ep橡膠彈性混凝土材料的制備與性能研究

ep橡膠彈性混凝土材料的制備與性能研究

0彈性混凝土的應(yīng)用瀝青路和水泥混凝土道路是我國高度道路結(jié)構(gòu)的主要形式，各方面都有自己的優(yōu)缺點。瀝青混凝土路面(屬柔性路面)平整(行車舒適),但壽命較短,容易出現(xiàn)車轍、裂縫、坑槽和松散等現(xiàn)象;水泥混凝土路面(屬剛性路面)強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)和耐久性好,但行車噪聲大,舒適性差,也易出現(xiàn)裂縫、斷板、錯臺、破碎、脫空或空洞等現(xiàn)象,并且其養(yǎng)護(hù)時間長、修復(fù)難度大。因此,開發(fā)一種彈性模量介于瀝青混凝土和水泥混凝土之間的彈性混凝土材料,是消除路面各種病害、提高路面服務(wù)質(zhì)量的有效途徑之一。環(huán)氧樹脂(EP)作為通用型熱固性樹脂,具有優(yōu)異的粘接性能、穩(wěn)定性能、耐化學(xué)藥品性能和力學(xué)強(qiáng)度,其相應(yīng)的產(chǎn)品(如EP瀝青混凝土、EP結(jié)構(gòu)膠、EP混凝土、EP砂漿和EP防腐涂料等)在公路結(jié)構(gòu)物的修筑、維修和養(yǎng)護(hù)工程等方面的應(yīng)用越來越廣泛。廢舊橡膠顆粒和廢舊橡膠粉主要由廢舊輪胎加工而成,具有優(yōu)異的彈性、抗疲勞性和耐老化性。因此,橡膠改性瀝青路面具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性,同時具有減震、降噪和除冰等作用;從環(huán)境保護(hù)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、經(jīng)濟(jì)性和路面服務(wù)質(zhì)量等多角度考慮,廢舊橡膠顆粒和橡膠粉等橡膠材料在公路工程中的應(yīng)用將成為其主要用途之一,并且其應(yīng)用前景非常廣闊。EP雖具有優(yōu)異的粘接性能和力學(xué)性能,但抗沖擊性能較差、脆性較大(屬脆性材料);橡膠材料具有良好的抗沖擊性能、彈性和耐磨性(屬彈性材料)。本研究以EP為連續(xù)相、橡膠材料為分散相,通過兩種材料復(fù)配后的協(xié)同作用,制備出一種彈性混凝土材料,為開發(fā)高性能路面材料和路面快速修復(fù)材料進(jìn)行了有益的探索。1試驗部分1.1顆粒、廢舊橡膠粉液體EP(環(huán)氧樹脂)、改性脂肪胺固化劑,工業(yè)級,市售;2~4mm廢舊橡膠顆粒、廢舊橡膠粉(40目,粒徑約0.45mm),工業(yè)級,青島惠商橡膠有限公司;奇士增韌劑(QS030N),工業(yè)級,北京清大奇士新材料技術(shù)有限公司;芐基縮水甘油醚(環(huán)氧活性稀釋劑692),工業(yè)級,安徽新遠(yuǎn)化工有限公司。1.2試驗設(shè)備CMT4304型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī),美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司;BT125D型電子天平,德國Sartorius公司。1.3ep運(yùn)行結(jié)果(1)首先將100g液體EP、10g稀釋劑和15g增韌劑加入到容器中混合均勻,攪拌2min后加入25g改性脂肪胺固化劑,再攪拌1min后即得EP膠粘劑。(2)按一定質(zhì)量比稱取廢舊橡膠顆粒和廢舊橡膠粉,攪拌混合2min,即得廢舊橡膠混合物。(3)按計量比稱取EP膠粘劑和廢舊橡膠混合物,兩者混合攪拌5min后,即得EP/橡膠彈性混凝土。1.4水泥砂漿密度測試方法(1)壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度:按照GB/T17671—1999標(biāo)準(zhǔn),采用電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行測定(試件為40mm×40mm×160mm棱柱體,測試彈性混凝土樣品時加載位移速率為2mm/min,測試水泥砂漿樣品時加載位移速率為0.01mm/min)。