環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的應力-應變曲線試驗*

舒興旺　張　影

(山西省交通科學研究院黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室

新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室　太原　030006)

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環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的應力-應變曲線試驗*

舒興旺張影

(山西省交通科學研究院黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室

新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室太原030006)

摘要：為了研究彈性改性劑對環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土力學性能的影響，通過改變彈性改性劑用量，制備了一系列環(huán)氧樹脂膠粘劑及環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土，考察了彈性改性劑含量對環(huán)氧樹脂膠粘劑性能和環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土抗折、抗壓應力-應變曲線的影響.結果表明，隨著彈性改性劑含量的質量分數(shù)增加(10%～80%)，環(huán)氧樹脂膠粘劑的性能有顯著變化；環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的抗折和抗壓應力-應變曲線均經歷了明顯的彈性階段-彈塑性階段-塑性階段的轉變；抗折和抗壓峰值應力均逐漸降低，峰值應變和峰值應變能均逐漸增大，且含量的質量分數(shù)低于60%時變化幅度緩慢，含量質量分數(shù)高于60%時變化幅度顯著增大.建議彈性改性劑含量的質量分數(shù)在40%～60%為宜，此時環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土具有較好的綜合性能.

關鍵詞：環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土；彈性改性劑；應力-應變曲線；峰值應變；峰值應變能

舒興旺(1980- )：男，碩士生，工程師，主要研究領域為環(huán)氧樹脂基材料的開發(fā)及其在公路工程中的應用

*山西省交通運輸廳科研計劃項目資助(批準號：2015-1-24)

0引言

瀝青混凝土和水泥混凝土是我國最主要的路面鋪裝材料，其各有優(yōu)缺點.瀝青路面屬柔性路面，路面平整，行車舒適，但強度較低，壽命較短，易出現(xiàn)高溫車轍和低溫易開裂等病害；水泥路面屬剛性路面，強度高，耐久性好，但行車噪聲大，舒適性差，易出現(xiàn)裂縫、斷板、錯臺、破碎、脫空或空洞等病害.開發(fā)一種模量介于瀝青混凝土和水泥混凝土之間的新型路面材料可能是兼容上述兩種路面優(yōu)點，消除其不足的有效途徑[1-2].

橡膠混凝土是將廢舊橡膠顆粒或橡膠粉摻入混凝土中制成的一種新型復合材料，它具有輕質、抗裂性強、彈性減震、透水透氣、保溫隔熱、隔音降噪等優(yōu)越性能，特別是其抗裂性能好、吸收能量大、韌性高及變形能力大，工程性能介于普通水泥混凝土(剛性)和瀝青混凝土(柔性)之間, 有望成為理想的路面鋪裝材料，現(xiàn)已成為了道路材料領域的研究熱點之一[3-7].文獻[8]報道, 在西班牙Salamanca附近的Gudino居民區(qū)建成了小摻量橡膠粉混凝土路面，經3 a重載交通，路面仍保持良好的性能.2003年在美國建造了多個彈性橡膠混凝土的試驗路段, 包括公路路面、停車泊位、網球場等[9].我國對橡膠混凝土也進行了大量的研究[10-12]，但工程應用缺乏.

隨著我國交通建設的迅猛發(fā)展，橡膠混凝土在交通行業(yè)的應用，能拓寬廢橡膠的應用領域，促進資源循環(huán)利用.但目前橡膠混凝土的強度較低，限制了其應用，主要原因在于：橡膠材料與水泥漿體的相容性差，兩者之間不能形成有效的黏結，導致強度降低明顯[13-14].雖然有研究人員嘗試采用橡膠顆粒表面改性處理的方法提高混凝土的強度，但隨橡膠摻量的增加，混凝土抗折強度下降仍較為明顯.

本文以環(huán)氧樹脂膠粘劑代替水泥漿體作為膠結材料，開發(fā)了一種環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土，利用環(huán)氧材料性能的可控性，改善橡膠材料與膠結材料的相容性和粘結性，從而提高橡膠混凝土的強度，為高性能橡膠混凝土的開發(fā)提供了一種新的思路.在前期工作中考察了橡膠類型及摻量、砂石級配、環(huán)氧樹脂膠粘劑摻量等因素對環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土性能的影響[15-16]，通過改變彈性改性劑摻量，制備了一系列環(huán)氧樹脂膠粘劑及其橡膠混凝土，考察了彈性改性劑摻量對環(huán)氧樹脂膠粘劑性能和環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土應力-應變曲線的影響，也間接考察了環(huán)氧樹脂膠粘劑性能對環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土性能的影響.

1試驗測試

1.1試驗原料

雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51，工業(yè)級，市售；環(huán)氧活性稀釋劑692，工業(yè)級，市售；彈性改性劑，自制；改性脂肪胺固化劑，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試驗儀器

CMT4304型微機控制電子萬能試驗機，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；BT125D型電子天平，德國Sartorius公司.

