一种表面负载纳米二氧化钛的缓堵型风积沙透水砖及其制备方法与流程

本发明属于海绵城市技术领域，具体涉及一种表面负载纳米二氧化钛的缓堵型风积沙透水砖及其制备方法，利用透水砖表面负载的纳米二氧化钛的亲水性和光催化性，提高透水砖透水性能。

背景技术：

透水砖路面铺装是低影响开发(lid)技术措施之一，透水砖利用其内部孔隙明显改善城镇环境，如显著减少雨洪峰量、减轻雨水污染、减小城市交通噪音、削弱城市热岛效应，近年来在市政领域正在推广。但普遍存在的堵塞问题直接影响其长期的工作效能，成为制约其广泛应用的重要瓶颈。一般要求透水砖透水系数不应小于等于0.01cm/s，合理使用年限宜为8～10年；国内外透水砖的透水系数波动大(0.0002～1.82cm/s)，不少透水砖的使用年限短至1～2年。透水砖堵塞主要包括粗颗粒在砖体浅层的表层阻塞和细颗粒渗入砖体内部的深层堵塞，目前主要通过表面清扫、高压水冲洗和真空抽吸等方法清除表层截留的颗粒物，但无法有效清除深层截留的颗粒物。

如需从根本上解决透水砖堵塞问题，应从减小透水砖孔隙弯曲度和削弱透水砖孔隙表面对颗粒物的粘附能力着手，本专利主要从后者着手研制防堵型透水砖。虽然以纳米二氧化钛光催化降解污染物的优良性能已被高度关注，但鲜有利用其亲水性来控制雨水中颗粒物质堵塞透水砖的报道，因此，本专利着力追求制备一种负载适量纳米二氧化钛的高透水性透水砖，利用纳米二氧化钛的亲水性减少颗粒物质粘附在透水砖表面的机率，降低透水砖堵塞风险，延长透水砖使用寿命。

技术实现要素：

针对目前透水砖使用过程中，透水砖易堵塞，渗透性能下降快，使用寿命短的问题，本发明的目的在于提供一种表面负载纳米二氧化钛的缓堵型风积沙透水砖及其制备方法，具体原理是利用纳米二氧化钛的亲水性来降低颗粒物质粘附在透水砖表面的能力，以延缓透水砖堵塞，提高透水砖透水性能，延长其使用寿命。

为了实现以上目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种表面负载纳米二氧化钛的缓堵型风积沙透水砖的制备方法，包括以下步骤：

1)制备以风积沙为主原料的透水砖基体；

2)将适量分散剂和纳米二氧化钛加入到纯水中，依次超声处理和磁力搅拌，制得纳米二氧化钛分散液；

3)将该纳米二氧化钛分散液采用浸提法和喷涂法分别均匀负载至透水砖基体的粗糙表面上；

4)将步骤3)处理后的透水砖基体烘干成膜，保温，最终制得负载有纳米二氧化钛涂层的透水砖。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，所述透水砖基体以风积沙为主原料，以核桃沙为造孔剂，以石灰石为发泡剂，以长石粉、废玻璃粉和羧甲基纤维素为粘结剂，羧甲基纤维素以下简称为cmc，按质量百分比为：风积沙75-85％，核桃沙0.5-2％，石灰石0.5-2％，长石粉8-12％，废玻璃粉6-15％,最后添加质量为干重质量的10-12％浓度为4％的cmc溶胶。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，具体包括以下步骤：

101)风积沙干燥后，过筛分级，取40-60目备用；

将核桃砂过筛分级，取40-60目备用；

将长石粉过筛分级，取120-160目备用；

将石灰石、废玻璃分别粉碎，放在球磨机研磨，过筛分级，取120-160目备用；

102)将风积沙、核桃砂、石灰石、长石粉、废玻璃粉设定质量比例混合均匀，并加基体干重质量为10-12％的浓度为4％的cmc溶胶，并均质化；

103)在尺寸为20cm×10cm×5cm钢制模具布料，在成型压力120t的压力下压制成型，所制透水砖表面积为0.02㎡；

104)烧成制度为：在室温条件下干燥24h后，以加热速率为5℃/min上升到300℃，随后以加热速率2℃/min从300℃上升至600摄氏度，在600℃下保温1h，接着以加热速率2℃/min从600℃上升至900℃，最后以1.5℃/min从900℃上升至1180℃，在1180℃下保温时间30min；经高温烧结后，在自然通风条件下冷却，制得透水砖基体。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的纳米二氧化钛分散液中，分散剂质量分数为1％，且分散剂为三聚磷酸钠或六偏磷酸钠；纳米二氧化钛为白色松散粉末，为锐钛矿型纳米二氧化钛，粒径为5-100nm，基体表面单位面积负载量为50-200g/㎡。

