促进剂和粉煤灰对环氧树脂/橡胶混凝土性能的影响

林 浩

（山西省交通科学研究院 新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西 太原 030006）

0 引言

我国高等级公路的路面形式主要是水泥混凝土路面和沥青混凝土路面。水泥混凝土路面是刚性路，具有承载能力强、强度高和使用寿命长等优点，但是在使用过程中容易出现裂缝、破碎、错台等现象；沥青混凝土路面是柔性路面，最大的优势就是行车舒适性高，但其使用寿命短，使用过程中容易出现松散、坑槽和车辙等现象。二者使用过程中出现的病害严重影响交通畅通，并给人们的生命财产安全带来严重的威胁。环氧树脂（EP，以下简称EP）/橡胶混凝土的模量介于水泥混凝土和沥青混凝土之间，是未来高等级公路的理想材料之一[1-2]。EP/橡胶混凝土糅合了环氧树脂（EP）和橡胶粉的优点，具有高温稳定性，抗裂性和减震降噪性等优点。不仅如此，EP/橡胶混凝土还解决了大批废旧轮胎无法处理的问题，从循环经济和环境保护方面同样具有积极的意义[3-7]。

EP/橡胶混凝土路面因早期设计、施工和养护等原因会发生早期破坏，而这些路段通常交通比较繁忙，这就需要克服因封闭交通时间过长而造成的经济损失，并保证人们的施工与出行的方便与安全，所以人们希望路面铺筑或者大修后，能尽快开放交通[8-12]。

EP/橡胶混凝土的固化强度和固化速度对开放交通时间、保证车辆安全顺畅通行起到至关重要的作用。为了缩短修筑EP/橡胶混凝土路面的开放交通时间，提高路面强度，保证车辆安全顺畅通行，本文重点研究了EP/橡胶混凝土中固化促进剂和粉煤灰的掺量对EP/橡胶混凝土固化速度、强度、模量和变形率等性能的影响规律。

1 试验部分

1.1 试验原料

液体环氧树脂（EP），工业级，中国石化集团资产经营管理有限公司巴陵石化分公司；改性脂肪胺固化剂，工业级，北京清华大奇士新材料技术有限公司；2～4 mm废旧橡胶颗粒，工业级，青岛惠商橡胶有限公司；促进剂（DMP-3），工业级，北京清华大奇士新材料技术有限公司；粉煤灰，工业级，市售；环氧树脂稀释剂（苄基缩水甘油醚），工业级，安徽新远化工有限公司；奇士增韧剂（QS 030N），工业级，北京清华大奇士新材料技术有限公司。

1.2 试验仪器

微机控制电子万能试验机，美特斯工业系统（中国）有限公司。

1.3 不同配方EP/橡胶混凝土的制备

a）按一定质量比称取废旧橡胶颗粒和粉煤灰，搅拌2 min，得到集料。

b）按照质量比为20∶3∶2的比例称取液体EP、增韧剂和稀释剂，在容器中搅拌均匀，作为EP胶黏剂的A组分；EP胶黏剂的B组分为一定质量比的促进剂和改性脂肪胺固化剂的混合物。然后A组分和B组分按比例均匀混合作为EP胶黏剂。

c）按比例称取集料和EP胶黏剂，均匀混合搅拌，得到EP/橡胶混凝土，置于模具中成型，固化后脱模得到40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体。

1.4 测试与表征

压缩强度按照GB/T 17671—1999标准，采用微机控制电子万能试验机（CMT4304型）进行测定。

1.5 结果与讨论

前期工作中，通过EP体系力学性能对比实验，确定了EP性能最优的固化剂用量。本研究主要考察 m（促进剂）∶m（固化剂）比例、m（粉煤灰）∶m（橡胶颗粒）比例等因素对EP/橡胶混凝土固化时间、力学性能、模量以及变形率的影响。

1.5.1 促进剂和粉煤灰掺量对EP/橡胶混凝土强度的影响

不同促进剂掺量和不同粉煤灰掺量的EP/橡胶混凝土在不同固化时间条件下的压缩性能分别列于表1和表2。

表1 不同促进剂掺量EP/橡胶混凝土的性能

表2 不同粉煤灰掺量EP/橡胶混凝土的性能

由表1可知：以样号1为基准，固化6 h后，样号 2～4的压缩强度分别提高了 65%、164%和216%；固化9 h后，样号2～4的压缩强度分别提高了68%、127%和163%；固化12 h后，样号2～4的的压缩强度分别提高了 33%、70%和 80%；固化24 h后，样号2～4的压缩强度分别提高了47%、87%和90%；固化7 d后，样号2～4的压缩强度分别提高了31%、66%和69%。如图1所示，随着固化剂中促进剂的含量不断增大，EP/橡胶混凝土早期固化强度和7 d后的固化强度均显著提高；这是因为促进剂能够提高EP/橡胶混凝土中固化剂的固化速度和固化效果，使结构胶尽快发挥高强的黏结性能，促进剂含量从5%～15%时，固化速度和固化效果呈直线上升趋势。随着促进剂含量的增加，固化速度和固化效果能够明显提高；当促进剂由15%～20%时，固化速度和固化效果变化很小，从固化速度、固化效果和经济方面考虑，EP/橡胶混凝土促进剂的最佳掺量是15%。

