环氧树脂/橡胶混凝土的应力-应变曲线试验*

舒兴旺　张　影

(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

新型道路材料国家地方联合工程实验室　太原　030006)



环氧树脂/橡胶混凝土的应力-应变曲线试验*

舒兴旺张影

(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

新型道路材料国家地方联合工程实验室太原030006)

摘要：为了研究弹性改性剂对环氧树脂/橡胶混凝土力学性能的影响，通过改变弹性改性剂用量，制备了一系列环氧树脂胶粘剂及环氧树脂/橡胶混凝土，考察了弹性改性剂含量对环氧树脂胶粘剂性能和环氧树脂/橡胶混凝土抗折、抗压应力-应变曲线的影响.结果表明，随着弹性改性剂含量的质量分数增加(10%～80%)，环氧树脂胶粘剂的性能有显著变化；环氧树脂/橡胶混凝土的抗折和抗压应力-应变曲线均经历了明显的弹性阶段-弹塑性阶段-塑性阶段的转变；抗折和抗压峰值应力均逐渐降低，峰值应变和峰值应变能均逐渐增大，且含量的质量分数低于60%时变化幅度缓慢，含量质量分数高于60%时变化幅度显著增大.建议弹性改性剂含量的质量分数在40%～60%为宜，此时环氧树脂/橡胶混凝土具有较好的综合性能.

关键词：环氧树脂/橡胶混凝土；弹性改性剂；应力-应变曲线；峰值应变；峰值应变能

舒兴旺(1980- )：男，硕士生，工程师，主要研究领域为环氧树脂基材料的开发及其在公路工程中的应用

*山西省交通运输厅科研计划项目资助(批准号：2015-1-24)

0引言

沥青混凝土和水泥混凝土是我国最主要的路面铺装材料，其各有优缺点.沥青路面属柔性路面，路面平整，行车舒适，但强度较低，寿命较短，易出现高温车辙和低温易开裂等病害；水泥路面属刚性路面，强度高，耐久性好，但行车噪声大，舒适性差，易出现裂缝、断板、错台、破碎、脱空或空洞等病害.开发一种模量介于沥青混凝土和水泥混凝土之间的新型路面材料可能是兼容上述两种路面优点，消除其不足的有效途径[1-2].

橡胶混凝土是将废旧橡胶颗粒或橡胶粉掺入混凝土中制成的一种新型复合材料，它具有轻质、抗裂性强、弹性减震、透水透气、保温隔热、隔音降噪等优越性能，特别是其抗裂性能好、吸收能量大、韧性高及变形能力大，工程性能介于普通水泥混凝土(刚性)和沥青混凝土(柔性)之间, 有望成为理想的路面铺装材料，现已成为了道路材料领域的研究热点之一[3-7].文献[8]报道, 在西班牙Salamanca附近的Gudino居民区建成了小掺量橡胶粉混凝土路面，经3 a重载交通，路面仍保持良好的性能.2003年在美国建造了多个弹性橡胶混凝土的试验路段, 包括公路路面、停车泊位、网球场等[9].我国对橡胶混凝土也进行了大量的研究[10-12]，但工程应用缺乏.

随着我国交通建设的迅猛发展，橡胶混凝土在交通行业的应用，能拓宽废橡胶的应用领域，促进资源循环利用.但目前橡胶混凝土的强度较低，限制了其应用，主要原因在于：橡胶材料与水泥浆体的相容性差，两者之间不能形成有效的黏结，导致强度降低明显[13-14].虽然有研究人员尝试采用橡胶颗粒表面改性处理的方法提高混凝土的强度，但随橡胶掺量的增加，混凝土抗折强度下降仍较为明显.

本文以环氧树脂胶粘剂代替水泥浆体作为胶结材料，开发了一种环氧树脂/橡胶混凝土，利用环氧材料性能的可控性，改善橡胶材料与胶结材料的相容性和粘结性，从而提高橡胶混凝土的强度，为高性能橡胶混凝土的开发提供了一种新的思路.在前期工作中考察了橡胶类型及掺量、砂石级配、环氧树脂胶粘剂掺量等因素对环氧树脂/橡胶混凝土性能的影响[15-16]，通过改变弹性改性剂掺量，制备了一系列环氧树脂胶粘剂及其橡胶混凝土，考察了弹性改性剂掺量对环氧树脂胶粘剂性能和环氧树脂/橡胶混凝土应力-应变曲线的影响，也间接考察了环氧树脂胶粘剂性能对环氧树脂/橡胶混凝土性能的影响.

