環(huán)氧樹脂摻量對CAE砂漿力學(xué)性能的影響機(jī)理分析

石福周，劉曉佩，丁文海，汪凱旋

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730050;2.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘭州 730070)

0 引 言

水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)是由水泥、乳化瀝青、水、細(xì)骨料和外加劑等材料經(jīng)機(jī)械攪拌制備得到的一種具有黏彈特性的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料，被用作高速鐵路板式無砟軌道板的充填層材料，起到承力、傳力和減振的作用[1]。采用環(huán)氧樹脂對CA砂漿進(jìn)行改性可以使其在保證柔韌性的條件下，提高該材料與其他材料之間的黏結(jié)性能，制備出同時兼?zhèn)漯ろg性和高黏結(jié)性的水泥-乳化瀝青-環(huán)氧樹脂砂漿(CAE砂漿)。相比于水泥混凝土和瀝青混凝土，CAE砂漿是一種更為理想的橋面鋪裝材料[2]。力學(xué)性能是工程材料的重要評價指標(biāo)，通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對CA砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行分析是一種普遍的研究方法。劉永亮[3-4]、傅強(qiáng)[5]等研究了瀝青含量對CA砂漿的力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)CA砂漿的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著瀝青含量的增加而降低，瀝青含量的增加使CA砂漿的塑性增大。田冬梅等[6]研究了水對CA砂漿力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)水對CA砂漿中有機(jī)-無機(jī)界面有侵害作用，隨著飽水率的增加，CA砂漿的強(qiáng)度降低。徐浩[7]、傅強(qiáng)[8]等研究了應(yīng)變速率對CA砂漿力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變速率的增加，CA砂漿的抗壓強(qiáng)度增大，且高瀝青含量的CA砂漿的應(yīng)變率敏感性也較高。傅強(qiáng)等[9]利用CA砂漿變形破壞過程中的能量守恒原則，建立了與實驗結(jié)果擬合度較高的CA砂漿本構(gòu)模型。

目前，關(guān)于CAE砂漿的力學(xué)性能的研究較少，本文利用WAW-300B電液伺服萬能材料試驗機(jī)對不同環(huán)氧樹脂摻量的CAE砂漿進(jìn)行單軸壓縮試驗，通過應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€圖，得出峰值應(yīng)力、彈性模量、脆性指數(shù)等力學(xué)性能參數(shù)，并計算在壓縮變形過程中外力產(chǎn)生的機(jī)械能、CAE砂漿的彈性能和CAE砂漿的耗散能三者之間的能量轉(zhuǎn)化。采用SEM微觀測試手段研究環(huán)氧樹脂摻量對CAE砂漿微觀結(jié)構(gòu)的影響，建立微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系，分析環(huán)氧樹脂摻量對CAE砂漿力學(xué)性能的影響機(jī)理，為CAE砂漿的組成設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

北京金隅水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能見表1；自制陽離子慢裂快凝型陽離子乳化瀝青，其性能見表2；蘇州梅果望生產(chǎn)的128型水性環(huán)氧樹脂與WG828型多元胺固化劑，其性能見表3，二者按1∶1的質(zhì)量比混合并攪拌均勻后使用；單級配中砂，粒徑范圍0.15～0.3 mm；清潔自來水；有機(jī)硅液體消泡劑；聚羧酸高效減水劑。

表1 水泥的性能Table 1 Properties of cement

表2 乳化瀝青的性能Table 2 Properties of emulsified asphalt

表3 環(huán)氧樹脂及固化劑的性能Table 3 Properties of epoxy resin and curing agent

1.2 試件制備

按照表4中的材料配合比例采用內(nèi)摻法制備CAE砂漿。表4中E/A為環(huán)氧樹脂和固化劑與瀝青的質(zhì)量比，W/C為質(zhì)量水灰比，瀝青與水泥的質(zhì)量比(A/C)固定為0.9，水泥、乳化瀝青和環(huán)氧樹脂的總質(zhì)量與砂的質(zhì)量的比值固定為1∶1。將乳化瀝青、水、環(huán)氧樹脂和外加劑加入水泥膠砂攪拌機(jī)中快速攪拌3 min。然后慢速攪拌并加入水泥和砂子等干料，投料時間不超過30 s。投料結(jié)束后繼續(xù)快速攪拌2 min，最后慢速攪拌30 s以消除較大氣泡。攪拌完成后將砂漿倒入φ50 mm×50 mm的CA砂漿分離度試模中，在水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，放入溫度為(20±2) ℃、濕度為(65±5)%的水泥干縮養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變壓縮試驗。

