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环氧树脂/橡胶弹性混凝土的制备及性能研究


                         环氧树脂/橡胶弹性混凝土的制备及性能研究
                                                      舒兴旺
    (山西省交通科学研究院,黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室,黄土地区公路建设与养护技术山西省重点实验室,山西太原030006)
    摘要:以环氧树脂(EP)为连续相、橡胶材料为分散相,制备了一种EP/橡胶弹性混凝土材料。着重考察了橡胶材料的组成、m(EP)∶m(橡胶)比例对弹性混凝土密度和力学性能的影响。研究结果表明:橡胶材料组成、m(EP)∶m(橡胶)比例对弹性混凝土密度的影响均不大(密度为1.020~1.070 g/cm3);随着橡胶材料中橡胶颗粒含量的不断减少,弹性混凝土的压缩弹性模量基本不变,压缩强度和弯折强度均略有提高;随着m(EP)∶m(橡胶)比例的不断减少,弹性混凝土的压缩弹性模量、压缩强度和弯折强度均显著降低。
    关键词:环氧树脂;废旧橡胶颗粒;废旧橡胶粉;弹性混凝土;压缩强度;弯折强度
    中图分类号:TU377:TQ433.437 文献标志码:A 文章编号:1004-2849(2014)11-0011-04
    0· 前言
    沥青混凝土路面和水泥混凝土路面是我国高等级公路的主要路面结构形式,两者各有其优缺点。沥青混凝土路面(属柔性路面)平整(行车舒适),但寿命较短,容易出现车辙、裂缝、坑槽和松散等现象;水泥混凝土路面(属刚性路面)强度高、承载能力强和耐久性好,但行车噪声大,舒适性差,也易出现裂缝、断板、错台、破碎、脱空或空洞等现象,并且其养护时间长、修复难度大。因此,开发一种弹性模量介于沥青混凝土和水泥混凝土之间的弹性混凝土材料,是消除路面各种病害、提高路面服务质量的有效途径之一[1-2]。
    环氧树脂(EP)作为通用型热固性树脂,具有优异的粘接性能、稳定性能、耐化学药品性能和力学强度,其相应的产品(如EP沥青混凝土、EP结构胶、EP 混凝土、EP 砂浆和EP 防腐涂料等)在公路结构物的修筑、维修和养护工程等方面的应用越来越广泛[3-6]。废旧橡胶颗粒和废旧橡胶粉主要由废旧轮胎加工而成,具有优异的弹性、抗疲劳性和耐老化性。因此,橡胶改性沥青路面具有优良的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性,同时具有减震、降噪和除冰等作用[7-8];从环境保护、循环经济、经济性和路面服务质量等多角度考虑,废旧橡胶颗粒和橡胶粉等橡胶材料在公路工程中的应用将成为其主要用途之一,并且其应用前景非常广阔。
    EP虽具有优异的粘接性能和力学性能,但抗冲击性能较差、脆性较大(属脆性材料);橡胶材料具有良好的抗冲击性能、弹性和耐磨性(属弹性材料)。本研究以EP为连续相、橡胶材料为分散相,通过两种材料复配后的协同作用[9-11],制备出一种弹性混凝土材料,为开发高性能路面材料和路面快速修复材料进行了有益的探索。
    1· 试验部分
    1.1 试验原料
    液体EP(环氧树脂)、改性脂肪胺固化剂,工业级,市售;2~4 mm废旧橡胶颗粒、废旧橡胶粉(40目,粒径约0.45 mm),工业级,青岛惠商橡胶有限公司;奇士增韧剂(QS 030N),工业级,北京清大奇士新材料技术有限公司;苄基缩水甘油醚(环氧活性稀释剂692),工业级,安徽新远化工有限公司。
    1.2 试验仪器
    CMT4304型微机控制电子万能试验机,美特斯工业系统(中国)有限公司;BT125D型电子天平,德国Sartorius公司。
    1.3 EP/橡胶弹性混凝土的制备
    (1)首先将100 g液体EP、10 g稀释剂和15 g增韧剂加入到容器中混合均匀,搅拌2 min后加入25 g改性脂肪胺固化剂,再搅拌1 min后即得EP胶粘剂。
    (2)按一定质量比称取废旧橡胶颗粒和废旧橡胶粉,搅拌混合2 min,即得废旧橡胶混合物。
    (3)按计量比称取EP胶粘剂和废旧橡胶混合物,两者混合搅拌5 min后,即得EP/橡胶弹性混凝土。
    1.4 测试或表征
    (1)压缩强度和弯折强度:按照GB/T 17671—1999 标准,采用电子万能试验机进行测定(试件为40 mm×40 mm×160 mm 棱柱体,测试弹性混凝土样品时加载位移速率为2 mm/min,测试水泥砂浆样品时加载位移速率为0.01 mm/min)。
    (2)密度:试件为弯折强度试件,试件成型后再经室温养护12 h、60 ℃养护8 h、自然冷却至室温后称重(m),用游标卡尺测量试件的长(a)、宽(b)、高(h),则试件的体积V=a×b×h,密度按式(1)计算而得。
    ρ=m/V (1)
    式中:ρ为试件密度(g/cm3);m 为试件质量(g);V 为试件体积(cm3)。
    (3)压缩强度比:以样品的压缩强度与基准样品的压缩强度之比值作为衡量指标。   (4)弯折强度比:以样品的弯折强度与基准样品的弯折强度之比值作为衡量指标。
    (5)压缩(或弯曲)荷载-变形量:电子万能试验机在测定压缩(或弯折)强度过程中自动同步记录。
    2· 结果与讨论
    为保证EP 性能最优,固化剂用量是通过EP 体系力学性能对比分析后得到的。本研究主要考察了橡胶材料组成、m(EP)∶m(橡胶)比例等因素对弹性混凝土密度和力学性能的影响。不同配方弹性混凝土的性能如表1所示。