本发明进一步的改进在于，步骤2)具体包括以下步骤：

201)确定所要配置的纳米二氧化钛分散液质量，称取质量为分散液质量的1％的三聚磷酸钠或六偏磷酸钠分散剂1份和1-4g的5-100nm纳米二氧化钛1份；

202)将质量分数为1％的分散剂和1-4g的锐钛矿型纳米二氧化钛加入到纯水中，最终得到纳米二氧化钛胶体溶液；

203)将纳米二氧化钛胶体溶液，依次超声处理30min、磁力搅拌2h，超声温度为50℃，功率为100-180w，最终制得纳米二氧化钛分散液。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，浸提法是指将透水砖表层在二氧化钛分散液浸入深度为10mm，浸提时间30min，浸提法表面单位面积纳米二氧化钛负载量为50-200g/㎡。

在喷涂法中，采用压力喷枪，喷头为0.5-1mm小口径雾化喷头，喷出压力为0.2-0.3mpa，将二氧化钛分散液均匀地喷涂在透水砖10mm厚表层的外表面，喷涂时间10～20min，喷涂法表面单位面积纳米二氧化钛负载量为50-200g/㎡。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，将负载纳米二氧化钛的透水砖置于110℃烘箱中烘干成膜，保温4h，最终表面负载有均匀的纳米二氧化钛的高透水性透水砖制备完成。

一种表面负载纳米二氧化钛的缓堵型风积沙透水砖，采用上述制备方法制备得到。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

(1)本发明采用风积沙作为透水砖的基体材料，主要来源于沙漠、戈壁，其粒径主要分布在0.074～0.250㎜之间，含量高达90％以上，大于0.25㎜的颗粒极少；粒径比较均匀，不均匀系数约为1.35；采用风积沙作为透水砖基体，有利于在透水砖内利用砂粒之间的孔隙形成较为规则的过水通道，减少透水砖内部的迂曲度，增强透水砖的透水性，砖基体的透水系数可达0.2-0.5cm/s，并且不易于堵塞。

(2)本发明采用风积沙为基体材料，以核桃砂为造孔剂，以石灰石为发泡剂，以长石粉、废玻璃粉和羧甲基纤维素为粘结剂，羧甲基纤维素以下简称为cmc，按质量百分比为：风积沙75-85％，核桃砂0.5-2％，石灰石0.5-2％，长石粉8-12％，废玻璃粉6-12％；最后添加质量为干重质量的10-12％，浓度为4％的cmc溶胶。采用这样的独特配方，可以保证风积沙在具有良好透水性的同时，还具有足够的强度和抗冻性能，抗折强度达到4-8mpa，大大拓展了它的应用范围，解决了很多透水砖耐冻性能较差的不足。而且原料廉价易得，充分利用了资源；

(3)本发明采用的二氧化钛负载方法为表层浸提或喷涂法，工艺简单，易于实施，根据大量的透水实验和文献查阅，透水砖堵塞主要集中在其表层，故本发明主要在透水砖表面负载纳米二氧化钛，二氧化钛在透水砖表面也不易团聚，很好地发挥了二氧化钛的亲水性能，大大降低了雨水径流中颗粒物质在透水砖表面的截留和堵塞，通过表层负载一定量的纳米二氧化钛后，风积沙透水砖的透水系数总体比未负载二氧化钛的风积沙透水砖提高43～112％；同时采用粒径为5-100nm，基体表面单位面积负载量为50-200g/㎡，所选粒径范围的二氧化钛价格相对较低，所负载的二氧化钛量相对较少，大大节省了纳米二氧化钛的投资，相应降低纳米透水砖的制备成本；

