刘聪慧

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

混凝土是当今应用最广泛的工程材料之一，正向着轻质、多功能、高效能和可持续利用的方向发展[1]。将废旧橡胶颗粒或橡胶粉掺入混凝土中制备橡胶混凝土是混凝土研究的热点，橡胶混凝土具有抗裂性强、韧性好和变形能力好等优越性能，材料性能在刚性水泥混凝土和柔性沥青混凝土之间，可望作为理想的路面材料，目前已成为交通领域的研究焦点[2-4]。目前橡胶混凝土应用受限于其强度较低而没能广泛推广，原因是：水泥浆体和橡胶相容性差，无法形成高强的黏结界面，故其强度较低[5]。有科研工作者对橡胶颗粒进行表面改性，期望增强橡胶与水泥浆体的界面黏结强度，但作用并不明显，随着橡胶掺量增大，其强度仍下降明显。

环氧树脂混凝土（Epoxy Resin Concrete，EC）是以环氧树脂胶黏剂为胶凝材料制备的新型混凝土，它具有轻质、高强、固化时间可控等优点，被认为是一种适宜的路面快速修复材料，现已在钢桥面铺装，路面修补和伸缩缝维修等道路工程中大量应用。但从目前应用效果来看，仍存在一些不足：a）EC强度高，弹性模量大，变形能力较小，易引起修复部位基体材料开裂；b）黏结界面应力大，特别是在外界作用下，界面应力集中现象突出，界面容易失效，修复结构耐久性较差；c）EC脆性较大，抗冲击能力较低，容易出现抗冲击破坏。上述不足限制了EC在道路修复工程中的大范围应用。

橡胶环氧树脂混凝土是一种新型橡胶混凝土，它是由废旧橡胶颗粒加入环氧树脂混凝土配方中制备而成，它借助环氧胶黏剂的高黏结性，显著增强橡胶材料与胶凝材料的界面黏结力，从而提升橡胶混凝土的强度；同时利用废旧橡胶增加EC的柔性，优化EC修复普通混凝土的界面应力分布，提高修复结构的耐久性，故该新型橡胶混凝土作为快速修复材料具有良好的应用前景。

国内外科研工作者对橡胶环氧树脂混凝土做过较多研究，但对橡胶作为唯一集料制备的全橡胶环氧树脂混凝土的研究未见报道。为考察FREC力学性能，探讨其作为路面修复材料的可行性，本文通过改变弹性改性剂掺量，制备了一系列EA及FREC，考察了弹性改性剂掺量对EA性能和FREC应力-应变全曲线的影响。

1 试验测试

1.1 试验原料

环氧树脂E-51、环氧稀释剂692、改性脂肪胺固化剂，工业级，市售；弹性改性剂QS-P24F，北京金岛奇士材料科技有限公司产品；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。

1.2 试验仪器

微机控制电子万能试验机CMT4304，美特斯工业系统(中国)有限公司；电子天平BT125D，德国Sartorius公司。

1.3 FREC的制备

先将E-51、692、QS-P24F和改性脂肪胺固化剂按质量份配比混合，电动搅拌3 min，制得EA；接着按质量配比mEA：m橡胶=0.5将所需质量的废旧橡胶颗粒加入EA中，电动搅拌5 min即得FREC拌合料；最后将拌合料填入模具养护成型即得FREC。

1.4 测试与表征

a）性能测试 EA的拉伸强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率按GB/T 2567—2008测试；拉伸剪切强度按GB/T7124—2008测试。

b）应力-应变曲线 FREC的抗压强度、抗折强度按GB/T 17671—1999测试，试件尺寸：棱柱体40 mm×40 mm×160 mm，微机控制电子万能试验机CMT4304在测试时电脑自动记录荷载-位移，位移速率：2 mm/min。FREC的抗压（或抗折）应力-应变由式（1）～式（4）计算获得，并绘制抗压（或抗折）应力-应变全曲线：