    2.1 弹性混凝土的密度
    由表1可知:由不同m(EP)∶m(橡胶)比例、不同橡胶材料组成等条件所制备的弹性混凝土的密度基本不变(均在1.020~1.070 g/cm3范围内),并且是砂浆和混凝土密度的40%~50%(水泥砂浆、水泥混凝土和沥青混凝土的密度均为2.300~2.500 g/cm3)。
    这是由于EP 和橡胶的密度相当(均为1.000~1.100 g/cm3),并且EP 胶粘剂黏度低、流动性好;由EP和橡胶两种材料制成的复合材料结构较密实,基本无空隙存在。因此,EP/橡胶弹性混凝土的密度基本不随上述配方变化而改变,这种新型轻质混凝土材料对减轻结构物自重具有重要意义。
    2.2 不同因素对弹性混凝土力学性能的影响
    2.2.1 橡胶组成的影响
    由表1可知:以样号1#为基准,样号2#~样号5#的压缩强度分别提高了10.4%、14.2%、16.8%和33.2%,弯折强度分别提高了10.8% 、15.4% 、18.5% 和46.2%;随着橡胶材料中橡胶颗粒含量的不断减少,弹性混凝土的压缩强度和弯折强度均略有提高;当橡胶颗粒含量为0时,压缩强度和弯折强度相对最大,并且比样号1#分别提高了33.2%和46.2%。
    这是因为弹性混凝土的力学性能是由EP和橡胶两种材料共同贡献的,在m(EP)∶m(橡胶)比例一定的条件下,橡胶材料的组成变化不会显著影响复合材料的弯曲韧性;然而,随着橡胶材料中橡胶颗粒含量的不断减少(即复合材料中大尺寸的废旧橡胶颗粒含量减少),复合材料的缺陷越来越少,故其弯折强度和压缩强度均略有提高;当体系中无橡胶颗粒(即没有大尺寸废旧橡胶颗粒存在)时,复合材料中因大尺寸橡胶颗粒引起的缺陷完全消失,故其压缩强度和弯折强度明显提高。
    样号1#~样号5#的压缩荷载-变形量曲线如图1所示(曲线的斜率可表示复合材料的压缩弹性模量)。由图1可知:随着橡胶材料中橡胶颗粒含量的不断减少,复合材料的压缩弹性模量基本不变,这与复合材料的压缩强度和弯折强度的变化规律一致。
              