表4 材料的配合比Table 4 Material mix ratio

1.3 試驗設(shè)備及試驗方法

室溫條件下，在電液伺服萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行砂漿試塊的單軸壓縮力學(xué)性能測試，得到CAE砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。試驗前，用砂輪將養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期的圓柱體砂漿試塊的端面打磨平整并用滑石粉處理以消除端面摩擦效應(yīng)。測試加載采用位移控制，加載速率為1 mm/min。為消除試件端面不平整對試驗結(jié)果的影響，正式加載前，對試件進(jìn)行0.1 MPa的預(yù)加載，持續(xù)時長為120 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

圖1為不同E/A條件下CAE砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。由圖1可以看出， CAE砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€可分為三個階段：變形初期的線彈性變形階段，接近峰值應(yīng)力時的屈服變形階段和峰值應(yīng)力后的塑性變形階段。CAE膠漿中，瀝青和環(huán)氧樹脂穿插在水泥水化產(chǎn)物，二者形成交織連續(xù)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，為復(fù)合體系提供黏韌性。水泥水化產(chǎn)物填充網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的空隙形成致密的結(jié)構(gòu)，為復(fù)合體系提供了強(qiáng)度[10-11]。因此， CAE砂漿呈現(xiàn)出黏彈性力學(xué)特征。隨著E/A的增大，線彈性變形階段更早進(jìn)入塑性變形階段，峰值應(yīng)力后曲線下降也逐漸變緩，增加環(huán)氧樹脂的摻量使CAE砂漿的黏彈性變形特征越加明顯。

圖1 CAE砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€圖Fig.1 Stress-strain full curves of CAE mortar

2.2 力學(xué)性能

以原點和30%應(yīng)力峰值之間的割線斜率表征CAE砂漿的彈性模量。根據(jù)式(1)計算CAE砂漿的脆性指數(shù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到CAE砂漿的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)力所對應(yīng)的峰值應(yīng)變、彈性模量和脆性指數(shù)與E/A的關(guān)系如圖2～圖5。

(1)

式中:B為脆性指數(shù)；σc為峰值應(yīng)力；σr為殘余應(yīng)力，對應(yīng)CAE砂漿應(yīng)變達(dá)到10%時的應(yīng)力。

CAE砂漿強(qiáng)度的形成機(jī)理包括水泥的水化、乳化瀝青的破乳和環(huán)氧樹脂的固化。環(huán)氧樹脂在CAE砂漿膠結(jié)早期會與固化劑反應(yīng)形成固化物。水泥水化作用產(chǎn)生的OH-形成強(qiáng)堿環(huán)境，促進(jìn)了環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，水性環(huán)氧樹脂固化成膜附著于水泥顆粒表面，影響水泥水化產(chǎn)物的形成，一定程度降低了CAE砂漿的強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂的彈性模量小于水泥和砂的彈性模量，CAE砂漿的承壓能力會隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而降低。上述因素都會導(dǎo)致CAE砂漿的峰值應(yīng)力隨著E/A的增大呈線性減小，如圖2所示。CAE砂漿體系中，隨著環(huán)氧樹脂含量的增多，環(huán)氧樹脂與瀝青形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相應(yīng)增多，在壓縮過程中增強(qiáng)了對CAE砂漿橫向變形的約束能力，CAE砂漿的塑性變形能力增強(qiáng)，應(yīng)力峰值對應(yīng)的應(yīng)變隨著E/A的增大呈線性增大，如圖3所示，彈性模量和脆性指數(shù)隨著E/A均呈線性減小，如圖4、圖5所示。

