全橡膠環(huán)氧樹脂混凝土力學性能研究

劉聰慧

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

混凝土是當今應用最廣泛的工程材料之一，正向著輕質(zhì)、多功能、高效能和可持續(xù)利用的方向發(fā)展[1]。將廢舊橡膠顆?；蛳鹉z粉摻入混凝土中制備橡膠混凝土是混凝土研究的熱點，橡膠混凝土具有抗裂性強、韌性好和變形能力好等優(yōu)越性能，材料性能在剛性水泥混凝土和柔性瀝青混凝土之間，可望作為理想的路面材料，目前已成為交通領域的研究焦點[2-4]。目前橡膠混凝土應用受限于其強度較低而沒能廣泛推廣，原因是：水泥漿體和橡膠相容性差，無法形成高強的黏結(jié)界面，故其強度較低[5]。有科研工作者對橡膠顆粒進行表面改性，期望增強橡膠與水泥漿體的界面黏結(jié)強度，但作用并不明顯，隨著橡膠摻量增大，其強度仍下降明顯。

環(huán)氧樹脂混凝土（Epoxy Resin Concrete，EC）是以環(huán)氧樹脂膠黏劑為膠凝材料制備的新型混凝土，它具有輕質(zhì)、高強、固化時間可控等優(yōu)點，被認為是一種適宜的路面快速修復材料，現(xiàn)已在鋼橋面鋪裝，路面修補和伸縮縫維修等道路工程中大量應用。但從目前應用效果來看，仍存在一些不足：a）EC強度高，彈性模量大，變形能力較小，易引起修復部位基體材料開裂；b）黏結(jié)界面應力大，特別是在外界作用下，界面應力集中現(xiàn)象突出，界面容易失效，修復結(jié)構(gòu)耐久性較差；c）EC脆性較大，抗沖擊能力較低，容易出現(xiàn)抗沖擊破壞。上述不足限制了EC在道路修復工程中的大范圍應用。

橡膠環(huán)氧樹脂混凝土是一種新型橡膠混凝土，它是由廢舊橡膠顆粒加入環(huán)氧樹脂混凝土配方中制備而成，它借助環(huán)氧膠黏劑的高黏結(jié)性，顯著增強橡膠材料與膠凝材料的界面黏結(jié)力，從而提升橡膠混凝土的強度；同時利用廢舊橡膠增加EC的柔性，優(yōu)化EC修復普通混凝土的界面應力分布，提高修復結(jié)構(gòu)的耐久性，故該新型橡膠混凝土作為快速修復材料具有良好的應用前景。

國內(nèi)外科研工作者對橡膠環(huán)氧樹脂混凝土做過較多研究，但對橡膠作為唯一集料制備的全橡膠環(huán)氧樹脂混凝土的研究未見報道。為考察FREC力學性能，探討其作為路面修復材料的可行性，本文通過改變彈性改性劑摻量，制備了一系列EA及FREC，考察了彈性改性劑摻量對EA性能和FREC應力-應變?nèi)€的影響。

1 試驗測試

1.1 試驗原料

環(huán)氧樹脂E-51、環(huán)氧稀釋劑692、改性脂肪胺固化劑，工業(yè)級，市售；彈性改性劑QS-P24F，北京金島奇士材料科技有限公司產(chǎn)品；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。

1.2 試驗儀器

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

1.3 FREC的制備

先將E-51、692、QS-P24F和改性脂肪胺固化劑按質(zhì)量份配比混合，電動攪拌3 min，制得EA；接著按質(zhì)量配比mEA：m橡膠=0.5將所需質(zhì)量的廢舊橡膠顆粒加入EA中，電動攪拌5 min即得FREC拌合料；最后將拌合料填入模具養(yǎng)護成型即得FREC。

1.4 測試與表征

a）性能測試 EA的拉伸強度、拉伸彈性模量、斷裂伸長率按GB/T 2567—2008測試；拉伸剪切強度按GB/T7124—2008測試。

b）應力-應變曲線 FREC的抗壓強度、抗折強度按GB/T 17671—1999測試，試件尺寸：棱柱體40 mm×40 mm×160 mm，微機控制電子萬能試驗機CMT4304在測試時電腦自動記錄荷載-位移，位移速率：2 mm/min。FREC的抗壓（或抗折）應力-應變由式（1）～式（4）計算獲得，并繪制抗壓（或抗折）應力-應變?nèi)€：

