一种高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料及其制备方法

1.本发明涉及多孔的砂浆、混凝土、人造石或陶瓷制品技术领域，具体涉及一种高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着城市化进程的推进，世界上50％以上的人口居住在城市中。随着城市的扩张，出现了许多城市疾病，典型的是城市水文变化引起的“城市洪积灾害”和城市大气变化引起的“热岛效应”。要解决上述城市疾病，城市道路必须既具有机械功能又具有生态功能。生态路面能够吸收、积累、缓释放自然水，可以补充土壤水和地下水，增强对流和蒸发，减少城市热浪。透水路面因此被逐渐应用于公园、城市步道等地，美观简洁且具有生态功能，但是现有透水路面一般采用天然砂石作为骨料，采用天然卵石做颜色装饰，资源紧张且成本高昂。
3.环氧树脂由于具有良好的热稳定性、化学稳定性、尺寸稳定性、力学性能、绝缘性、粘结性和成型加工性等，被广泛应用于航空材料电子元器件、粘结材料、涂料和复合材料等领域，有望用于透水材料。但是环氧树脂材料存在对光较敏感的特点，易发生光化学反应，导致环氧树脂降解，树脂材料变黄。造成环氧树脂变黄的因素有多种，如：(1)芳香族环氧树脂双酚a结构易氧化产生羰基形成发黄基团；(2)胺类固化剂中游离胺成份直接与环氧树脂聚合，导致局部范围的升温，加速变黄；(3)叔胺类促进剂、壬基酚促进剂在热氧、太阳光中紫外线的照射下都易变色。针对环氧树脂变黄的解决方案主要有3种：(1)增加耐黄变添加剂，如添加紫外吸收剂、蓝色剂等减缓或减少黄变；(2)使用耐黄变的树脂，如硅氧烷改性环氧树脂、聚氨酯类树脂、氢化双酚a或氢化双酚f环氧树脂提高封装材料的耐热耐紫外线性能；(3)加入有机光稳定剂对环氧树脂进行改性。但这些方法只能推迟黄变发生的时间，不能解决环氧制品黄变带来的产品外观不美观的问题。本发明利用环氧树脂会变黄的特性与有机颜料进行配色，制备出颜色鲜艳、饱和度高、后续颜色稳定的环氧树脂基透水材料。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料及其制备方法，该透水材料以全铁尾矿砂为骨料，强度高，透水性能好，并且颜色外观与天然卵石路面相似。
5.为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：
6.一种高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料，其原料组分及质量百分比包括：铁尾矿砂88
‑
92％，环氧树脂3
‑
8％，有机颜料3
‑
5％，还含有硅烷偶联剂、对叔丁基苯酚和纳米颗粒，其添加量分别占环氧树脂质量的1
‑
3％、5
‑
20％、1
‑
5％。
7.可选地，所述的铁尾矿砂中各组分及质量百分比包括：sio
2 20
‑
40％，al2o
3 5
‑
20％，fe2o
3 5
‑
25％，mgo 5
‑
10％，cao 15
‑
30％，且其含水率为20
‑
50％，粒径为0.15
‑
2mm。
8.可选地，所述环氧树脂为a组分和b组分组成的双组分环氧树脂，其中a组分为双酚
a型环氧树脂e44、e51、e55中的一种，优选为e44型环氧树脂。
9.可选地，所述b组分为胺类固化剂。优选为聚醚胺d
‑
230。
10.优选的是，所述a组分和b组分质量比为100：25
‑
30。
11.可选地，所述有机颜料为偶氮颜料、酞菁颜料、三芳基甲烷颜料中的一种。这几种有机颜料在不与环氧树脂反应的基础上可以很好地和环氧树脂相容，并且色泽鲜艳、遮盖力强、耐光牢度高、稳定性强。颜色调节是与环氧黄变后的颜色相配，可以得到不同的颜色，因此只需要加比较少的量，不需要大批量添加。
12.可选地，所述硅烷偶联剂为kh
‑
560硅烷偶联剂。
13.可选地，所述纳米颗粒为纳米tio2、纳米sio2、纳米al2o3中的一种，粒径小于200目。
14.本发明还提供上述高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料的制备方法，包括如下步骤：
15.1)按比例称取原料，备用；
16.2)将步骤1)称取的环氧树脂、有机颜料、硅烷偶联剂、对叔丁基苯酚和纳米颗粒混合搅拌至不再有气泡逸出，得到液体混合物；
17.3)将步骤1)称取的铁尾矿砂放入砂浆锅中搅拌均匀，随后缓慢倒入步骤2)所得液体混合物，搅拌均匀得到拌合物；
18.4)将步骤3)所得拌合物摊铺后压实、养护后得到高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料。
