促進(jìn)劑和粉煤灰對環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土性能的影響

林 浩

（山西省交通科學(xué)研究院 新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

0 引言

我國高等級公路的路面形式主要是水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面。水泥混凝土路面是剛性路，具有承載能力強(qiáng)、強(qiáng)度高和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但是在使用過程中容易出現(xiàn)裂縫、破碎、錯(cuò)臺等現(xiàn)象；瀝青混凝土路面是柔性路面，最大的優(yōu)勢就是行車舒適性高，但其使用壽命短，使用過程中容易出現(xiàn)松散、坑槽和車轍等現(xiàn)象。二者使用過程中出現(xiàn)的病害嚴(yán)重影響交通暢通，并給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的威脅。環(huán)氧樹脂（EP，以下簡稱EP）/橡膠混凝土的模量介于水泥混凝土和瀝青混凝土之間，是未來高等級公路的理想材料之一[1-2]。EP/橡膠混凝土糅合了環(huán)氧樹脂（EP）和橡膠粉的優(yōu)點(diǎn)，具有高溫穩(wěn)定性，抗裂性和減震降噪性等優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，EP/橡膠混凝土還解決了大批廢舊輪胎無法處理的問題，從循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)方面同樣具有積極的意義[3-7]。

EP/橡膠混凝土路面因早期設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)等原因會發(fā)生早期破壞，而這些路段通常交通比較繁忙，這就需要克服因封閉交通時(shí)間過長而造成的經(jīng)濟(jì)損失，并保證人們的施工與出行的方便與安全，所以人們希望路面鋪筑或者大修后，能盡快開放交通[8-12]。

EP/橡膠混凝土的固化強(qiáng)度和固化速度對開放交通時(shí)間、保證車輛安全順暢通行起到至關(guān)重要的作用。為了縮短修筑EP/橡膠混凝土路面的開放交通時(shí)間，提高路面強(qiáng)度，保證車輛安全順暢通行，本文重點(diǎn)研究了EP/橡膠混凝土中固化促進(jìn)劑和粉煤灰的摻量對EP/橡膠混凝土固化速度、強(qiáng)度、模量和變形率等性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

液體環(huán)氧樹脂（EP），工業(yè)級，中國石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司巴陵石化分公司；改性脂肪胺固化劑，工業(yè)級，北京清華大奇士新材料技術(shù)有限公司；2～4 mm廢舊橡膠顆粒，工業(yè)級，青島惠商橡膠有限公司；促進(jìn)劑（DMP-3），工業(yè)級，北京清華大奇士新材料技術(shù)有限公司；粉煤灰，工業(yè)級，市售；環(huán)氧樹脂稀釋劑（芐基縮水甘油醚），工業(yè)級，安徽新遠(yuǎn)化工有限公司；奇士增韌劑（QS 030N），工業(yè)級，北京清華大奇士新材料技術(shù)有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司。

1.3 不同配方EP/橡膠混凝土的制備

a）按一定質(zhì)量比稱取廢舊橡膠顆粒和粉煤灰，攪拌2 min，得到集料。

b）按照質(zhì)量比為20∶3∶2的比例稱取液體EP、增韌劑和稀釋劑，在容器中攪拌均勻，作為EP膠黏劑的A組分；EP膠黏劑的B組分為一定質(zhì)量比的促進(jìn)劑和改性脂肪胺固化劑的混合物。然后A組分和B組分按比例均勻混合作為EP膠黏劑。

c）按比例稱取集料和EP膠黏劑，均勻混合攪拌，得到EP/橡膠混凝土，置于模具中成型，固化后脫模得到40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體。

1.4 測試與表征

壓縮強(qiáng)度按照GB/T 17671—1999標(biāo)準(zhǔn)，采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（CMT4304型）進(jìn)行測定。

