一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料及其制备方法，包括A组分和B组分，按重量比计，A组分：B组分＝1：2.0～1：2.9；其中：所述A组分包括不饱和聚酯树脂、nano‑SiO2、光引发剂和偶联剂；所述B组分包括沥青和相容剂。按重量比计，所述A组分中，不饱和聚酯树脂：nano‑SiO2：光引发剂：偶联剂＝100：3：4：3；所述B组分中，沥青：相容剂＝100：4。桥面铺装防水粘结层材料的韧性好、耐冲击性强、强度高、脆性低；粘结、抗拉、抗剪切性能好；防水性能优异、耐久性好；施工方便、环保性较好且成本较低。

权利要求

1.一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，其特征在于，包括A组分和B组分，按重量比计，A组分：B组分＝1：2.0～1：2.9；其中：所述A组分包括不饱和聚酯树脂、nano‑SiO2、光引发剂和偶联剂；

所述B组分包括沥青和相容剂；

按重量比计，所述A组分中，不饱和聚酯树脂：nano‑SiO2：光引发剂：偶联剂＝100：3：4：

3；所述B组分中，沥青：相容剂＝100：4；

所述沥青为SBS改性沥青，针入度为85.7，软化点为47.2，动力粘度为156.8，延度>100。

2.根据权利要求1所述的一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，其特征在于，所述不饱和聚酯树脂为双酚A型不饱和聚酯树脂，其固含量为57.0％～63.0％。

3.根据权利要求1所述的一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，其特征在于，所述光引发剂为Omnirad 819。

4.根据权利要求1所述的一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，其特征在于，所述nano‑SiO2为A型nano‑SiO2，其二氧化硅含量为98.5％。

5.根据权利要求1所述的一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，其特征在于，所述的偶联剂为KH‑570硅烷偶联剂。

6.根据权利要求1所述的一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐，固含量>99.5％。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采用偶联剂对nano‑SiO2进行表面有机化修饰；

步骤二：将步骤一中进行表面有机化修饰后的nano‑SiO2、光引发剂和不饱和聚酯树脂混合均匀，得到A组分；

步骤三：将沥青和相容剂混合均匀，得到B组分；

步骤四：将步骤二得到的A组分与步骤三得到的B组分混合均匀，得到桥面防水粘结层材料。

8.根据权利要求7所述的一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料的制备方法，其特征在于，进行所述步骤一之前，将nano‑SiO2在醇水溶液、100℃、pH值为4的条件下预处理40～60min；醇水溶液中，乙醇与水的体积比为10：1。

说明书

一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于桥面铺装材料领域，具体涉及一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 2000年以后，经济走上快车道，包括道路建设在内的交通基础设施建设快速发展。随着城市道路和公路的大范围建造，大量的桥梁通车使用。桥梁是构成交通运输网络的重
要节点，承担着繁重的车流量，桥梁上任何部位的损害都会影响正常的车辆通行，造成了大
量的经济和时间成本的浪费和损失。

[0003] 桥面铺装是桥梁整体结构的重要构成部分，对桥梁的通达行驶性能和桥梁整体结构的耐久性具有重要的影响。防水粘结层位于找平层与沥青铺装层之间，它对于桥面铺装
层的耐久性与路用性能起着十分重要而关键的作用。雨水或者其他水源的侵入是造成桥面
铺装层发生损坏的最直接和最重要的因素之一。性能优良的防水粘结材料和良好的防水粘
结层的处理，是提高桥梁铺装结构的耐久性、延长桥梁整体使用寿命的重要措施。我国常用
的防水粘结层的材料有热熔性粘结材料、溶剂性粘结剂和热固性粘结材料。热熔性粘结材
料具有一定的变形能力，也具有良好的防水封闭作用，但是在高温下容易变软，导致粘结力
下降；溶剂性粘结剂材料除了同样具有高温软化的缺点外，当摊铺时，其内部含有的热敏性
物质在高温时接触沥青铺装层会释放出气体，从而使铺装层产生气泡；热固性粘结材料，比
如环氧沥青，成本十分昂贵，在高温时抗剪强度下降较快，丧失粘结沥青铺装层与水泥基板
的能力，这样，粘结层成了相对软弱的滑移层，从而容易导致沥青铺装层的推移和开裂等病
害。

