集料组成对环氧橡胶弹性混凝土力学性能影响的研究

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，山西 太原 030006）

0 引言

橡胶混凝土是将废旧汽车轮胎加工成橡胶颗粒或橡胶粉掺入混凝土中而制成的一种新型复合材料，它具有许多普通混凝土难以企及的优越性能，如：轻质、延性好、抗裂性强、弹性减震、透水透气、保温隔热、隔音降噪等[1-3]。同时它本身作为一种环保产品，既拓宽了废橡胶的应用领域，合理地进行了资源循环利用，又解决了环境污染问题，因此，具有广阔的应用前景。但橡胶混凝土的强度比普通混凝土低，限制了其大范围应用，这主要是因为橡胶颗粒或橡胶粉与水泥浆体的相容性差，两者之间不能形成有效的黏结，导致橡胶混凝土的力学性能降低[4-5]。

环氧树脂材料因具有极好的黏结性、稳定性、耐化学品性及力学强度，如环氧沥青混凝土、环氧结构胶、环氧树脂混凝土、环氧砂浆[6]和环氧防腐涂料等材料，在公路结构物的修筑、维修和养护工程中应用越来越广泛[7]。本课题组以环氧胶黏剂代替水泥胶凝材料，制备了一种环氧橡胶弹性混凝土，考察了其力学性能。拟利用环氧材料优越的黏结性，改善与橡胶颗粒或橡胶粉的相容性和黏结力，从而提高橡胶混凝土的力学性能，为开发一种既具有水泥混凝土路面的强度和耐久性，又具有沥青混凝土路面的行车舒适性和维修便利性的弹性混凝土路面材料进行有益的探索。

1 试验部分

1.1 试验原料

液体环氧树脂，工业级，市售；环氧活性稀释剂，工业级，市售；环氧增韧剂，工业级，市售；改性胺固化剂，工业级，市售；1～2 mm废旧橡胶颗粒（由废旧卡车轮胎经机械破碎加工而成），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 环氧橡胶弹性混凝土的制备

首先按质量份计，将100份液体环氧树脂、10份环氧活性稀释剂和15份环氧增韧剂加入混合容器中，电动搅拌2 min，然后加入62.5份改性胺固化剂，电动搅拌1 min即得环氧胶液；接着按一定体积比称取废旧橡胶颗粒、玄武岩石料和砂子，电动搅拌混合2 min， 即得集料混合物；最后按 m环氧胶液：m集料混合物=20%计量比称取环氧胶液和集料混合物，将两者混合，电动搅拌5 min，即得环氧橡胶弹性混凝土。

1.3 测试与表征

抗压强度、抗折强度测试按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》要求进行，试件为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体；抗拉强度试验采用“8”字模法，按照DL/T5193—2004《环氧树脂砂浆技术规程》要求进行；密度测试采用德国Sartorius公司电子天平BT125D称量试件质量。上述力学性能测试仪器采用美特斯工业系统（中国）有限公司生产的微机控制电子万能试验机CMT4304，测试时试验机电脑自动记录荷载—位移曲线，位移速率设定为2 mm/min。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。

2 结果与讨论

环氧橡胶弹性混凝土是以环氧材料为连续相，石料、砂子和橡胶等集料为分散相组成的复合材料。在连续相即环氧材料组成和含量一定的情况下，复合材料的力学性能主要受分散相即集料组成影响。在集料组成中，石料和砂子属刚性集料，模量大、强度高；橡胶颗粒属弹性集料，模量小、强度低。复合材料在承受荷载时，荷载在刚性集料和弹性集料间相互传递，因两类集料在模量和强度方面差异较大，故集料组成对复合材料力学性能应该有一定的影响。

本研究主要考察了集料组成中橡胶体积含量、石料/砂子体积比等因素对环氧橡胶弹性混凝土密度和力学性能的影响。不同橡胶体积含量的环氧橡胶弹性混凝土的性能见表1，不同石料/砂子体积比的环氧橡胶弹性混凝土的性能见表2。

表1 不同橡胶体积含量的环氧橡胶弹性混凝土的性能

表2 不同石料/砂子体积比的环氧橡胶弹性混凝土的性能

2.1 橡胶体积含量对环氧橡胶弹性混凝土力学性能的影响

如表1所示，在V石∶V砂=1∶1条件下，橡胶体积含量分别为 33.3%、50.0%、60.0%、66.7%、71.4%时，环氧橡胶弹性混凝土的抗折强度分别为12.86 MPa、7.19 MPa、4.51 MPa、3.87 MPa、2.41 MPa；抗压强度分别为 34.55 MPa、17.41 MPa、9.99 MPa、8.53 MPa、5.42 MPa；抗 拉 强 度 分 别 为 5.31 MPa、4.53 MPa、2.69 MPa、2.11 MPa、1.31 MPa；密度分别为1.69 g/cm3、1.39 g/cm3、1.23 g/cm3、1.17 g/cm3、1.10 g/cm3。以样品1为参照，则抗折强度分别降低了0%、44.1%、64.9%、69.9%和81.3%；抗压强度分别降低了0%、49.6%、71.1%、75.3%和84.3%；抗拉强度分别降低了0%、14.7%、49.3%、60.3%和75.3%；密度分别降低了0%、17.75%、27.22%、30.77%和34.9%。

