橡膠表面處理對環氧樹脂/橡膠混凝土力學性能的影響

舒興旺，張 影

（山西省交通科學研究院，黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030006）

橡膠表面處理對環氧樹脂/橡膠混凝土力學性能的影響

舒興旺，張 影

（山西省交通科學研究院，黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030006）

為了增強橡膠顆粒與環氧樹脂膠粘劑之間的界面粘接強度，提升環氧樹脂/橡膠混凝土的力學性能，采用清水、鹽酸溶液、氫氧化鈉溶液、二氯甲烷、四氯化碳分別對橡膠顆粒浸泡處理，考查了不同處理方式對環氧樹脂/橡膠混凝土力學性能和橡膠顆粒表面形貌的影響。結果表明，除NaOH溶液使環氧樹脂/橡膠混凝土彎曲強度和壓縮強度降低外，其余溶劑均使彎曲強度和壓縮強度提升；除清水使峰值應變和峰值應變能降低外，其余溶劑均使峰值應變和峰值應變能提升。隨著鹽酸溶液處理時間的延長，環氧樹脂/橡膠混凝土的彎曲強度和壓縮強度均先增大后減小，彎曲峰值應變也先增大后減小，壓縮峰值應變基本無變化，橡膠顆粒表面形貌發生變化。建議橡膠顆粒采用鹽酸溶液浸泡處理8 h，環氧樹脂/橡膠混凝土具有較好的綜合力學性能、經濟性和環保性。

環氧樹脂/橡膠混凝土；橡膠表面處理；力學性能

伴隨全球汽車工業的快速發展，廢舊輪胎數量越來越大。廢舊輪胎在自然環境中上百年也難以分解，嚴重影響環境的安全和美化。如何高效合理利用廢舊輪胎已成為世界各國亟待解決的一個重要課題。

將廢舊輪胎破碎成橡膠粉摻入混凝土中制備橡膠混凝土并用于公路路面工程，是一種非常有前景的處置方式。現有水泥混凝土路面脆性大，抗沖擊能力弱，在內部應力（溫度應力和濕度應力）作用下也容易產生裂縫，廢舊橡膠摻入水泥混凝土中可形成吸收應變能的結構變形中心，顯著改善混凝土的脆性和抗沖擊性，減少內部應力造成的各種病害[1]。但橡膠的摻入會導致混凝土壓縮和彎曲強度大幅度下降，主要原因為：橡膠材料為有機材料，親水性差；水泥漿體為無機材料，親水性強，2者的物理化學性質差異大，相容性差，界面粘接力弱，導致混凝土強度明顯降低[2，3]。雖然有人嘗試采用橡膠顆粒表面改性來提高混凝土的強度，但隨橡膠摻量的增加，混凝土彎曲強度下降仍較為明顯[4～6]，阻礙了橡膠混凝土在路面工程中的大規模應用。

為改善界面粘接強度，提升橡膠混凝土的力學性能，本課題組以環氧樹脂膠粘劑代替水泥漿體作為膠接材料，開發了一種環氧樹脂/橡膠混凝土，改善了橡膠材料與膠接材料的相容性和粘接性，從而提升了橡膠混凝土的力學性能[7～10]。為了進一步增強橡膠顆粒與環氧樹脂膠粘劑之間的界面粘接強度，提升環氧樹脂/橡膠混凝土的綜合力學性能，本文采用清水、鹽酸溶液、氫氧化鈉溶液、二氯甲烷、四氯化碳分別對橡膠顆粒浸泡處理，考查了不同處理方式對環氧樹脂/橡膠混凝土力學性能和橡膠顆粒表面形貌的影響，為制備高性能橡膠混凝土提供理論依據和參考。

1　實驗部分

1.1實驗原料及儀器

環氧樹脂E-51、環氧活性稀釋劑692、改性脂肪胺固化劑等原料，工業級，市售；彈性改性劑：具有柔性聚氨酯主鏈和端活性基團的液體聚合物，自制；1～2 mm廢舊橡膠顆粒，工業級，青島惠商橡膠有限公司；NaOH、HCl、CCl4、CH2Cl2，分析純，市售；清水，自來水公司。

CMT4304型微機控制電子萬能試驗機，美特斯工業系統（中國）有限公司；JSM-6360LV型鎢燈絲高低真空掃描電鏡，日本電子株式會社。

1.2環氧樹脂/橡膠混凝土的制備

（1）橡膠顆粒表面處理：將橡膠顆粒分別以清水、3%的NaOH溶液、3%的HCl溶液、CCl4、CH2Cl2浸泡處理4 h，每隔1 h攪拌5 min，浸泡時間結束后用清水反復沖洗3次，自然晾干，備用。