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為壓頭的位移，m；L為試件壓縮方向的厚度，m；σf為彎折應力，Pa；εf為彎折應變，10-2；L0為彎折試驗的跨距，m；b 為試件彎折面的寬度，m；d為試件彎折方向的厚度，m。

峰值應力為最大應力，峰值應變?yōu)樽畲髴膽儭?/p>

試件養(yǎng)護方式：試驗試件成型后，先置于室溫下養(yǎng)護12 h，后置于60℃環(huán)境養(yǎng)護8 h，最后取出試件，待自然冷卻至室溫后開始試驗檢測。

樣號標記：pbw是質(zhì)量份數(shù)（Parts by weight）的簡稱，標記代號A10指EA中彈性改性劑摻量為10 pbw，標記代號M10指FREC中彈性改性劑摻量為10 pbw，其他彈性改性劑摻量的EA和FREC依次標注。

2 結(jié)果與討論

FREC是以EA為膠凝材料，橡膠顆粒為彈性集料組成的復合材料，在該復合材料中，膠凝材料和彈性集料兩者間彈性模量和變形能力差異較大，在承受外部荷載時，兩者應力如何分布、應變?nèi)绾螀f(xié)調(diào)是一個關鍵問題，直接影響材料的整體性和力學特性。橡膠顆粒的彈性模量和變形性能基本固定，而EA的彈性模量和變形性能則可通過技術手段調(diào)控，故可通過對EA彈性模量和變形性能的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對FREC力學性能的調(diào)控。

為研究分析FREC力學性能，探討其作為路面修復材料的可行性，本文通過改變彈性改性劑摻量，制備了一系列EA，并進一步制備了FREC，考察了彈性改性劑摻量對EA性能（拉伸強度、斷裂伸長率、拉伸彈性模量和拉伸抗剪強度等）和FREC應力-應變?nèi)€（抗折和抗壓）的影響。

2.1 EA性能

表1 EA配方組成 pbw

EA配方組成見表1，EA拉伸強度和斷裂伸長率見圖1，拉伸彈性模量和拉伸剪切強度見圖2。從圖1和圖2可知，隨著彈性改性劑摻量增大，EA的拉伸強度逐漸降低，二者呈現(xiàn)近似線性相關，拉伸強度變化范圍在55～1.3 MPa之間；相反，斷裂伸長率逐漸增大，由3%增大至230%，但在40 pbw之前，增長幅度較小，僅從3%增大至25%；拉伸剪切強度先增大后減小，在30 pbw時達最大值，由19 MPa增大至21 MPa，增長幅度較小，之后呈近似線性降低，由21 MPa下降至5.5 MPa，降低幅度較大；拉伸彈性模量逐漸降低，二者呈現(xiàn)近似線性相關，變化范圍為1 800～4 MPa之間。

圖1 拉伸強度和斷裂伸長率

圖2 拉伸彈性模量和拉伸剪切強度

彈性改性劑是以聚氨酯柔性鏈段為主鏈，活性環(huán)氧基團為端基的高聚物，它借助兩端的活性環(huán)氧基團與固化劑反應，使其柔性鏈段接入環(huán)氧固化物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，提高固化物的柔韌性。故隨著彈性改性劑摻量增大，EA拉伸強度，彈性模量和拉伸剪切強度均逐漸下降，斷裂伸長率逐漸增大。鑒于EA變形能力的提升是以犧牲其拉伸強度、彈性模量和黏結(jié)性能為代價，為兼顧其強度和變形能力，推薦彈性改性劑摻量在30～60 pbw為宜。

2.2 FREC應力-應變曲線

2.2.1 全過程應力-應變曲線

圖3 抗折全過程應力-應變曲線

圖3為FREC的抗折全過程應力-應變曲線，由圖3可見，彈性改性劑摻量增大，F(xiàn)REC呈現(xiàn)剛性材料-半剛性材料-彈性材料的轉(zhuǎn)變。當摻量在10～40 pbw時，應力-應變曲線上升段為直線且斜率大，此時應變小幅增大而應力大幅增大，表現(xiàn)出明顯剛性，直至抗折破壞，試件一直處于彈性工作階段；當摻量在50～60 pbw時，應力-應變曲線上升段為坡度較大的曲線，且隨著應變增大，曲線的切線斜率緩慢降低直至抗折破壞，試件處于彈性和塑性融合階段，混凝土呈半剛性；當摻量在70～90 pbw時，應力-應變曲線只有上升段而沒有下降段，曲線呈平緩上升趨勢，此時應變大幅度增大而應力增長很小，特別是在高應變情況下應變大幅增長而應力幾乎不增長，呈明顯的彈性體工作特征，表現(xiàn)出明顯彈性。

