環氧樹脂摻量對CAE砂漿力學性能的影響機理分析

石福周，劉曉佩，丁文海，汪凱旋

(1.蘭州理工大學土木工程學院，蘭州 730050;2.甘肅路橋建設集團有限公司，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、細骨料和外加劑等材料經機械攪拌制備得到的一種具有黏彈特性的有機-無機復合材料，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]。采用環氧樹脂對CA砂漿進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性能，制備出同時兼備黏韌性和高黏結性的水泥-乳化瀝青-環氧樹脂砂漿(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]。力學性能是工程材料的重要評價指標，通過應力-應變關系對CA砂漿的力學性能進行分析是一種普遍的研究方法。劉永亮[3-4]、傅強[5]等研究了瀝青含量對CA砂漿的力學性能的影響，發現CA砂漿的抗壓強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砂漿力學性能的影響，發現水對CA砂漿中有機-無機界面有侵害作用，隨著飽水率的增加，CA砂漿的強度降低。徐浩[7]、傅強[8]等研究了應變速率對CA砂漿力學性能的影響，發現隨著應變速率的增加，CA砂漿的抗壓強度增大，且高瀝青含量的CA砂漿的應變率敏感性也較高。傅強等[9]利用CA砂漿變形破壞過程中的能量守恒原則，建立了與實驗結果擬合度較高的CA砂漿本構模型。

目前，關于CAE砂漿的力學性能的研究較少，本文利用WAW-300B電液伺服萬能材料試驗機對不同環氧樹脂摻量的CAE砂漿進行單軸壓縮試驗，通過應力-應變全曲線圖，得出峰值應力、彈性模量、脆性指數等力學性能參數，并計算在壓縮變形過程中外力產生的機械能、CAE砂漿的彈性能和CAE砂漿的耗散能三者之間的能量轉化。采用SEM微觀測試手段研究環氧樹脂摻量對CAE砂漿微觀結構的影響，建立微觀結構與力學性能的內在聯系，分析環氧樹脂摻量對CAE砂漿力學性能的影響機理，為CAE砂漿的組成設計提供理論依據。

1 實 驗

1.1 原材料

北京金隅水泥廠生產的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；蘇州梅果望生產的128型水性環氧樹脂與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摻法制備CAE砂漿。表4中E/A為環氧樹脂和固化劑與瀝青的質量比，W/C為質量水灰比，瀝青與水泥的質量比(A/C)固定為0.9，水泥、乳化瀝青和環氧樹脂的總質量與砂的質量的比值固定為1∶1。將乳化瀝青、水、環氧樹脂和外加劑加入水泥膠砂攪拌機中快速攪拌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。投料結束后繼續快速攪拌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，在水泥標準養護室中養護24 h后拆模，放入溫度為(20±2) ℃、濕度為(65±5)%的水泥干縮養護箱中養護至規定齡期進行應力-應變壓縮試驗。

表4 材料的配合比Table 4 Material mix ratio

1.3 試驗設備及試驗方法

室溫條件下，在電液伺服萬能材料試驗機上進行砂漿試塊的單軸壓縮力學性能測試，得到CAE砂漿的應力-應變全曲線。試驗前，用砂輪將養護到規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。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果的影響，正式加載前，對試件進行0.1 MPa的預加載，持續時長為120 s。

2 結果與討論

2.1 應力-應變全曲線

圖1為不同E/A條件下CAE砂漿的應力-應變全曲線。由圖1可以看出， CAE砂漿的應力-應變全曲線可分為三個階段：變形初期的線彈性變形階段，接近峰值應力時的屈服變形階段和峰值應力后的塑性變形階段。CAE膠漿中，瀝青和環氧樹脂穿插在水泥水化產物，二者形成交織連續的網架結構，為復合體系提供黏韌性。水泥水化產物填充網架結構的空隙形成致密的結構，為復合體系提供了強度[10-11]。因此， CAE砂漿呈現出黏彈性力學特征。隨著E/A的增大，線彈性變形階段更早進入塑性變形階段，峰值應力后曲線下降也逐漸變緩，增加環氧樹脂的摻量使CAE砂漿的黏彈性變形特征越加明顯。

圖1 CAE砂漿的應力-應變全曲線圖Fig.1 Stress-strain full curves of CAE mortar

2.2 力學性能

以原點和30%應力峰值之間的割線斜率表征CAE砂漿的彈性模量。根據式(1)計算CAE砂漿的脆性指數。經過數據處理得到CAE砂漿的峰值應力、峰值應力所對應的峰值應變、彈性模量和脆性指數與E/A的關系如圖2～圖5。

(1)

式中:B為脆性指數；σc為峰值應力；σr為殘余應力，對應CAE砂漿應變達到10%時的應力。

CAE砂漿強度的形成機理包括水泥的水化、乳化瀝青的破乳和環氧樹脂的固化。環氧樹脂在CAE砂漿膠結早期會與固化劑反應形成固化物。水泥水化作用產生的OH-形成強堿環境，促進了環氧樹脂的固化反應，水性環氧樹脂固化成膜附著于水泥顆粒表面，影響水泥水化產物的形成，一定程度降低了CAE砂漿的強度。環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氧樹脂摻量的增加而降低。上述因素都會導致CAE砂漿的峰值應力隨著E/A的增大呈線性減小，如圖2所示。CAE砂漿體系中，隨著環氧樹脂含量的增多，環氧樹脂與瀝青形成的網架結構相應增多，在壓縮過程中增強了對CAE砂漿橫向變形的約束能力，CAE砂漿的塑性變形能力增強，應力峰值對應的應變隨著E/A的增大呈線性增大，如圖3所示，彈性模量和脆性指數隨著E/A均呈線性減小，如圖4、圖5所示。