（2）環氧樹脂/橡膠混凝土的制備：按質量份計，將100份環氧樹脂E-51、10份環氧活性稀釋劑692、15份彈性改性劑和25份改性脂肪胺固化劑混合，攪拌2 min即得環氧膠液；按質量比4：5稱取環氧膠液和經表面處理后的橡膠顆粒，攪拌混合均勻后填入模具養護成型即得環氧樹脂/橡膠混凝土。

1.3性能測試與表征

壓縮強度和彎曲強度：按照GB/T 17671—1999測試，試件為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體。

應力-應變曲線繪制：采用CMT4304型微機控制電子萬能試驗機測試壓縮強度和彎曲強度時，電腦自動記錄荷載-位移，位移速率2 mm/min。由式（1）～（4）計算壓縮（或彎曲）應力-應變，繪制壓縮（或彎曲）應力-應變曲線：

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為壓頭位移，m；L為試件壓縮方向厚度，m；σf為 彎折應力，Pa；εf為 彎折應變，10-2；L為彎折試驗跨距，m；b為試件彎

0折面寬度，m；d為試件彎折方向厚度，m。

峰值應力為最大應力；峰值應變為最大應力對應的應變；峰值應變能為單位體積的材料在變形至峰值應變時所消耗的總機械能，即應力-應變曲線下從0至峰值應變范圍內的面積：

式中：U*為應變能密度；V為材料體積；P為施加荷載；L為荷載方向的材料長度；A0為垂直于荷載方向的材料橫截面積；σ為應力；ε為應變。

試件養護方式：試件成型后在室溫養護12 h，然后在60 ℃養護8 h，自然冷卻至室溫后開始測試。

橡膠顆粒表面形貌表征：采用JSM-6360LV型鎢燈絲高低真空掃描電鏡，按放大倍數5 000取表面形貌。

2　結果與討論

2.1溶劑種類的影響

不同溶劑處理的環氧樹脂/橡膠混凝土的力學性能及其應力-應變曲線分別如表1和圖1所示。從表1和圖1可知，與未處理的環氧樹脂/香蕉混凝土相比，除NaOH溶液處理的樣品彎曲強度和壓縮強度均降低外，其余溶劑處理的彎曲強度和壓縮強度均提升；除清水處理的樣品峰值應變和峰值應變能均降低外，其余溶劑處理的峰值應變和峰值應變能均提升，這可能是因為經清水處理的橡膠顆粒表面的油污無法清除，而經其余溶劑處理的油污清除的比較干凈，同時對橡膠表面起到一定的腐蝕作用，從而導致表面極性增強，提高了橡膠顆粒與環氧膠粘劑的界面結合力，使樣品峰值應變和峰值應變能均提升。綜合考查環氧樹脂/橡膠混凝土的彎曲、壓縮強度及其峰值應變、峰值應變能，經HCl溶液和二氯甲烷處理的樣品綜合性能最好：彎曲強度分別提升了13%和17%，峰值應變分別提升了70%和41%，峰值應變能分別提升了105%和67.7%；壓縮強度分別提升54%和51%，峰值應變分別提升了40%和26%，峰值應變能分別提升了88%和77%。同時考慮溶劑的成本及環保性能，采用HCl溶液處理橡膠顆粒最理想。

2.2鹽酸溶液處理時間的影響

不同HCl溶液處理時間的環氧樹脂/橡膠混凝土的力學性能及其應力-應變曲線如表2和圖2所示。由表2和圖2可知，隨著處理時間的延長，環氧樹脂/橡膠混凝土的彎曲強度和壓縮強度均先升高后降低，在處理時間為12 h時達最大值，彎曲強度達4.80 MPa，壓縮強度達17.86 MPa，分別比未處理樣品強度提高了36%和67%；處理時間為24 h時，樣品的彎曲強度和壓縮強度均顯著降低，彎曲強度為3.22 MPa，壓縮強度為12.77 MPa，比未處理的樣品彎曲強度降低了9%，壓縮強度僅提升20%。隨著處理時間的延長，環氧樹脂/橡膠混凝土的彎曲峰值應變也先增大后減小，在處理時間為8 h時達最大，與未處理樣品相比，提升了41%，超過12 h后基本不變，與未處理樣品相比，提升了24%左右；壓縮峰值應變隨處理時間延長基本無變化，與未處理樣品相比，提升了20%左右。綜合考慮，處理時間為8 h較適宜。

