呋喃樹脂混凝土的力學(xué)性能及其應(yīng)用

[摘　要] 　采用劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)分析了呋喃樹脂混凝土的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能，并利用有限元方法對呋喃樹脂混凝土在電解槽中的應(yīng)用及受力情況進(jìn)行了一定的研究分析。結(jié)果表明在電解槽結(jié)構(gòu)中使用呋喃樹脂混凝土替代普通混凝土不僅僅在力學(xué)性能上完全能夠滿足要求，而且在防腐蝕性和耐久性上也有較大的提高。

[關(guān)鍵詞] 　樹脂混凝土； 　抗拉強(qiáng)度； 　呋喃樹脂； 　劈裂試驗(yàn)； 　電解槽

0 　前言

      呋喃樹脂混凝土作為一種理想的防腐材料被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)上的各個領(lǐng)域，由于其獨(dú)特的物理性能和良好的力學(xué)性能，它能夠被用來制造各種防腐設(shè)施(如蓄槽、酸洗槽、排水函管等) 和建筑構(gòu)件(如排液管、蓋板等) ，特別是在近幾十年間它得到了巨大的發(fā)展，在冶金、輕工、石油等方面發(fā)揮了巨大的作用[1 ] 。本文主要討論的就是在試驗(yàn)的條件下對呋喃樹脂混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行分析和利用有限元軟件對它在電解槽方面的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 　呋喃樹脂混凝土的基本特點(diǎn)

　　當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在于具有腐蝕性的環(huán)境中時，鋼混結(jié)構(gòu)會很快受到腐蝕破壞，例如鋼筋混凝土電解槽的使用壽命較短，容易發(fā)生電解液滲漏和鋼筋腐蝕等現(xiàn)象。同樣在許多其他的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中也存在因腐蝕而影響結(jié)構(gòu)耐久性的問題。因此若能夠找到一種具有優(yōu)越防腐性能的混凝土材料來替代普通混凝土的話，將能夠取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而呋喃樹脂具有粘度低，防腐蝕性能好和耐熱性能高等獨(dú)特的物理性能，可以在180 ℃的高溫下和酸堿交替的環(huán)境中長期使用，具有其它普通混凝土所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)[2 ] 。另外，這種混凝土也具有抗拉強(qiáng)度高等較好的力學(xué)性能。因此當(dāng)處在一些具有腐蝕性的特殊工作環(huán)境下的時候，我們可以使用這種呋喃樹脂混凝土來很好的滿足我們的要求。如使用呋喃樹脂混凝土制造的電解槽就充分的利用了這些優(yōu)點(diǎn)來滿足它在工作狀態(tài)中的各種要求。

2 　試驗(yàn)

　　在對呋喃樹脂混凝土進(jìn)行整體研究之前我們必須先對樣品試件的力學(xué)性能進(jìn)行初步的分析。在本文中，由于呋喃樹脂混凝土在應(yīng)用中主要處于拉伸狀態(tài)，因此我們著重于研究呋喃樹脂混凝土的抗拉強(qiáng)度。為了達(dá)到這個目的，我們可以采用劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的方法來研究混凝土的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)過程包括分別選取三組XLZ 和YJ 呋喃樹脂混凝土樣品試件，對它們進(jìn)行測試得出破壞荷載的大小，根據(jù)公式計算出它們各自的拉伸應(yīng)力強(qiáng)度，最后根據(jù)它們的拉伸應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行比較[3 ] 。

　　首先，我們選取三組XLZ 呋喃樹脂混凝土試件和三組YJ 呋喃樹脂混凝土試件來進(jìn)行試驗(yàn)。這些試件的尺寸大小我們可以采用骨料的最大粒徑不大于40mm 的150mm ×150mm ×150mm 標(biāo)準(zhǔn)試件或骨料的最大粒徑不大于20mm 的100mm ×100mm × 100mm 非標(biāo)準(zhǔn)試件，在本次試驗(yàn)中，我們采用100mm×100mm ×100mm 的非標(biāo)準(zhǔn)試件。

　　然后我們就開始對試件進(jìn)行試驗(yàn)，所采用的試驗(yàn)設(shè)備包括萬能試驗(yàn)機(jī)、墊條等。將試件擦洗干凈，測量尺寸，檢查外觀，并在試件中部劃線定出劈裂面的位置(應(yīng)與試件成形時的頂面垂直) 之后，將試件放在材料試驗(yàn)機(jī)下壓板的中心位置上，在上、下壓板與試件之間墊以圓弧形墊條及墊層各一條，墊條應(yīng)與成形時的頂面垂直，見圖1 。最后開動材料試驗(yàn)機(jī)直到呋喃樹脂混凝土試件開裂破壞為止，記錄下此時的破壞荷載的大小。