由上述数据分析可知，随着集料组成中橡胶体积含量不断增大，环氧橡胶弹性混凝土的抗折强度、抗压强度、抗拉强度和密度均逐渐降低，且降低幅度明显。橡胶体积含量由33.3%增大到71.4%时，抗折强度降低了81.3%，抗压强度降低了84.3%，抗拉强度降低了75.3%，密度降低了34.9%。这是因为：环氧橡胶弹性混凝土是由连续相（环氧材料）和分散相（集料）组成的复合材料，在连续相（环氧材料）组成和含量一定的情况下，复合材料的力学性能主要受分散相（集料）组成影响。复合材料在承受荷载时，荷载由刚性集料（石料和砂子）和弹性集料（橡胶）共同承担，随着集料组成中橡胶体积含量不断增大，集料体系越来越呈现橡胶集料的性质，复合材料的力学性能也越来越呈现橡胶材料的性质，故复合材料的力学性能和密度显著降低。

不同橡胶体积含量的复合材料的弯曲荷载—变形量曲线、压缩荷载—变形量曲线、拉伸荷载—变形量曲线分别如图1、图2和图3所示，图中曲线的斜率可表示复合材料模量的大小，从图中可以看出，随着橡胶体积含量不断增大，复合材料的弯曲模量、压缩模量、拉伸模量均逐渐下降，最大变形量逐渐增大（除拉伸最大变形量变化不明显外），且变化幅度明显，表明复合材料的弹性越来越好，这与复合材料的抗折强度、抗压强度、抗拉强度和密度变化规律一致，原因同上。在图3中，a曲线和b曲线斜率变化不明显，c曲线和d曲线斜率变化不明显，各条曲线的最大变形量变化也不明显，可能是因为本试验采用8字型试件，拉伸部分截面较小，厚度较薄，而集料中石料和部分砂子尺寸较大，使拉伸截面上的橡胶体积含量和整个复合材料中的含量不一致，拉伸截面存在大尺寸刚性集料缺陷所致。

图1 不同橡胶体积含量的复合材料的弯曲荷载—变形量曲线

图2 不同橡胶体积含量的复合材料的压缩荷载—变形量曲线

图3 不同橡胶体积含量的复合材料的拉伸荷载—变形量曲线

2.2 石料/砂子体积比对环氧橡胶弹性混凝土力学性能的影响

如表2所示，在V胶%=50%条件下，石料/砂子体积比分别为 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3 时，环氧橡胶弹性混凝土的抗折强度分别为5.43 MPa、6.00 MPa、7.68 MPa、12.00 MPa、7.57 MPa；抗压强度分别为 11.66 MPa、13.76 MPa、16.20 MPa、30.15 MPa、14.66 MPa；抗拉强度分别为 2.60 MPa、3.59 MPa、3.62MPa、4.66MPa、4.38MPa； 密 度 分 别 为1.47 g/cm3、1.52 g/cm3、1.50 g/cm3、1.61g/cm3、1.44 g/cm3。以样品1为参照，则抗折强度分别提高了0%、10.5%、41.4%、121.0%和39.4%；抗压强度分别提高了0%、18.0%、38.9%、158.6%和 25.7%；抗拉强度分别提高了0%、38.1%、39.2%、79.2%和68.5%；密度分别增大了0%、3.4%、2.0%、9.5%和-2.0%。

由上述数据分析可知，随着集料组成中石料/砂子体积比不断减小，环氧橡胶弹性混凝土的抗折强度、抗压强度、抗拉强度和密度均呈现先增大后减小的变化趋势。当石料/砂子体积比为1∶2时，抗折强度、抗压强度、抗拉强度和密度均达到最高，与石料 /砂子体积比 3∶1相比，抗折强度提高了121.0%，抗压强度提高了158.6%，抗拉强度提高了79.2%，密度增大了9.5%。这是因为：石料和砂子在强度和模量方面相当，当集料体系中石料和砂子体积总含量一定时，它们对复合材料的力学贡献总和也几乎不变，但随着石料/砂子体积比不断减小，由于较大尺寸石料与较小尺寸砂子间的镶嵌作用，集料级配得到优化，集料体系更密实，复合材料的缺陷更少，荷载传递更有效，故复合材料的力学性能不断提高。当石料/砂子体积比为1∶2时，集料级配达到最优，故各项力学性能最优。

不同石料/砂子体积比的复合材料的弯曲荷载—变形量曲线、压缩荷载—变形量曲线、拉伸荷载—变形量曲线分别如图4、图5和图6所示，图中曲线的斜率可表示复合材料模量的大小，从中可以看出，随着石料/砂子体积比不断减小，复合材料的弯曲模量、压缩模量和拉伸模量均略有上升，仅当石料/砂子体积比为1∶2时，各种模量均显著增大，这与复合材料的抗折强度、抗压强度、抗拉强度和密度变化规律一致，原因同上。

图4 不同石料/砂子体积比的复合材料的弯曲荷载—变形量曲线

图5 不同石料/砂子体积比的复合材料的压缩荷载—变形量曲线

图6 不同石料/砂子体积比的复合材料的拉伸荷载—变形量曲线

3 结论

a）在V石∶V砂=1∶1条件下，以集料组成中橡胶体积含量为33.3%的样品为参照，随着橡胶体积含量不断增大，环氧橡胶弹性混凝土的抗折强度、抗压强度、抗拉强度和密度均逐渐减小，相应模量逐渐降低，最大变形量不断增大，且变化幅度较大。当橡胶体积含量增至71.4%时，抗折强度降低了81.3%，抗压强度降低了84.3%，抗拉强度降低了75.3%，密度降低了34.9%。

b）在V胶%=50%条件下，以集料组成中石料/砂子体积比为3∶1的样品为参照，随着石料/砂子体积比不断减小，环氧橡胶弹性混凝土的抗折强度、抗压强度、抗拉强度和密度均呈现先增大后减小的变化趋势，相应模量略有上升。当石料/砂子体积比为1∶2时，各项性能均达到最高，抗折强度提高了121.0%，抗压强度提高了158.6%，抗拉强度提高了79.2%，密度增大了9.5%。