對(duì)酚醛樹脂混凝土可行性的研究及其應(yīng)用

刁立凱

摘 要：混凝土一般是由水、細(xì)骨料、粗骨料和摻和劑組合而成的一種人工石材。而如果將摻和劑中加入一定量的酚醛樹脂、固化劑、增塑劑及增韌劑、稀釋劑和填充料等，經(jīng)混合、攪拌、固化成型后形成的一種復(fù)合材料（酚醛樹脂混凝土），屬于聚合物混凝土。酚醛樹脂混凝土具有良好的強(qiáng)度，韌性，及穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能。本文介紹了酚醛樹脂混凝土的組成及其性能，酚醛樹脂混凝土復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)說明了酚醛樹脂混凝土應(yīng)具有很好的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，未來具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：酚醛樹脂;固化劑;增塑劑及增韌劑;填充料

中圖分類號(hào)： U444 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ?文章編號(hào)： 1673-1069（2016）30-59-2

1 ?酚醛樹脂混凝土的主要成分

1.1 酚醛樹脂

酚醛樹脂是指酚與醛在酸性或堿性催化劑存在下縮聚而形成的樹脂性聚合物的總稱。一般指的是從苯酚或苯酚同系物與甲醛通過縮聚反應(yīng)得到的樹脂。按所有用到的原材料的種類、配和比和催化劑類型的不同，可以將樹脂分為熱塑性樹脂和熱固性樹脂。熱塑性酚醛樹脂，受熱時(shí)僅軟化，是一種線性樹脂，不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但加入固化劑 （如六次甲基四胺） 后則可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦浴Ｋ且远倌芊踊蛉倌芊訛樵?，在酸性催化劑的條件下，苯酚過量時(shí)生成的。熱固性酚醛樹脂是高度網(wǎng)狀聚合物，受熱時(shí)變?yōu)椴蝗懿蝗蹱顟B(tài)。它以三官能的酚為原料，在堿性催化劑的條件下和醛過量的情況下生成的。酚醛樹脂耐酸耐堿，并且有很好的耐熱性，是用于制做黏結(jié)劑的良好的材料。

1.2 固化劑

普遍用六亞甲基四胺作為酚醛樹脂模壓粉的固化劑。六亞甲基四胺在與樹脂熱熔的過程中分解出亞甲基起連接作用，同時(shí)釋放出的氨可以作為加快樹脂硬化的催化劑。六亞甲基四胺的加入量通常為熱塑性酚醛樹脂的10%-15%，而熱固性酚醛樹脂可以在加熱的條件下主動(dòng)發(fā)生固化，但為了提高固化速度，使固化盡量完全，有時(shí)也應(yīng)在熱固性酚醛樹脂中加入2%-6%左右的六亞甲基四胺。此外，還加入了固化促進(jìn)劑。固化促進(jìn)劑為氫氧化鈣和氧化鎂，它們的加入不但可以中和線型樹脂剩余的酸;而且還可以促進(jìn)樹脂的硬化，提高材料的耐熱性能和機(jī)械加工強(qiáng)度。在以熱固性酚醛樹脂為原料生產(chǎn)的模塑粉中加入固化促進(jìn)劑可以提高硬化的速度，它們加入量根據(jù)不同要求為0.5%-4%。

1.3 增塑劑及增韌劑

硬化后的酚醛樹脂雖然強(qiáng)度很高，但是塑性、抗沖擊韌性差，為改善這一缺點(diǎn)，我們將其摻入一定量的增塑劑及增韌劑，增塑劑的主要作用是吸附、分散、潤滑、潤濕、減水、增強(qiáng)、抑制坍塌度損失，不參與固化反應(yīng)。而增韌劑（活性增韌劑）通過其分子兩端的反響性活性基團(tuán)，可以與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將增塑劑分子鏈段，參與到酚醛樹脂的構(gòu)造中去，進(jìn)而提高混凝土內(nèi)部的黏結(jié)性能。常用的增塑劑及增韌劑有鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、聚酰胺、丁腈橡膠、聚硫橡膠等。

1.4 稀釋劑

添加稀釋劑的主要作用是降低酚醛樹脂的黏度，使酚醛樹脂具有良好的浸透力，并能有效地降低酚醛樹脂的活性，從而延長酚醛樹脂混凝的使用期。這里我們使用不含活性基因的非活性稀釋劑，在稀釋過程中不參加反應(yīng)，它只是在樹脂之中并起到降低黏度的目的，除了起到稀釋作用之外，對(duì)機(jī)械性能、熱變形溫度、耐介質(zhì)及老化破壞等都有有利影響。常用的稀釋劑有甲苯、乙醇、丙醇等。