(2)密度:試件為彎折強(qiáng)度試件,試件成型后再經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)12h、60℃養(yǎng)護(hù)8h、自然冷卻至室溫后稱重(m),用游標(biāo)卡尺測量試件的長(a)、寬(b)、高(h),則試件的體積V=a×b×h,密度按式(1)計算而得。(3)壓縮強(qiáng)度比:以樣品的壓縮強(qiáng)度與基準(zhǔn)樣品的壓縮強(qiáng)度之比值作為衡量指標(biāo)。(4)彎折強(qiáng)度比:以樣品的彎折強(qiáng)度與基準(zhǔn)樣品的彎折強(qiáng)度之比值作為衡量指標(biāo)。(5)壓縮(或彎曲)荷載-變形量:電子萬能試驗機(jī)在測定壓縮(或彎折)強(qiáng)度過程中自動同步記錄。2彈性混凝土性能為保證EP性能最優(yōu),固化劑用量是通過EP體系力學(xué)性能對比分析后得到的。本研究主要考察了橡膠材料組成、m(EP)∶m(橡膠)比例等因素對彈性混凝土密度和力學(xué)性能的影響。不同配方彈性混凝土的性能如表1所示。2.1材料的密度不同見表3由表1可知:由不同m(EP)∶m(橡膠)比例、不同橡膠材料組成等條件所制備的彈性混凝土的密度基本不變(均在1.020~1.070g/cm3范圍內(nèi)),并且是砂漿和混凝土密度的40%~50%(水泥砂漿、水泥混凝土和瀝青混凝土的密度均為2.300~2.500g/cm3)。這是由于EP和橡膠的密度相當(dāng)(均為1.000~1.100g/cm3),并且EP膠粘劑黏度低、流動性好;由EP和橡膠兩種材料制成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)較密實,基本無空隙存在。因此,EP/橡膠彈性混凝土的密度基本不隨上述配方變化而改變,這種新型輕質(zhì)混凝土材料對減輕結(jié)構(gòu)物自重具有重要意義。2.2不同因素對彈性混凝土的機(jī)械能力的影響2.2.1壓縮性能這是因為彈性混凝土的力學(xué)性能是由EP和橡膠兩種材料共同貢獻(xiàn)的,在m(EP)∶m(橡膠)比例一定的條件下,橡膠材料的組成變化不會顯著影響復(fù)合材料的彎曲韌性;然而,隨著橡膠材料中橡膠顆粒含量的不斷減少(即復(fù)合材料中大尺寸的廢舊橡膠顆粒含量減少),復(fù)合材料的缺陷越來越少,故其彎折強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度均略有提高;當(dāng)體系中無橡膠顆粒(即沒有大尺寸廢舊橡膠顆粒存在)時,復(fù)合材料中因大尺寸橡膠顆粒引起的缺陷完全消失,故其壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度明顯提高。樣號1#~樣號5#的壓縮荷載-變形量曲線如圖1所示(曲線的斜率可表示復(fù)合材料的壓縮彈性模量)。由圖1可知:隨著橡膠材料中橡膠顆粒含量的不斷減少,復(fù)合材料的壓縮彈性模量基本不變,這與復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度的變化規(guī)律一致。2.2.2彈性混凝土力學(xué)性能由表1可知:以樣號3#為基準(zhǔn),樣號6#~樣號9#的壓縮強(qiáng)度分別降低了19.8%、27.5%、36.9%和45.3%,彎折強(qiáng)度分別降低了8.0%、17.3%、30.7%和34.7%;隨著m(EP)∶m(橡膠)比例的不斷減少,彈性混凝土的壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度均顯著降低。