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，山西 太原 030006）

橡胶表面处理对环氧树脂/橡胶混凝土力学性能的影响

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，山西 太原 030006）

为了增强橡胶颗粒与环氧树脂胶粘剂之间的界面粘接强度，提升环氧树脂/橡胶混凝土的力学性能，采用清水、盐酸溶液、氢氧化钠溶液、二氯甲烷、四氯化碳分别对橡胶颗粒浸泡处理，考查了不同处理方式对环氧树脂/橡胶混凝土力学性能和橡胶颗粒表面形貌的影响。结果表明，除NaOH溶液使环氧树脂/橡胶混凝土弯曲强度和压缩强度降低外，其余溶剂均使弯曲强度和压缩强度提升；除清水使峰值应变和峰值应变能降低外，其余溶剂均使峰值应变和峰值应变能提升。随着盐酸溶液处理时间的延长，环氧树脂/橡胶混凝土的弯曲强度和压缩强度均先增大后减小，弯曲峰值应变也先增大后减小，压缩峰值应变基本无变化，橡胶颗粒表面形貌发生变化。建议橡胶颗粒采用盐酸溶液浸泡处理8 h，环氧树脂/橡胶混凝土具有较好的综合力学性能、经济性和环保性。

环氧树脂/橡胶混凝土；橡胶表面处理；力学性能

伴随全球汽车工业的快速发展，废旧轮胎数量越来越大。废旧轮胎在自然环境中上百年也难以分解，严重影响环境的安全和美化。如何高效合理利用废旧轮胎已成为世界各国亟待解决的一个重要课题。

将废旧轮胎破碎成橡胶粉掺入混凝土中制备橡胶混凝土并用于公路路面工程，是一种非常有前景的处置方式。现有水泥混凝土路面脆性大，抗冲击能力弱，在内部应力（温度应力和湿度应力）作用下也容易产生裂缝，废旧橡胶掺入水泥混凝土中可形成吸收应变能的结构变形中心，显著改善混凝土的脆性和抗冲击性，减少内部应力造成的各种病害[1]。但橡胶的掺入会导致混凝土压缩和弯曲强度大幅度下降，主要原因为：橡胶材料为有机材料，亲水性差；水泥浆体为无机材料，亲水性强，2者的物理化学性质差异大，相容性差，界面粘接力弱，导致混凝土强度明显降低[2，3]。虽然有人尝试采用橡胶颗粒表面改性来提高混凝土的强度，但随橡胶掺量的增加，混凝土弯曲强度下降仍较为明显[4～6]，阻碍了橡胶混凝土在路面工程中的大规模应用。

为改善界面粘接强度，提升橡胶混凝土的力学性能，本课题组以环氧树脂胶粘剂代替水泥浆体作为胶接材料，开发了一种环氧树脂/橡胶混凝土，改善了橡胶材料与胶接材料的相容性和粘接性，从而提升了橡胶混凝土的力学性能[7～10]。为了进一步增强橡胶颗粒与环氧树脂胶粘剂之间的界面粘接强度，提升环氧树脂/橡胶混凝土的综合力学性能，本文采用清水、盐酸溶液、氢氧化钠溶液、二氯甲烷、四氯化碳分别对橡胶颗粒浸泡处理，考查了不同处理方式对环氧树脂/橡胶混凝土力学性能和橡胶颗粒表面形貌的影响，为制备高性能橡胶混凝土提供理论依据和参考。

1　实验部分

1.1实验原料及仪器

环氧树脂E-51、环氧活性稀释剂692、改性脂肪胺固化剂等原料，工业级，市售；弹性改性剂：具有柔性聚氨酯主链和端活性基团的液体聚合物，自制；1～2 mm废旧橡胶颗粒，工业级，青岛惠商橡胶有限公司；NaOH、HCl、CCl4、CH2Cl2，分析纯，市售；清水，自来水公司。

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；JSM-6360LV型钨灯丝高低真空扫描电镜，日本电子株式会社。

1.2环氧树脂/橡胶混凝土的制备

（1）橡胶颗粒表面处理：将橡胶颗粒分别以清水、3%的NaOH溶液、3%的HCl溶液、CCl4、CH2Cl2浸泡处理4 h，每隔1 h搅拌5 min，浸泡时间结束后用清水反复冲洗3次，自然晾干，备用。

