集料組成對環(huán)氧橡膠彈性混凝土力學性能影響的研究

舒興旺

（山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

橡膠混凝土是將廢舊汽車輪胎加工成橡膠顆?；蛳鹉z粉摻入混凝土中而制成的一種新型復(fù)合材料，它具有許多普通混凝土難以企及的優(yōu)越性能，如：輕質(zhì)、延性好、抗裂性強、彈性減震、透水透氣、保溫隔熱、隔音降噪等[1-3]。同時它本身作為一種環(huán)保產(chǎn)品，既拓寬了廢橡膠的應(yīng)用領(lǐng)域，合理地進行了資源循環(huán)利用，又解決了環(huán)境污染問題，因此，具有廣闊的應(yīng)用前景。但橡膠混凝土的強度比普通混凝土低，限制了其大范圍應(yīng)用，這主要是因為橡膠顆?；蛳鹉z粉與水泥漿體的相容性差，兩者之間不能形成有效的黏結(jié)，導(dǎo)致橡膠混凝土的力學性能降低[4-5]。

環(huán)氧樹脂材料因具有極好的黏結(jié)性、穩(wěn)定性、耐化學品性及力學強度，如環(huán)氧瀝青混凝土、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠、環(huán)氧樹脂混凝土、環(huán)氧砂漿[6]和環(huán)氧防腐涂料等材料，在公路結(jié)構(gòu)物的修筑、維修和養(yǎng)護工程中應(yīng)用越來越廣泛[7]。本課題組以環(huán)氧膠黏劑代替水泥膠凝材料，制備了一種環(huán)氧橡膠彈性混凝土，考察了其力學性能。擬利用環(huán)氧材料優(yōu)越的黏結(jié)性，改善與橡膠顆粒或橡膠粉的相容性和黏結(jié)力，從而提高橡膠混凝土的力學性能，為開發(fā)一種既具有水泥混凝土路面的強度和耐久性，又具有瀝青混凝土路面的行車舒適性和維修便利性的彈性混凝土路面材料進行有益的探索。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

液體環(huán)氧樹脂，工業(yè)級，市售；環(huán)氧活性稀釋劑，工業(yè)級，市售；環(huán)氧增韌劑，工業(yè)級，市售；改性胺固化劑，工業(yè)級，市售；1～2 mm廢舊橡膠顆粒（由廢舊卡車輪胎經(jīng)機械破碎加工而成），工業(yè)級，青島惠商橡膠有限公司；3～4 mm單一粒徑玄武巖石料，市售；細度模數(shù)為2.78的天然河砂，市售。

1.2 環(huán)氧橡膠彈性混凝土的制備

首先按質(zhì)量份計，將100份液體環(huán)氧樹脂、10份環(huán)氧活性稀釋劑和15份環(huán)氧增韌劑加入混合容器中，電動攪拌2 min，然后加入62.5份改性胺固化劑，電動攪拌1 min即得環(huán)氧膠液；接著按一定體積比稱取廢舊橡膠顆粒、玄武巖石料和砂子，電動攪拌混合2 min， 即得集料混合物；最后按 m環(huán)氧膠液：m集料混合物=20%計量比稱取環(huán)氧膠液和集料混合物，將兩者混合，電動攪拌5 min，即得環(huán)氧橡膠彈性混凝土。

1.3 測試與表征

抗壓強度、抗折強度測試按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》要求進行，試件為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體；抗拉強度試驗采用“8”字模法，按照DL/T5193—2004《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》要求進行；密度測試采用德國Sartorius公司電子天平BT125D稱量試件質(zhì)量。上述力學性能測試儀器采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司生產(chǎn)的微機控制電子萬能試驗機CMT4304，測試時試驗機電腦自動記錄荷載—位移曲線，位移速率設(shè)定為2 mm/min。試件養(yǎng)護方式：試件成型后在室溫下養(yǎng)護12 h，然后在60℃養(yǎng)護8 h，自然冷卻至室溫后開始測試。

2 結(jié)果與討論

環(huán)氧橡膠彈性混凝土是以環(huán)氧材料為連續(xù)相，石料、砂子和橡膠等集料為分散相組成的復(fù)合材料。在連續(xù)相即環(huán)氧材料組成和含量一定的情況下，復(fù)合材料的力學性能主要受分散相即集料組成影響。在集料組成中，石料和砂子屬剛性集料，模量大、強度高；橡膠顆粒屬彈性集料，模量小、強度低。復(fù)合材料在承受荷載時，荷載在剛性集料和彈性集料間相互傳遞，因兩類集料在模量和強度方面差異較大，故集料組成對復(fù)合材料力學性能應(yīng)該有一定的影響。