    2.2.2 m(EP)∶m(橡胶)比例的影响
    由表1可知:以样号3#为基准,样号6#~样号9#的压缩强度分别降低了19.8% 、27.5% 、36.9% 和45.3%,弯折强度分别降低了8.0%、17.3%、30.7%和34.7%;随着m(EP)∶m(橡胶)比例的不断减少,弹性混凝土的压缩强度和弯折强度均显著降低。
    这是因为随着m(EP)∶m(橡胶)比例的不断减少,EP 对复合材料力学性能的贡献越来越少,故其压缩强度和弯折强度不断下降。
    样号3#、样号6#~样号9#的压缩荷载-变形量曲线如图2所示(曲线的斜率可表示复合材料的压缩弹性模量)。
                
    由图2可知:随着m(EP)∶m(橡胶)比例的不断减少,复合材料的最大破坏荷载和压缩弹性模量均越来越小,其最大荷载时的变形量越来越大;当m(EP)∶m(橡胶)=0.5∶1.0时,复合材料的上述曲线基本上呈现出典型弹性材料的应力-应变曲线。这是因为随着m(EP)∶m(橡胶)比例的不断减少,复合材料中橡胶材料含量越来越大,故复合材料越来越呈现出弹性橡胶材料的特征。
    2.3 弹性混凝土的弹性
    为了表征弹性混凝土的弹性,本研究将水泥砂浆和弹性混凝土进行了部分性能对比。图3为不同样品的弯曲荷载-变形量曲线(曲线的斜率可表示复合材料的弯曲弹性模量)。
              
     由图3可知:水泥砂浆弯曲弹性模量相对最高,试件在达到最大破坏荷载后立即断裂(荷载消失),为典型的脆性破坏特征,其最大变形量约为0.3 mm;弹性混凝土样号5#、样号6#和样号9#的弯曲弹性模量均明显低于水泥砂浆,彼此之间也有明显的差异,试件在达到最大破坏荷载后没有断裂(只有微小裂纹),荷载也没有立即消失(而是缓慢下降),呈现出较好的弹性特征,其最大荷载时的变形量为1.9~3.3 mm。
    图4 为弯折强度测试后的试件状态,弹性混凝土试件只有微小裂缝(约0.1 mm),基本上看不到破坏状态,而水泥砂浆试件断裂成两段。图5(为弹性混凝土试件弯折强度测试时的变形图)呈现出弹性混凝土试件具有较好的弹性行为。
               
    3· 结语
    (1)EP/橡胶弹性混凝土的密度不受m(EP)∶m(橡胶)比例、橡胶材料组成等条件的影响,均保持在1.020~1.070 g/cm3 范围内,是砂浆和混凝土密度的40%~50%。这种新型轻质混凝土材料对减轻结构物自重具有重要意义。
    (2)以m(EP)∶m(橡胶)=0.9∶1.0、w(橡胶颗粒)=80%的样品为基准,随着橡胶材料中橡胶颗粒含量的不断减少,弹性混凝土的压缩弹性模量基本不变,压缩强度和弯折强度均略有提高,并且在橡胶颗粒含量为0 时相对最大(分别提高了33.2%和46.2%)。
    (3)以w(橡胶颗粒)=50%、m(EP)∶m(橡胶)=0.9∶1.0样品为基准,随着m(EP)∶m(橡胶)比例的不断减少,弹性混凝土的压缩弹性模量、压缩强度和弯折强度均显著降低;当m(EP)∶m(橡胶)=0.5∶1.0时,压缩强度降低了45.3%、弯折强度降低了34.7%。
    (4)水泥砂浆弯曲弹性模量较高,试件在达到最大破坏荷载后立即断裂(荷载消失),为典型的脆性破坏,其最大变形量约为0.3 mm;弹性混凝土的弯曲弹性模量明显低于水泥砂浆,试件在达到最大破坏荷载后没有断裂(只有微小裂纹),荷载也没有立即消失(而是缓慢下降),其最大荷载时的变形量为1.9~3.3 mm,呈现出较好的弹性特征。
参考文献
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