1.3環(huán)氧樹脂/橡膠彈性混凝土的制備

首先將雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51、環(huán)氧活性稀釋劑692、彈性改性劑和改性脂肪胺固化劑按質量份配方混合，電動攪拌3 min即得環(huán)氧膠粘劑；接著將玄武巖石料、砂子和廢舊橡膠顆粒按體積比1∶2∶3混合，電動攪拌3 min即得集料混合物；最后按質量比m(膠)∶m(集)=20%稱取環(huán)氧膠粘劑和集料混合物，將兩者混合，電動攪拌5 min，填入模具養(yǎng)護成型即得環(huán)氧樹脂/橡膠彈性混凝土.

1.4測試與表征

1) 環(huán)氧樹脂膠粘劑性能測試拉伸強度、拉伸彈性模量、斷裂伸長率等性能按GB/T 2567-2008測試；拉伸剪切強度按GB/T7124-2008測試.

2) 環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土應力-應變曲線抗壓強度、抗折強度按照GB/T 17671-1999測試，試件為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體，CMT4304型微機控制電子萬能試驗機測試時電腦自動記錄荷載-位移，位移速率2 mm/min.由式(1)～式(4)計算抗壓(或抗折)應力-應變，繪制抗壓(或抗折)應力-應變曲線：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：σ為壓縮應力，Pa；ε為壓縮應變，10-2；F為荷載，N；S為壓縮接觸面積，m2；l為壓頭位移，m；L為試件壓縮方向厚度，m；σf為彎折應力，Pa；εf為彎折應變，10-2；L0為彎折試驗跨距，m；b為試件彎折面寬度，m；d為試件彎折方向厚度，m.

峰值應力為最大應力；峰值應變?yōu)樽畲髴膽?；峰值應變能為單位體積的材料在變形至峰值應變時所消耗的總機械能，即應力-應變曲線下從0至峰值應變范圍內的面積.

(5)

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.

樣號規(guī)定：pbw指質量份數(shù)(parts by weight)；樣號E10指彈性改性劑含量為10 pbw的環(huán)氧樹脂膠粘劑，樣號C10指彈性改性劑含量為10 pbw的環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土，其他彈性改性劑含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑和環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土依次標注.

2試驗結果與分析

2.1環(huán)氧樹脂膠粘劑的配方設計與性能

環(huán)氧樹脂膠粘劑的配方見表1，彈性改性劑含量對環(huán)氧樹脂膠粘劑拉伸強度和斷裂伸長率、彈性模量和剪切強度等性能的影響分別見圖1～2.

表1　環(huán)氧樹脂膠粘劑的配方　pbw

圖1　環(huán)氧樹脂膠粘劑的拉伸強度和斷裂伸長率

圖2　環(huán)氧樹脂膠粘劑的拉伸彈性模量和剪切性能

從圖1～2可知，隨著彈性改性劑含量的增大，拉伸強度近似線性由55 MPa下降至3.2 MPa；斷裂伸長率逐漸增大，在40 pbw之前，由3%緩慢增至25%，在40 pbw之后，由25%快速增大至180%；拉伸彈性模量也近似線性由1 800 MPa降低至10 MPa；拉伸剪切強度在30 pbw之前小幅增大，在30 pbw之后，由21 MPa迅速下降至7.8 MPa，前期拉伸剪切強度增大，是因為在一定范圍內彈性改性劑含量的增大改善了環(huán)氧膠粘劑的韌性，從而提高了其粘接性能.

2.2環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的應力-應變曲線基本特征

圖3為環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的應力-應變曲線.由圖3可見，隨著彈性改性劑摻量增大，抗折和抗壓曲線上升段均經歷了明顯的彈性階段—彈塑性階段—塑性階段的轉變，轉變點分別為40 pbw和60 pbw.原因在于，隨著彈性改性劑摻量不斷增大，環(huán)氧樹脂膠粘劑的強度、模量和粘接性能均逐漸降低，變形性能逐漸增強，它在混凝土內部所形成的立體網絡結構的強度和模量也逐漸降低，不能很好地起到混凝土的支撐和固結作用，故混凝土的強度和模量逐漸降低，變形能力逐漸增大，從而實現(xiàn)了混凝土應力-應變行為由彈性階段—彈塑性階段—塑性階段的轉變.