19.可选地，所述步骤3)搅拌均匀得到拌合物的工艺条件为：在115
‑
125r/min下快速搅拌30
‑
60s，在55
‑
65r/min下慢速搅拌120
‑
240s。
20.可选地，所述步骤4)中摊铺系数为1.1。
21.按上述方案，步骤4)所述养护的条件为：室温(15
‑
35℃)下放置3
‑
7d。
22.本发明的主要技术原理为：
23.本发明选用双酚a型环氧树脂和胺类固化剂组成的双组分环氧树脂，一方面芳香族环氧树脂双酚a结构易氧化产生羰基形成发黄基团，同时胺类固化剂中游离胺成份直接与环氧树脂聚合，导致局部范围的升温，加速环氧树脂的变色，而加入的对叔丁基苯酚除了可以稀释粘稠的环氧树脂，使得环氧树脂与骨料(铁尾矿砂)更均匀地混合，此外对叔丁基苯酚在热氧、太阳光照射地条件下容易变色发黄，进一步促进环氧树脂变色，利用有机颜料与老化后的环氧树脂相配色，能够得到比较理想的产品外观颜色，并且外观颜色稳定持久。另一方面，体系中加入的硅烷偶联剂改善了铁尾矿砂和环氧树脂之间的结合力，增强两者之间的粘结强度和界面相容性，进而提升了透水材料的力学强度。纳米颗粒的加入可有效控制材料的热膨胀效应并提高材料的杨氏模量，当材料受力时，纳米粒子会吸取树脂基体中的部分能量，使树脂中微裂纹产生缓慢扩散或终止扩散的效用，从而达到增韧目的。
24.相对于现有技术，本发明所述的高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料具有以下优势：
25.1.本发明采用铁尾矿砂为骨料，选择特定的有机颜料与易黄变的环氧树脂配伍，得到颜色美观持久并且力学性能高(抗压强度达18.59
‑
24.72mpa，抗折强度达9.37
‑
11.6mpa)、透水性好(有效孔隙率达28.73
‑
32.87％，透水速率达1.24
‑
1.45mm/s)的透水材
料，降低了固体废弃物对环境的污染，具有重要的环境和社会效益；
26.2.本发明的制备方法工艺简单，易于实施，具有良好的工业化应用前景。
具体实施方式
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.下面将结合实施例来详细说明本发明。
29.以下实施例中采用的铁尾矿砂来自鄂州市某选矿厂，其含水率在20％左右，主要组成为：sio
2 21.69％，al2o
3 7.22％，fe2o
3 13.01％，mgo 9.75％，cao 19.27％，co
2 20.85％，so
3 5.79％，粒径0.15
‑
0.6mm。环氧树脂为凤凰牌e44环氧树脂与聚醚胺固化剂d230的混合物，两者的质量比为100：30。所用硅烷偶联剂为kh
‑
560硅烷偶联剂，所用有机颜料为红色或蓝色偶氮颜料，所用纳米颗粒为平均粒径20nm的纳米sio2。
30.实施例1
31.一种高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料，按质量份数计，其原料包括以下组分：90份铁尾矿砂、5份环氧树脂和5份红色偶氮颜料，同时掺入分别占环氧树脂质量分数5％的对叔丁基苯酚、2％的纳米sio2和2％的硅烷偶联剂。
32.具体制备方法包括以下步骤：
33.1)按照上述配方称取原料，将环氧树脂、红色偶氮颜料、硅烷偶联剂、对叔丁基苯酚和纳米sio2混合搅拌，直到没有气泡产生，得到液体混合物；
34.2)将铁尾矿砂进行水洗、烘干、筛分预处理(除去初始尾矿砂中大量的泥，同时筛去细小的粉尘)，然后放入砂浆锅中搅拌30s，随后缓慢向其中倒入液体混合物，先在120r/min下快速搅拌30s，随后在60r/min下慢速搅拌240s，得到拌合物；
35.3)将拌合物采用人工均匀分摊、铺平，摊铺系数为1.1，摊铺完后，采用用刮杠按两侧控制边沿找平所铺铁尾矿砂，再用专用低频振动压实机或采用平板振动器振动和专用滚压工具滚压，在环氧树脂透水路面表面凝固后，覆盖白色薄膜养护4天(使用白色薄膜覆盖养护可以促进吸收太阳光中的紫外线从而加速变色)，此时白天的平均温度为25℃，随后拆模投入使用。
36.经测试，本实施例的高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料按标准《gb/t 50081混凝土物理力学性能试验方法标准》测试得到抗压强度为18.59mpa，抗折强度为9.37mpa，有效孔隙率为32.87％，透水速率为1.45mm/s，经过14天后，透水材料由最初的淡红色逐渐向橙色转变，28天后完全转变为橙色，90天后观察颜色仍保持稳定。
37.实施例2
