環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)*

舒興旺　張　影

(山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

新型道路材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室　太原　030006)

?

環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)*

舒興旺張影

(山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

新型道路材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室太原030006)

摘要：為了研究彈性改性劑對(duì)環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土力學(xué)性能的影響，通過(guò)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(duì)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(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響.結(jié)果表明，隨著彈性改性劑含量的質(zhì)量分?jǐn)?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(yīng)力-應(yīng)變曲線均經(jīng)歷了明顯的彈性階段-彈塑性階段-塑性階段的轉(zhuǎn)變；抗折和抗壓峰值應(yīng)力均逐漸降低，峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)變能均逐漸增大，且含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于60%時(shí)變化幅度緩慢，含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于60%時(shí)變化幅度顯著增大.建議彈性改性劑含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%～60%為宜，此時(shí)環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土具有較好的綜合性能.

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土；彈性改性劑；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；峰值應(yīng)變；峰值應(yīng)變能

舒興旺(1980- )：男，碩士生，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榄h(huán)氧樹脂基材料的開發(fā)及其在公路工程中的應(yīng)用

*山西省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：2015-1-24)

0引言

瀝青混凝土和水泥混凝土是我國(guó)最主要的路面鋪裝材料，其各有優(yōu)缺點(diǎn).瀝青路面屬柔性路面，路面平整，行車舒適，但強(qiáng)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(qiáng)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(cuò)臺(tái)、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(diǎn)，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(fù)合材料，它具有輕質(zhì)、抗裂性強(qiáng)、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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3-7].文獻(xiàn)[8]報(bào)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(jīng)3 a重載交通，路面仍保持良好的性能.2003年在美國(guó)建造了多個(gè)彈性橡膠混凝土的試驗(yàn)路段, 包括公路路面、停車泊位、網(wǎng)球場(chǎng)等[9].我國(guó)對(duì)橡膠混凝土也進(jìn)行了大量的研究[10-12]，但工程應(yīng)用缺乏.

隨著我國(guó)交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，橡膠混凝土在交通行業(yè)的應(yīng)用，能拓寬廢橡膠的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)資源循環(huán)利用.但目前橡膠混凝土的強(qiáng)度較低，限制了其應(yīng)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(jié)，導(dǎo)致強(qiáng)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(qiáng)度，但隨橡膠摻量的增加，混凝土抗折強(qiáng)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(jié)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(jié)材料的相容性和粘結(jié)性，從而提高橡膠混凝土的強(qiáng)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(jí)配、環(huán)氧樹脂膠粘劑摻量等因素對(duì)環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土性能的影響[15-16]，通過(guò)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(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑性能和環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，也間接考察了環(huán)氧樹脂膠粘劑性能對(duì)環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土性能的影響.

1試驗(yàn)測(cè)試

1.1試驗(yàn)原料

雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51，工業(yè)級(jí)，市售；環(huán)氧活性稀釋劑692，工業(yè)級(jí)，市售；彈性改性劑，自制；改性脂肪胺固化劑，工業(yè)級(jí)，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(jí)，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(xì)度模數(shù)為2.78的天然河砂，市售.

1.2試驗(yàn)儀器

CMT4304型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司；BT125D型電子天平，德國(guó)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(zhì)量份配方混合，電動(dòng)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(dòng)攪拌3 min即得集料混合物；最后按質(zhì)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(dòng)攪拌5 min，填入模具養(yǎng)護(hù)成型即得環(huán)氧樹脂/橡膠彈性混凝土.

1.4測(cè)試與表征

1) 環(huán)氧樹脂膠粘劑性能測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度、拉伸彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率等性能按GB/T 2567-2008測(cè)試；拉伸剪切強(qiáng)度按GB/T7124-2008測(cè)試.

2) 環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度按照GB/T 17671-1999測(cè)試，試件為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體，CMT4304型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試時(shí)電腦自動(dòng)記錄荷載-位移，位移速率2 mm/min.由式(1)～式(4)計(jì)算抗壓(或抗折)應(yīng)力-應(yīng)變，繪制抗壓(或抗折)應(yīng)力-應(yīng)變曲線：

(1)

(2)

(3)

(4)

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為壓頭位移，m；L為試件壓縮方向厚度，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)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(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；峰值應(yīng)變能為單位體積的材料在變形至峰值應(yīng)變時(shí)所消耗的總機(jī)械能，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線下從0至峰值應(yīng)變范圍內(nèi)的面積.

(5)

試件養(yǎng)護(hù)方式：試件成型后在室溫下養(yǎng)護(hù)12 h，然后在60 ℃養(yǎng)護(hù)8 h，自然冷卻至室溫后開始測(cè)試.

樣號(hào)規(guī)定：pbw指質(zhì)量份數(shù)(parts by weight)；樣號(hào)E10指彈性改性劑含量為10 pbw的環(huán)氧樹脂膠粘劑，樣號(hào)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(biāo)注.

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1環(huán)氧樹脂膠粘劑的配方設(shè)計(jì)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(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率、彈性模量和剪切強(qiáng)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(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)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(qiáng)度近似線性由55 MPa下降至3.2 MPa；斷裂伸長(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)度增大，是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)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(yīng)力-應(yīng)變曲線基本特征

圖3為環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的應(yīng)力-應(yīng)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(jīng)歷了明顯的彈性階段—彈塑性階段—塑性階段的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變點(diǎn)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(qiáng)度、模量和粘接性能均逐漸降低，變形性能逐漸增強(qiáng)，它在混凝土內(nèi)部所形成的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(jié)作用，故混凝土的強(qiáng)度和模量逐漸降低，變形能力逐漸增大，從而實(shí)現(xiàn)了混凝土應(yīng)力-應(yīng)變行為由彈性階段—彈塑性階段—塑性階段的轉(zhuǎn)變.