1试验测试

1.1试验原料

双酚A型环氧树脂E-51，工业级，市售；环氧活性稀释剂692，工业级，市售；弹性改性剂，自制；改性脂肪胺固化剂，工业级，市售；1～2 mm废旧橡胶颗粒(由废旧卡车轮胎加工而成)，工业级，青岛惠商橡胶有限公司；3～4 mm单一粒径玄武岩石料，市售；细度模数为2.78的天然河砂，市售.

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环氧树脂/橡胶弹性混凝土的制备

首先将双酚A型环氧树脂E-51、环氧活性稀释剂692、弹性改性剂和改性脂肪胺固化剂按质量份配方混合，电动搅拌3 min即得环氧胶粘剂；接着将玄武岩石料、砂子和废旧橡胶颗粒按体积比1∶2∶3混合，电动搅拌3 min即得集料混合物；最后按质量比m(胶)∶m(集)=20%称取环氧胶粘剂和集料混合物，将两者混合，电动搅拌5 min，填入模具养护成型即得环氧树脂/橡胶弹性混凝土.

1.4测试与表征

1) 环氧树脂胶粘剂性能测试拉伸强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率等性能按GB/T 2567-2008测试；拉伸剪切强度按GB/T7124-2008测试.

2) 环氧树脂/橡胶混凝土应力-应变曲线抗压强度、抗折强度按照GB/T 17671-1999测试，试件为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体，CMT4304型微机控制电子万能试验机测试时电脑自动记录荷载-位移，位移速率2 mm/min.由式(1)～式(4)计算抗压(或抗折)应力-应变，绘制抗压(或抗折)应力-应变曲线：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：σ为压缩应力，Pa；ε为压缩应变，10-2；F为荷载，N；S为压缩接触面积，m2；l为压头位移，m；L为试件压缩方向厚度，m；σf为弯折应力，Pa；εf为弯折应变，10-2；L0为弯折试验跨距，m；b为试件弯折面宽度，m；d为试件弯折方向厚度，m.

峰值应力为最大应力；峰值应变为最大应力对应的应变；峰值应变能为单位体积的材料在变形至峰值应变时所消耗的总机械能，即应力-应变曲线下从0至峰值应变范围内的面积.

(5)

试件养护方式：试件成型后在室温下养护12 h，然后在60 ℃养护8 h，自然冷却至室温后开始测试.

样号规定：pbw指质量份数(parts by weight)；样号E10指弹性改性剂含量为10 pbw的环氧树脂胶粘剂，样号C10指弹性改性剂含量为10 pbw的环氧树脂/橡胶混凝土，其他弹性改性剂含量的环氧树脂胶粘剂和环氧树脂/橡胶混凝土依次标注.

2试验结果与分析

2.1环氧树脂胶粘剂的配方设计与性能

环氧树脂胶粘剂的配方见表1，弹性改性剂含量对环氧树脂胶粘剂拉伸强度和断裂伸长率、弹性模量和剪切强度等性能的影响分别见图1～2.

表1　环氧树脂胶粘剂的配方　pbw

图1　环氧树脂胶粘剂的拉伸强度和断裂伸长率

图2　环氧树脂胶粘剂的拉伸弹性模量和剪切性能

从图1～2可知，随着弹性改性剂含量的增大，拉伸强度近似线性由55 MPa下降至3.2 MPa；断裂伸长率逐渐增大，在40 pbw之前，由3%缓慢增至25%，在40 pbw之后，由25%快速增大至180%；拉伸弹性模量也近似线性由1 800 MPa降低至10 MPa；拉伸剪切强度在30 pbw之前小幅增大，在30 pbw之后，由21 MPa迅速下降至7.8 MPa，前期拉伸剪切强度增大，是因为在一定范围内弹性改性剂含量的增大改善了环氧胶粘剂的韧性，从而提高了其粘接性能.

2.2环氧树脂/橡胶混凝土的应力-应变曲线基本特征

图3为环氧树脂/橡胶混凝土的应力-应变曲线.由图3可见，随着弹性改性剂掺量增大，抗折和抗压曲线上升段均经历了明显的弹性阶段—弹塑性阶段—塑性阶段的转变，转变点分别为40 pbw和60 pbw.原因在于，随着弹性改性剂掺量不断增大，环氧树脂胶粘剂的强度、模量和粘接性能均逐渐降低，变形性能逐渐增强，它在混凝土内部所形成的立体网络结构的强度和模量也逐渐降低，不能很好地起到混凝土的支撑和固结作用，故混凝土的强度和模量逐渐降低，变形能力逐渐增大，从而实现了混凝土应力-应变行为由弹性阶段—弹塑性阶段—塑性阶段的转变.