38.一种高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料，按质量份数计，其原料包括以下组分：90份铁尾矿砂、6份环氧树脂和6份的红色偶氮颜料，同时掺入分别占环氧树脂质量分数5％的对叔丁基苯酚、2％的纳米sio2和2％的硅烷偶联剂。
39.具体制备方法包括以下步骤：
40.1)按照上述配方称取原料，将环氧树脂、红色偶氮颜料、硅烷偶联剂、对叔丁基苯酚和纳米sio2混合搅拌，直到没有气泡产生，得到液体混合物；
41.2)将铁尾矿砂进行水洗、烘干、筛分预处理，然后放入砂浆锅中搅拌30s，随后缓慢
向其中倒入液体混合物，先在120r/min下快速搅拌30s，随后在60r/min下慢速搅拌240s，得到拌合物；
42.3)将拌合物采用人工均匀分摊、铺平，摊铺系数为1.1，摊铺完后，采用用刮杠按两侧控制边沿找平所铺铁尾矿砂，再用专用低频振动压实机或采用平板振动器振动和专用滚压工具滚压，在环氧树脂透水路面表面凝固后，覆盖白色薄膜养护4天，此时白天的平均温度为30℃，随后拆模投入使用。
43.经测试，本实施例的高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料按标准《gb/t 50081混凝土物理力学性能试验方法标准》测试得到抗压强度为22.75mpa，抗折强度为11.1mpa，有效孔隙率为28.73％，透水速率为1.24mm/s，经过9天养护后，透水材料由最初的淡红色逐渐向橙色转变，15天后完全转变为橙色，90天后仍保持颜色稳定。
44.实施例3
45.一种高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料，按质量份数计，包括以下组分：90份铁尾矿砂、5份环氧树脂和5份的蓝色偶氮颜料，同时掺入占环氧树脂质量分数为10％的对叔丁基苯酚、3％的纳米sio2和2％的硅烷偶联剂。
46.具体制备方法包括以下步骤：
47.1)按照上述配方称取原料，将环氧树脂、红色偶氮颜料、硅烷偶联剂、对叔丁基苯酚和纳米sio2混合搅拌，直到没有气泡产生，得到液体混合物；
48.2)将铁尾矿砂进行水洗、烘干、筛分预处理，然后放入砂浆锅中搅拌30s，随后缓慢向其中倒入液体混合物，先在120r/min下快速搅拌30s，随后在60r/min下慢速搅拌240s，得到拌合物；
49.3)将拌合物采用人工均匀分摊、铺平，摊铺系数为1.1，摊铺完后，采用用刮杠按两侧控制边沿找平所铺铁尾矿砂，再用专用低频振动压实机或采用平板振动器振动和专用滚压工具滚压，在环氧树脂透水路面表面凝固后，覆盖白色薄膜养护4天，此时白天的平均温度为25℃，随后拆模投入使用。
50.经测试，本实施例的高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料按标准《gb/t 50081混凝土物理力学性能试验方法标准》测试得到抗压强度为21.38mpa，抗折强度为11.1mpa，有效孔隙率为32.56％，透水速率为1.42mm/s，经过13天养护后，透水材料由最初的淡蓝色逐渐向绿色转变，28天后完全转变为绿色，90天后仍保持颜色稳定。
51.实施例4
52.一种高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料，按质量份数计，包括以下组分：89份铁尾矿砂、6份环氧树脂和6份的蓝色偶氮颜料，同时掺入占环氧树脂质量分数10％的对叔丁基苯酚、3％的纳米sio2和2％的硅烷偶联剂。
53.具体制备方法包括以下步骤：
54.1)按照上述配方称取原料，将环氧树脂、红色偶氮颜料、硅烷偶联剂、对叔丁基苯酚和纳米sio2混合搅拌，直到没有气泡产生，得到液体混合物；
55.2)将铁尾矿砂进行水洗、烘干、筛分预处理，然后放入砂浆锅中搅拌30s，随后缓慢向其中倒入液体混合物，先在120r/min下快速搅拌30s，随后在60r/min下慢速搅拌240s，得到拌合物；
56.3)将拌合物采用人工均匀分摊、铺平，摊铺系数为1.1，摊铺完后，采用用刮杠按两
侧控制边沿找平所铺铁尾矿砂，再用专用低频振动压实机或采用平板振动器振动和专用滚压工具滚压，在环氧树脂透水路面表面凝固后，覆盖白色薄膜养护4天，此时白天的平均温度为35℃，随后拆模投入使用。
57.经测试，本实施例的高稳定尾矿砂基环氧树脂透水材料按标准《gb/t 50081混凝土物理力学性能试验方法标准》测试得到抗压强度为24.72mpa，抗折强度为11.6mpa，有效孔隙率为29.31％，透水速率为1.28mm/s，经过6天养护后，透水材料由最初的淡蓝色逐渐向绿色转变，11天后完全转变为绿色，90天后仍保持颜色稳定。
58.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。