(3)本发明中所采用的风积沙，粒径范围较为集中，主要分布在0.074～0.250㎜之间，含量高达90％以上；此外，粒径比较均匀，不均匀系数约为1.35，较大的比表面积、较为粗糙的表面和高孔隙率为纳米二氧化钛的负载提供了良好的载体，其附着能力增强，负载后的纳米材料不易脱落，很好地发挥了风积沙和纳米二氧化钛的协同互补作用，形成了透水性能好、耐堵塞、抗冻的缓堵型风积沙透水砖；

(4)喷涂法和浸提法负载纳米二氧化钛制备缓堵型风积沙透水砖，会大大减弱雨水径流所携颗粒物在透水砖表面及内部可能的粘附，在大大提高透水性能的同时，也很好地延长了其使用寿命，同时促进了透水砖的多功能性，对加快海绵城市建设有着重要作用。

附图说明

图1为未负载及浸提法负载50g/㎡纳米二氧化钛的透水砖的透水性能对比曲线图；

图2为未负载及喷涂负载50g/㎡纳米二氧化钛的透水砖的透水性能对比曲线图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明，应该强调的是，下面说明可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，而不是限制本发明的范围及应用。

在一种实施例中，本发明提供的一种表面负载纳米二氧化钛的缓堵型风积沙透水砖的制备方法，包括以下步骤：

1)制备以风积沙为主原料的透水砖基体；

2)将适量分散剂和纳米二氧化钛加入到纯水中，依次超声处理和磁力搅拌，制得纳米二氧化钛分散液；

3)将该纳米二氧化钛分散液采用浸提法和喷涂法分别均匀负载至透水砖基体的粗糙表面上；

4)将步骤3)处理后的透水砖基体烘干成膜，保温，最终制得负载有纳米二氧化钛涂层的透水砖。

在所优选的实施例中，步骤1)中，所述透水砖基体以风积沙为主原料，以核桃砂为造孔剂，以石灰石为发泡剂，以长石粉、废玻璃粉和cmc为粘结剂，按质量百分比为：风积沙75-85％，核桃砂0.5-2％，石灰石0.5-2％，长石粉8-12％，废玻璃粉6-12％。最后添加浓度为4％，质量为基体干重质量的10-12％的cmc溶胶。

在所优选的实施例中，步骤1)中，具体包括以下步骤：

101)风积沙干燥后，过筛分级，取40-60目备用；

将核桃砂过筛分级，取40-60目备用；

将长石粉过筛分级，取120-160目备用；

将石灰石、废玻璃分别粉碎，放在球磨机研磨，过筛分级，取120-160目备用；

102)将风积沙：核桃砂：石灰石：长石粉：废玻璃粉按质量比例75-85％：0.5-2％：0.5-2％：8-12％：6-15％混合均匀，加质量为基体干重质量的10-12％浓度为4％cmc溶胶，并均质化；

103)在尺寸为20cm×10cm×5cm钢制模具布料，在成型压力120-140t的压力下压制成型，所得透水砖砖表面积为0.02㎡；

104)烧成制度为：在室温条件下干燥24h后，以加热速率为5℃/min上升到300℃，随后以加热速率2℃/min从300℃上升至600摄氏度，在600℃下保温1h，接着以加热速率2℃/min从600℃上升至900℃，最后以1.5℃/min从900℃上升至1180℃，在1180℃下保温时间30min；经高温烧结后，在自然通风条件下冷却，制得所述透水砖基体。

在所优选的实施例中，步骤2)的纳米二氧化钛分散液中，分散剂质量分数为1％，较佳的，分散剂为三聚磷酸钠或六偏磷酸钠。二氧化钛为锐钛矿型纳米二氧化钛，粒径范围为5-100nm，单位面积纳米二氧化钛负载量为50-200g/㎡。

在所优选的实施例中，步骤2)包括以下步骤：

201)确定所配置分散液质量，称量质量为分散液的质量1％的三聚磷酸钠(六偏磷酸钠)分散剂1份和质量为1-4g的粒径为5-100nm的锐钛矿型纳米二氧化钛1份。

202)将质量分数为1％的分散剂和质量为1-4g的锐钛矿型纳米二氧化钛加入纯水中，最终所得纳米二氧化钛胶体溶液。

203)将胶体溶液依次超声处理30min、磁力搅拌2h，超声温度为50℃，功率为100w，最终制得纳米二氧化钛分散液。

在所优选的实施例中，步骤3)，在浸提法中，透水砖表层在二氧化钛分散液的浸入深度为10mm，浸提时间30min，浸提法单位面积纳米二氧化钛负载量为50-200g/㎡。；在喷涂法中，采用孔径为0.5-1mm小孔径雾化式喷头的压力喷枪，喷出压力为0.2-0.3mpa，将二氧化钛分散液均匀地喷涂在透水砖10mm厚表层的外表面，喷涂时间10～20min，喷涂法单位面积纳米二氧化钛负载量为50-200g/㎡。