[0004] 制备防水粘结层材料关键在于选择合适的引发剂，常用的引发剂有常温引发剂和高温引发剂。使用常温引化剂时，在制备UP沥青的过程中，发现将过氧化甲乙酮加入到热沥
青和树脂体系中，产生大量气泡，反应剧烈，后期制备的UP沥青在常温下无法发生固化反
应，不能形成强度。杨龙飞使用高温引发剂，制备了防水粘结层材料，高但是温引发剂经受
摩擦、冲击、着火后或其他引燃源后，会存在爆炸倾向，安全性低。因此，我们尝试使用光引
发剂制备防水粘结层材料。

发明内容

[0005] 针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料及其制备方法，桥面铺装防水粘结层材料的韧性好、耐冲击性强、强度高、脆性低；粘
结、抗拉、抗剪切性能好；防水性能优异、耐久性好；施工方便、环保性较好且成本较低。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

[0007] 一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，包括A组分和B组分，按重量比计，A组分：B组分＝1：2.0～1：2.9；其中：

[0008] 所述A组分包括不饱和聚酯树脂、nano‑SiO2、光引发剂和偶联剂；

[0009] 所述B组分包括沥青和相容剂。

[0010] 进一步地，按重量比计，所述A组分中，不饱和聚酯树脂：nano‑SiO2：光引发剂：偶联剂＝100：3：4：3；所述B组分中，沥青：相容剂＝100：4。

[0011] 进一步地，所述不饱和聚酯树脂为双酚A型不饱和聚酯树脂，其固含量为57.0％～63.0％。

[0012] 进一步地，所述光引发剂为Omnirad 819。

[0013] 进一步地，所述nano‑SiO2为A型nano‑SiO2，其二氧化硅含量为98.5％。

[0014] 进一步地，所述的偶联剂为KH‑570硅烷偶联剂。

[0015] 进一步地，所述沥青为SBS改性沥青，针入度为85.7，软化点为47.2，动力粘度为156.8，延度>100。

[0016] 进一步地，所述相容剂为马来酸酐，固含量>99.5％。

[0017] 一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料的制备方法，包括以下步骤：

[0018] 步骤一：采用偶联剂对nano‑SiO2进行表面有机化修饰；

[0019] 步骤二：将步骤一中进行表面有机化修饰后的nano‑SiO2、光引发剂和不饱和聚酯树脂混合均匀，得到A组分；

[0020] 步骤三：将沥青和相容剂混合均匀，得到B组分；

[0021] 步骤四：将步骤二得到的A组分与步骤三得到的B组分混合均匀，得到桥面防水粘结层材料。

[0022] 进一步地，进行所述步骤一之前，将nano‑SiO2在醇水溶液、100℃、pH值为4的条件下预处理40～60min；醇水溶液中，乙醇与水的体积比为10：1。

[0023] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，采用光引发剂，主要的反应机理是光引发剂吸收近紫外光的辐射能量
引起光引发剂分解产生的活性自由基引发单体(低聚物)聚合交联形成最终固化物。无机纳
米粒子改性UP不仅能够实现UP固化物的补强作用，同时还能够兼顾韧性等性能；特别地，
nano‑SiO2还能够改善UP的触变性、不透水性、抗磨损、耐热性等特性；同时，nano‑SiO2改性
UP沥青用于桥面防水粘结层可能会具有抗疲劳、防水、良好的层间粘结能力等优异的路用
性能，同时工程造价低，具有较大的经济效益和应用前景。并且光引发剂具有廉价、合成简
单，光引发剂及其光裂解产物应无毒无味，稳定性好、便于长时间储存等优点，相对于常温
引发剂和高温引发剂，采用光引发剂制备防水粘结层更有优势。

具体实施方式

[0024] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实
施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得
的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 作为本发明的某一具体实施方式，一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，包括A组分和B组分，按重量比计，A组分：B组分＝1：2.0～1：2.9。

