促進劑和粉煤灰對環氧樹脂/橡膠混凝土性能的影響

林 浩

（山西省交通科學研究院 新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

我國高等級公路的路面形式主要是水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面。水泥混凝土路面是剛性路，具有承載能力強、強度高和使用壽命長等優點，但是在使用過程中容易出現裂縫、破碎、錯臺等現象；瀝青混凝土路面是柔性路面，最大的優勢就是行車舒適性高，但其使用壽命短，使用過程中容易出現松散、坑槽和車轍等現象。二者使用過程中出現的病害嚴重影響交通暢通，并給人們的生命財產安全帶來嚴重的威脅。環氧樹脂（EP，以下簡稱EP）/橡膠混凝土的模量介于水泥混凝土和瀝青混凝土之間，是未來高等級公路的理想材料之一[1-2]。EP/橡膠混凝土糅合了環氧樹脂（EP）和橡膠粉的優點，具有高溫穩定性，抗裂性和減震降噪性等優點。不僅如此，EP/橡膠混凝土還解決了大批廢舊輪胎無法處理的問題，從循環經濟和環境保護方面同樣具有積極的意義[3-7]。

EP/橡膠混凝土路面因早期設計、施工和養護等原因會發生早期破壞，而這些路段通常交通比較繁忙，這就需要克服因封閉交通時間過長而造成的經濟損失，并保證人們的施工與出行的方便與安全，所以人們希望路面鋪筑或者大修后，能盡快開放交通[8-12]。

EP/橡膠混凝土的固化強度和固化速度對開放交通時間、保證車輛安全順暢通行起到至關重要的作用。為了縮短修筑EP/橡膠混凝土路面的開放交通時間，提高路面強度，保證車輛安全順暢通行，本文重點研究了EP/橡膠混凝土中固化促進劑和粉煤灰的摻量對EP/橡膠混凝土固化速度、強度、模量和變形率等性能的影響規律。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

液體環氧樹脂（EP），工業級，中國石化集團資產經營管理有限公司巴陵石化分公司；改性脂肪胺固化劑，工業級，北京清華大奇士新材料技術有限公司；2～4 mm廢舊橡膠顆粒，工業級，青島惠商橡膠有限公司；促進劑（DMP-3），工業級，北京清華大奇士新材料技術有限公司；粉煤灰，工業級，市售；環氧樹脂稀釋劑（芐基縮水甘油醚），工業級，安徽新遠化工有限公司；奇士增韌劑（QS 030N），工業級，北京清華大奇士新材料技術有限公司。

1.2 試驗儀器

微機控制電子萬能試驗機，美特斯工業系統（中國）有限公司。

1.3 不同配方EP/橡膠混凝土的制備

a）按一定質量比稱取廢舊橡膠顆粒和粉煤灰，攪拌2 min，得到集料。

b）按照質量比為20∶3∶2的比例稱取液體EP、增韌劑和稀釋劑，在容器中攪拌均勻，作為EP膠黏劑的A組分；EP膠黏劑的B組分為一定質量比的促進劑和改性脂肪胺固化劑的混合物。然后A組分和B組分按比例均勻混合作為EP膠黏劑。

c）按比例稱取集料和EP膠黏劑，均勻混合攪拌，得到EP/橡膠混凝土，置于模具中成型，固化后脫模得到40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體。

1.4 測試與表征

壓縮強度按照GB/T 17671—1999標準，采用微機控制電子萬能試驗機（CMT4304型）進行測定。

1.5 結果與討論

前期工作中，通過EP體系力學性能對比實驗，確定了EP性能最優的固化劑用量。本研究主要考察 m（促進劑）∶m（固化劑）比例、m（粉煤灰）∶m（橡膠顆粒）比例等因素對EP/橡膠混凝土固化時間、力學性能、模量以及變形率的影響。

1.5.1 促進劑和粉煤灰摻量對EP/橡膠混凝土強度的影響

不同促進劑摻量和不同粉煤灰摻量的EP/橡膠混凝土在不同固化時間條件下的壓縮性能分別列于表1和表2。

表1 不同促進劑摻量EP/橡膠混凝土的性能

表2 不同粉煤灰摻量EP/橡膠混凝土的性能

由表1可知：以樣號1為基準，固化6 h后，樣號 2～4的壓縮強度分別提高了 65%、164%和216%；固化9 h后，樣號2～4的壓縮強度分別提高了68%、127%和163%；固化12 h后，樣號2～4的的壓縮強度分別提高了 33%、70%和 80%；固化24 h后，樣號2～4的壓縮強度分別提高了47%、87%和90%；固化7 d后，樣號2～4的壓縮強度分別提高了31%、66%和69%。如圖1所示，隨著固化劑中促進劑的含量不斷增大，EP/橡膠混凝土早期固化強度和7 d后的固化強度均顯著提高；這是因為促進劑能夠提高EP/橡膠混凝土中固化劑的固化速度和固化效果，使結構膠盡快發揮高強的黏結性能，促進劑含量從5%～15%時，固化速度和固化效果呈直線上升趨勢。隨著促進劑含量的增加，固化速度和固化效果能夠明顯提高；當促進劑由15%～20%時，固化速度和固化效果變化很小，從固化速度、固化效果和經濟方面考慮，EP/橡膠混凝土促進劑的最佳摻量是15%。