　　在試驗(yàn)中所記錄的尺寸大小，橫截面面積和破壞荷載的大小我們記錄在表1 中，從中我們可以知道各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)測出了試件的破壞荷載之后，我們利用如下公式就可以求出呋喃樹脂混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度了。最后計算的各個試件的劈裂抗拉強(qiáng)度以及兩種呋喃樹脂混凝土試件的平均劈裂抗拉強(qiáng)度如表2 中所示。

      由以上試驗(yàn)結(jié)果我們可以看出呋喃樹脂混凝土具有較好的劈裂抗拉強(qiáng)度，從力學(xué)性能上來說能夠較好的滿足工業(yè)的要求。在以后的分析中我們將在此基礎(chǔ)上來研究呋喃樹脂混凝土的極限荷載和它的整體工作性能。

3 　有限元分析

      在對呋喃樹脂混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究之后，我們開始對呋喃樹脂混凝土進(jìn)行整體研究。在本文中，我們著重研究了呋喃樹脂混凝土在電解槽中的應(yīng)用[4 ，6 ，8 ] 。也就是分析呋喃樹脂混凝土電解槽處在工作狀態(tài)的時候各處呋喃樹脂混凝土所受到的應(yīng)力狀態(tài)。為了達(dá)到這個目的，我們利用AL GOR 軟件對呋喃樹脂混凝土電解槽建立一個三維線形有限單元模型來模擬它的應(yīng)力狀態(tài)[7 ] ，如圖2 所示。并且由于對稱性的原則，我們可以只取電解槽的四分之一來進(jìn)行分析， 就可以清楚的知道電解槽的真實(shí)受力情況了[5 ] ，如圖3 所示。

　　當(dāng)電解槽的有限元模型建立好以后，就開始對電解槽進(jìn)行力學(xué)分析計算，我們?nèi)∵秽珮渲炷翞椴垠w，普通鋼筋作為配筋的電解槽來進(jìn)行計算，各材料的系數(shù)和荷載數(shù)據(jù)如下:

　　呋喃樹脂混凝土:重力密度2.45 ×10 - ⁵N/ mm3 ， 楊氏模量1.6 ×10⁴ MPa ，泊松比0.2 ；鋼筋:楊氏模量2 ×105MPa ，泊松比0.3 ，直徑5 mm ，剪切模量17.42 mm² ；電解液:ZnSO4 密度為1.5 ×10 ^{- 6kg/ mm3} ；陽極板：共46 塊，55 kg/ 塊；陰極板:共46 塊，40kg/ 塊。

    因此我們可以得到電解槽的最大應(yīng)力分布圖、最小應(yīng)力分布圖以及位移分布圖和鋼筋受力分布圖。

    由上列各圖中我們可知電解槽的各種應(yīng)力和位移分布，其中最大主應(yīng)力為3.9MPa ，位于壁板和底板相交的位置。最小主應(yīng)力為1.0MPa 。最大位移為0.35mm 以及最大位移的位置。鋼筋的最大組合應(yīng)力為164MPa 。這樣我們就對呋喃樹脂混凝土電解槽的各種受力狀態(tài)有了一個大致的了解。

4 　結(jié)論

      在我們對呋喃樹脂混凝土電解槽進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析之后，對呋喃樹脂混凝土的力學(xué)性能和應(yīng)用情況有了一個大概了解。在理論上，鋼筋加強(qiáng)呋喃樹脂混凝土電解槽的最大主應(yīng)力為3.9MPa ，而由試驗(yàn)得出的呋喃樹脂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為6.1MPa ，所以我們可知呋喃樹脂混凝土在強(qiáng)度上是完全能夠滿足要求的。而且在將呋喃樹脂混凝土應(yīng)用于實(shí)際時，為了加大它的力學(xué)性能，往往在呋喃樹脂混凝土中加入加強(qiáng)鋼筋或纖維，如本篇論文中的電解槽就是加入了加強(qiáng)鋼筋來提高它的力學(xué)性能的。因此，從力學(xué)性能上來說呋喃樹脂混凝土是一種較為理想的混凝土材料。

      另外，如前面概述所說呋喃樹脂混凝土以其優(yōu)良的防腐性能、絕緣性能和耐酸堿性能使得它在一些特殊的工作環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定的使用，這也是它的一個突出的物理性能。本篇論文所說的呋喃樹脂混凝土在電解槽方面的應(yīng)用就是在充分考慮到呋喃樹脂混凝土的物理性能的基礎(chǔ)上來進(jìn)行研究和設(shè)計的，因此這種材料在工業(yè)上的應(yīng)用前景將會越來越廣泛。

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[作者簡介] 　楊銳，1978 年生，女，助教。

[單位地址] 　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院(430070)

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