本研究主要考察了集料組成中橡膠體積含量、石料/砂子體積比等因素對環(huán)氧橡膠彈性混凝土密度和力學性能的影響。不同橡膠體積含量的環(huán)氧橡膠彈性混凝土的性能見表1，不同石料/砂子體積比的環(huán)氧橡膠彈性混凝土的性能見表2。

表1 不同橡膠體積含量的環(huán)氧橡膠彈性混凝土的性能

表2 不同石料/砂子體積比的環(huán)氧橡膠彈性混凝土的性能

2.1 橡膠體積含量對環(huán)氧橡膠彈性混凝土力學性能的影響

如表1所示，在V石∶V砂=1∶1條件下，橡膠體積含量分別為 33.3%、50.0%、60.0%、66.7%、71.4%時，環(huán)氧橡膠彈性混凝土的抗折強度分別為12.86 MPa、7.19 MPa、4.51 MPa、3.87 MPa、2.41 MPa；抗壓強度分別為 34.55 MPa、17.41 MPa、9.99 MPa、8.53 MPa、5.42 MPa；抗 拉 強 度 分 別 為 5.31 MPa、4.53 MPa、2.69 MPa、2.11 MPa、1.31 MPa；密度分別為1.69 g/cm3、1.39 g/cm3、1.23 g/cm3、1.17 g/cm3、1.10 g/cm3。以樣品1為參照，則抗折強度分別降低了0%、44.1%、64.9%、69.9%和81.3%；抗壓強度分別降低了0%、49.6%、71.1%、75.3%和84.3%；抗拉強度分別降低了0%、14.7%、49.3%、60.3%和75.3%；密度分別降低了0%、17.75%、27.22%、30.77%和34.9%。

由上述數(shù)據(jù)分析可知，隨著集料組成中橡膠體積含量不斷增大，環(huán)氧橡膠彈性混凝土的抗折強度、抗壓強度、抗拉強度和密度均逐漸降低，且降低幅度明顯。橡膠體積含量由33.3%增大到71.4%時，抗折強度降低了81.3%，抗壓強度降低了84.3%，抗拉強度降低了75.3%，密度降低了34.9%。這是因為：環(huán)氧橡膠彈性混凝土是由連續(xù)相（環(huán)氧材料）和分散相（集料）組成的復(fù)合材料，在連續(xù)相（環(huán)氧材料）組成和含量一定的情況下，復(fù)合材料的力學性能主要受分散相（集料）組成影響。復(fù)合材料在承受荷載時，荷載由剛性集料（石料和砂子）和彈性集料（橡膠）共同承擔，隨著集料組成中橡膠體積含量不斷增大，集料體系越來越呈現(xiàn)橡膠集料的性質(zhì)，復(fù)合材料的力學性能也越來越呈現(xiàn)橡膠材料的性質(zhì)，故復(fù)合材料的力學性能和密度顯著降低。

不同橡膠體積含量的復(fù)合材料的彎曲荷載—變形量曲線、壓縮荷載—變形量曲線、拉伸荷載—變形量曲線分別如圖1、圖2和圖3所示，圖中曲線的斜率可表示復(fù)合材料模量的大小，從圖中可以看出，隨著橡膠體積含量不斷增大，復(fù)合材料的彎曲模量、壓縮模量、拉伸模量均逐漸下降，最大變形量逐漸增大（除拉伸最大變形量變化不明顯外），且變化幅度明顯，表明復(fù)合材料的彈性越來越好，這與復(fù)合材料的抗折強度、抗壓強度、抗拉強度和密度變化規(guī)律一致，原因同上。在圖3中，a曲線和b曲線斜率變化不明顯，c曲線和d曲線斜率變化不明顯，各條曲線的最大變形量變化也不明顯，可能是因為本試驗采用8字型試件，拉伸部分截面較小，厚度較薄，而集料中石料和部分砂子尺寸較大，使拉伸截面上的橡膠體積含量和整個復(fù)合材料中的含量不一致，拉伸截面存在大尺寸剛性集料缺陷所致。