1.5 填充料

常用的填充料主要有砂、石、水泥、石英粉等，填充料的作用主要是減少酚醛樹脂的用量、降低經(jīng)濟(jì)成本，改善酚醛樹脂膠粘劑的性能，降低膠粘劑的熱膨脹系數(shù)、放熱溫度、收縮率，改善膠結(jié)性能，降低吸水性，增加黏結(jié)力和熱傳導(dǎo)率，提高穩(wěn)定性，延長其使用壽命。另外，還有其他兩種常用的優(yōu)良的填充料，有機(jī)纖維和橡膠彈性體，下面著重介紹一下這兩種填充料。

1.5.1 ?加入有機(jī)纖維

摻入了有機(jī)纖維的混凝土能較好地提高的其各項(xiàng)性能。在混凝土中纖維的主要作用，提高混凝土的韌性，增強(qiáng)混凝土的抗折能力，有效的控制混凝土的開裂，并能適量的提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗沖擊性能，從而能阻止水泥中裂縫的開展。其阻裂效果主要受纖維的種類與性能、纖維長徑比、纖維的取向、纖維的摻入量、纖維與基體黏結(jié)力之間的關(guān)系等因素的影響。

目前能準(zhǔn)確反映纖維增強(qiáng)水泥性能的理論主要有兩種：一種是彈性斷裂力學(xué)的纖維間距理論;另一種是復(fù)合材料力學(xué)的混合定律。

纖維間距理論又稱“纖維阻裂理論”，是由Romualdi與Batson于1963-1964年提出的。按照斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)，當(dāng)纖維均勻分布在混凝土基體之中時(shí)，可以起到阻止基體內(nèi)微裂縫發(fā)展的作用，假定混凝土基體內(nèi)部存在有發(fā)生微裂縫的傾向，當(dāng)任何一條微裂縫發(fā)生、并且可能向任意方向發(fā)展時(shí)，在最遠(yuǎn)不超過纖維在混凝土基體內(nèi)纖維平均中心距S的路程之內(nèi)，該裂縫將遇到橫亙?cè)谒胺降囊桓w維，由于這根纖維的存在，使裂縫發(fā)展受阻，只能在混凝土基體內(nèi)形成類似于無害孔洞的封閉空腔或者內(nèi)徑非常細(xì)小的孔洞。當(dāng)在脆性材料內(nèi)部中加入一定數(shù)量的纖維后，當(dāng)材料受到應(yīng)力時(shí)，由于纖維的斷裂應(yīng)變大大高于材料的開裂應(yīng)變，致使纖維能夠有效地抑制裂紋的開展，從而起到增強(qiáng)、增韌的作用。因此，在酚醛樹脂混凝土中加入一定量的有機(jī)纖維，能夠很好地增強(qiáng)韌性。

混合定律是一種取加權(quán)平均值的方法來預(yù)測纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的多種性能的一種假設(shè)，把纖維混凝土看成是多相體系，混凝土為一相，纖維為一相，而復(fù)合材料的性能就是把各相性性能疊加的結(jié)果，使用混合定律應(yīng)滿足以下假設(shè)：①復(fù)合材料在宏觀上是均質(zhì)的，不存在內(nèi)應(yīng)力;②各組分材料是各向同性（或正交異性）的線彈性材料;③各組分之間黏結(jié)牢靠，無空隙，不產(chǎn)生相對(duì)位移。

在上述條件下，有兩種纖維狀態(tài)下的混合定律，一種是連續(xù)纖維，另一種是非連續(xù)纖維（短纖維）或晶須。

1.5.2 ?加入橡膠彈性體

加入的橡膠彈性體必須滿足兩個(gè)條件：一是橡膠摻入量的比例要合適，橡膠摻入量的比例主要影響混凝土的表觀密度。二是所摻入橡膠的粒徑要合適，粒徑主要影響混凝土的坍塌度。因此所摻入的橡膠必須滿足以上兩個(gè)條件，才能較好的發(fā)揮其作用。實(shí)驗(yàn)證明，橡膠混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度均隨橡膠摻入量的增加而降低。但相同橡膠摻量的情況下，抗折強(qiáng)度的下降程度小于抗壓強(qiáng)度的下降程度，即混凝土的韌性提高，彈性增強(qiáng)。所以，在酚醛樹脂混凝土中加入一定量的橡膠彈性體，能使酚醛樹脂混凝土的脆性得到很大的改觀。

2 ?酚醛樹脂混凝土的主要技術(shù)性能

樹脂混凝土的技術(shù)性能主要取決于加入的樹脂。其主要技術(shù)性能如下。

2.1 強(qiáng)度高

一般樹脂混凝土的抗壓強(qiáng)度為50MPa以上，但是酚醛樹脂的混凝土強(qiáng)度，可達(dá)到100MPa以上。此外，樹脂混凝土的強(qiáng)度增長很快，特別是早期階段，在正常條件下養(yǎng)護(hù)l天，其強(qiáng)度可以達(dá)到普通混凝土養(yǎng)護(hù)28天強(qiáng)度的50MPa以上，適用于快速搶修工程。

