橡胶颗粒改性大空隙率环氧树脂冷拌混凝土配合比正交试验研究

张生贵 ，邓云峰 ，杨志鹏 ，李强 ，王永维 ，刘伟 ，李桂琴 ，胡吉福

（1.青海省收费公路管理处，青海 西宁 810008；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

0 引言

环氧树脂混凝土具有强度高、收缩性小，同时还具有优良的耐化学、耐油污等优点，环氧树脂混凝土在道路工程中主要应用在公路结构物的修筑、维修和养护工程等方面，由于环氧树脂混凝土存在脆性较大的缺陷，限制了其应用推广的程度和范围[1-2]。

废旧轮胎的处理是我国环境治理的一个很大难题。为了资源的循环再利用，目前一部分废旧轮胎被制备成不同目数的橡胶粉掺入到沥青中来改性沥青及其沥青混合料，应用到道路工程中，解决了很大部分的黑色污染。但与此同时，制备不同目数的橡胶粉需要用到燃烧设备，在解决污染的同时又消耗了资源，产生了污染。如果能将橡胶颗粒直接应用到道路工程中，将给黑色污染的处理提供了一种更加绿色化的新途径[3-5]。

橡胶颗粒是通过废旧轮胎再生后得到，含有天然橡胶和碳黑，用于道路建设中能够提高路面使用性能和耐久性，尤其适用于西北等高寒、紫外线较强的地区。国内外研究人员对将橡胶颗粒作为替代混凝土的骨料掺入其中很早就进行了相关研究，Heitzman将0.85～6.4 mm的橡胶颗粒代替部分细集料应用在断级配沥青混合料中，并将其作为磨耗层[6]。龙广成和马昆林[7]将橡胶颗粒添加到水泥混凝土中，对其抗压强度的降低效应进行了研究。张金喜[8]进行了室内试验研究，发现橡胶颗粒沥青混凝土的沥青用量减小，路面的弹性增大，具有良好的耐水性、抗滑性和路面防冻性能。但是对橡胶颗粒改性大空隙率环氧树脂冷拌混凝土的研究很少。基于此，本文从正交试验配合比设计入手，以橡胶颗粒改性大空隙率环氧树脂冷拌混合料的路用性能为优选指标，确定了大空隙率环氧树脂冷拌混合料的最佳配合比，以期拓宽环氧树脂混凝土在公路工程中的应用以及提供一种废旧轮胎再生利用的新途径。

1 试验

1.1 试验原材料

聚氨酯改性环氧树脂：江苏省泰州市恒创绝缘材料有限公司生产，固化剂为T系列常温柔性固化剂，沈阳化工研究所生产；橡胶颗粒：粒径1～3 mm，山东临沂市万顺达橡胶厂；碳黑：比表面积125～130 m2/g，天津亿博瑞化工有限公司。

矿料：临洮县兴建石料厂生产，1#料粒径10～15 mm，2#料粒径 5～10 mm，3#料粒径 3～5 mm，4#料粒径 0～3 mm；矿粉由中铁五局LWLM2矿粉加工厂生产。

1.2 试验方法

目前没有冷拌环氧树脂混合料的配合比设计方法，本文基于马歇尔设计方法下的OFGC沥青混合料的性能指标，利用1～3 mm的橡胶颗粒等量替代0～3 mm的细集料。采用正交试验设计方法，以高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、飞散试验等路用性能指标进行优选，选择合适的环氧树脂用量和橡胶颗粒取代量，同时为了防止环氧树脂胶结料的老化，通过添加碳黑辅助抗老化剂，以紫外老化后的飞散损失衰减率确定碳黑的最佳掺量[9-10]。

高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、飞散试验依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行测试。

2 大空隙率环氧树脂冷拌混合料的配合比设计

2.1 混合料矿料级配

大空隙率环氧树脂混合料不同粒径矿料的比例为：m（1#料）∶m（2#料）∶m（3#料）∶m（4#料）∶m（矿料）=27∶60∶0∶11∶2，合成级配见表1。

2.2 混合料的制备

按配比称取各粒径要求的矿料在搅拌装置中预搅拌1 min使矿料充分混合，然后将环氧树脂A组份置于干燥的容器中，称取B组份固化剂倒入A组份中充分搅拌混合，其中A、B组份的质量比为3∶1。将混合物倒入已经配制好矿料的搅拌锅中，搅拌1 min后停止，加入矿粉搅拌1～2 min，以最终混合料无花白料为准，所制备的混合料即为本研究的大空隙率环氧树脂冷拌混合料。

2.3 大空隙率环氧树脂冷拌混合料的性能

根据前期试验结果和积累，参考马歇尔相关指标，以环氧树脂掺量为5%配制冷拌环氧树脂混合料，双面击实50次后，将试件连同模具侧向放入60℃的烘箱中养生48 h后取出脱模，测试其性能，结果如表2所示。

