劉聰慧

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

混凝土是當(dāng)今應(yīng)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(diǎn)，橡膠混凝土具有抗裂性強(qiáng)、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(lǐng)域的研究焦點(diǎn)[2-4]。目前橡膠混凝土應(yīng)用受限于其強(qiáng)度較低而沒(méi)能廣泛推廣，原因是：水泥漿體和橡膠相容性差，無(wú)法形成高強(qiáng)的黏結(jié)界面，故其強(qiáng)度較低[5]。有科研工作者對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行表面改性，期望增強(qiáng)橡膠與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度，但作用并不明顯，隨著橡膠摻量增大，其強(qiáng)度仍下降明顯。

環(huán)氧樹(shù)脂混凝土（Epoxy Resin Concrete，EC）是以環(huán)氧樹(shù)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(qiáng)、固化時(shí)間可控等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種適宜的路面快速修復(fù)材料，現(xiàn)已在鋼橋面鋪裝，路面修補(bǔ)和伸縮縫維修等道路工程中大量應(yīng)用。但從目前應(yīng)用效果來(lái)看，仍存在一些不足：a）EC強(qiáng)度高，彈性模量大，變形能力較小，易引起修復(fù)部位基體材料開(kāi)裂；b）黏結(jié)界面應(yīng)力大，特別是在外界作用下，界面應(yīng)力集中現(xiàn)象突出，界面容易失效，修復(fù)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(fù)工程中的大范圍應(yīng)用。

橡膠環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(qiáng)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(qiáng)度；同時(shí)利用廢舊橡膠增加EC的柔性，優(yōu)化EC修復(fù)普通混凝土的界面應(yīng)力分布，提高修復(fù)結(jié)構(gòu)的耐久性，故該新型橡膠混凝土作為快速修復(fù)材料具有良好的應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)橡膠環(huán)氧樹(shù)脂混凝土做過(guò)較多研究，但對(duì)橡膠作為唯一集料制備的全橡膠環(huán)氧樹(shù)脂混凝土的研究未見(jiàn)報(bào)道。為考察FREC力學(xué)性能，探討其作為路面修復(fù)材料的可行性，本文通過(guò)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(duì)EA性能和FREC應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的影響。

1 試驗(yàn)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)原料

環(huán)氧樹(shù)脂E-51、環(huán)氧稀釋劑692、改性脂肪胺固化劑，工業(yè)級(jí)，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(jí)，青島惠商橡膠有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT4304，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司；電子天平BT125D，德國(guó)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(dòng)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(dòng)攪拌5 min即得FREC拌合料；最后將拌合料填入模具養(yǎng)護(hù)成型即得FREC。

1.4 測(cè)試與表征

a）性能測(cè)試 EA的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率按GB/T 2567—2008測(cè)試；拉伸剪切強(qiáng)度按GB/T7124—2008測(cè)試。

b）應(yīng)力-應(yīng)變曲線 FREC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度按GB/T 17671—1999測(cè)試，試件尺寸：棱柱體40 mm×40 mm×160 mm，微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT4304在測(cè)試時(shí)電腦自動(dòng)記錄荷載-位移，位移速率：2 mm/min。FREC的抗壓（或抗折）應(yīng)力-應(yīng)變由式（1）～式（4）計(jì)算獲得，并繪制抗壓（或抗折）應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€：

式中：σ 為壓縮應(yīng)力，Pa；ε 為壓縮應(yīng)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(yīng)力，Pa；εf為彎折應(yīng)變，10-2；L0為彎折試驗(yàn)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(yīng)力為最大應(yīng)力，峰值應(yīng)變?yōu)樽畲髴?yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

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

樣號(hào)標(biāo)記：pbw是質(zhì)量份數(shù)（Parts by weight）的簡(jiǎn)稱，標(biāo)記代號(hào)A10指EA中彈性改性劑摻量為10 pbw，標(biāo)記代號(hào)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(biāo)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(fù)合材料，在該復(fù)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(shí)，兩者應(yīng)力如何分布、應(yīng)變?nèi)绾螀f(xié)調(diào)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，直接影響材料的整體性和力學(xué)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(guò)技術(shù)手段調(diào)控，故可通過(guò)對(duì)EA彈性模量和變形性能的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)FREC力學(xué)性能的調(diào)控。