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为压头的位移，m；L为试件压缩方向的厚度，m；σf为弯折应力，Pa；εf为弯折应变，10-2；L0为弯折试验的跨距，m；b 为试件弯折面的宽度，m；d为试件弯折方向的厚度，m。

峰值应力为最大应力，峰值应变为最大应力对应的应变。

试件养护方式：试验试件成型后，先置于室温下养护12 h，后置于60℃环境养护8 h，最后取出试件，待自然冷却至室温后开始试验检测。

样号标记：pbw是质量份数（Parts by weight）的简称，标记代号A10指EA中弹性改性剂掺量为10 pbw，标记代号M10指FREC中弹性改性剂掺量为10 pbw，其他弹性改性剂掺量的EA和FREC依次标注。

2 结果与讨论

FREC是以EA为胶凝材料，橡胶颗粒为弹性集料组成的复合材料，在该复合材料中，胶凝材料和弹性集料两者间弹性模量和变形能力差异较大，在承受外部荷载时，两者应力如何分布、应变如何协调是一个关键问题，直接影响材料的整体性和力学特性。橡胶颗粒的弹性模量和变形性能基本固定，而EA的弹性模量和变形性能则可通过技术手段调控，故可通过对EA弹性模量和变形性能的调节实现对FREC力学性能的调控。

为研究分析FREC力学性能，探讨其作为路面修复材料的可行性，本文通过改变弹性改性剂掺量，制备了一系列EA，并进一步制备了FREC，考察了弹性改性剂掺量对EA性能（拉伸强度、断裂伸长率、拉伸弹性模量和拉伸抗剪强度等）和FREC应力-应变全曲线（抗折和抗压）的影响。

2.1 EA性能

表1 EA配方组成 pbw

EA配方组成见表1，EA拉伸强度和断裂伸长率见图1，拉伸弹性模量和拉伸剪切强度见图2。从图1和图2可知，随着弹性改性剂掺量增大，EA的拉伸强度逐渐降低，二者呈现近似线性相关，拉伸强度变化范围在55～1.3 MPa之间；相反，断裂伸长率逐渐增大，由3%增大至230%，但在40 pbw之前，增长幅度较小，仅从3%增大至25%；拉伸剪切强度先增大后减小，在30 pbw时达最大值，由19 MPa增大至21 MPa，增长幅度较小，之后呈近似线性降低，由21 MPa下降至5.5 MPa，降低幅度较大；拉伸弹性模量逐渐降低，二者呈现近似线性相关，变化范围为1 800～4 MPa之间。

图1 拉伸强度和断裂伸长率

图2 拉伸弹性模量和拉伸剪切强度

弹性改性剂是以聚氨酯柔性链段为主链，活性环氧基团为端基的高聚物，它借助两端的活性环氧基团与固化剂反应，使其柔性链段接入环氧固化物网络结构中，提高固化物的柔韧性。故随着弹性改性剂掺量增大，EA拉伸强度，弹性模量和拉伸剪切强度均逐渐下降，断裂伸长率逐渐增大。鉴于EA变形能力的提升是以牺牲其拉伸强度、弹性模量和黏结性能为代价，为兼顾其强度和变形能力，推荐弹性改性剂掺量在30～60 pbw为宜。

2.2 FREC应力-应变曲线

2.2.1 全过程应力-应变曲线

图3 抗折全过程应力-应变曲线

图3为FREC的抗折全过程应力-应变曲线，由图3可见，弹性改性剂掺量增大，FREC呈现刚性材料-半刚性材料-弹性材料的转变。当掺量在10～40 pbw时，应力-应变曲线上升段为直线且斜率大，此时应变小幅增大而应力大幅增大，表现出明显刚性，直至抗折破坏，试件一直处于弹性工作阶段；当掺量在50～60 pbw时，应力-应变曲线上升段为坡度较大的曲线，且随着应变增大，曲线的切线斜率缓慢降低直至抗折破坏，试件处于弹性和塑性融合阶段，混凝土呈半刚性；当掺量在70～90 pbw时，应力-应变曲线只有上升段而没有下降段，曲线呈平缓上升趋势，此时应变大幅度增大而应力增长很小，特别是在高应变情况下应变大幅增长而应力几乎不增长，呈明显的弹性体工作特征，表现出明显弹性。

