橡膠粉對伸縮縫混凝土凍融性能的影響

張大海

（晉中市交通規費征收稽查處，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來，由于我國車輛荷載等級的大幅度提高和交通流量的急劇增大，橋梁伸縮縫發生破壞的情況越來越突出。伸縮縫是橋梁結構中最薄弱的部分，其病害約占橋梁病害總數的17%[1-2]；在橋梁伸縮縫病害中，30%左右為過渡區混凝土病害。而伸縮縫破壞過程一般為：過渡區混凝土脫黏、開裂，過渡區混凝土破損，鋼梁斷裂[3]。即過渡區混凝土破壞是整個伸縮縫破壞的開端，它將導致整個伸縮縫錨固體系的破壞，進而導致整個伸縮縫裝置的破壞與失效[4]。

橋梁伸縮縫過渡區混凝土的破壞機理如下：過渡區混凝土承受車輛的動荷載，車輛通過時受壓；車輛通過后瞬間，應力釋放，過渡區混凝土受拉；車輛頻繁通過，上述過程反復發生[5]。過渡區混凝土與路面材料模量差異大，屬于剛性與柔性連接，難以攤鋪平整，易出現高差，車輛通過時造成的振動會形成沖擊力，產生高頻振動，導致過渡區混凝土破壞[6-7]。以上過程皆在車輛動荷載情況下發生，運動車輛的動力作用存在放大系數，即上述作用都會被加強[8]。

環氧樹脂混凝土強度高、固化時間短，與瀝青混凝土和水泥混凝土均有較高的黏結強度等優異性能，適宜作為橋梁伸縮縫混凝土快速修復材料[9]。環氧樹脂混凝土作為伸縮縫混凝土修復材料，需要進行增韌改性以增強其耐疲勞性能和耐沖擊性能。廢舊橡膠顆粒可以提高環氧樹脂混凝土的柔韌性，改善黏結界面應力分布，但橡膠顆粒（粒徑1.18 mm，摻量10%、20%）增加了環氧樹脂混凝土的孔隙率，進而影響材料的耐凍融性能[10]。而關于水泥混凝土的研究表明，在摻加廢舊橡膠粉（60 目，摻量3%）后，可以增強其耐凍融性能[11]。可見橡膠顆粒大小及摻量對混凝土性能影響較大。

本研究在環氧樹脂混凝土中摻加80 目橡膠粉，研究橡膠粉對環氧樹脂混凝土耐凍融性能的影響，優化廢舊橡膠改性環氧樹脂混凝土的技術方法。

1 試驗

本研究環氧樹脂采用市售工業級環氧樹脂（E-51）、增韌劑（聚氨酯類）、促進劑（脂肪胺類）、固化劑（改性脂肪胺類）、粒徑3～4 mm 的玄武巖石料、細度模數2.78 的天然河砂、80 目橡膠粉。環氧樹脂混凝土配方如表1所示。

表1 環氧樹脂混凝土配方 g

將環氧樹脂、增韌劑、固化劑、活性稀釋劑混合、攪拌，得到環氧樹脂膠黏劑；將玄武巖石料、砂子和橡膠粉混合、攪拌，得到集料；然后將膠黏劑和集料混合、攪拌均勻；填入模具，室溫養護3 h，即得環氧樹脂混凝土。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每個配方設置3 個平行樣品。

本文凍融試驗方法依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）中的“快凍法”進行。

2 結果與討論

2.1 質量變化

橡膠含量不同時試件凍融試驗前后質量變化如圖1所示。橡膠含量分別為0、5%和10%時，未凍融時的質量分別為4.33 kg、4.25 kg 和4.17 kg，其原因是橡膠顆粒比重較小，替換砂石集料，降低了試件的比重。從圖1中還可以看出，無論橡膠含量多少，凍融循環對環氧樹脂混凝土試件質量影響很小，經300 次凍融循環，其質量損失均低于1%。原因是環氧樹脂屬于柔性材料，材料受凍融作用時，環氧樹脂網絡結構可發生微變形減弱其影響，進而保持內部結構的完整性，更好地保護混凝土外觀形態，降低質量損失。

圖1 凍融循環對質量的影響

2.2 抗壓強度變化

不同橡膠含量下凍融循環對抗壓強度損失的影響如圖2所示，可見隨著凍融循環次數的增加，抗壓強度損失顯著增加；經歷300 次凍融循環，橡膠含量分別為0、5%和10%時，抗壓強度損失率分別為10.67%、13.31%和22.21%。

圖2 凍融循環對抗壓強度的影響

ER0 抗壓強度損失隨著凍融循環次數增加，近似線性增長；ER5 在經歷240 次凍融循環之前，其抗壓強度損失相對ER0 較低，其后高于ER0；而ER10 的抗壓強度損失在120 次凍融循環前接近ER0，其后高于ER0，其增長趨勢接近指數型。對比ER0 和ER5，可見橡膠摻量為5%時，在240 次凍融循環之前，摻加橡膠粉的環氧樹脂混凝土耐凍融性能更優，其原因是橡膠粉的摻加增強了材料的柔韌性，其吸收內部應力的作用得到加強，進而減輕凍融過程中材料內部損傷，降低抗壓強度損失；在240 次凍融循環之后，由于環氧樹脂網絡的裂化，橡膠粉的增韌作用被削弱，而橡膠顆粒引起的孔隙率的增加開始占據主導作用，加速了環氧樹脂混凝土的裂化。對于ER10，在120 次凍融循環之內，橡膠粉的增韌和增加孔隙作用接近，其抗壓強度降低率與ER0 接近；其后橡膠粉增加孔隙率的作用占主導，致使抗壓強度降低率顯著提高。

2.3 抗彎強度變化

不同橡膠含量下凍融循環對抗彎強度損失的影響如圖3所示，可見隨著凍融循環次數的增加，抗彎強度損失顯著增加；經歷300 次凍融循環，橡膠含量分別為0、5%和10%時，抗壓強度損失率分別為17.39%、17.94%和32.91%。

圖3 凍融循環對抗彎強度的影響

ER0 抗彎強度損失隨著凍融循環次數增加，近似線性增長；ER5 在經歷180 次凍融循環之前，其抗彎強度損失相對ER0 較低，其后高于ER0；而ER10的抗彎強度損失始終高于ER0。其原因與抗壓強度變化原因基本一致，是橡膠粉的增韌和增加孔隙率效應共同作用的結果。對比抗壓強度與抗彎強度變化趨勢，可以發現對于抗壓強度，橡膠顆粒的增韌作用更加顯著，而對于抗彎強度，其增加孔隙的作用更加顯著。

3 結論

環氧樹脂混凝土在經歷300 次凍融循環后，無論橡膠摻量多少，其質量損失率均低于1%。

隨著凍融循環次數的增加，環氧樹脂混凝土抗壓、抗彎強度損失率增大；在凍融次數較少時，較低的橡膠含量（5%）可以減輕凍融循環對環氧樹脂混凝土強度性能的影響；凍融次數增加或橡膠含量較高（10%）時，會加劇凍融循環對強度的影響。

橡膠粉的摻量對環氧樹脂混凝土耐凍融性能影響較為顯著，需要根據應用條件，綜合考慮力學性能、路用性能、耐久性能等因素，確定適宜摻量。