圖1 不同促進劑含量試件強度提高率

以樣號2為基準時。固化6 h后，樣號5～7的壓縮強度分別提高了5%、16%和1%；固化9 h后，樣號5～7的壓縮強度分別提高了5%、12%和7%；固化12 h后，樣號5～7的壓縮強度分別提高了8%、9%和15%；固化24 h后，樣號5～7的壓縮強度分別提高了-1%、1%和20%；固化7 d后，樣號5～7的壓縮強度分別提高了6%、12%和29%；如圖2所示，隨著橡膠顆粒摻雜的粉煤灰含量不斷增大，EP/橡膠混凝土早期固化強度無明顯變化，但24 h后和7 d后的固化強度顯著提高。

圖2 不同粉煤灰含量試件強度提高率

隨著粉煤灰含量的增加，EP/橡膠混凝土的早期強度無明顯變化，說明EP/橡膠混凝土早期強度由EP的固化程度決定，與集料的變化無關，但是EP/橡膠混凝土的后期強度隨著粉煤灰的加入，呈上升趨勢。這是因為，粉煤灰的粒徑小，強度高，能夠填補橡膠顆粒之間的空隙，增大橡膠顆粒與結構膠的接觸面積，減少EP/橡膠混凝土內部的孔洞等缺陷，從而提高EP/橡膠混凝土的整體強度。粉煤灰含量由0～20%時，EP/橡膠混凝土的后期強度提高幅度較小，當粉煤灰含量由20%～30%時，制備的EP/橡膠混凝土各個表面均一平整（如圖3），EP/橡膠混凝土的后期強度有顯著提高，說明EP/橡膠混凝土中的孔洞等缺陷已經基本填補完全，增加粉煤灰的摻量，使EP膠黏劑和橡膠顆粒之間接觸面積增大，增強了EP膠黏劑的黏結效果。粉煤灰含量為30%時，是EP/橡膠混凝土的最佳用量。

圖3 有無粉煤灰的EP/橡膠混凝土對比圖

1.5.2 促進劑和粉煤灰摻量對EP/橡膠混凝土壓縮彈性模量的影響

試件 1～4 號樣的 6 h、9 h、12 h、24 h、7 d 的應力 -應變曲線如圖 4所示，試件 2、5、6、7號樣的6 h、9 h、12 h、24 h、7 d 的應力 - 應變曲線如圖 5 所示，曲線的斜率為試件的壓縮彈性模量。由圖3可知：隨著EP/橡膠混凝土中促進劑含量的增加，制備的EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量不斷增大，當促進劑含量由5%～15%時，EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量增大幅度較大，當促進劑量由15%～20%時，EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量基本不變。由圖5可知：隨著EP/橡膠混凝土中粉煤灰含量的增加，制備的EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量無明顯變化。

圖4 不同促進劑含量復合材料的應力-應變曲線

圖5 不同粉煤灰摻量復合材料的應力-應變曲線

圖4和圖5中的試件在達到最大破壞荷載后，應力并沒有馬上消失，而是逐漸減小，表明該材料具有一定的彈性，相對于達到最大荷載立即斷裂的水泥砂漿類材料。由此可知，該材料應用方面具有更加安全和舒適的特性。

1.5.3 促進劑和粉煤灰摻量對EP/橡膠混凝土變形率的影響

如圖 6a所示，試件 1～4 號樣的 6 h、9 h、12 h、24 h、7 d的最大荷載時的變形率均隨著促進劑量的增加而顯著降低，其中 6 h、9 h、12 h、24 h 時的最大荷載變形率減小幅度較大，尤其是促進劑摻量在5%～15%時，變形率變化最明顯。如圖6b所示，試件 2、5、6、7 號樣的 6 h、9 h、12 h、24 h、7 d 的最大荷載時的變形率隨著粉煤灰用量的增加均呈現先增大后減小的規律。

圖6 不同促進劑摻量（a）、不同粉煤灰摻量（b）EP/橡膠混凝土變形率圖

2 結語

a）隨著EP/橡膠混凝土中促進劑摻量的增加，EP/橡膠混凝土的固化速度和固化效果明顯提高；從固化速度、固化效果和經濟方面考慮，EP/橡膠混凝土促進劑的最佳摻量是15%。

b）隨著EP/橡膠混凝土中粉煤灰摻量的增加，EP/橡膠混凝土的早期強度無明顯變化，但EP/橡膠混凝土的后期強度隨著粉煤灰的加入，呈上升趨勢。當粉煤灰含量由20%～30%時，制備的EP/橡膠混凝土各個表面均一平整，EP/橡膠混凝土的后期強度有顯著提高。

c）隨著EP/橡膠混凝土中促進劑含量的增加，制備的EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量不斷增大；隨著EP/橡膠混凝土中粉煤灰含量的增加，制備的EP/橡膠混凝土的壓縮彈性模量無明顯變化。該材料具有一定彈性，應用方面具有更加安全和舒適的特性。

d）EP/橡膠混凝土的最大荷載時的變形率隨著促進劑量的增加而顯著降低。其最大荷載時的變形率隨著粉煤灰用量的增加呈現先增大后減小的規律。