产生上述变化的原因是：抗折强度主要取决于胶结料，弹性改性剂是含有环氧基团的聚氨酯弹性体，随着弹性改性剂掺量增大，环氧树脂固化物柔性不断增大，由刚性材料逐渐转变为弹性体材料，故弹性改性剂掺量较低时，混凝土呈刚性；掺量较高时，混凝土呈弹性；掺量处于中间掺量时，混凝土呈半刚性。

图4 抗压全过程应力-应变曲线

FREC抗压全过程应力-应变曲线见图4，从图4可以看出，随着弹性改性剂掺量增大，FREC逐渐由半刚性材料向弹性材料转变。当掺量在10～40 pbw时，应力-应变曲线上升段为坡度较大的曲线，且随着应变增大，曲线的切线斜率逐渐降低直至抗折破坏，试件处于弹性和塑性融合阶段，混凝土呈半刚性。试件破坏后荷载并没有突然消失，还存在一定的残留荷载和变形，表现为明显的韧性破坏；当掺量在70～90 pbw时，应力-应变曲线基本呈平缓上升趋势，仅在高应变后期才出现爬坡陡升趋势，这是明显的弹性材料工作特性，混凝土呈明显弹性。并且掺量越高，前期曲线越平缓，后期曲线爬坡陡升时对应的应变越高；当掺量在50～60 pbw时，应力-应变曲线在应变前期呈半刚性状态，在应变后期呈弹性体状态，故处于半刚性和弹性过渡阶段。

上述变化原因分析：抗压强度主要取决于胶结料和集料。随着弹性改性剂掺量增大，环氧树脂固化物柔性不断增大，变形能力越来越强，强度越来越低，由刚性材料逐渐转变为弹性体材料。当弹性改性剂掺量较低时，环氧树脂固化物呈刚性。在混凝土压缩过程中，环氧树脂固化物和橡胶材料共同作为荷载承受主体，故应力-应变曲线呈现刚性材料（环氧树脂固化物）和弹性体材料（橡胶材料）融合状态，混凝土呈半钢性；当弹性改性剂掺量较高时，环氧树脂固化物柔性较大，变形性能较高，强度较低，呈弹性体特征。在混凝土压缩过程中，环氧树脂固化物和橡胶材料作为荷载承受主体，两者均为弹性体，故应力-应变曲线体现弹性体材料特征，混凝土呈弹性；当弹性改性剂掺量居中时，应力-应变曲线前期体现半钢性材料特性，后期体现弹性体材料特性，故混凝土呈半刚性和弹性过渡阶段。

2.2.2 峰值应力和峰值应变

表2 抗折和抗压峰值应力和峰值应变

FREC抗折和抗压峰值应力和峰值应变见表2。从表2可知，随着弹性改性剂掺量增大，FREC抗折峰值应力先增大后减小：掺量低于60 pbw时，峰值应力在3.81～5.03 MPa之间，变化幅度较小，20 pbw时达最大；掺量高于60 pbw时，峰值应力显著下降，由3.71 MPa下降至0.43 MPa，结合图4可知，此时应力-应变曲线后期应力几乎不随应变变化而保持稳定且无下降趋势，故此稳定应力就是峰值应力。抗压峰值应力先增大后减小再增大：掺量低于50 pbw时，峰值应力在10.22～13.30 MPa之间，与抗折峰值应力变化趋势相同，变化幅度较小，20 pbw时达最大；掺量高于50 pbw时，峰值应力明显增大，从图4可见，应力-应变曲线后期为陡坡爬升，应变增长很小但应力急剧增长，因应变达到应变设置上限而测试终止，故峰值应力为测试停止时的应力，并非材料实际最大应力。