[0026] 其中，A组分包括不饱和聚酯树脂、nano‑SiO2、光引发剂和偶联剂；按重量比计，A组分中，不饱和聚酯树脂：nano‑SiO2：光引发剂：偶联剂＝100：3：4：3。

[0027] B组分包括沥青和相容剂；按重量比计，B组分中，沥青：相容剂＝100：4。

[0028] 其中，不饱和聚酯树脂为双酚A型不饱和聚酯树脂，其固含量为57.0％～63.0％；具体的，采用不饱和树脂聚酯与苯乙烯，按照配比为树脂：苯乙烯＝65.5wt.％：34.5wt.％，
制备双酚A型不饱和聚酯树脂。光引发剂为Omnirad 819，外观为黄色粉末，熔点为127～133
℃，溶于丙酮，乙腈等有机溶剂。nano‑SiO2为A型nano‑SiO2，其二氧化硅含量为98.5％。偶
联剂为KH‑570硅烷偶联剂，其含量为97％。沥青为SBS改性沥青，针入度为85.7，软化点为
47.2，动力粘度为156.8，延度>100。相容剂为马来酸酐(顺丁烯二酸酐)，固含量>99.5％。

[0029] 本发明一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料的制备方法，包括以下步骤：

[0030] 步骤一：将nano‑SiO2在醇水溶液、100℃、pH值为4的条件下预处理40～60min；醇水溶液中，乙醇与水的体积比为10：1；采用偶联剂对nano‑SiO2进行表面有机化修饰；

[0031] 步骤二：采用“先掺”的方式，将步骤一中进行表面有机化修饰后的nano‑SiO2、光引发剂加入不饱和聚酯树脂中，以2000r/min的速率在高速剪切机中剪切20min，得到nano‑
SiO2改性的A组分；

[0032] 步骤三：将相容剂加入沥青中，搅拌10～20分钟，使其均匀分散，得到B组分；

[0033] 步骤四：将步骤二得到的A组分与步骤三得到的B组分混合，以4000r/min的速率剪切40min，得到nano‑SiO2改性UP沥青，即桥面防水粘结层材料。

[0034] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细的描述。

[0035] 实施例1

[0036] 一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，按照以下配比配制：

[0037] 按照A组分:B组分＝1:2.0配比，A组分的成分为A型不饱和聚酯树脂：A型nano‑SiO2：Omnirad 819光引发剂：KH‑570硅烷偶联剂＝100:3:4:3，B组分的成分为沥青:马来酸
酐相容剂＝100:4。

[0038] 一种基于光催化剂的桥面防水粘结层材料，按照以下步骤制备：

[0039] 步骤一：采用KH‑570硅烷偶联剂对A型nano‑SiO2进行表面有机化修饰；

[0040] 步骤二：采用“先掺”的方式，将步骤一中进行表面有机化修饰后的A型nano‑SiO2、Omnirad 819光引发剂加入A型不饱和聚酯树脂中，以2000r/min的速率在高速剪切机中剪
切20min，得到nano‑SiO2改性的A组分；

[0041] 步骤三：将马来酸酐相容剂加入改性沥青中，搅拌10～20分钟，使其均匀分散，得到B组分；

[0042] 步骤四：将步骤二得到的A组分与步骤三得到的B组分混合，以4000r/min的速率剪切40min，得到nano‑SiO2改性UP沥青，即为桥面防水粘结层材料。

[0043] 采用的3～5mm、5～10mm和10～20mm三档料，根据T 0302—2005、T 0327—2005、T 0351—2005，进行粗集料、细集料和矿粉的筛分试验，选用4.3％的油石比，进行AC‑20沥青
混合料级配设计。

[0044] 为了进行后续研究其路用性能，制备桥面铺装复合板，步骤如下：

[0045] 采用0.41的水灰比，选用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水剂掺量为水泥用量的1.1％，先将拌好的水泥混凝土装入30cm×30cm×5cm试模中，置于标准环境下养生28d
后，采用拉毛的表面处理方式，然后将预制好的水泥混凝土板放入30cm×30cm×10cm的车
辙板试模中，四周垫上纸，用软毛刷均匀涂抹nano‑SiO2改性UP沥青防水粘结材料(桥面防
水粘结层材料)，防止防水粘结材料流到边缘。待其养生成型后用车辙成型仪在粘结层上装
入AC‑20混合料，放置1d以上后进行脱模即可制得桥面铺装复合板。