图1 不同促进剂含量试件强度提高率

以样号2为基准时。固化6 h后，样号5～7的压缩强度分别提高了5%、16%和1%；固化9 h后，样号5～7的压缩强度分别提高了5%、12%和7%；固化12 h后，样号5～7的压缩强度分别提高了8%、9%和15%；固化24 h后，样号5～7的压缩强度分别提高了-1%、1%和20%；固化7 d后，样号5～7的压缩强度分别提高了6%、12%和29%；如图2所示，随着橡胶颗粒掺杂的粉煤灰含量不断增大，EP/橡胶混凝土早期固化强度无明显变化，但24 h后和7 d后的固化强度显著提高。

图2 不同粉煤灰含量试件强度提高率

随着粉煤灰含量的增加，EP/橡胶混凝土的早期强度无明显变化，说明EP/橡胶混凝土早期强度由EP的固化程度决定，与集料的变化无关，但是EP/橡胶混凝土的后期强度随着粉煤灰的加入，呈上升趋势。这是因为，粉煤灰的粒径小，强度高，能够填补橡胶颗粒之间的空隙，增大橡胶颗粒与结构胶的接触面积，减少EP/橡胶混凝土内部的孔洞等缺陷，从而提高EP/橡胶混凝土的整体强度。粉煤灰含量由0～20%时，EP/橡胶混凝土的后期强度提高幅度较小，当粉煤灰含量由20%～30%时，制备的EP/橡胶混凝土各个表面均一平整（如图3），EP/橡胶混凝土的后期强度有显著提高，说明EP/橡胶混凝土中的孔洞等缺陷已经基本填补完全，增加粉煤灰的掺量，使EP胶黏剂和橡胶颗粒之间接触面积增大，增强了EP胶黏剂的黏结效果。粉煤灰含量为30%时，是EP/橡胶混凝土的最佳用量。

图3 有无粉煤灰的EP/橡胶混凝土对比图

1.5.2 促进剂和粉煤灰掺量对EP/橡胶混凝土压缩弹性模量的影响

试件 1～4 号样的 6 h、9 h、12 h、24 h、7 d 的应力 -应变曲线如图 4所示，试件 2、5、6、7号样的6 h、9 h、12 h、24 h、7 d 的应力 - 应变曲线如图 5 所示，曲线的斜率为试件的压缩弹性模量。由图3可知：随着EP/橡胶混凝土中促进剂含量的增加，制备的EP/橡胶混凝土的压缩弹性模量不断增大，当促进剂含量由5%～15%时，EP/橡胶混凝土的压缩弹性模量增大幅度较大，当促进剂量由15%～20%时，EP/橡胶混凝土的压缩弹性模量基本不变。由图5可知：随着EP/橡胶混凝土中粉煤灰含量的增加，制备的EP/橡胶混凝土的压缩弹性模量无明显变化。

图4 不同促进剂含量复合材料的应力-应变曲线

图5 不同粉煤灰掺量复合材料的应力-应变曲线

图4和图5中的试件在达到最大破坏荷载后，应力并没有马上消失，而是逐渐减小，表明该材料具有一定的弹性，相对于达到最大荷载立即断裂的水泥砂浆类材料。由此可知，该材料应用方面具有更加安全和舒适的特性。

1.5.3 促进剂和粉煤灰掺量对EP/橡胶混凝土变形率的影响

如图 6a所示，试件 1～4 号样的 6 h、9 h、12 h、24 h、7 d的最大荷载时的变形率均随着促进剂量的增加而显著降低，其中 6 h、9 h、12 h、24 h 时的最大荷载变形率减小幅度较大，尤其是促进剂掺量在5%～15%时，变形率变化最明显。如图6b所示，试件 2、5、6、7 号样的 6 h、9 h、12 h、24 h、7 d 的最大荷载时的变形率随着粉煤灰用量的增加均呈现先增大后减小的规律。

图6 不同促进剂掺量（a）、不同粉煤灰掺量（b）EP/橡胶混凝土变形率图

2 结语

a）随着EP/橡胶混凝土中促进剂掺量的增加，EP/橡胶混凝土的固化速度和固化效果明显提高；从固化速度、固化效果和经济方面考虑，EP/橡胶混凝土促进剂的最佳掺量是15%。

b）随着EP/橡胶混凝土中粉煤灰掺量的增加，EP/橡胶混凝土的早期强度无明显变化，但EP/橡胶混凝土的后期强度随着粉煤灰的加入，呈上升趋势。当粉煤灰含量由20%～30%时，制备的EP/橡胶混凝土各个表面均一平整，EP/橡胶混凝土的后期强度有显著提高。

c）随着EP/橡胶混凝土中促进剂含量的增加，制备的EP/橡胶混凝土的压缩弹性模量不断增大；随着EP/橡胶混凝土中粉煤灰含量的增加，制备的EP/橡胶混凝土的压缩弹性模量无明显变化。该材料具有一定弹性，应用方面具有更加安全和舒适的特性。

d）EP/橡胶混凝土的最大荷载时的变形率随着促进剂量的增加而显著降低。其最大荷载时的变形率随着粉煤灰用量的增加呈现先增大后减小的规律。