圖3　環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的應力-應變曲線

2.3環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的峰值應力、峰值應變和峰值應變能

彈性改性劑摻量對峰值應力、峰值應變和峰值應變能的影響見圖4～6.由圖中可知，隨著彈性改性劑摻量增大，環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土抗折和抗壓應力-應變曲線特征參數(shù)的變化趨勢基本一致：峰值應力逐漸降低，峰值應變和峰值應變能逐漸增大；摻量低于60 pbw時變化幅度緩慢，摻量高于60 pbw時變化幅度明顯.峰值應變能是表征單位體積的材料變形到峰值應變時所消耗的總機械能，即材料在產生結構劣化前所能吸收的最大能量，當外加能量超過峰值應變能時就會導致材料性能劣化，故隨著彈性改性劑摻量不斷增大，峰值應變能越來越大，表明環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的韌性和抗沖擊能力越來越強.

從上述數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律可知：當彈性改性劑摻量在40～60 pbw時，環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土具有較好的綜合性能：抗折峰值應力在12.88～11.07 MPa，峰值應變在3.75%～5.64%，峰值應變能在25.96～38.69 MJ/m3；抗壓峰值應力在30.26～29.61 MPa，峰值應變在5.40%～8.56%，峰值應變能在104.77～177.46 MJ/m3.

圖4　抗折曲線的峰值應力和峰值應變

圖5　抗壓曲線的峰值應力和峰值應變

圖6　抗折和抗壓曲線的峰值應變能

2.4力學性能分析

環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土與普通混凝土、橡膠混凝土的力學性能參數(shù)對比如表2.

由表2可見，隨著 C35普通混凝土中橡膠體積摻量的增大，其抗壓強度和抗折強度均顯著降低，極限壓縮變形率顯著增大.環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土中橡膠體積摻量為50%時，其抗壓強度約30 MPa，抗折強度為11.0～12.8 MPa，極限壓縮變形率為5.4%～8.5%，是C35普通混凝土抗壓強度的0.8倍，抗折強度的2.5倍，極限壓縮變形率的21～32倍；是橡膠體積摻量20%的RC35橡膠混凝土抗壓強度的3.8倍，抗折強度的5.2～6.1倍，極限壓縮變形率的6.6～10.5倍.上述數(shù)據(jù)表明，與普通混凝土和橡膠混凝土相比，環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土具有更好的綜合力學性能且橡膠摻量更大，對于抗折強度要求較高而抗壓強度要求較低的剛性路面鋪裝材料而言，應用前景廣闊.

表2　環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土與普通混凝土、

注：C35表示C35普通混凝土；RC35表示橡膠改性C35普通混凝土，RC35-20%表示橡膠體積摻量為20%的RC35，其他摻量依此表示；EP/R表示環(huán)氧/橡膠混凝土，EP/R-50%*中彈性改性劑摻量為40～60 pbw；普通混凝土和橡膠混凝土性能參數(shù)來自文獻[4].

3結論

1) 隨著彈性改性劑摻量逐漸增大，環(huán)氧樹脂膠粘劑的拉伸強度和拉伸彈性模量近似線性下降，斷裂伸長率逐漸增大，拉伸剪切強度先增大后減??；環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的抗折和抗壓應力-應變曲線均經歷了明顯的彈性階段-彈塑性階段-塑性階段的轉變，曲線峰值應力均逐漸降低，峰值應變和峰值應變能均逐漸增大.

2) 彈性改性劑摻量在40～60 pbw時，環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土具有較好的綜合性能；與普通混凝土和橡膠混凝土相比，環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土具有更好的綜合性能且橡膠摻量更大，對于抗折強度要求較高而抗壓強度要求較低的剛性路面鋪裝材料而言，應用前景廣闊.

參 考 文 獻

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Experiment on Stress-strain Curve of Epoxy-rubber Concrete

SHU XingwangZHANG Ying

(KeyLabofHighwayConstruction&MaintenanceTechnologyinLoessRegion，

MinistryofTransport，NationalandLocalJointEngineeringLaboratoryofNewMaterials

inRoad，ShanxiTransportationResearchInstitute，Taiyuan030006，China)

Abstract：To research the effect of a elastic modifier on the mechanical properties of epoxy/rubber concrete, series of epoxy adhesives and epoxy/rubber concretes were prepared with different elastic modifier content, the relationship between elastic modifier content and epoxy adhesive properties, compressive and bending stress-strain curve of epoxy/rubber concretes were investigated. Results show that: as the increase of elastic modifier content (10～80 pbw), the adhesive properties change significantly; both the compressive and bending stress-strain curves of epoxy/rubber concretes experience the stage transition of elastic-elastoplasticity-plastic apparently; compressive and bending peak stress decreases, and the corresponding strain and stain energy increase, the above four characters all experience abrupt change after 60 pbw. Content of elastic modifier between 40pbw and 60 pbw is proposed to attain better comprehensive properties of epoxy/rubber concretes.

Key words：epoxy/rubber concrete; elastic modifier; stress-strain curve; peak strain; peak strain energy

收稿日期：2015-10-01

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.023

中圖法分類號：U414