[0046] 实施例2

[0047] 实施例2与实施例1的区别在于A组分:B组分＝1:2.3。

[0048] 实施例3

[0049] 实施例3与实施例1的区别在于A组分:B组分＝1:2.6。

[0050] 实施例4

[0051] 实施例4与实施例1的区别在于A组分:B组分＝1:2.3。

[0052] 实施例5

[0053] 实施例5与实施例1的区别在于A组分:B组分＝1:2.9。

[0054] 对比例1

[0055] 对比例1与实施例1的区别在于，对比例1所用的沥青防水粘结层材料为基质沥青。

[0056] 对比例2

[0057] 对比例2与实施例1的区别在于，对比例2所用的沥青防水粘结层材料为SBR改性沥青。

[0058] 对比例3

[0059] 对比例3与实施例1的区别在于，对比例3所用的沥青防水粘结层材料为SBS改性乳化沥青。

[0060] 对比例4

[0061] 对比例4与实施例1的区别在于，对比例4所用的沥青防水粘结层材料为SBR改性乳化沥青。

[0062] 对实施例1～5进行拉伸试验、DSR试验，分析A、B组分的最优配比，以便于进一步对比研究不同沥青材料的防水粘结层的路用性能，试验情况如下：

[0063] 拉伸试验

[0064] 参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20‑2011》，对实施例1～5的试件进行拉伸试验，试验结果见表1。

[0065] 表1

[0066]  拉伸强度(MPa) 断裂延伸率(％)
实施例1 2.0 205
实施例2 1.95 218
实施例3 1.92 238
实施例4 1.6 245
实施例5 1.5 252

[0067] 由表1知，随着A组分(改性后UP):B组分(沥青和各种添加剂)比例的增大(从1:2.0到1:2.9)，拉伸强度逐渐下降，断裂伸长率逐渐增加。当A组分(改性后UP):B组分(沥青和各
种添加剂)的比例处于1:2.6时，nano‑SiO2改性UP沥青的伸长强度和断裂伸长率都处于较
大的值，故认为A组分(改性后UP):B组分(沥青和各种添加剂)的最优比例为1:2.6。

[0068] 2.DSR试验

[0069] 根据规范ASTM‑D 4402对实施例1～5试样进行动态剪切流变(DSR)试验，获取它们的复数剪切模量(G*)、相位角(δ)和车辙因子(G*/sinδ)试验结果见表2。

[0070] 表2

[0071]  G*/sinδ
实施例1 11
实施例2 10
实施例3 8.5
实施例4 6
实施例5 3

[0072] 由表2可知，随着A:B比例的变化(1:2.0～1:2.9)，nano‑SiO2改性UP沥青的车辙因子逐渐降低，说明其高温抗剪切性能下降。A:B比例(1:2.0～1:2.6)，G*/sinδ下降变缓，随
后A:B比例(1：2.6～1：2.9)，G*/sinδ下降迅速。单纯从车辙因子的角度，A:B＝1:2.0最优，
但由表1的结果，此时nano‑SiO2改性UP沥青断裂延伸率太低，粘结材料脆性太大，无法满足
足够的变形能力。

[0073] 综合拉伸和DSR试验结果，当A:B＝1：2.6时，nano‑SiO2改性UP沥青的拉伸强度、断裂延伸率、车辙因子都处于较高的值，强度、韧性和高温抗剪切性能三者都处于较优的区
间，能够较好的满足常温和高温下粘结层所需的性能。

[0074] 对实施例3、对比例1～4试件进行相关试验，对比研究其路用性能，各试验情况如下：

[0075] 渗水试验

[0076] 参考T 0971‑2008沥青路面渗水系数测试方法，本试验所采用的渗水仪是将路面渗水测定仪的原有600mm玻璃管加长800mm至1400mm，增加静水压力，以便更好的测试防水
粘结层的抗渗水性能。试验结果见表3