在所优选的实施例中，步骤4)中，将负载纳米二氧化钛的透水砖置于110℃烘箱中烘干成膜，保温4h，表面上负载有均匀的纳米二氧化钛的高透水型透水砖制备完成。

实施例1：

1.风积沙透水砖基体的制备：

本发明所述透水砖基体以风积沙为主原料，以核桃砂为造孔剂，以石灰石为发泡剂，以长石粉、废玻璃粉和cmc为粘结剂，按质量百分比为：风积沙81％，核桃砂0.5％，石灰石0.5％，长石粉12％，废玻璃粉6％。最后加基体干重质量为10％的浓度为4％cmc溶胶，制备方法具体包括以下步骤：

101)风积沙干燥后，过筛分级，取40-60目备用；

将核桃砂过筛分级，取40-60目备用；

将长石粉过筛分级，取140-160目备用；

将石灰石、废玻璃分别粉碎，放在球磨机研磨，过筛分级，取140-160目备用；

102)将风积沙：核桃砂：石灰石：长石粉：废玻璃粉按质量比例81％：0.5％：0.5％：12％：6％混合均匀，搅拌均匀，最后加基体干重质量为10％的浓度为4％cmc溶胶，并均质化；

103)在尺寸为20cm×10cm×5cm钢制模具布料，在成型压力120t的压力下压制成型，所制砖单块砖表面积为0.02㎡；

104)烧成制度为：在室温条件下干燥24h后，以加热速率为5℃/min上升到300℃，随后以加热速率2℃/min从300℃上升至600摄氏度，在600℃下保温1h，接着以加热速率2℃/min从600℃上升至900℃，最后以1.5℃/min从900℃上升至1180℃，在1180℃下保温时间30min；经高温烧结后，在自然通风条件下冷却，制得所述透水砖基体。

2.纳米二氧化钛分散液的制备

201)确定所要配置分散液的质量300g，用称量天平称取质量为分散液质量1％的三聚磷酸钠作为本实施例的分散剂1份；

202)称取质量为1g粒径为100nm的锐钛矿型纳米二氧化钛1份；

203)分别取一份分散剂和一份纳米二氧化钛，将其加入纯水中，依次超声处理30min、磁力搅拌2h，超声温度为50℃，超声功率为100w，最终制得纳米二氧化钛分散液。

3.透水砖表层浸提负载纳米二氧化钛

301)将透水砖表层10mm厚度全部浸入纳米二氧化钛分散液，浸提时间为30min后取出；

302)将步骤301)中负载好纳米二氧化钛的透水砖置于110℃烘箱中烘干成膜，保温4h，最终制得表面均匀负载有不同粒径大小的纳米二氧化钛薄膜的透水砖。

从图1可以看出，浸提法单位面积纳米二氧化钛负载量为50g/㎡的透水性能与未负载纳米二氧化钛的透水砖相比，透水性能提高，其初期平均透水系数比未负载的透水砖高43.64％，后期稳定时平均透水系数比未负载透水砖高48.70％。

实施例2：

1.风积沙透水砖基体的制备：

本发明所述透水砖基体以风积沙为主原料，以核桃砂为造孔剂，以石灰石为发泡剂，以长石粉、废玻璃粉和cmc为粘结剂，按质量百分比为：风积沙75％，核桃砂2％，石灰石2％，长石粉12％，废玻璃粉9％。最后加质量为基体干重质量12％的浓度为4％cmc溶胶。制备方法具体包括以下步骤：

101)风积沙干燥后，过筛分级，取40-60目备用；

将核桃砂过筛分级，取40-60目备用；

将长石粉过筛分级，取140-160目备用；

将石灰石、废玻璃分别粉碎，放在球磨机研磨，过筛分级，取140-160目备用；

102)将风积沙：核桃砂：石灰石：长石粉：废玻璃粉按质量比例75％：2％：2％：12％：9％，并混合均匀，最后加基体干重质量为12％的浓度为4％cmc溶胶，并均质化；