圖2 峰值應(yīng)力與E/A的關(guān)系Fig.2 Relationship between peak stress and E/A

圖3 峰值應(yīng)力處的峰值應(yīng)變與E/A的關(guān)系Fig.3 Relationship between peak strain at peak stress and E/A

圖4 彈性模量與E/A的關(guān)系Fig.4 Relation between elastic modulus and E/A

圖5 脆性指數(shù)與E/A的關(guān)系Fig.5 Relationship between brittleness index and E/A

2.3 CAE砂漿的能量機(jī)理

物質(zhì)物理過程的本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)化，物質(zhì)破壞的本質(zhì)是能量驅(qū)動下物質(zhì)的一種失穩(wěn)狀態(tài)，因此，研究CAE砂漿在壓縮變形過程中能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，有利于了解CAE砂漿強(qiáng)度變化的本質(zhì)。

假設(shè)CAE砂漿在外力作用下產(chǎn)生壓縮變形的過程中與外界沒有熱量交換，CAE砂漿吸收的能量一部分用于原始微裂紋、孔隙的閉合摩擦和新生破裂面的發(fā)展，另一部分轉(zhuǎn)化成彈性應(yīng)變能儲存起來。根據(jù)熱力學(xué)第一定理，外力功輸入的機(jī)械能等于可釋放的彈性應(yīng)變能和不可恢復(fù)的耗散能之和[12]，即

W=We+Wd

(2)

式中:W為外力功輸入的機(jī)械能,We為可釋放的彈性應(yīng)變能,Wd為不可恢復(fù)的耗散能。

能量釋放是雙向的，在一定條件下都是可逆的，能量耗散是單向和不可逆的。能量耗散是CAE砂漿產(chǎn)生塑性變形和內(nèi)部損傷的本質(zhì)原因，與CAE砂漿強(qiáng)度的弱化直接相關(guān)。CAE砂漿的耗散能可以反映CAE砂漿強(qiáng)度衰減的程度。CAE砂漿的機(jī)械能、彈性能和耗散能的計算見式(3)～式(5)，計算結(jié)果如圖(6)～圖(8)所示。

(3)

(4)

(5)

式中:A為CAE砂漿圓柱體試件的橫截面積,h為CAE砂漿圓柱體試件的高度,E為CAE砂漿的彈性模量,σ為豎向壓縮應(yīng)力,ε為豎向壓縮應(yīng)變。

作為多相復(fù)合材料，CAE砂漿內(nèi)部會存在原始的孔洞和微裂隙，這些缺陷的閉合和擴(kuò)展將消耗部分的機(jī)械能，由圖6可知，外力產(chǎn)生的機(jī)械能在變形的初始階段增長不明顯。隨著變形的增加，機(jī)械能持續(xù)增大。由于高環(huán)氧樹脂摻量的CAE砂漿擁有較好的塑性變形能力，對機(jī)械能的消耗更大，隨著E/A的增大，達(dá)到相同豎向變形時，外力產(chǎn)生的機(jī)械能更小。

圖6 CAE砂漿的外力機(jī)械能Fig.6 External mechanical energy of CAE mortar

由圖7可知，彈性能隨變形的變化規(guī)律類似于圖1中應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的變化規(guī)律。線彈性變形階段，CAE砂漿中積累的彈性能未達(dá)到產(chǎn)生新生損傷的強(qiáng)度極限，機(jī)械能的耗散較少，彈性能呈線性增長，且CAE砂漿彈性能的峰值隨著環(huán)氧樹脂摻量的增大而增大。進(jìn)入屈服變形階段后，CAE砂漿內(nèi)積累的彈性能已滿足各相之間界面擴(kuò)展所需的界面能， CAE砂漿中部分弱化區(qū)域達(dá)到強(qiáng)度極限開始產(chǎn)生破壞，增加了對機(jī)械能的消耗，導(dǎo)致彈性能的增長速率減緩。當(dāng)損傷發(fā)展到一定程度，CAE砂漿已經(jīng)達(dá)到強(qiáng)度極限，開始進(jìn)入能量釋放階段。這時，局部裂紋迅速擴(kuò)展并相互貫通，各種缺陷快速發(fā)展，積累的彈性能在峰值應(yīng)力后迅速下降，彈性能的下降速率隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而減小。

