环氧树脂混凝土弯曲变形性能试验研究
                              张　平,李宇峙,徐　敏
                        (长沙理工大学,湖南长沙　410004)
    摘要：通过对环氧树脂混凝土试件在不同温度下进行弯拉强度、弯拉应变及弯曲劲度模量的试验研究,并与沥青混凝土、水泥混凝土进行对比分析,既有助于加强对环氧树脂混凝土弯曲变形性能及其发展规律的认识,也可为环氧树脂混凝土的工程应用提供理论依据。
    关键词：环氧树脂混凝土;弯拉强度;弯拉应变;弯曲劲度模量
    1　前言
    大跨径正交异性钢桥面板的铺装技术,由于其直接在行车荷载、风载、温度变化及地震等因素影响下,其受力和变形远较公路路面或机场道面复杂,因而对铺装材料有更高的要求。
    环氧树脂混凝土具有强度形成快,早期强度高,韧性好,抗冲击强度大,良好的耐化学腐蚀、耐磨、耐水和抗冻性能,并且与金属和非金属材料粘结强度高、电绝缘性好。固化后的环氧树脂混凝土对天气、潮湿、化学介质、细菌等都有很强的抵抗能力。环氧混凝土铺筑路面时不需要切缝,增强了行车的舒适性能。本文所使用的环氧树脂胶粘剂(以下简称24号胶)是自主研发的一种韧性好的环氧树脂胶粘剂,以其作为结合料配制的环氧树脂混凝土适用于“环氧树脂胶+环氧树脂混凝土”结构形式的钢桥面铺装体系。由于钢箱梁具有良好的温度传导性,易受外界温度变化的影响,铺装层材料温度接近环境极端温度,因此钢桥面铺装层应兼顾高温稳定性和低温抗裂性。为了了解环氧树脂混凝土在不同温度下的弯曲变形性能,本文将环氧树脂混凝土板制成小梁试件,进行弯拉强度与弯曲劲度模量的性能试验研究,并与沥青混凝土、水泥混凝土弯拉强度与弯曲劲度模量进行对比分析,试验所得结论对实际工程应用具有一定的指导意义。
    2　试验情况及测试方法
    2.1　原材料
    (1)环氧树脂胶粘剂:由环氧树脂、固化剂、增塑剂及填料配制而成,以下简称24号胶。24号胶的主要技术指标如表1所示。
    (2)集料:深圳辉绿岩。
    (3)沥青:SBS改性沥青。
               
    2.2　试验方案
    为了方便环氧树脂混凝土与沥青混凝土各项性能指标的对比,两种混凝土试件均采用相同的试件与成型方法及相同的级配(表2)。

     2.2.1　环氧树脂混凝土试件
    以环氧树脂胶(24号胶)为结合料,级配按表2采用。按不同的胶石比人工拌制混合料,用马歇尔仪双面击实75次成型马歇尔试件,待完全固化后测定其毛体积密度、马歇尔稳定度、流值等。通过比较,选定一个最佳的胶石比,通过试验分析最后定为8%。然后,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中沥青混合料试件制作方法,用轮碾成型机成型板块状试件(30 cm×30 cm×5 cm),将试件与外模共同放入80℃的烘箱内固化6 h,待试件强度完全形成后脱模,用切割法制作棱柱体试件,试件尺寸为250mm×30 mm×35 mm。
    2.2.2　沥青混凝土试件
    SBS改性沥青,级配也按表2采用,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中沥青混合料试件制作方法,用轮碾成型机成型板块状试件,用切割法制作棱柱体试件,试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm。
    2.3　测试方法
    按照沥青混合料弯曲试验(T0715-1993),用小梁弯曲试验来评价沥青混凝土和环氧树脂混凝土的弯曲变形能力,自行开发了图1所示试验设备。试验前,试件放于HSL-225型温湿度环境箱内,按试验设定的温度保温3 h,从温湿度环境箱内取出试件后,在45s内完成试验,试验机加载速率为50 mm/min。同一种混凝土试件做3次平行试验,各循环测试结果之差不超过平均值的15%,取其平均值作为试验结果。若测试结果偏差超过平均值的15%时,则重新进行试验直至满足数据要求为止。
                 
    3　试验结果与分析
    小梁弯曲试验以试件最后破坏时的弯拉强度、最大弯拉应变和弯拉劲度模量来评价混合料的弯曲性能。采用最简单的简支梁加载试验,此时跨中加载点截面上部受压应力,下部受拉应力,应力作用方向垂直于截面。抗弯拉破坏强度实际就是小梁跨中截面下缘所能承受的最大拉应力,即梁底混合料的抗拉强度,反映出混合料承受拉力大小的能力,弯拉强度越大混合料越不容易断裂。最大弯拉应变则代表跨中截面下缘的最大拉应变,反映混合料在承受最大拉应力时的抗变形能力,最大弯拉应变越大混合料越不容易断裂。劲度模量为两者的比值,劲度模量越大混合料越容易脆断。
    试验时,设定的试验温度分别为-10,0,15,40,60℃。对试验数据进行分析整理,结果见表3。由于水泥混凝土弯曲性能受温度变化影响不大,通过文献[2]得到普通水泥混凝土弯曲性能,结果见表4。