（2）环氧树脂/橡胶混凝土的制备：按质量份计，将100份环氧树脂E-51、10份环氧活性稀释剂692、15份弹性改性剂和25份改性脂肪胺固化剂混合，搅拌2 min即得环氧胶液；按质量比4：5称取环氧胶液和经表面处理后的橡胶颗粒，搅拌混合均匀后填入模具养护成型即得环氧树脂/橡胶混凝土。

1.3性能测试与表征

压缩强度和弯曲强度：按照GB/T 17671—1999测试，试件为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体。

应力-应变曲线绘制：采用CMT4304型微机控制电子万能试验机测试压缩强度和弯曲强度时，电脑自动记录荷载-位移，位移速率2 mm/min。由式（1）～（4）计算压缩（或弯曲）应力-应变，绘制压缩（或弯曲）应力-应变曲线：

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；L为弯折试验跨距，m；b为试件弯

0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：

式中：U*为应变能密度；V为材料体积；P为施加荷载；L为荷载方向的材料长度；A0为垂直于荷载方向的材料横截面积；σ为应力；ε为应变。

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

橡胶颗粒表面形貌表征：采用JSM-6360LV型钨灯丝高低真空扫描电镜，按放大倍数5 000取表面形貌。

2　结果与讨论

2.1溶剂种类的影响

不同溶剂处理的环氧树脂/橡胶混凝土的力学性能及其应力-应变曲线分别如表1和图1所示。从表1和图1可知，与未处理的环氧树脂/香蕉混凝土相比，除NaOH溶液处理的样品弯曲强度和压缩强度均降低外，其余溶剂处理的弯曲强度和压缩强度均提升；除清水处理的样品峰值应变和峰值应变能均降低外，其余溶剂处理的峰值应变和峰值应变能均提升，这可能是因为经清水处理的橡胶颗粒表面的油污无法清除，而经其余溶剂处理的油污清除的比较干净，同时对橡胶表面起到一定的腐蚀作用，从而导致表面极性增强，提高了橡胶颗粒与环氧胶粘剂的界面结合力，使样品峰值应变和峰值应变能均提升。综合考查环氧树脂/橡胶混凝土的弯曲、压缩强度及其峰值应变、峰值应变能，经HCl溶液和二氯甲烷处理的样品综合性能最好：弯曲强度分别提升了13%和17%，峰值应变分别提升了70%和41%，峰值应变能分别提升了105%和67.7%；压缩强度分别提升54%和51%，峰值应变分别提升了40%和26%，峰值应变能分别提升了88%和77%。同时考虑溶剂的成本及环保性能，采用HCl溶液处理橡胶颗粒最理想。

2.2盐酸溶液处理时间的影响

不同HCl溶液处理时间的环氧树脂/橡胶混凝土的力学性能及其应力-应变曲线如表2和图2所示。由表2和图2可知，随着处理时间的延长，环氧树脂/橡胶混凝土的弯曲强度和压缩强度均先升高后降低，在处理时间为12 h时达最大值，弯曲强度达4.80 MPa，压缩强度达17.86 MPa，分别比未处理样品强度提高了36%和67%；处理时间为24 h时，样品的弯曲强度和压缩强度均显著降低，弯曲强度为3.22 MPa，压缩强度为12.77 MPa，比未处理的样品弯曲强度降低了9%，压缩强度仅提升20%。随着处理时间的延长，环氧树脂/橡胶混凝土的弯曲峰值应变也先增大后减小，在处理时间为8 h时达最大，与未处理样品相比，提升了41%，超过12 h后基本不变，与未处理样品相比，提升了24%左右；压缩峰值应变随处理时间延长基本无变化，与未处理样品相比，提升了20%左右。综合考虑，处理时间为8 h较适宜。

2.3盐酸溶液处理时间对橡胶表面形貌的影响

表1　不同溶剂处理的环氧树脂/橡胶混凝土的力学性能Tab.1　Mechanical properties of epoxy resin/rubber concrete treated with different solvents

图1　不同溶剂处理的环氧树脂/橡胶混凝土的应力-应变曲线Fig.1　Stress-strain curves of epoxy resin/rubber concrete treated with different solvents