圖2 峰值應力與E/A的關系Fig.2 Relationship between peak stress and E/A

圖3 峰值應力處的峰值應變與E/A的關系Fig.3 Relationship between peak strain at peak stress and E/A

圖4 彈性模量與E/A的關系Fig.4 Relation between elastic modulus and E/A

圖5 脆性指數與E/A的關系Fig.5 Relationship between brittleness index and E/A

2.3 CAE砂漿的能量機理

物質物理過程的本質是能量轉化，物質破壞的本質是能量驅動下物質的一種失穩狀態，因此，研究CAE砂漿在壓縮變形過程中能量的轉化規律，有利于了解CAE砂漿強度變化的本質。

假設CAE砂漿在外力作用下產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展，另一部分轉化成彈性應變能儲存起來。根據熱力學第一定理，外力功輸入的機械能等于可釋放的彈性應變能和不可恢復的耗散能之和[12]，即

W=We+Wd

(2)

式中:W為外力功輸入的機械能,We為可釋放的彈性應變能,Wd為不可恢復的耗散能。

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砂漿產生塑性變形和內部損傷的本質原因，與CAE砂漿強度的弱化直接相關。CAE砂漿的耗散能可以反映CAE砂漿強度衰減的程度。CAE砂漿的機械能、彈性能和耗散能的計算見式(3)～式(5)，計算結果如圖(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為豎向壓縮應力,ε為豎向壓縮應變。

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

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

由圖7可知，彈性能隨變形的變化規律類似于圖1中應力-應變全曲線的變化規律。線彈性變形階段，CAE砂漿中積累的彈性能未達到產生新生損傷的強度極限，機械能的耗散較少，彈性能呈線性增長，且CAE砂漿彈性能的峰值隨著環氧樹脂摻量的增大而增大。進入屈服變形階段后，CAE砂漿內積累的彈性能已滿足各相之間界面擴展所需的界面能， CAE砂漿中部分弱化區域達到強度極限開始產生破壞，增加了對機械能的消耗，導致彈性能的增長速率減緩。當損傷發展到一定程度，CAE砂漿已經達到強度極限，開始進入能量釋放階段。這時，局部裂紋迅速擴展并相互貫通，各種缺陷快速發展，積累的彈性能在峰值應力后迅速下降，彈性能的下降速率隨著環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砂漿內部結構達到強度極限后彈性能釋放而產生，由圖8可知，塑性變形階段之前，耗散能增加緩慢，進入塑性變形階段之后，耗散能迅速增加。隨著E/A的增加，達到相同豎向變形時耗散能更小，環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；σ為最大壓應力；σi為最小應力。

在主應力空間中，彈性能很難沿最大壓應力σ方向釋放，而是沿著最小應力σi的方向釋放。CAE砂漿受單軸壓縮荷載作用，側面沒有圍壓，σi=0。所以彈性能達到峰值后迅速減小,并在側面獲得釋放。圖9為5種CAE砂漿壓縮應變達到10%時的破壞形態，砂漿側面出現的裂紋為積累的彈性能釋放的宏觀表現。由于環氧樹脂摻量的增加可以降低CAE砂漿的耗散能，達到相同豎向變形時，CAE砂漿側面產生的損傷裂紋隨著環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掃描結果。如圖10所示，作為多相復合材料，CAE砂漿內部會存在各種缺陷和微結構，這些部位在受壓變形過程中容易形成局部的應力集中，使CAE砂漿很容易發生拉破壞，進而形成新生裂紋。原始內部缺陷的閉合和新生破裂面的形成及擴展都是CAE砂漿能量消耗的本質原因。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力。對比圖10(c)和圖10(d)可知，環氧樹脂顆粒做為聯接鍵可以填充水泥水化產物中存在的較大孔隙，使水泥漿結構更加密實。環氧樹脂摻量的增加可以改善CAE砂漿內部的孔結構，減少CAE砂漿的內部缺陷，有助于提高CAE砂漿的致密性和內部黏結力，增強CAE砂漿抵抗損傷的能力。

圖10 CAE砂漿的SEM照片Fig.10 SEM images of CAE mortar

3 結 論

(1)由應力-應變全曲線可知，CAE砂漿呈現出黏彈性變形特征。隨著環氧樹脂摻量的增加，CAE砂漿的彈性模量、峰值應力和脆性指數逐漸減小，峰值應力對應的應變逐漸增加。增加環氧樹脂的摻量增強了CAE砂漿的黏韌性。

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

(3)環氧樹脂摻量的增加可以改善CAE砂漿內部的孔結構，減少了CAE砂漿的內部缺陷，提高CAE砂漿的致密性和內部黏結力，增強CAE砂漿抵抗損傷的能力。