圖1 不同橡膠體積含量的復(fù)合材料的彎曲荷載—變形量曲線

圖2 不同橡膠體積含量的復(fù)合材料的壓縮荷載—變形量曲線

圖3 不同橡膠體積含量的復(fù)合材料的拉伸荷載—變形量曲線

2.2 石料/砂子體積比對環(huán)氧橡膠彈性混凝土力學性能的影響

如表2所示，在V膠%=50%條件下，石料/砂子體積比分別為 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3 時，環(huán)氧橡膠彈性混凝土的抗折強度分別為5.43 MPa、6.00 MPa、7.68 MPa、12.00 MPa、7.57 MPa；抗壓強度分別為 11.66 MPa、13.76 MPa、16.20 MPa、30.15 MPa、14.66 MPa；抗拉強度分別為 2.60 MPa、3.59 MPa、3.62MPa、4.66MPa、4.38MPa； 密 度 分 別 為1.47 g/cm3、1.52 g/cm3、1.50 g/cm3、1.61g/cm3、1.44 g/cm3。以樣品1為參照，則抗折強度分別提高了0%、10.5%、41.4%、121.0%和39.4%；抗壓強度分別提高了0%、18.0%、38.9%、158.6%和 25.7%；抗拉強度分別提高了0%、38.1%、39.2%、79.2%和68.5%；密度分別增大了0%、3.4%、2.0%、9.5%和-2.0%。

由上述數(shù)據(jù)分析可知，隨著集料組成中石料/砂子體積比不斷減小，環(huán)氧橡膠彈性混凝土的抗折強度、抗壓強度、抗拉強度和密度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。當石料/砂子體積比為1∶2時，抗折強度、抗壓強度、抗拉強度和密度均達到最高，與石料 /砂子體積比 3∶1相比，抗折強度提高了121.0%，抗壓強度提高了158.6%，抗拉強度提高了79.2%，密度增大了9.5%。這是因為：石料和砂子在強度和模量方面相當，當集料體系中石料和砂子體積總含量一定時，它們對復(fù)合材料的力學貢獻總和也幾乎不變，但隨著石料/砂子體積比不斷減小，由于較大尺寸石料與較小尺寸砂子間的鑲嵌作用，集料級配得到優(yōu)化，集料體系更密實，復(fù)合材料的缺陷更少，荷載傳遞更有效，故復(fù)合材料的力學性能不斷提高。當石料/砂子體積比為1∶2時，集料級配達到最優(yōu)，故各項力學性能最優(yōu)。

不同石料/砂子體積比的復(fù)合材料的彎曲荷載—變形量曲線、壓縮荷載—變形量曲線、拉伸荷載—變形量曲線分別如圖4、圖5和圖6所示，圖中曲線的斜率可表示復(fù)合材料模量的大小，從中可以看出，隨著石料/砂子體積比不斷減小，復(fù)合材料的彎曲模量、壓縮模量和拉伸模量均略有上升，僅當石料/砂子體積比為1∶2時，各種模量均顯著增大，這與復(fù)合材料的抗折強度、抗壓強度、抗拉強度和密度變化規(guī)律一致，原因同上。

圖4 不同石料/砂子體積比的復(fù)合材料的彎曲荷載—變形量曲線

圖5 不同石料/砂子體積比的復(fù)合材料的壓縮荷載—變形量曲線

圖6 不同石料/砂子體積比的復(fù)合材料的拉伸荷載—變形量曲線

3 結(jié)論

a）在V石∶V砂=1∶1條件下，以集料組成中橡膠體積含量為33.3%的樣品為參照，隨著橡膠體積含量不斷增大，環(huán)氧橡膠彈性混凝土的抗折強度、抗壓強度、抗拉強度和密度均逐漸減小，相應(yīng)模量逐漸降低，最大變形量不斷增大，且變化幅度較大。當橡膠體積含量增至71.4%時，抗折強度降低了81.3%，抗壓強度降低了84.3%，抗拉強度降低了75.3%，密度降低了34.9%。

b）在V膠%=50%條件下，以集料組成中石料/砂子體積比為3∶1的樣品為參照，隨著石料/砂子體積比不斷減小，環(huán)氧橡膠彈性混凝土的抗折強度、抗壓強度、抗拉強度和密度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，相應(yīng)模量略有上升。當石料/砂子體積比為1∶2時，各項性能均達到最高，抗折強度提高了121.0%，抗壓強度提高了158.6%，抗拉強度提高了79.2%，密度增大了9.5%。