這是因為隨著m(EP)∶m(橡膠)比例的不斷減少,EP對復(fù)合材料力學(xué)性能的貢獻(xiàn)越來越少,故其壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度不斷下降。樣號3#、樣號6#~樣號9#的壓縮荷載-變形量曲線如圖2所示(曲線的斜率可表示復(fù)合材料的壓縮彈性模量)。由圖2可知:隨著m(EP)∶m(橡膠)比例的不斷減少,復(fù)合材料的最大破壞荷載和壓縮彈性模量均越來越小,其最大荷載時的變形量越來越大;當(dāng)m(EP)∶m(橡膠)=0.5∶1.0時,復(fù)合材料的上述曲線基本上呈現(xiàn)出典型彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。這是因為隨著m(EP)∶m(橡膠)比例的不斷減少,復(fù)合材料中橡膠材料含量越來越大,故復(fù)合材料越來越呈現(xiàn)出彈性橡膠材料的特征。2.3彎折強(qiáng)度測試為了表征彈性混凝土的彈性,本研究將水泥砂漿和彈性混凝土進(jìn)行了部分性能對比。圖3為不同樣品的彎曲荷載-變形量曲線(曲線的斜率可表示復(fù)合材料的彎曲彈性模量)。由圖3可知:水泥砂漿彎曲彈性模量相對最高,試件在達(dá)到最大破壞荷載后立即斷裂(荷載消失),為典型的脆性破壞特征,其最大變形量約為0.3mm;彈性混凝土樣號5#、樣號6#和樣號9#的彎曲彈性模量均明顯低于水泥砂漿,彼此之間也有明顯的差異,試件在達(dá)到最大破壞荷載后沒有斷裂(只有微小裂紋),荷載也沒有立即消失(而是緩慢下降),呈現(xiàn)出較好的彈性特征,其最大荷載時的變形量為1.9~3.3mm。圖4為彎折強(qiáng)度測試后的試件狀態(tài),彈性混凝土試件只有微小裂縫(約0.1mm),基本上看不到破壞狀態(tài),而水泥砂漿試件斷裂成兩段。圖5(為彈性混凝土試件彎折強(qiáng)度測試時的變形圖)呈現(xiàn)出彈性混凝土試件具有較好的彈性行為。3試樣的壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度(1)EP/橡膠彈性混凝土的密度不受m(EP)∶m(橡膠)比例、橡膠材料組成等條件的影響,均保持在1.020~1.070g/cm3范圍內(nèi),是砂漿和混凝土密度的40%~50%。這種新型輕質(zhì)混凝土材料對減輕結(jié)構(gòu)物自重具有重要意義。ρ=m/V(1)式中:ρ為試件密度(g/cm3);m為試件質(zhì)量(g);V為試件體積(cm3)。由表1可知:以樣號1#為基準(zhǔn),樣號2#~樣號5#的壓縮強(qiáng)度分別提高了10.4%、14.2%、16.8%和33.2%,彎折強(qiáng)度分別提高了10.8%、15.4%、18.5%和46.2%;隨著橡膠材料中橡膠顆粒含量的不斷減少,彈性混凝土的壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度均略有提高;當(dāng)橡膠顆粒含量為0時,壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度相對最大,并且比樣號1#分別提高了33.2%和46.2%。(2)以m(EP)∶m(橡膠)=0.9∶1.0、w(橡膠顆粒)=80%的樣品為基準(zhǔn),隨著橡膠材料中橡膠顆粒含量的不斷減少,彈性混凝土的壓縮彈性模量基本不變,壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度均略有提高,并且在橡膠顆粒含量為0時相對最大(分別提高了33.2%和46.2%)。(3)以w(橡膠顆粒)=50%、m(EP)∶m(橡膠)=0.9∶1.0樣品為基準(zhǔn),隨著m(EP)∶m(橡膠)比例的不斷減少,彈性混凝土的壓縮彈性模量、壓縮強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度均顯著降低;當(dāng)m(EP)∶m(橡膠)=0.5∶