橡膠顆粒改性大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混凝土配合比正交試驗(yàn)研究

張生貴 ，鄧云峰 ，楊志鵬 ，李強(qiáng) ，王永維 ，劉偉 ，李桂琴 ，胡吉福

（1.青海省收費(fèi)公路管理處，青海 西寧 810008；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

0 引言

環(huán)氧樹脂混凝土具有強(qiáng)度高、收縮性小，同時(shí)還具有優(yōu)良的耐化學(xué)、耐油污等優(yōu)點(diǎn)，環(huán)氧樹脂混凝土在道路工程中主要應(yīng)用在公路結(jié)構(gòu)物的修筑、維修和養(yǎng)護(hù)工程等方面，由于環(huán)氧樹脂混凝土存在脆性較大的缺陷，限制了其應(yīng)用推廣的程度和范圍[1-2]。

廢舊輪胎的處理是我國環(huán)境治理的一個(gè)很大難題。為了資源的循環(huán)再利用，目前一部分廢舊輪胎被制備成不同目數(shù)的橡膠粉摻入到瀝青中來改性瀝青及其瀝青混合料，應(yīng)用到道路工程中，解決了很大部分的黑色污染。但與此同時(shí)，制備不同目數(shù)的橡膠粉需要用到燃燒設(shè)備，在解決污染的同時(shí)又消耗了資源，產(chǎn)生了污染。如果能將橡膠顆粒直接應(yīng)用到道路工程中，將給黑色污染的處理提供了一種更加綠色化的新途徑[3-5]。

橡膠顆粒是通過廢舊輪胎再生后得到，含有天然橡膠和碳黑，用于道路建設(shè)中能夠提高路面使用性能和耐久性，尤其適用于西北等高寒、紫外線較強(qiáng)的地區(qū)。國內(nèi)外研究人員對將橡膠顆粒作為替代混凝土的骨料摻入其中很早就進(jìn)行了相關(guān)研究，Heitzman將0.85～6.4 mm的橡膠顆粒代替部分細(xì)集料應(yīng)用在斷級配瀝青混合料中，并將其作為磨耗層[6]。龍廣成和馬昆林[7]將橡膠顆粒添加到水泥混凝土中，對其抗壓強(qiáng)度的降低效應(yīng)進(jìn)行了研究。張金喜[8]進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒瀝青混凝土的瀝青用量減小，路面的彈性增大，具有良好的耐水性、抗滑性和路面防凍性能。但是對橡膠顆粒改性大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混凝土的研究很少?；诖耍疚膹恼辉囼?yàn)配合比設(shè)計(jì)入手，以橡膠顆粒改性大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料的路用性能為優(yōu)選指標(biāo)，確定了大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料的最佳配合比，以期拓寬環(huán)氧樹脂混凝土在公路工程中的應(yīng)用以及提供一種廢舊輪胎再生利用的新途徑。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

聚氨酯改性環(huán)氧樹脂：江蘇省泰州市恒創(chuàng)絕緣材料有限公司生產(chǎn)，固化劑為T系列常溫柔性固化劑，沈陽化工研究所生產(chǎn)；橡膠顆粒：粒徑1～3 mm，山東臨沂市萬順達(dá)橡膠廠；碳黑：比表面積125～130 m2/g，天津億博瑞化工有限公司。

礦料：臨洮縣興建石料廠生產(chǎn)，1#料粒徑10～15 mm，2#料粒徑 5～10 mm，3#料粒徑 3～5 mm，4#料粒徑 0～3 mm；礦粉由中鐵五局LWLM2礦粉加工廠生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

目前沒有冷拌環(huán)氧樹脂混合料的配合比設(shè)計(jì)方法，本文基于馬歇爾設(shè)計(jì)方法下的OFGC瀝青混合料的性能指標(biāo)，利用1～3 mm的橡膠顆粒等量替代0～3 mm的細(xì)集料。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以高溫車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、飛散試驗(yàn)等路用性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選，選擇合適的環(huán)氧樹脂用量和橡膠顆粒取代量，同時(shí)為了防止環(huán)氧樹脂膠結(jié)料的老化，通過添加碳黑輔助抗老化劑，以紫外老化后的飛散損失衰減率確定碳黑的最佳摻量[9-10]。

高溫車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、飛散試驗(yàn)依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測試。

2 大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料的配合比設(shè)計(jì)

2.1 混合料礦料級配

大空隙率環(huán)氧樹脂混合料不同粒徑礦料的比例為：m（1#料）∶m（2#料）∶m（3#料）∶m（4#料）∶m（礦料）=27∶60∶0∶11∶2，合成級配見表1。

2.2 混合料的制備

按配比稱取各粒徑要求的礦料在攪拌裝置中預(yù)攪拌1 min使礦料充分混合，然后將環(huán)氧樹脂A組份置于干燥的容器中，稱取B組份固化劑倒入A組份中充分?jǐn)嚢杌旌希渲蠥、B組份的質(zhì)量比為3∶1。將混合物倒入已經(jīng)配制好礦料的攪拌鍋中，攪拌1 min后停止，加入礦粉攪拌1～2 min，以最終混合料無花白料為準(zhǔn)，所制備的混合料即為本研究的大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料。

2.3 大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料的性能

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果和積累，參考馬歇爾相關(guān)指標(biāo)，以環(huán)氧樹脂摻量為5%配制冷拌環(huán)氧樹脂混合料，雙面擊實(shí)50次后，將試件連同模具側(cè)向放入60℃的烘箱中養(yǎng)生48 h后取出脫模，測試其性能，結(jié)果如表2所示。