    由表3、4可知在高温(60℃)条件下,环氧树脂混凝土的弯拉应变为866με。相关资料表明,即使是在普通水泥混凝土中加入其他物质改进抗折强度的水泥混凝土,如掺矿渣水泥混凝土、乳化沥青水泥混凝土等,其极限弯拉应变也不会超过200με,水泥混凝土的极限弯拉应变一般为100~200με,在高温下,环氧树脂混凝土的弯曲变形能力优于水泥混凝土;沥青混凝土在高温(60℃)情况下,由于沥青与矿料间粘聚力下降,导致沥青混凝土无弯拉强度(图2),而环氧树脂混凝土层底弯拉强度为1.101 MPa,所以其在高温下的弯曲性能优于沥青混凝土。
               
    在常温(0~40℃)情况下,环氧树脂混凝土弯拉强度高于水泥混凝土,弯拉应变值大于水泥混凝土,而弯曲劲度模量仅为普通水泥混凝土的0.5倍左右。所以,环氧树脂混凝土的弯曲变形能力强于普通水泥混凝土,即环氧树脂混凝土与水泥混凝土相比有良好的韧性和抗弯曲开裂的能力。与沥青混凝土相比,环氧树脂混凝土弯拉强度高,弯拉应变小,弯曲劲度模量远大于沥青混凝土。可知,在常温下,环氧树脂混凝土偏向于刚性材料。
    在低温(-10℃)情况下,环氧树脂混凝土的弯拉强度、弯拉应变、弯曲劲度模量均大于水泥混凝土。可见环氧树脂混凝土在低温下的弯曲变形能力强于水泥混凝土。与沥青混凝土相比,环氧树脂混凝土弯拉强度为沥青混凝土的2.42倍,而沥青混凝土的弯拉应变为环氧树脂混凝土的4.34倍。要评价两者在低温下的弯曲性能,不能通过单一指标来评价,即不能说混合料在低温时弯拉强度大,或者弯拉应变大,其低温弯曲性能就好。因此,采用弯曲应变能密度来反映材料的低温抗裂性能。弯曲应变能密度越大,则低温弯曲性能越好。通过文献[5]查得弯拉强度、弯拉应变与应变能密度临界值的灰关联度分析得到,弯拉应变对应变能密度临界值的影响程度大于弯拉强度。所以得出,沥青混凝土在低温下的弯曲变形能力高于环氧树脂混凝土。
    将表3、4数据绘制成图3、4、5。
             
             
    由图3可知,环氧树脂混凝土的弯拉强度在低温(-10~0℃)和常温(0~30℃)情况下,均大于水泥混凝土和沥青混凝土,且随着温度的升高而增大,增大的趋势较稳定。在高温(≥40℃)时,由于本次试验的环氧树脂混凝土中所采用的胶粘剂是以聚氨酯类固化剂为主的常温固化体系,该胶粘剂常温下的适用温度为20~40℃,由于此类胶粘剂不耐高温,因此在超过40℃以后,此环氧固化体系粘结强度会迅速降低,从而使环氧树脂混凝土强度急剧下降,如图3所示,当温度达到60℃时,环氧树脂混凝土的弯拉强度为1.101MPa,但仍能满足钢桥面铺装的要求(≥0.821 MPa)。
    由图4可知,环氧树脂混凝土在低温(-10~0℃)和常温(0~35℃)情况下的弯拉应变介于沥青混凝土和水泥混凝土之间,其弯拉应变随着温度的升高而逐渐增大,增大的趋势较稳定。在高温(≥40℃)情况下由于沥青与矿料间粘聚力下降,导致了沥青混凝土强度迅速降低,而本次试验所采用的24号胶不耐高温,在超过40℃以后,环氧固化体系粘结强度会迅速降低,从而使得弯拉应变急剧减小,仅为866με,但高于普通水泥混凝土(≤200με)。
    由图5可知,环氧树脂混凝土的弯曲劲度模量介于水泥混凝土和沥青混凝土之间。随着温度的升高,弯曲劲度模量随之减小,并且减小的趋势比沥青混凝土明显。
    4　结论
    本文通过对环氧树脂混凝土试件在不同温度下的弯拉强度和弯曲劲度模量的研究,并与沥青混凝土和水泥混凝土弯拉强度和弯曲劲度模量进行对比分析,得到以下结论:环氧树脂混凝土的弯曲变形能力要强于水泥混凝土,即环氧树脂混凝土与水泥混凝土相比有良好的韧性;环氧树脂混凝土与沥青混凝土相比,虽然其常温和低温下的弯曲变形性能低于沥青混凝土,但环氧树脂混凝土的强度和高温稳定性优于沥青混凝土,而高温车辙是大跨径钢桥桥面铺装主要病害形式之一。长沙理工大学直道钢桥面铺装课题组通过对西陵长江大桥钢桥面力学特性分析,得到铺装层层底弯拉应变为332με,在此种情况下环氧树脂混凝土的弯曲变形性能满足要求。因此只要弯曲变形性能满足钢桥面铺装的要求,环氧树脂混凝土比沥青混凝土和水泥混凝土更加适合用于钢桥面铺装。
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