103)在尺寸为20cm×10cm×5cm钢制模具布料，在成型压力120t的压力下压制成型；

104)烧成制度为：在室温条件下干燥24h后，以加热速率为5℃/min上升到300℃，随后以加热速率2℃/min从300℃上升至600摄氏度，在600℃下保温1h，接着以加热速率2℃/min从600℃上升至900℃，最后以1.5℃/min从900℃上升至1180℃，在1180℃下保温时间30min；经高温烧结后，在自然通风条件下冷却，制得所述透水砖基体。

2.纳米二氧化钛分散液的制备

201)确定所要配置分散液的质量300g，用称量天平称取质量为分散液质量1％的三聚磷酸钠作为本实施例的分散剂1份；

202)称取质量为1g的粒径25nm的锐钛矿型纳米二氧化钛1份；

203)分别取一份分散剂和一份纳米二氧化钛，将其加入纯水中，依次超声处理30min、磁力搅拌2h，超声温度为50℃，超声功率为100w，最终纳米二氧化钛分散液。

3.透水砖表层喷涂负载纳米二氧化钛

301)用0.5mm小口径雾化式喷头的压力喷枪，喷出压力为0.3mpa，将二氧化钛分散液均匀地喷涂在透水砖10mm厚表层的外表面，喷涂时间为10-20min后取出；

302)将步骤301)中负载好纳米二氧化钛的透水砖置于110℃烘箱中烘干成膜，保温4h，最终制得表面均匀负载有不同粒径大小的纳米二氧化钛薄膜的透水砖。

从图2可以看出，喷涂法单位面积纳米二氧化钛负载量为50g/㎡透水砖的透水性能与未负载纳米二氧化钛的透水砖相比，透水性能提高，初期平均透水系数比未负载的透水砖111.15％，后期稳定时平均透水系数比未负载透水砖高96.52％。

实施例3：

1.风积沙透水砖基体的制备：

本发明所述透水砖基体以风积沙为主原料，以核桃砂为造孔剂，以石灰石为发泡剂，以长石粉、废玻璃粉和cmc为粘结剂，按质量百分比为：风积沙85％，核桃砂0.5％，石灰石0.5％，长石粉8％，废玻璃粉6％。最后加质量为基体干重质量12％浓度为4％cmc溶胶。制备方法具体包括以下步骤：

101)风积沙干燥后，过筛分级，取40-60目备用；

将核桃砂过筛分级，取40-60目备用；

将长石粉过筛分级，取140-160目备用；

102)将风积沙：核桃砂：石灰石：长石粉：废玻璃粉按质量比例85％：0.5％：0.5％：8％：6％，并混合均匀。最后加质量为基体干重质量12％的浓度为4％cmc溶胶并均质化；

103)在尺寸为20cm×10cm×5cm钢制模具布料，在成型压力120t的压力下压制成型；

104)烧成制度为：在室温条件下干燥24h后，以加热速率为5℃/min上升到300℃，随后以加热速率2℃/min从300℃上升至600摄氏度，在600℃下保温1h，接着以加热速率2℃/min从600℃上升至900℃，最后以1.5℃/min从900℃上升至1180℃，在1180℃下保温时间30min；经高温烧结后，在自然通风条件下冷却，制得所述透水砖基体。

2.纳米二氧化钛分散液的制备

201)确定所要配置分散液的质量300g，用称量天平称取质量为分散液质量1％的三聚磷酸钠作为本实施例的分散剂1份；

202)称取质量为4g粒径5nm的锐钛矿型纳米二氧化钛1份；

203)分别取一份分散剂和一份纳米二氧化钛，将其加入纯水中，依次超声处理30min、磁力搅拌2h，超声温度为50℃，超声功率为100w，最终制得纳米二氧化钛分散液。

3.透水砖表层喷涂负载纳米二氧化钛

301)用1mm小口径雾化式喷头的压力喷枪，喷出压力为0.2mpa，将二氧化钛分散液均匀地喷涂在透水砖10mm厚表层的外表面，喷涂时间为10-20min后取出；

302)将步骤301)中负载好纳米二氧化钛的透水砖置于110℃烘箱中烘干成膜，保温4h，最终制得表面均匀负载有不同粒径大小的纳米二氧化钛薄膜的透水砖。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式作出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。