表2 大空隙率环氧树脂冷拌混合料的性能指标

从表2可以看出，大空隙率环氧树脂冷拌混合料具有较高的力学性能和高温性能，但其低温性能较差，甚至不符合用于道路混合料低温性能的最低技术要求（JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求低温弯曲破坏应变≥2000 με）。因此必须采取合适的手段进行改性。

3 橡胶颗粒改性大空隙率环氧树脂冷拌混合料的配合比设计方法

根据前期试验研究，选择环氧树脂掺量（A、B组份质量比固定为3∶1，按占矿料质量计）、碳黑掺量（按占环氧树脂总质量计）以及橡胶颗粒取代0～3 mm细集料量3个因素[11]，采用L9（33）正交试验，因素水平见表3。

表3 大空隙率环氧树脂冷拌混合料正交试验因素水平

3.1 正交试验结果

正交试验结果见表4，极差分析见表5。

表4 大空隙率环氧树脂冷拌混合料的正交试验结果

表5 正交试验极差分析

3.2 正交试验结果分析

由表5可见：

（1）影响大空隙率环氧树脂冷拌混合料高温性能（动稳定度）的主要因素是环氧树脂掺量，其次是橡胶颗粒取代量，碳黑掺量是最次要因素。随着环氧树脂掺量的增加，混合料的高温性能提高，考虑到成本和高温性能，建议环氧树脂的掺量为5%。随着橡胶颗粒取代量的增加，混合料的高温性能有所改善，说明橡胶颗粒的加入提高了混合料的高温性能，原因是橡胶颗粒是一种低强度高回弹材料，在成型后混合料内部存在的橡胶颗粒相当于一个个小的“预应力试块”，使得在外界荷载的作用下其高温性能有一定程度的改善[12]。

（2）影响大空隙率环氧树脂冷拌混合料水稳定性（冻融劈裂强度比）的主要因素是环氧树脂掺量，其次是橡胶颗粒的取代量，碳黑掺量是最次要因素。随着橡胶颗粒取代量的增加，混合料的水稳定性有所降低，主要是因为橡胶颗粒的取代量越多，其空隙率越大，结构的密度越小，但还是满足实际工程中对混合料的抗水损害的要求（一般工程上比较严格的对水稳定性要求其冻融劈裂强度比不小于80%）。

（3）影响大空隙率环氧树脂冷拌混合料低温性能（破坏应变）的主要因素是环氧树脂掺量，其次是橡胶颗粒的取代量，碳黑掺量是最次要的因素。随着橡胶颗粒取代量的增加，混合料的低温性能显著提升，主要是因为一方面橡胶颗粒属于柔性材料，其强度远远的小于被等量取代的细集料，高变形、低模量的橡胶颗粒使得混合料具有较强的低温性能。另一方面橡胶颗粒的掺入改变了混合料的骨架结构，树脂分子和橡胶颗粒的交界面存在的空穴，在外界载荷的作用下会发展为银纹，银纹效应使得混合料的低温性能显著提高。

（4）影响大空隙率环氧树脂冷拌混合料抗紫外老化效果（飞散损失率）的主要因素是碳黑掺量和橡胶颗粒的取代量，其次是环氧树脂掺量。随着橡胶颗粒取代量的增加，混合料的抗紫外老化性能有所改善，主要是因为橡胶颗粒中含有抗老化抑制剂，与碳黑发生了协同效应，综合提高了混合料的抗紫外线老化效果[11]。碳黑掺量越大，混合料的抗紫外线老化性能越好，但在配制混合料的过程发现，碳黑掺量超过2%时，混合料的施工和易性会受到影响，因此，建议碳黑的合理掺量不宜超过2%。

综上所述，过多的橡胶颗粒掺入虽然会一定程度削弱水稳定性，但仍然满足工程要求，综合低温性能和抗紫外线老化性能，橡胶颗粒合适掺量为5%，碳黑掺量为2%，环氧树脂掺量为5%。

4 结论

（1）影响大空隙率环氧树脂冷拌混合料高温性能、低温性能和水稳定性的因素顺序均为：环氧树脂掺量＞橡胶颗粒取代量＞碳黑掺量。综合考虑，环氧树脂适宜掺量为5%，橡胶颗粒等量取代细集料的合适掺量为5%。

（2）影响大空隙率环氧树脂冷拌混合料抗紫外线老化的因素顺序为：碳黑掺量≈橡胶颗粒取代量＞环氧树脂掺量。碳黑掺量越大，混合料的抗紫外线老化性能越好，但考虑到施工和易性，建议碳黑的合理掺量不宜超过2%。

（3）与未改性大空隙率环氧树脂冷拌混合料相比，橡胶颗粒和环氧树脂对高温性能的提高具有协同增强作用，橡胶颗粒和碳黑协同综合提高大空隙率环氧树脂冷拌混合料的抗紫外线老化效果。

（4）综合高温性能、低温韧性、水稳定性和抗紫外线老化性能，适宜的橡胶颗粒改性大空隙率环氧树脂冷拌混合料的配合比为：环氧树脂掺量为5%，橡胶颗粒取代5%的0～3 mm的细集料，碳黑掺量为2%。

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