產(chǎn)生上述變化的原因是：抗折強度主要取決于膠結(jié)料，彈性改性劑是含有環(huán)氧基團的聚氨酯彈性體，隨著彈性改性劑摻量增大，環(huán)氧樹脂固化物柔性不斷增大，由剛性材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥泽w材料，故彈性改性劑摻量較低時，混凝土呈剛性；摻量較高時，混凝土呈彈性；摻量處于中間摻量時，混凝土呈半剛性。

圖4 抗壓全過程應力-應變曲線

FREC抗壓全過程應力-應變曲線見圖4，從圖4可以看出，隨著彈性改性劑摻量增大，F(xiàn)REC逐漸由半剛性材料向彈性材料轉(zhuǎn)變。當摻量在10～40 pbw時，應力-應變曲線上升段為坡度較大的曲線，且隨著應變增大，曲線的切線斜率逐漸降低直至抗折破壞，試件處于彈性和塑性融合階段，混凝土呈半剛性。試件破壞后荷載并沒有突然消失，還存在一定的殘留荷載和變形，表現(xiàn)為明顯的韌性破壞；當摻量在70～90 pbw時，應力-應變曲線基本呈平緩上升趨勢，僅在高應變后期才出現(xiàn)爬坡陡升趨勢，這是明顯的彈性材料工作特性，混凝土呈明顯彈性。并且摻量越高，前期曲線越平緩，后期曲線爬坡陡升時對應的應變越高；當摻量在50～60 pbw時，應力-應變曲線在應變前期呈半剛性狀態(tài)，在應變后期呈彈性體狀態(tài)，故處于半剛性和彈性過渡階段。

上述變化原因分析：抗壓強度主要取決于膠結(jié)料和集料。隨著彈性改性劑摻量增大，環(huán)氧樹脂固化物柔性不斷增大，變形能力越來越強，強度越來越低，由剛性材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥泽w材料。當彈性改性劑摻量較低時，環(huán)氧樹脂固化物呈剛性。在混凝土壓縮過程中，環(huán)氧樹脂固化物和橡膠材料共同作為荷載承受主體，故應力-應變曲線呈現(xiàn)剛性材料（環(huán)氧樹脂固化物）和彈性體材料（橡膠材料）融合狀態(tài)，混凝土呈半鋼性；當彈性改性劑摻量較高時，環(huán)氧樹脂固化物柔性較大，變形性能較高，強度較低，呈彈性體特征。在混凝土壓縮過程中，環(huán)氧樹脂固化物和橡膠材料作為荷載承受主體，兩者均為彈性體，故應力-應變曲線體現(xiàn)彈性體材料特征，混凝土呈彈性；當彈性改性劑摻量居中時，應力-應變曲線前期體現(xiàn)半鋼性材料特性，后期體現(xiàn)彈性體材料特性，故混凝土呈半剛性和彈性過渡階段。

2.2.2 峰值應力和峰值應變

表2 抗折和抗壓峰值應力和峰值應變

FREC抗折和抗壓峰值應力和峰值應變見表2。從表2可知，隨著彈性改性劑摻量增大，F(xiàn)REC抗折峰值應力先增大后減小：摻量低于60 pbw時，峰值應力在3.81～5.03 MPa之間，變化幅度較小，20 pbw時達最大；摻量高于60 pbw時，峰值應力顯著下降，由3.71 MPa下降至0.43 MPa，結(jié)合圖4可知，此時應力-應變曲線后期應力幾乎不隨應變變化而保持穩(wěn)定且無下降趨勢，故此穩(wěn)定應力就是峰值應力?？箟悍逯祽ο仍龃蠛鬁p小再增大：摻量低于50 pbw時，峰值應力在10.22～13.30 MPa之間，與抗折峰值應力變化趨勢相同，變化幅度較小，20 pbw時達最大；摻量高于50 pbw時，峰值應力明顯增大，從圖4可見，應力-應變曲線后期為陡坡爬升，應變增長很小但應力急劇增長，因應變達到應變設置上限而測試終止，故峰值應力為測試停止時的應力，并非材料實際最大應力。