1.5 結(jié)果與討論

前期工作中，通過EP體系力學(xué)性能對比實(shí)驗(yàn)，確定了EP性能最優(yōu)的固化劑用量。本研究主要考察 m（促進(jìn)劑）∶m（固化劑）比例、m（粉煤灰）∶m（橡膠顆粒）比例等因素對EP/橡膠混凝土固化時(shí)間、力學(xué)性能、模量以及變形率的影響。

1.5.1 促進(jìn)劑和粉煤灰摻量對EP/橡膠混凝土強(qiáng)度的影響

不同促進(jìn)劑摻量和不同粉煤灰摻量的EP/橡膠混凝土在不同固化時(shí)間條件下的壓縮性能分別列于表1和表2。

表1 不同促進(jìn)劑摻量EP/橡膠混凝土的性能

表2 不同粉煤灰摻量EP/橡膠混凝土的性能

由表1可知：以樣號1為基準(zhǔn)，固化6 h后，樣號 2～4的壓縮強(qiáng)度分別提高了 65%、164%和216%；固化9 h后，樣號2～4的壓縮強(qiáng)度分別提高了68%、127%和163%；固化12 h后，樣號2～4的的壓縮強(qiáng)度分別提高了 33%、70%和 80%；固化24 h后，樣號2～4的壓縮強(qiáng)度分別提高了47%、87%和90%；固化7 d后，樣號2～4的壓縮強(qiáng)度分別提高了31%、66%和69%。如圖1所示，隨著固化劑中促進(jìn)劑的含量不斷增大，EP/橡膠混凝土早期固化強(qiáng)度和7 d后的固化強(qiáng)度均顯著提高；這是因?yàn)榇龠M(jìn)劑能夠提高EP/橡膠混凝土中固化劑的固化速度和固化效果，使結(jié)構(gòu)膠盡快發(fā)揮高強(qiáng)的黏結(jié)性能，促進(jìn)劑含量從5%～15%時(shí)，固化速度和固化效果呈直線上升趨勢。隨著促進(jìn)劑含量的增加，固化速度和固化效果能夠明顯提高；當(dāng)促進(jìn)劑由15%～20%時(shí)，固化速度和固化效果變化很小，從固化速度、固化效果和經(jīng)濟(jì)方面考慮，EP/橡膠混凝土促進(jìn)劑的最佳摻量是15%。

圖1 不同促進(jìn)劑含量試件強(qiáng)度提高率

以樣號2為基準(zhǔn)時(shí)。固化6 h后，樣號5～7的壓縮強(qiáng)度分別提高了5%、16%和1%；固化9 h后，樣號5～7的壓縮強(qiáng)度分別提高了5%、12%和7%；固化12 h后，樣號5～7的壓縮強(qiáng)度分別提高了8%、9%和15%；固化24 h后，樣號5～7的壓縮強(qiáng)度分別提高了-1%、1%和20%；固化7 d后，樣號5～7的壓縮強(qiáng)度分別提高了6%、12%和29%；如圖2所示，隨著橡膠顆粒摻雜的粉煤灰含量不斷增大，EP/橡膠混凝土早期固化強(qiáng)度無明顯變化，但24 h后和7 d后的固化強(qiáng)度顯著提高。

圖2 不同粉煤灰含量試件強(qiáng)度提高率

隨著粉煤灰含量的增加，EP/橡膠混凝土的早期強(qiáng)度無明顯變化，說明EP/橡膠混凝土早期強(qiáng)度由EP的固化程度決定，與集料的變化無關(guān)，但是EP/橡膠混凝土的后期強(qiáng)度隨著粉煤灰的加入，呈上升趨勢。這是因?yàn)?，粉煤灰的粒徑小，?qiáng)度高，能夠填補(bǔ)橡膠顆粒之間的空隙，增大橡膠顆粒與結(jié)構(gòu)膠的接觸面積，減少EP/橡膠混凝土內(nèi)部的孔洞等缺陷，從而提高EP/橡膠混凝土的整體強(qiáng)度。粉煤灰含量由0～20%時(shí)，EP/橡膠混凝土的后期強(qiáng)度提高幅度較小，當(dāng)粉煤灰含量由20%～30%時(shí)，制備的EP/橡膠混凝土各個(gè)表面均一平整（如圖3），EP/橡膠混凝土的后期強(qiáng)度有顯著提高，說明EP/橡膠混凝土中的孔洞等缺陷已經(jīng)基本填補(bǔ)完全，增加粉煤灰的摻量，使EP膠黏劑和橡膠顆粒之間接觸面積增大，增強(qiáng)了EP膠黏劑的黏結(jié)效果。粉煤灰含量為30%時(shí)，是EP/橡膠混凝土的最佳用量。

