呋喃树脂混凝土的力学性能及其应用

[摘　要] 　采用劈裂抗拉强度试验分析了呋喃树脂混凝土的抗拉强度等力学性能，并利用有限元方法对呋喃树脂混凝土在电解槽中的应用及受力情况进行了一定的研究分析。结果表明在电解槽结构中使用呋喃树脂混凝土替代普通混凝土不仅仅在力学性能上完全能够满足要求，而且在防腐蚀性和耐久性上也有较大的提高。

[关键词] 　树脂混凝土； 　抗拉强度； 　呋喃树脂； 　劈裂试验； 　电解槽

0 　前言

      呋喃树脂混凝土作为一种理想的防腐材料被广泛的应用于工业上的各个领域，由于其独特的物理性能和良好的力学性能，它能够被用来制造各种防腐设施(如蓄槽、酸洗槽、排水函管等) 和建筑构件(如排液管、盖板等) ，特别是在近几十年间它得到了巨大的发展，在冶金、轻工、石油等方面发挥了巨大的作用[1 ] 。本文主要讨论的就是在试验的条件下对呋喃树脂混凝土的力学性能进行分析和利用有限元软件对它在电解槽方面的应用进行研究。

1 　呋喃树脂混凝土的基本特点

　　当钢筋混凝土结构存在于具有腐蚀性的环境中时，钢混结构会很快受到腐蚀破坏，例如钢筋混凝土电解槽的使用寿命较短，容易发生电解液渗漏和钢筋腐蚀等现象。同样在许多其他的钢筋混凝土结构中也存在因腐蚀而影响结构耐久性的问题。因此若能够找到一种具有优越防腐性能的混凝土材料来替代普通混凝土的话，将能够取得巨大的经济效益。而呋喃树脂具有粘度低，防腐蚀性能好和耐热性能高等独特的物理性能，可以在180 ℃的高温下和酸碱交替的环境中长期使用，具有其它普通混凝土所不能比拟的优点[2 ] 。另外，这种混凝土也具有抗拉强度高等较好的力学性能。因此当处在一些具有腐蚀性的特殊工作环境下的时候，我们可以使用这种呋喃树脂混凝土来很好的满足我们的要求。如使用呋喃树脂混凝土制造的电解槽就充分的利用了这些优点来满足它在工作状态中的各种要求。

2 　试验

　　在对呋喃树脂混凝土进行整体研究之前我们必须先对样品试件的力学性能进行初步的分析。在本文中，由于呋喃树脂混凝土在应用中主要处于拉伸状态，因此我们着重于研究呋喃树脂混凝土的抗拉强度。为了达到这个目的，我们可以采用劈裂抗拉强度试验的方法来研究混凝土的抗拉强度。试验过程包括分别选取三组XLZ 和YJ 呋喃树脂混凝土样品试件，对它们进行测试得出破坏荷载的大小，根据公式计算出它们各自的拉伸应力强度，最后根据它们的拉伸应力强度进行比较[3 ] 。

　　首先，我们选取三组XLZ 呋喃树脂混凝土试件和三组YJ 呋喃树脂混凝土试件来进行试验。这些试件的尺寸大小我们可以采用骨料的最大粒径不大于40mm 的150mm ×150mm ×150mm 标准试件或骨料的最大粒径不大于20mm 的100mm ×100mm × 100mm 非标准试件，在本次试验中，我们采用100mm×100mm ×100mm 的非标准试件。

　　然后我们就开始对试件进行试验，所采用的试验设备包括万能试验机、垫条等。将试件擦洗干净，测量尺寸，检查外观，并在试件中部划线定出劈裂面的位置(应与试件成形时的顶面垂直) 之后，将试件放在材料试验机下压板的中心位置上，在上、下压板与试件之间垫以圆弧形垫条及垫层各一条，垫条应与成形时的顶面垂直，见图1 。最后开动材料试验机直到呋喃树脂混凝土试件开裂破坏为止，记录下此时的破坏荷载的大小。

　　在试验中所记录的尺寸大小，横截面面积和破坏荷载的大小我们记录在表1 中，从中我们可以知道各种试验数据。

　　当测出了试件的破坏荷载之后，我们利用如下公式就可以求出呋喃树脂混凝土试件的劈裂抗拉强度了。最后计算的各个试件的劈裂抗拉强度以及两种呋喃树脂混凝土试件的平均劈裂抗拉强度如表2 中所示。

      由以上试验结果我们可以看出呋喃树脂混凝土具有较好的劈裂抗拉强度，从力学性能上来说能够较好的满足工业的要求。在以后的分析中我们将在此基础上来研究呋喃树脂混凝土的极限荷载和它的整体工作性能。