2.2 抗?jié)B性能好

采用普通水泥混凝土的抗?jié)B試驗(yàn)方法檢測樹脂混凝土的抗?jié)B性能：試件養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)前1天取出，將表面晾干，然后在其側(cè)面涂一層熔化的密封材料，隨即在螺旋或其它加壓裝置上，將試件壓入經(jīng)烘箱預(yù)熱過的試件套中，稍冷卻后，解除壓力、連同試件套裝在抗?jié)B儀上進(jìn)行試驗(yàn)，開始水壓為0.1MPa，以后每隔8h增加水壓0.1MPa，并且要隨時(shí)注意觀察試件端面的滲水情況，當(dāng)水壓升2MPa時(shí)，未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。劈開抗?jié)B試驗(yàn)后的試塊檢查，水的最大滲入深度不大于5mm。

2.3 電性能好

以樹脂混凝土的膠料進(jìn)行測驗(yàn)，其絕緣電阻為 7×107Ω，擊穿電壓為4.9 V/mm。

2.4 抗凍融性能好

抗凍融試驗(yàn)溫度為-15℃到20℃。共進(jìn)行50次循環(huán)，試驗(yàn)前樹脂混凝土的抗壓強(qiáng)度為69MPa，凍融試驗(yàn)后測得的抗壓強(qiáng)度為 64MPa，說明抗凍融性能良好。

2.5 耐化學(xué)性能好

樹脂混凝土的耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)于一般材料，其耐化學(xué)腐蝕性能又具體因樹脂的種類性能而不同。

3 ?酚醛樹脂混凝土的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

酚醛樹脂混凝土是聚合物混凝土的一種，德國于20世紀(jì)初就開始了樹脂類材料的商業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)在市場上已有許多的樹脂材料， 包括用于制造各種涂料、膠粘劑及合成纖維等。

在我國，聚合物混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件尚未被系統(tǒng)開發(fā)，對(duì)樹脂混凝土的研究還處于起步階段，因此很具有研究性。

目前樹脂混凝土材料的主要研究方向?yàn)椋孩賹?duì)酚醛樹脂混凝土的級(jí)配研究，以及在樹脂混凝土中添加不同填料對(duì)混凝土性能的研究。②酚醛樹脂混凝土在不同條件下的強(qiáng)度、耐久性、耐火性、耐化學(xué)腐蝕性、抗凍融性、抗?jié)B性等各項(xiàng)性能的研究。③酚醛樹脂混凝土應(yīng)用于工程快速修復(fù)、加固，工程搶險(xiǎn)方面的研究。④對(duì)酚醛樹脂材料的研究，另外還有對(duì)酚醛樹脂混凝土經(jīng)濟(jì)性的研究等。

酚醛樹脂在混凝土領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，現(xiàn)在主要用于混凝土構(gòu)件的粘接和修補(bǔ)、橋梁修建、公路修建、混凝土構(gòu)件裂縫的加固等領(lǐng)域。

酚醛樹脂在混凝土領(lǐng)域的另一個(gè)重要應(yīng)用是橋梁工程中的應(yīng)用。橋梁一般承受很大的豎向壓力和剪力，建造時(shí)，通常采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件組裝，為了提高橋梁的整體性，往往在相鄰構(gòu)件之間添加高強(qiáng)度的膠黏劑，使其不易脫落分離。此時(shí)，可以采用酚醛樹脂混凝土，因?yàn)槠淠茉谳^短的時(shí)間內(nèi)形成較高的強(qiáng)度，很夠很好的抑制裂縫的產(chǎn)生及在伸展。

4 ?結(jié)論

酚醛樹脂混凝土具有強(qiáng)度高，抗?jié)B性能好，耐電性能好，抗凍融、耐化學(xué)性能好的特點(diǎn)。因此，酚醛樹脂混凝土具有很好的應(yīng)用價(jià)值，將是今后主要的建筑材料之一，具有廣闊的發(fā)展前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周正亞，馬良海.混凝土用聚丙烯纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2006（18）：62-64.

[2] 張弛，沈平邦，張寶生等.聚丙烯腈纖維對(duì)引氣混凝土抗凍性的影響[J].混凝土，2007（8）：52-54.

[3] 楊醫(yī)博，吳笑梅，樊粵明.改性聚丙烯纖維在蒸養(yǎng)粉煤灰加氣混凝土中的應(yīng)用研究[J].混凝土，2002（6）：59-60.