从表2还可以看出，随着弹性改性剂掺量增大，FREC抗折和抗压峰值应变均不断增大，掺量低于40 pbw时，抗折峰值应变由9.12%增至14.40%，抗压峰值应变由16.00%增至29.25%，增长速率均明显低于掺量高于40 pbw时，此时抗折峰值应变由14.40%增至大于116.4%，抗压峰值应变由29.25%增至大于87.5%。

2.2.3 杨氏模量

FREC杨氏模量及其相关性系数见表3，弹性改性剂掺量对FREC杨氏模量的影响见图5。

表3 FREC杨氏模量及其相关性系数

图5 FREC杨氏模量

从图5可以看出，随着弹性改性剂掺量增大，FREC抗折和抗压杨氏模量变化趋势和幅度基本一致，均是先增大后减小，在掺量20 pbw时杨氏模量最高，之后显著降低；在掺量大于50 pbw后，杨氏模量虽然降低，但降低幅度较小。产生上述现象的原因是：随着弹性改性剂掺量增大，EA固化物弹性模量逐渐降低，进而导致RFEC杨氏模量逐渐降低。

3 结论

随着弹性改性剂掺量增大，EA和FREC性能变化如下：

a）EA拉伸强度呈近似线性降低，由55 MPa下降至1.3 MPa；断裂伸长率逐渐增大，由3%增大至230%，但在40 pbw之前，增长幅度较小；拉伸剪切强度先增大后减小，范围在21 MPa和5.5 MPa之间，在30 pbw时达最大，之后呈近似线性降低；拉伸弹性模量呈近似线性降低，由1 800 MPa降低至4 MPa。

b）抗折全过程应力-应变曲线试验表明FREC经历了刚性材料-半刚性材料-弹性材料的转变。当掺量在10～40 pbw时，应力-应变曲线上升段为直线且斜率大，混凝土表现出明显刚性；当掺量在50～60 pbw时，应力-应变曲线上升段为坡度较大的曲线，试件处于弹性和塑性融合阶段，混凝土呈半刚性；当掺量在70～90 pbw时，应力-应变曲线呈平缓上升趋势，混凝土表现出明显弹性。

c）抗压全过程应力-应变曲线试验表明FREC经历了半刚性材料向弹性材料转变。当掺量在10～40 pbw时，应力-应变曲线上升段为坡度较大的曲线，试件处于弹性和塑性融合阶段，混凝土呈半刚性；当掺量在70～90 pbw时，应力-应变曲线基本呈平缓上升趋势，仅在高应变后期才出现爬坡陡升趋势，混凝土呈明显弹性材料特征；当掺量在50～60 pbw时，应力-应变曲线在应变前期呈半刚性状态，在应变后期呈弹性体状态，混凝土呈半刚性和弹性过渡阶段。

d）FREC抗折峰值应力先增大后减小：掺量低于60 pbw时，峰值应力在3.81～5.03 MPa之间，变化幅度较小，20 pbw时达最大；掺量高于60 pbw时，峰值应力显著下降，由3.71 MPa下降至0.43 MPa。抗压峰值应力先增大后减小再增大：掺量低于50 pbw时，峰值应力在10.22～13.30 MPa之间，变化幅度较小，在20 pbw时达最大；掺量高于50 pbw时，峰值应力显著增大。抗折和抗压峰值应变均不断增大，且掺量低于40 pbw时增长速率均明显低于掺量高于40 pbw时。

e）FREC抗折和抗压杨氏模量变化趋势和幅度基本一致，均先增加后减小，在掺量20%时最高，之后显著降低，但掺量大于50%后降低幅度较小。

f）为兼顾强度和变形能力，建议弹性改性剂掺量在50～70 pbw为宜，此时FREC综合性能较优：抗折峰值应力3.97～4.38 MPa，抗折峰值应变28.08%～67.2%；抗压峰值应力10.67～23.34 MPa，抗压峰值应变45.5%～75%。