圖3 有無粉煤灰的EP/橡膠混凝土對比圖

1.5.2 促進(jìn)劑和粉煤灰摻量對EP/橡膠混凝土壓縮彈性模量的影響

試件 1～4 號樣的 6 h、9 h、12 h、24 h、7 d 的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線如圖 4所示，試件 2、5、6、7號樣的6 h、9 h、12 h、24 h、7 d 的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線如圖 5 所示，曲線的斜率為試件的壓縮彈性模量。由圖3可知：隨著EP/橡膠混凝土中促進(jìn)劑含量的增加，制備的EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量不斷增大，當(dāng)促進(jìn)劑含量由5%～15%時(shí)，EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量增大幅度較大，當(dāng)促進(jìn)劑量由15%～20%時(shí)，EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量基本不變。由圖5可知：隨著EP/橡膠混凝土中粉煤灰含量的增加，制備的EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量無明顯變化。

圖4 不同促進(jìn)劑含量復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 不同粉煤灰摻量復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4和圖5中的試件在達(dá)到最大破壞荷載后，應(yīng)力并沒有馬上消失，而是逐漸減小，表明該材料具有一定的彈性，相對于達(dá)到最大荷載立即斷裂的水泥砂漿類材料。由此可知，該材料應(yīng)用方面具有更加安全和舒適的特性。

1.5.3 促進(jìn)劑和粉煤灰摻量對EP/橡膠混凝土變形率的影響

如圖 6a所示，試件 1～4 號樣的 6 h、9 h、12 h、24 h、7 d的最大荷載時(shí)的變形率均隨著促進(jìn)劑量的增加而顯著降低，其中 6 h、9 h、12 h、24 h 時(shí)的最大荷載變形率減小幅度較大，尤其是促進(jìn)劑摻量在5%～15%時(shí)，變形率變化最明顯。如圖6b所示，試件 2、5、6、7 號樣的 6 h、9 h、12 h、24 h、7 d 的最大荷載時(shí)的變形率隨著粉煤灰用量的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。

圖6 不同促進(jìn)劑摻量（a）、不同粉煤灰摻量（b）EP/橡膠混凝土變形率圖

2 結(jié)語

a）隨著EP/橡膠混凝土中促進(jìn)劑摻量的增加，EP/橡膠混凝土的固化速度和固化效果明顯提高；從固化速度、固化效果和經(jīng)濟(jì)方面考慮，EP/橡膠混凝土促進(jìn)劑的最佳摻量是15%。

b）隨著EP/橡膠混凝土中粉煤灰摻量的增加，EP/橡膠混凝土的早期強(qiáng)度無明顯變化，但EP/橡膠混凝土的后期強(qiáng)度隨著粉煤灰的加入，呈上升趨勢。當(dāng)粉煤灰含量由20%～30%時(shí)，制備的EP/橡膠混凝土各個(gè)表面均一平整，EP/橡膠混凝土的后期強(qiáng)度有顯著提高。

c）隨著EP/橡膠混凝土中促進(jìn)劑含量的增加，制備的EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量不斷增大；隨著EP/橡膠混凝土中粉煤灰含量的增加，制備的EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量無明顯變化。該材料具有一定彈性，應(yīng)用方面具有更加安全和舒適的特性。

d）EP/橡膠混凝土的最大荷載時(shí)的變形率隨著促進(jìn)劑量的增加而顯著降低。其最大荷載時(shí)的變形率隨著粉煤灰用量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。