圖3　環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)變能

彈性改性劑摻量對(duì)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線特征參數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致：峰值應(yīng)力逐漸降低，峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)變能逐漸增大；摻量低于60 pbw時(shí)變化幅度緩慢，摻量高于60 pbw時(shí)變化幅度明顯.峰值應(yīng)變能是表征單位體積的材料變形到峰值應(yīng)變時(shí)所消耗的總機(jī)械能，即材料在產(chǎn)生結(jié)構(gòu)劣化前所能吸收的最大能量，當(dāng)外加能量超過(guò)峰值應(yīng)變能時(shí)就會(huì)導(dǎo)致材料性能劣化，故隨著彈性改性劑摻量不斷增大，峰值應(yīng)變能越來(lái)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(lái)越強(qiáng).

從上述數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律可知：當(dāng)彈性改性劑摻量在40～60 pbw時(shí)，環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土具有較好的綜合性能：抗折峰值應(yīng)力在12.88～11.07 MPa，峰值應(yīng)變?cè)?.75%～5.64%，峰值應(yīng)變能在25.96～38.69 MJ/m3；抗壓峰值應(yīng)力在30.26～29.61 MPa，峰值應(yīng)變?cè)?.40%～8.56%，峰值應(yīng)變能在104.77～177.46 MJ/m3.

圖4　抗折曲線的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變

圖5　抗壓曲線的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變

圖6　抗折和抗壓曲線的峰值應(yīng)變能

2.4力學(xué)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(xué)性能參數(shù)對(duì)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(qiáng)度和抗折強(qiáng)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(shí)，其抗壓強(qiáng)度約30 MPa，抗折強(qiáng)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(qiáng)度的0.8倍，抗折強(qiáng)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(qiáng)度的3.8倍，抗折強(qiáng)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(xué)性能且橡膠摻量更大，對(duì)于抗折強(qiáng)度要求較高而抗壓強(qiáng)度要求較低的剛性路面鋪裝材料而言，應(yīng)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(lái)自文獻(xiàn)[4].

3結(jié)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(qiáng)度和拉伸彈性模量近似線性下降，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，拉伸剪切強(qiáng)度先增大后減??；環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的抗折和抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線均經(jīng)歷了明顯的彈性階段-彈塑性階段-塑性階段的轉(zhuǎn)變，曲線峰值應(yīng)力均逐漸降低，峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)變能均逐漸增大.

2) 彈性改性劑摻量在40～60 pbw時(shí)，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(duì)于抗折強(qiáng)度要求較高而抗壓強(qiáng)度要求較低的剛性路面鋪裝材料而言，應(yīng)用前景廣闊.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王剛,劉黎萍,孫立軍.高模量瀝青混凝土抗變形性能研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012(2):217-222.

[2]郝培文,程磊,林立.半柔性路面混合料路用性能[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2003(2):1-6.

[3]李偉,黃振,王曉初，等.膠乳改性橡膠混凝土路用性能研究[J].公路,2015(2):188-192.

[4]馬清文,樂金朝,姜燕.NaOH預(yù)處理對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能的影響[J].中外公路,2011，31(6):229-233.

[5]楊若沖,談至明,黃曉明，等.摻聚合物的橡膠混凝土路用性能研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2010，23(4):15-19.

[6]楊若沖,談至明,黃曉明，等.硅灰改性橡膠混凝土路用性能研究[J].公路交通科技,2010，27(10):6-10.

[7]張艷聰,申俊敏,高玲玲.廢舊輪胎膠粉混凝土的路用性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2014，30(10):57-59.

[8]HERNA O F, BARLUENGA G, PARGA L B, et al. Fatigue behavior of recycled tyre rubber- filled concrete and its implications in the design of rigid pavements [J]. Construction and Building Materials,2007，21:1918-1927.

[9]朱涵.新型彈性混凝土的研究綜述[J].天津建設(shè)科技,2004(2):35-37.

[10]劉鋒,潘東平,李麗娟，等.橡膠混凝土應(yīng)力和強(qiáng)度的細(xì)觀數(shù)值分析[J].建筑材料學(xué)報(bào),2008,11(2):144-151.

[11]喬衛(wèi)國(guó),王立華,林登閣，等.橡膠顆?；炷磷顑?yōu)配合比正交試驗(yàn)研究[J].混凝土,2014，30(10):89-92.

[12]曹宏亮,史長(zhǎng)城,王大輝，等.橡膠混凝土配制方法試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料,2011,38(1):13-18.

[13]ELDIN N N, SENOUCI A B. Rubber tire particles as concrete aggregates [J]. Journal of Materials in Civil Engineering,1993,5(4):478-496.

[14]ROSTAMI H, LEOORE J. Use of recycled rubber tires in concrete [C]. Proceedings of the International Conference on Concrete, Scotland,UK,1993:391-399.

[15]舒興旺.環(huán)氧樹脂/橡膠彈性混凝土的制備及性能研究[J].中國(guó)膠粘劑,2014(11):11-14.

[16]舒興旺.集料組成對(duì)環(huán)氧橡膠彈性混凝土力學(xué)性能影響的研究[J].山西交通科技,2015(2):9-12.

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(hào)：U414