[0077] 表3

[0078]

[0079] 由表3可以看出，实施例3在不同时间的渗水高度均为0mm，说明实施例3的抗渗水性能均优于其他实施例。

[0080] 2.抗施工损伤性能试验

[0081] 在已经刷涂防水粘结层的水泥混凝土板上，撒布一层热的集料，然后在车辙成型仪上进行碾压，经过一定次数的碾压后，剥离集料，观察防水粘结层的损坏情况并进行渗水
试验，记录渗水仪的水柱下降高度，试验结果见表4。

[0082] 表4

[0083]

[0084] 由表4可知，五种防水粘结层经过抗施工损伤试验，实施例3有极少部分刺破，对比例1和对比例2有部分刺破，对比例3和对比例4均出现大部分刺破；经过渗水试验后，实施例
3的渗水高度均小于其他实施例材料，这说明实施例3材料所形成的粘结层的抗施工损伤性
能最优。

[0085] 3.抗浸水性能

[0086] 为研究水和温度对粘结层粘结性能的影响，将试样分别置于20℃、40℃的水浴中浸泡24h、48h、72h，然后分别进行剪切试验，同时对未经过浸泡的试件进行对比，试验结果
见表5、表6。

[0087] 表5

[0088]

[0089] 表6

[0090]

[0091] 由表5、表6知，在同一温度下，随着浸水时间的延长，五种防水粘结材料剪切强度均有不同程度的下降，实施例3的残留剪切强度比的下降曲线较其他实施例平缓的多。这与
三种粘结材料自身的属性有关，nano‑SiO2改性UP沥青属热固性沥青类材料，自身具有很强
的抗渗水性和层间粘结力；普通沥青类(基质沥青、SBS改性沥青)属于热塑性沥青类材料，
常温下具有较强的抗渗水性和层间粘结力；SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青属于乳化
沥青类材料，破乳后水分蒸发后形成层间粘结力，在水的浸泡下，粘结强度下降较快。在不
同温度下，40℃相较于20℃，五种粘结材料的抗剪强度下降更迅速，残留剪切强度比的曲线
更倾斜。这说明，较高温度下的水、温度耦合作用易造成粘结层材料的粘结强度的下降。综
上，nano‑SiO2改性UP沥青抗浸水的性能(实施例3)均优于其他沥青粘结层材料。

[0092] 4.抗冻融性能试验

[0093] 参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20‑2011》，六种粘结材料的芯样分别经过一个、两个、三个冻融循环(先在20℃的水浴中浸泡8h，然后在‑10℃下冰冻8h，然
后在20℃的水浴中浸泡8h)后，然后进行剪切试验，试验结果见表7。

[0094] 表7

[0095]

[0096] 由表7可知：随着冻融循环次数的增加，五种防水粘结材料剪切强度均有不同程度的下降，实施例3的残留剪切强度比的下降曲线较其他实施例平缓的多。这个趋势与经过浸
水后剪切试验的试验结果类似，故nano‑SiO2改性UP沥青具有最优的抗冻融循环的性能。

[0097] 5.抗疲劳性能试验

[0098] 参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20‑2011》进行疲劳试验，试验结果见表8、表9。

[0099] 表8

[0100]

[0101] 表9

[0102]

[0103]

[0104] 由表8、表9中的疲劳试验结果可知，按疲劳寿命由小到大的排序依次是：SBR改性乳化沥青、SBS改性乳化沥青、基质沥青、SBS改性沥青、nano‑SiO2改性UP沥青。这说明热沥
青(基质沥青、SBS改性沥青)相较于乳化类沥青(SBR改性乳化沥青、SBS改性乳化沥青)有更
好的粘结作用，树脂类沥青(nano‑SiO2改性UP沥青)相较于热沥青(基质沥青、SBS改性沥
青)有更好的粘结作用，更好地使水泥混凝土梁和沥青铺装层粘结成一个整体，提高了整体
的疲劳寿命。

[0105] 最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进
行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本
发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想
到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应
技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围
之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。