為研究分析FREC力學(xué)性能，探討其作為路面修復(fù)材料的可行性，本文通過(guò)改變彈性改性劑摻量，制備了一系列EA，并進(jìn)一步制備了FREC，考察了彈性改性劑摻量對(duì)EA性能（拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸彈性模量和拉伸抗剪強(qiáng)度等）和FREC應(yīng)力-應(yīng)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(jiàn)表1，EA拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率見(jiàn)圖1，拉伸彈性模量和拉伸剪切強(qiáng)度見(jiàn)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(qiáng)度逐漸降低，二者呈現(xiàn)近似線性相關(guān)，拉伸強(qiáng)度變化范圍在55～1.3 MPa之間；相反，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，由3%增大至230%，但在40 pbw之前，增長(zhǎng)幅度較小，僅從3%增大至25%；拉伸剪切強(qiáng)度先增大后減小，在30 pbw時(shí)達(dá)最大值，由19 MPa增大至21 MPa，增長(zhǎng)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(guān)，變化范圍為1 800～4 MPa之間。

圖1 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

圖2 拉伸彈性模量和拉伸剪切強(qiáng)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(tuán)為端基的高聚物，它借助兩端的活性環(huán)氧基團(tuán)與固化劑反應(yīng)，使其柔性鏈段接入環(huán)氧固化物網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度，彈性模量和拉伸剪切強(qiáng)度均逐漸下降，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大。鑒于EA變形能力的提升是以犧牲其拉伸強(qiáng)度、彈性模量和黏結(jié)性能為代價(jià)，為兼顧其強(qiáng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2.1 全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 抗折全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為FREC的抗折全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由圖3可見(jiàn)，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(dāng)摻量在10～40 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段為直線且斜率大，此時(shí)應(yīng)變小幅增大而應(yīng)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(dāng)摻量在50～60 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段為坡度較大的曲線，且隨著應(yīng)變?cè)龃螅€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(dāng)摻量在70～90 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線只有上升段而沒(méi)有下降段，曲線呈平緩上升趨勢(shì)，此時(shí)應(yīng)變大幅度增大而應(yīng)力增長(zhǎng)很小，特別是在高應(yīng)變情況下應(yīng)變大幅增長(zhǎng)而應(yīng)力幾乎不增長(zhǎng)，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(qiáng)度主要取決于膠結(jié)料，彈性改性劑是含有環(huán)氧基團(tuán)的聚氨酯彈性體，隨著彈性改性劑摻量增大，環(huán)氧樹(shù)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(shí)，混凝土呈剛性；摻量較高時(shí)，混凝土呈彈性；摻量處于中間摻量時(shí)，混凝土呈半剛性。

圖4 抗壓全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

FREC抗壓全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)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(dāng)摻量在10～40 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段為坡度較大的曲線，且隨著應(yīng)變?cè)龃?，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(méi)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(dāng)摻量在70～90 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈平緩上升趨勢(shì)，僅在高應(yīng)變后期才出現(xiàn)爬坡陡升趨勢(shì)，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(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)礁撸划?dāng)摻量在50～60 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在應(yīng)變前期呈半剛性狀態(tài)，在應(yīng)變后期呈彈性體狀態(tài)，故處于半剛性和彈性過(guò)渡階段。

上述變化原因分析：抗壓強(qiáng)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(shù)脂固化物柔性不斷增大，變形能力越來(lái)越強(qiáng)，強(qiáng)度越來(lái)越低，由剛性材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥泽w材料。當(dāng)彈性改性劑摻量較低時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂固化物呈剛性。在混凝土壓縮過(guò)程中，環(huán)氧樹(shù)脂固化物和橡膠材料共同作為荷載承受主體，故應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)剛性材料（環(huán)氧樹(shù)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(dāng)彈性改性劑摻量較高時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂固化物柔性較大，變形性能較高，強(qiáng)度較低，呈彈性體特征。在混凝土壓縮過(guò)程中，環(huán)氧樹(shù)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(yīng)力-應(yīng)變曲線體現(xiàn)彈性體材料特征，混凝土呈彈性；當(dāng)彈性改性劑摻量居中時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)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(guò)渡階段。