圖7 CAE砂漿的彈性能Fig.7 Elastic energy of CAE mortar

耗散能主要由CAE砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度極限后彈性能釋放而產(chǎn)生，由圖8可知，塑性變形階段之前，耗散能增加緩慢，進(jìn)入塑性變形階段之后，耗散能迅速增加。隨著E/A的增加，達(dá)到相同豎向變形時耗散能更小，環(huán)氧樹脂摻量的增加降低了CAE砂漿的耗散能。

圖8 CAE砂漿的耗散能Fig.8 Dissipated energy of CAE mortar

CAE砂漿受壓時，彈性能的能量釋放率可以用式(6)表示。

G=k(σ-σi)We

(6)

式中:G為能量釋放率，即為耗散能與外力功的比值；k為能量釋放系數(shù)；σ為最大壓應(yīng)力；σi為最小應(yīng)力。

在主應(yīng)力空間中，彈性能很難沿最大壓應(yīng)力σ方向釋放，而是沿著最小應(yīng)力σi的方向釋放。CAE砂漿受單軸壓縮荷載作用，側(cè)面沒有圍壓，σi=0。所以彈性能達(dá)到峰值后迅速減小,并在側(cè)面獲得釋放。圖9為5種CAE砂漿壓縮應(yīng)變達(dá)到10%時的破壞形態(tài)，砂漿側(cè)面出現(xiàn)的裂紋為積累的彈性能釋放的宏觀表現(xiàn)。由于環(huán)氧樹脂摻量的增加可以降低CAE砂漿的耗散能，達(dá)到相同豎向變形時，CAE砂漿側(cè)面產(chǎn)生的損傷裂紋隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而減少。

圖9 CAE砂漿的破壞形式Fig.9 Destructive form of CAE mortar

圖10是CAE1和CAE5兩種砂漿的SEM掃描結(jié)果。如圖10所示，作為多相復(fù)合材料，CAE砂漿內(nèi)部會存在各種缺陷和微結(jié)構(gòu)，這些部位在受壓變形過程中容易形成局部的應(yīng)力集中，使CAE砂漿很容易發(fā)生拉破壞，進(jìn)而形成新生裂紋。原始內(nèi)部缺陷的閉合和新生破裂面的形成及擴(kuò)展都是CAE砂漿能量消耗的本質(zhì)原因。對比圖10(a)和圖10(b)可知， CAE砂漿體系中，水泥漿與砂之間存在疏松多孔的過渡界面，環(huán)氧樹脂顆粒會在砂與水泥漿體之間滲透成聚合物薄膜，大幅提高二者之間的黏結(jié)力。對比圖10(c)和圖10(d)可知，環(huán)氧樹脂顆粒做為聯(lián)接鍵可以填充水泥水化產(chǎn)物中存在的較大孔隙，使水泥漿結(jié)構(gòu)更加密實。環(huán)氧樹脂摻量的增加可以改善CAE砂漿內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，減少CAE砂漿的內(nèi)部缺陷，有助于提高CAE砂漿的致密性和內(nèi)部黏結(jié)力，增強(qiáng)CAE砂漿抵抗損傷的能力。

圖10 CAE砂漿的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of CAE mortar

3 結(jié) 論

(1)由應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€可知，CAE砂漿呈現(xiàn)出黏彈性變形特征。隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，CAE砂漿的彈性模量、峰值應(yīng)力和脆性指數(shù)逐漸減小，峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變逐漸增加。增加環(huán)氧樹脂的摻量增強(qiáng)了CAE砂漿的黏韌性。

(2)隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，CAE砂漿積累的彈性能的峰值逐漸變大，達(dá)到相同豎向變形時不可恢復(fù)的消耗能逐漸減小。

(3)環(huán)氧樹脂摻量的增加可以改善CAE砂漿內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，減少了CAE砂漿的內(nèi)部缺陷，提高CAE砂漿的致密性和內(nèi)部黏結(jié)力，增強(qiáng)CAE砂漿抵抗損傷的能力。