從表2還可以看出，隨著彈性改性劑摻量增大，F(xiàn)REC抗折和抗壓峰值應變均不斷增大，摻量低于40 pbw時，抗折峰值應變由9.12%增至14.40%，抗壓峰值應變由16.00%增至29.25%，增長速率均明顯低于摻量高于40 pbw時，此時抗折峰值應變由14.40%增至大于116.4%，抗壓峰值應變由29.25%增至大于87.5%。

2.2.3 楊氏模量

FREC楊氏模量及其相關性系數(shù)見表3，彈性改性劑摻量對FREC楊氏模量的影響見圖5。

表3 FREC楊氏模量及其相關性系數(shù)

圖5 FREC楊氏模量

從圖5可以看出，隨著彈性改性劑摻量增大，F(xiàn)REC抗折和抗壓楊氏模量變化趨勢和幅度基本一致，均是先增大后減小，在摻量20 pbw時楊氏模量最高，之后顯著降低；在摻量大于50 pbw后，楊氏模量雖然降低，但降低幅度較小。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：隨著彈性改性劑摻量增大，EA固化物彈性模量逐漸降低，進而導致RFEC楊氏模量逐漸降低。

3 結(jié)論

隨著彈性改性劑摻量增大，EA和FREC性能變化如下：

a）EA拉伸強度呈近似線性降低，由55 MPa下降至1.3 MPa；斷裂伸長率逐漸增大，由3%增大至230%，但在40 pbw之前，增長幅度較小；拉伸剪切強度先增大后減小，范圍在21 MPa和5.5 MPa之間，在30 pbw時達最大，之后呈近似線性降低；拉伸彈性模量呈近似線性降低，由1 800 MPa降低至4 MPa。

b）抗折全過程應力-應變曲線試驗表明FREC經(jīng)歷了剛性材料-半剛性材料-彈性材料的轉(zhuǎn)變。當摻量在10～40 pbw時，應力-應變曲線上升段為直線且斜率大，混凝土表現(xiàn)出明顯剛性；當摻量在50～60 pbw時，應力-應變曲線上升段為坡度較大的曲線，試件處于彈性和塑性融合階段，混凝土呈半剛性；當摻量在70～90 pbw時，應力-應變曲線呈平緩上升趨勢，混凝土表現(xiàn)出明顯彈性。

c）抗壓全過程應力-應變曲線試驗表明FREC經(jīng)歷了半剛性材料向彈性材料轉(zhuǎn)變。當摻量在10～40 pbw時，應力-應變曲線上升段為坡度較大的曲線，試件處于彈性和塑性融合階段，混凝土呈半剛性；當摻量在70～90 pbw時，應力-應變曲線基本呈平緩上升趨勢，僅在高應變后期才出現(xiàn)爬坡陡升趨勢，混凝土呈明顯彈性材料特征；當摻量在50～60 pbw時，應力-應變曲線在應變前期呈半剛性狀態(tài)，在應變后期呈彈性體狀態(tài)，混凝土呈半剛性和彈性過渡階段。

d）FREC抗折峰值應力先增大后減?。簱搅康陀?0 pbw時，峰值應力在3.81～5.03 MPa之間，變化幅度較小，20 pbw時達最大；摻量高于60 pbw時，峰值應力顯著下降，由3.71 MPa下降至0.43 MPa?？箟悍逯祽ο仍龃蠛鬁p小再增大：摻量低于50 pbw時，峰值應力在10.22～13.30 MPa之間，變化幅度較小，在20 pbw時達最大；摻量高于50 pbw時，峰值應力顯著增大?？拐酆涂箟悍逯祽兙粩嘣龃?，且摻量低于40 pbw時增長速率均明顯低于摻量高于40 pbw時。

e）FREC抗折和抗壓楊氏模量變化趨勢和幅度基本一致，均先增加后減小，在摻量20%時最高，之后顯著降低，但摻量大于50%后降低幅度較小。

f）為兼顧強度和變形能力，建議彈性改性劑摻量在50～70 pbw為宜，此時FREC綜合性能較優(yōu)：抗折峰值應力3.97～4.38 MPa，抗折峰值應變28.08%～67.2%；抗壓峰值應力10.67～23.34 MPa，抗壓峰值應變45.5%～75%。