2.3鹽酸溶液處理時間對橡膠表面形貌的影響

表1　不同溶劑處理的環氧樹脂/橡膠混凝土的力學性能Tab.1　Mechanical properties of epoxy resin/rubber concrete treated with different solvents

圖1　不同溶劑處理的環氧樹脂/橡膠混凝土的應力-應變曲線Fig.1　Stress-strain curves of epoxy resin/rubber concrete treated with different solvents

表2　不同鹽酸溶液處理時間的環氧樹脂/橡膠混凝土的力學性能Tab.2　Mechanical properties of epoxy resin/rubber concrete treated with hydrochloric acid solution for different time

圖2　不同鹽酸溶液處理時間的環氧樹脂/橡膠混凝土的應力-應變曲線Fig.2　Stress-strain curves of epoxy resin/rubber concrete treated with hydrochloric acid solution for different time

不同HCl溶液處理時間的橡膠表面形貌如圖3所示。從圖3可知，未處理的橡膠顆粒表面密閉且平整，＿有大量油污和粉塵；經4 h和8 h處理后的橡膠顆粒表面出現大量空洞且不平整，粉塵和油污明顯減少；經12 h處理后的橡膠顆粒表面致密而平整，可能是表面疏松結構被HCl溶液腐蝕而除去，顯露出橡膠內部致密結構；經24 h和48 h處理后的橡膠顆粒表面出現一些空洞，呈現松散的表面結構，可能是因為HCl溶液處理時間過長，進一步腐蝕了橡膠顆粒表面的密實結構。上述HCl溶液處理時間對橡膠表面形貌的影響直接影響環氧樹脂/橡膠混凝土的力學性能，可以較好地解釋隨HCl溶液處理時間的延長，環氧樹脂/橡膠混凝土的強度和變形性能先增大后減小的變化規律。

圖3　不同鹽酸溶液處理時間的橡膠表面形貌Fig.3　Surface morphology of rubber treated with hydrochloric acid solution for different time

3　結論

（1）橡膠顆粒經清水、鹽酸溶液、氫氧化鈉溶液、CH2Cl2、CCl4分別浸泡處理后，環氧樹脂/橡膠混凝土的力學性能變化明顯：除NaOH溶液使彎曲強度和壓縮強度均降低外，其余溶劑均使彎曲強度和壓縮強度提升；除清水使峰值應變和峰值應變能均降低外，其余溶劑均使峰值應變和峰值應變能提升。

（2）隨著鹽酸溶液處理時間的延長，環氧樹脂/橡膠混凝土的彎曲強度和壓縮強度均先升高后降低，彎曲峰值應變先增大后減小，壓縮峰值應變基本無變化。

（3）隨著鹽酸溶液處理時間的延長，橡膠顆粒表面形貌發生變化：未處理的橡膠顆粒表面密閉且平整，經4 h和8 h處理后表面出現大量空洞且不平整，經12 h處理后表面致密而平整，經24 h和48 h處理后表面出現部分缺陷。

（4）建議橡膠顆粒采用鹽酸溶液浸泡處理8 h，環氧樹脂/橡膠混凝土具有較好的綜合力學性能、經濟性和環保性。

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Research on influence of rubber surface treatment on mechanical properties of epoxy/rubber concrete

SHU Xing-wang, ZHANG Ying
(Key Lab of Highway Construction&Maintenance Technology in Loess Region, Ministry of Transport, National and Local Joint Engineering Laboratory of New Materials in Road, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan, Shanxi 030006, China)

In order to enhance the interface bonding of rubber and epoxy resin, the rubber surface was treated with water, hydrochloric acid solution, sodium hydroxide solution, methylene dichloride and carbon tetrachloride respectively. The influence of treatment method on the rubber surface morphology and the epoxy resin/rubber concrete mechanical properties was studied. The results show that the compress and bending strengths of the treated specimens were increased except for the treating by sodium hydroxide solution; the peak strain and peak strain energy of water treated specimens were decreased, while others increased; with the prolonging of hydrochloric acid treating time, the concrete compress strength, bending strength and peak bending strain increased first and then decreased, the peak compress strain remained basically unchanged, and the rubber surface morphology changed dramatically. The hydrochloric acid solution treatment of eight hours was proposed to get better epoxy resin/rubber concrete mechanical, economical and environmental properties.

epoxy resin/rubber concrete; rubber surface treatment; mechanical property

TQ433.4+37

A

1001-5922（2016）10-0031-05

2016-06-17

舒興旺（1980-），男，高級工程師，理學碩士，主要從事環氧樹脂基材料的開發及其在公路工程中的應用技術研究。E-mail：shuxingwang@163.com。

山西省交通運輸廳科技計劃項目（2015-1-24）。