图3　环氧树脂/橡胶混凝土的应力-应变曲线

2.3环氧树脂/橡胶混凝土的峰值应力、峰值应变和峰值应变能

弹性改性剂掺量对峰值应力、峰值应变和峰值应变能的影响见图4～6.由图中可知，随着弹性改性剂掺量增大，环氧树脂/橡胶混凝土抗折和抗压应力-应变曲线特征参数的变化趋势基本一致：峰值应力逐渐降低，峰值应变和峰值应变能逐渐增大；掺量低于60 pbw时变化幅度缓慢，掺量高于60 pbw时变化幅度明显.峰值应变能是表征单位体积的材料变形到峰值应变时所消耗的总机械能，即材料在产生结构劣化前所能吸收的最大能量，当外加能量超过峰值应变能时就会导致材料性能劣化，故随着弹性改性剂掺量不断增大，峰值应变能越来越大，表明环氧树脂/橡胶混凝土的韧性和抗冲击能力越来越强.

从上述数据及其变化规律可知：当弹性改性剂掺量在40～60 pbw时，环氧树脂/橡胶混凝土具有较好的综合性能：抗折峰值应力在12.88～11.07 MPa，峰值应变在3.75%～5.64%，峰值应变能在25.96～38.69 MJ/m3；抗压峰值应力在30.26～29.61 MPa，峰值应变在5.40%～8.56%，峰值应变能在104.77～177.46 MJ/m3.

图4　抗折曲线的峰值应力和峰值应变

图5　抗压曲线的峰值应力和峰值应变

图6　抗折和抗压曲线的峰值应变能

2.4力学性能分析

环氧树脂/橡胶混凝土与普通混凝土、橡胶混凝土的力学性能参数对比如表2.

由表2可见，随着 C35普通混凝土中橡胶体积掺量的增大，其抗压强度和抗折强度均显著降低，极限压缩变形率显著增大.环氧树脂/橡胶混凝土中橡胶体积掺量为50%时，其抗压强度约30 MPa，抗折强度为11.0～12.8 MPa，极限压缩变形率为5.4%～8.5%，是C35普通混凝土抗压强度的0.8倍，抗折强度的2.5倍，极限压缩变形率的21～32倍；是橡胶体积掺量20%的RC35橡胶混凝土抗压强度的3.8倍，抗折强度的5.2～6.1倍，极限压缩变形率的6.6～10.5倍.上述数据表明，与普通混凝土和橡胶混凝土相比，环氧树脂/橡胶混凝土具有更好的综合力学性能且橡胶掺量更大，对于抗折强度要求较高而抗压强度要求较低的刚性路面铺装材料而言，应用前景广阔.

表2　环氧树脂/橡胶混凝土与普通混凝土、

注：C35表示C35普通混凝土；RC35表示橡胶改性C35普通混凝土，RC35-20%表示橡胶体积掺量为20%的RC35，其他掺量依此表示；EP/R表示环氧/橡胶混凝土，EP/R-50%*中弹性改性剂掺量为40～60 pbw；普通混凝土和橡胶混凝土性能参数来自文献[4].

3结论

1) 随着弹性改性剂掺量逐渐增大，环氧树脂胶粘剂的拉伸强度和拉伸弹性模量近似线性下降，断裂伸长率逐渐增大，拉伸剪切强度先增大后减小；环氧树脂/橡胶混凝土的抗折和抗压应力-应变曲线均经历了明显的弹性阶段-弹塑性阶段-塑性阶段的转变，曲线峰值应力均逐渐降低，峰值应变和峰值应变能均逐渐增大.

2) 弹性改性剂掺量在40～60 pbw时，环氧树脂/橡胶混凝土具有较好的综合性能；与普通混凝土和橡胶混凝土相比，环氧树脂/橡胶混凝土具有更好的综合性能且橡胶掺量更大，对于抗折强度要求较高而抗压强度要求较低的刚性路面铺装材料而言，应用前景广阔.

参 考 文 献

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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

中图法分类号：U414