2.2.2 峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變

表2 抗折和抗壓峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變

FREC抗折和抗壓峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變見(jiàn)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(yīng)力先增大后減?。簱搅康陀?0 pbw時(shí)，峰值應(yīng)力在3.81～5.03 MPa之間，變化幅度較小，20 pbw時(shí)達(dá)最大；摻量高于60 pbw時(shí)，峰值應(yīng)力顯著下降，由3.71 MPa下降至0.43 MPa，結(jié)合圖4可知，此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線后期應(yīng)力幾乎不隨應(yīng)變變化而保持穩(wěn)定且無(wú)下降趨勢(shì)，故此穩(wěn)定應(yīng)力就是峰值應(yīng)力。抗壓峰值應(yīng)力先增大后減小再增大：摻量低于50 pbw時(shí)，峰值應(yīng)力在10.22～13.30 MPa之間，與抗折峰值應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，變化幅度較小，20 pbw時(shí)達(dá)最大；摻量高于50 pbw時(shí)，峰值應(yīng)力明顯增大，從圖4可見(jiàn)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線后期為陡坡爬升，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)很小但應(yīng)力急劇增長(zhǎng)，因應(yīng)變達(dá)到應(yīng)變?cè)O(shè)置上限而測(cè)試終止，故峰值應(yīng)力為測(cè)試停止時(shí)的應(yīng)力，并非材料實(shí)際最大應(yīng)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(yīng)變均不斷增大，摻量低于40 pbw時(shí)，抗折峰值應(yīng)變由9.12%增至14.40%，抗壓峰值應(yīng)變由16.00%增至29.25%，增長(zhǎng)速率均明顯低于摻量高于40 pbw時(shí)，此時(shí)抗折峰值應(yīng)變由14.40%增至大于116.4%，抗壓峰值應(yīng)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(guān)性系數(shù)見(jiàn)表3，彈性改性劑摻量對(duì)FREC楊氏模量的影響見(jiàn)圖5。

表3 FREC楊氏模量及其相關(guān)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(shì)和幅度基本一致，均是先增大后減小，在摻量20 pbw時(shí)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(jìn)而導(dǎo)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(qiáng)度呈近似線性降低，由55 MPa下降至1.3 MPa；斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，由3%增大至230%，但在40 pbw之前，增長(zhǎng)幅度較??；拉伸剪切強(qiáng)度先增大后減小，范圍在21 MPa和5.5 MPa之間，在30 pbw時(shí)達(dá)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(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)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(dāng)摻量在10～40 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)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(dāng)摻量在50～60 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)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(dāng)摻量在70～90 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈平緩上升趨勢(shì)，混凝土表現(xiàn)出明顯彈性。

c）抗壓全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)表明FREC經(jīng)歷了半剛性材料向彈性材料轉(zhuǎn)變。當(dāng)摻量在10～40 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)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(dāng)摻量在70～90 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈平緩上升趨勢(shì)，僅在高應(yīng)變后期才出現(xiàn)爬坡陡升趨勢(shì)，混凝土呈明顯彈性材料特征；當(dāng)摻量在50～60 pbw時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在應(yīng)變前期呈半剛性狀態(tài)，在應(yīng)變后期呈彈性體狀態(tài)，混凝土呈半剛性和彈性過(guò)渡階段。

d）FREC抗折峰值應(yīng)力先增大后減?。簱搅康陀?0 pbw時(shí)，峰值應(yīng)力在3.81～5.03 MPa之間，變化幅度較小，20 pbw時(shí)達(dá)最大；摻量高于60 pbw時(shí)，峰值應(yīng)力顯著下降，由3.71 MPa下降至0.43 MPa?？箟悍逯祽?yīng)力先增大后減小再增大：摻量低于50 pbw時(shí)，峰值應(yīng)力在10.22～13.30 MPa之間，變化幅度較小，在20 pbw時(shí)達(dá)最大；摻量高于50 pbw時(shí)，峰值應(yīng)力顯著增大?？拐酆涂箟悍逯祽?yīng)變均不斷增大，且摻量低于40 pbw時(shí)增長(zhǎng)速率均明顯低于摻量高于40 pbw時(shí)。

e）FREC抗折和抗壓楊氏模量變化趨勢(shì)和幅度基本一致，均先增加后減小，在摻量20%時(shí)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(qiáng)度和變形能力，建議彈性改性劑摻量在50～70 pbw為宜，此時(shí)FREC綜合性能較優(yōu)：抗折峰值應(yīng)力3.97～4.38 MPa，抗折峰值應(yīng)變28.08%～67.2%；抗壓峰值應(yīng)力10.67～23.34 MPa，抗壓峰值應(yīng)變45.5%～75%。