表2　不同盐酸溶液处理时间的环氧树脂/橡胶混凝土的力学性能Tab.2　Mechanical properties of epoxy resin/rubber concrete treated with hydrochloric acid solution for different time

图2　不同盐酸溶液处理时间的环氧树脂/橡胶混凝土的应力-应变曲线Fig.2　Stress-strain curves of epoxy resin/rubber concrete treated with hydrochloric acid solution for different time

不同HCl溶液处理时间的橡胶表面形貌如图3所示。从图3可知，未处理的橡胶颗粒表面密闭且平整，＿有大量油污和粉尘；经4 h和8 h处理后的橡胶颗粒表面出现大量空洞且不平整，粉尘和油污明显减少；经12 h处理后的橡胶颗粒表面致密而平整，可能是表面疏松结构被HCl溶液腐蚀而除去，显露出橡胶内部致密结构；经24 h和48 h处理后的橡胶颗粒表面出现一些空洞，呈现松散的表面结构，可能是因为HCl溶液处理时间过长，进一步腐蚀了橡胶颗粒表面的密实结构。上述HCl溶液处理时间对橡胶表面形貌的影响直接影响环氧树脂/橡胶混凝土的力学性能，可以较好地解释随HCl溶液处理时间的延长，环氧树脂/橡胶混凝土的强度和变形性能先增大后减小的变化规律。

图3　不同盐酸溶液处理时间的橡胶表面形貌Fig.3　Surface morphology of rubber treated with hydrochloric acid solution for different time

3　结论

（1）橡胶颗粒经清水、盐酸溶液、氢氧化钠溶液、CH2Cl2、CCl4分别浸泡处理后，环氧树脂/橡胶混凝土的力学性能变化明显：除NaOH溶液使弯曲强度和压缩强度均降低外，其余溶剂均使弯曲强度和压缩强度提升；除清水使峰值应变和峰值应变能均降低外，其余溶剂均使峰值应变和峰值应变能提升。

（2）随着盐酸溶液处理时间的延长，环氧树脂/橡胶混凝土的弯曲强度和压缩强度均先升高后降低，弯曲峰值应变先增大后减小，压缩峰值应变基本无变化。

（3）随着盐酸溶液处理时间的延长，橡胶颗粒表面形貌发生变化：未处理的橡胶颗粒表面密闭且平整，经4 h和8 h处理后表面出现大量空洞且不平整，经12 h处理后表面致密而平整，经24 h和48 h处理后表面出现部分缺陷。

（4）建议橡胶颗粒采用盐酸溶液浸泡处理8 h，环氧树脂/橡胶混凝土具有较好的综合力学性能、经济性和环保性。

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[4]李伟,黄振,王晓初,等.胶乳改性橡胶混凝土路用性能研究[J].公路,2015,60(2):188-192.

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Research on influence of rubber surface treatment on mechanical properties of epoxy/rubber concrete

SHU Xing-wang, ZHANG Ying
(Key Lab of Highway Construction&Maintenance Technology in Loess Region, Ministry of Transport, National and Local Joint Engineering Laboratory of New Materials in Road, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan, Shanxi 030006, China)

In order to enhance the interface bonding of rubber and epoxy resin, the rubber surface was treated with water, hydrochloric acid solution, sodium hydroxide solution, methylene dichloride and carbon tetrachloride respectively. The influence of treatment method on the rubber surface morphology and the epoxy resin/rubber concrete mechanical properties was studied. The results show that the compress and bending strengths of the treated specimens were increased except for the treating by sodium hydroxide solution; the peak strain and peak strain energy of water treated specimens were decreased, while others increased; with the prolonging of hydrochloric acid treating time, the concrete compress strength, bending strength and peak bending strain increased first and then decreased, the peak compress strain remained basically unchanged, and the rubber surface morphology changed dramatically. The hydrochloric acid solution treatment of eight hours was proposed to get better epoxy resin/rubber concrete mechanical, economical and environmental properties.

epoxy resin/rubber concrete; rubber surface treatment; mechanical property

TQ433.4+37

A

1001-5922（2016）10-0031-05

2016-06-17

舒兴旺（1980-），男，高级工程师，理学硕士，主要从事环氧树脂基材料的开发及其在公路工程中的应用技术研究。E-mail：shuxingwang@163.com。

山西省交通运输厅科技计划项目（2015-1-24）。