3 　有限元分析

      在对呋喃树脂混凝土进行试验研究之后，我们开始对呋喃树脂混凝土进行整体研究。在本文中，我们着重研究了呋喃树脂混凝土在电解槽中的应用[4 ，6 ，8 ] 。也就是分析呋喃树脂混凝土电解槽处在工作状态的时候各处呋喃树脂混凝土所受到的应力状态。为了达到这个目的，我们利用AL GOR 软件对呋喃树脂混凝土电解槽建立一个三维线形有限单元模型来模拟它的应力状态[7 ] ，如图2 所示。并且由于对称性的原则，我们可以只取电解槽的四分之一来进行分析， 就可以清楚的知道电解槽的真实受力情况了[5 ] ，如图3 所示。

　　当电解槽的有限元模型建立好以后，就开始对电解槽进行力学分析计算，我们取呋喃树脂混凝土为槽体，普通钢筋作为配筋的电解槽来进行计算，各材料的系数和荷载数据如下:

　　呋喃树脂混凝土:重力密度2.45 ×10 - ⁵N/ mm3 ， 杨氏模量1.6 ×10⁴ MPa ，泊松比0.2 ；钢筋:杨氏模量2 ×105MPa ，泊松比0.3 ，直径5 mm ，剪切模量17.42 mm² ；电解液:ZnSO4 密度为1.5 ×10 ^{- 6kg/ mm3} ；阳极板：共46 块，55 kg/ 块；阴极板:共46 块，40kg/ 块。

    因此我们可以得到电解槽的最大应力分布图、最小应力分布图以及位移分布图和钢筋受力分布图。

    由上列各图中我们可知电解槽的各种应力和位移分布，其中最大主应力为3.9MPa ，位于壁板和底板相交的位置。最小主应力为1.0MPa 。最大位移为0.35mm 以及最大位移的位置。钢筋的最大组合应力为164MPa 。这样我们就对呋喃树脂混凝土电解槽的各种受力状态有了一个大致的了解。

4 　结论

      在我们对呋喃树脂混凝土电解槽进行了试验研究和理论分析之后，对呋喃树脂混凝土的力学性能和应用情况有了一个大概了解。在理论上，钢筋加强呋喃树脂混凝土电解槽的最大主应力为3.9MPa ，而由试验得出的呋喃树脂混凝土的劈裂抗拉强度为6.1MPa ，所以我们可知呋喃树脂混凝土在强度上是完全能够满足要求的。而且在将呋喃树脂混凝土应用于实际时，为了加大它的力学性能，往往在呋喃树脂混凝土中加入加强钢筋或纤维，如本篇论文中的电解槽就是加入了加强钢筋来提高它的力学性能的。因此，从力学性能上来说呋喃树脂混凝土是一种较为理想的混凝土材料。

      另外，如前面概述所说呋喃树脂混凝土以其优良的防腐性能、绝缘性能和耐酸碱性能使得它在一些特殊的工作环境下能够长期稳定的使用，这也是它的一个突出的物理性能。本篇论文所说的呋喃树脂混凝土在电解槽方面的应用就是在充分考虑到呋喃树脂混凝土的物理性能的基础上来进行研究和设计的，因此这种材料在工业上的应用前景将会越来越广泛。

[参考文献]

[1 ]余波，徐济美，曾先锋.“汇波牌”XLZ 型呋喃树脂的发展及应用[J ] . 有色冶炼，2001 (14) .

[2 ]程艾琳. 呋喃树脂性质的几点分析[J ] . 玻璃钢/ 复合材料，1999 (3) .

[3 ]纪午生，陈伟，张应立，等. 常用建筑材料手册[J ] . 中国建筑材料工业出版社.

[4 ]胡国曾. 呋喃树脂混凝土铜电解槽[M]北京:中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会会议论文选编. 1994.

[ 5 ]丁浩江，何福保，许兴，等. 弹性和塑性力学中的有限元问题[M] . 机械工业出版社，1989.

[6 ]胡国曾，李宏早. 聚合物混凝土铜电解槽及其经济效益[ C] . 北京: 中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会会议论文选编，1994.

[7 ]裴若娟. Super SAP 应用与技巧[M] . 武汉:华中理工大学出版社， 2000.

[ 8 ]黄石. 黄石汇波防腐技术有限公司. 汇波整体电解槽用户指南[J ] .

[作者简介] 　杨锐，1978 年生，女，助教。

[单位地址] 　华中农业大学工程技术学院(430070)

[联系电话] 　027 - 62748472