表2 大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料的性能指標(biāo)

從表2可以看出，大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料具有較高的力學(xué)性能和高溫性能，但其低溫性能較差，甚至不符合用于道路混合料低溫性能的最低技術(shù)要求（JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求低溫彎曲破壞應(yīng)變≥2000 με）。因此必須采取合適的手段進(jìn)行改性。

3 橡膠顆粒改性大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料的配合比設(shè)計(jì)方法

根據(jù)前期試驗(yàn)研究，選擇環(huán)氧樹脂摻量（A、B組份質(zhì)量比固定為3∶1，按占礦料質(zhì)量計(jì)）、碳黑摻量（按占環(huán)氧樹脂總質(zhì)量計(jì)）以及橡膠顆粒取代0～3 mm細(xì)集料量3個(gè)因素[11]，采用L9（33）正交試驗(yàn)，因素水平見表3。

表3 大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料正交試驗(yàn)因素水平

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果見表4，極差分析見表5。

表4 大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料的正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 正交試驗(yàn)極差分析

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由表5可見：

（1）影響大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料高溫性能（動(dòng)穩(wěn)定度）的主要因素是環(huán)氧樹脂摻量，其次是橡膠顆粒取代量，碳黑摻量是最次要因素。隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，混合料的高溫性能提高，考慮到成本和高溫性能，建議環(huán)氧樹脂的摻量為5%。隨著橡膠顆粒取代量的增加，混合料的高溫性能有所改善，說明橡膠顆粒的加入提高了混合料的高溫性能，原因是橡膠顆粒是一種低強(qiáng)度高回彈材料，在成型后混合料內(nèi)部存在的橡膠顆粒相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小的“預(yù)應(yīng)力試塊”，使得在外界荷載的作用下其高溫性能有一定程度的改善[12]。

（2）影響大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料水穩(wěn)定性（凍融劈裂強(qiáng)度比）的主要因素是環(huán)氧樹脂摻量，其次是橡膠顆粒的取代量，碳黑摻量是最次要因素。隨著橡膠顆粒取代量的增加，混合料的水穩(wěn)定性有所降低，主要是因?yàn)橄鹉z顆粒的取代量越多，其空隙率越大，結(jié)構(gòu)的密度越小，但還是滿足實(shí)際工程中對混合料的抗水損害的要求（一般工程上比較嚴(yán)格的對水穩(wěn)定性要求其凍融劈裂強(qiáng)度比不小于80%）。

（3）影響大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料低溫性能（破壞應(yīng)變）的主要因素是環(huán)氧樹脂摻量，其次是橡膠顆粒的取代量，碳黑摻量是最次要的因素。隨著橡膠顆粒取代量的增加，混合料的低溫性能顯著提升，主要是因?yàn)橐环矫嫦鹉z顆粒屬于柔性材料，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于被等量取代的細(xì)集料，高變形、低模量的橡膠顆粒使得混合料具有較強(qiáng)的低溫性能。另一方面橡膠顆粒的摻入改變了混合料的骨架結(jié)構(gòu)，樹脂分子和橡膠顆粒的交界面存在的空穴，在外界載荷的作用下會(huì)發(fā)展為銀紋，銀紋效應(yīng)使得混合料的低溫性能顯著提高。

（4）影響大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料抗紫外老化效果（飛散損失率）的主要因素是碳黑摻量和橡膠顆粒的取代量，其次是環(huán)氧樹脂摻量。隨著橡膠顆粒取代量的增加，混合料的抗紫外老化性能有所改善，主要是因?yàn)橄鹉z顆粒中含有抗老化抑制劑，與碳黑發(fā)生了協(xié)同效應(yīng)，綜合提高了混合料的抗紫外線老化效果[11]。碳黑摻量越大，混合料的抗紫外線老化性能越好，但在配制混合料的過程發(fā)現(xiàn)，碳黑摻量超過2%時(shí)，混合料的施工和易性會(huì)受到影響，因此，建議碳黑的合理摻量不宜超過2%。

綜上所述，過多的橡膠顆粒摻入雖然會(huì)一定程度削弱水穩(wěn)定性，但仍然滿足工程要求，綜合低溫性能和抗紫外線老化性能，橡膠顆粒合適摻量為5%，碳黑摻量為2%，環(huán)氧樹脂摻量為5%。

4 結(jié)論

（1）影響大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性的因素順序均為：環(huán)氧樹脂摻量＞橡膠顆粒取代量＞碳黑摻量。綜合考慮，環(huán)氧樹脂適宜摻量為5%，橡膠顆粒等量取代細(xì)集料的合適摻量為5%。

（2）影響大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料抗紫外線老化的因素順序?yàn)椋禾己趽搅俊窒鹉z顆粒取代量＞環(huán)氧樹脂摻量。碳黑摻量越大，混合料的抗紫外線老化性能越好，但考慮到施工和易性，建議碳黑的合理摻量不宜超過2%。

（3）與未改性大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料相比，橡膠顆粒和環(huán)氧樹脂對高溫性能的提高具有協(xié)同增強(qiáng)作用，橡膠顆粒和碳黑協(xié)同綜合提高大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料的抗紫外線老化效果。

（4）綜合高溫性能、低溫韌性、水穩(wěn)定性和抗紫外線老化性能，適宜的橡膠顆粒改性大空隙率環(huán)氧樹脂冷拌混合料的配合比為：環(huán)氧樹脂摻量為5%，橡膠顆粒取代5%的0～3 mm的細(xì)集料，碳黑摻量為2%。

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