，并混合均匀搅拌2～3 min；（2）底层摊平，厚度为 2 cm；（3）按一定比例称取发光材料、胶粘剂和天然石，混合均匀搅拌2～3 min；（4）面层摊平，厚度为1 cm，静压成型；（5）自然养护3 d，待试。

1.3 性能测试方法

（1）抗压强度：参照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，其中自然养护龄期为7 d，试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，测试3块试样，结果取其平均值。

（2）透水系数：参照CJJ/T 135—2009《水泥透水混凝土应用技术规程》附录A进行测试。

（3）发光亮度：采用DT306-SM208数字亮度计进行测试。先将样品放置在太阳光下照射3 h，后放入暗室静置1 h，最后将亮度计光探头对准试件表面进行测试。

2 结果与讨论

2.1 胶骨比对发光透水胶粘石性能的影响

胶骨比即胶粘剂与骨料的质量比，直接影响着透水胶粘石的抗压强度和透水系数。试验分别采用2种米黄色天然石为骨料，成型压力为5 MPa，研究不同胶骨比对未涂覆发光材料的透水胶粘石抗压强度和透水性能的影响，结果如图1、图2所示。

从图1和图2可见，随着胶骨比的减小，透水胶粘石抗压强度呈现下降趋势，而透水系数呈现上升趋势，且骨料粒径不同的透水胶粘石性能变化规律相近。透水胶粘石是通过胶粘剂固化作用将骨料粘结在一起，因此其抗压强度主要取决于胶粘剂的粘结性能和骨料表面裹附的胶粘厚度，透水胶粘石内部平面构造如图3所示。

图1 不同胶骨比对发光透水胶粘石抗压强度的影响

图2 不同胶骨比对发光透水胶粘石透水系数的影响

图3 发光透水胶粘石内部平面构造示意

从图3可见，当胶粘剂用量不变且骨料级配相同时，骨料用量越大，骨料表面裹附的胶粘剂厚度就越小，会降低骨料间的粘结力，增多骨料间空隙，因而透水胶粘石抗压强度会降低且透水系数会增大[4-6]。综合图1和图2可知，当胶骨比为1∶25时，胶粘石的抗压和透水综合性能最佳。

2.2 骨料级配对发光透水胶粘石性能的影响

骨料级配会直接影响骨料比表面积，进而影响骨料堆积密实度和骨料表面胶粘剂的接触面积，最终影响发光透水胶粘石的力学性能和透水性能。

从图1可知，当胶骨比≥1∶22.5左右时，胶骨比相同的透水胶粘石，其抗压强度会随着骨料粒径增大而降低；当胶骨比≤1∶22.5左右时，其抗压强度会随着骨料粒径增大而增大。当胶骨比≥1∶22.5时，胶粘剂用量大，可均匀裹附所有骨料，此时由于骨料粒径越小，其比表面积越大，骨料间接触面积越大，且骨料表面裹附的胶粘剂面积越大，骨料间粘结强度越大，因而相同胶骨比时，2.36～4.75 mm骨料的透水胶粘石抗压强度会高于4.75～9.5 mm骨料的透水胶粘石[7-8]。当胶骨比≤1∶22.5时，胶粘剂量不足以均匀裹附所有颗粒表面，且骨料粒径越小，未能均匀裹附胶粘剂的颗粒越多，骨料间粘结强度越小，因而相同胶骨比时，2.36～4.75 mm骨料的透水胶粘石抗压强度会低于4.75～9.5 mm骨料的透水胶粘石。

从图2可知，胶骨比相同的透水胶粘石透水系数会随着骨料粒径增大而增大。透水系数主要取决于空隙率和空隙大小。骨料粒径越小，骨料堆积密度就越大，空隙率越低，且空隙越小，因而2.36～4.75 mm骨料的透水胶粘石透水系数会低于4.75～9.5 mm骨料的透水胶粘石。发光透水胶粘石骨料粒径的选用宜综合考虑抗压强度和透水性能等性能要求。

2.3 骨料颜色对发光透水胶粘石发光性能的影响

因不同颜色对光的吸收能力不同，因此本文研究了不同颜色天然石对发光透水胶粘石发光性能的影响，试验的骨料颜色有灰色、米黄色、红色和黑色（见图4）。试验中，B型发光材料按胶粘剂质量的5%加入胶粘剂中并均匀混合，然后喷涂于不同颜色胶粘石表面，太阳光照射3 h后放入暗室，并用亮度计测试1 h后的发光亮度，试验结果见图5。

图4 不同颜色的天然石

图5 不同颜色天然石对发光透水胶黏石发光亮度的影响

从图5可知，喷涂于灰色和米黄色天然石上的发光材料的发光亮度会强于喷涂于红色和黑色天然石上的发光材料，且喷涂于米黄色天然石的发光材料的发光亮度最高。这主要是由于不同颜色的天然石对光的吸收能力也不同，吸收能力大小为：黑色>红色>灰色>米黄色。米黄色对光的吸收能力最弱，发光材料的发光亮度最高；黑色对光的吸收能力最强，发光材料的发光亮度最低。因而，为确保发光透水胶粘石的发光亮度，应选用米黄色天然石为骨料。

2.4 发光层制备工艺对发光透水胶粘石发光性能的影响

粒度是发光材料性能的重要参数，直接影响其发光亮度和使用性能。一般来说，对于同一种发光材料，粒度越大，发光亮度越好[8]。基于材料性能和成本，本文选用100目和20目2种粒度的发光材料，并分别采用喷涂工艺和披刮工艺进行成型（见图6），不同工艺制备的发光透水胶粘石的发光效果见图7。

图6 采用不同工艺制备的发光透水胶粘石

图7 采用不同工艺制备的发光透水胶粘石的发光效果

喷涂工艺是将发光材料和胶粘剂的混合物采用喷涂方式覆于胶粘石表面，试验中发现该工艺会消耗大量发光材料和胶粘剂，表面发光材料分布较不均匀。披刮工艺是在透水胶粘石底层制备完后，将发光材料、骨料、胶粘剂等材料均匀拌合后采用披刮方式制备透水胶粘石面层，试验中发现该工艺施工速度快，发光材料分布均匀且与骨料粘结力强，能节约材料和人工成本；但试验结果表明，粒度100目的发光材料不宜采用披刮工艺工艺。由于发光材料粒度较小，发光亮度较低且吸胶量较大，因而为达到良好的发光效果，需要大量添加发光材料，并同时增加胶粘剂用量[9-11]。

3 结论

（1）相同骨料级配下，随着胶骨比增大，发光透水胶粘石的抗压强度呈下降趋势，透水系数呈增大趋势。当胶骨比为1∶25时，发光透水胶粘石的抗压强度和透水性能的综合性能最佳。

（2）相同胶骨比下，随着骨料粒径增大，当胶骨比≤1∶22.5时，发光透水胶粘石抗压强度呈现下降趋势；当胶骨比≥1∶22.5时，发光透水胶粘石抗压强度呈现上升趋势；发光透水胶粘石透水系数呈现上升趋势。

（3）采用不同颜色天然石骨料制备的发光透水胶粘石发光亮度不同，以米黄色天然石制备的发光透水胶粘石发光亮度最大。

（4）采用披刮工艺制备的发光透水胶粘石发光材料分布更为均匀，相同发光亮度下发光材料用量更少，施工速度更快。

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