[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(gè)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(shí)，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(shí)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(gè)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(jì)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(shí)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(shí)的頂面垂直，見圖1 。最后開動(dòng)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(shí)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(jì)算的各個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(jì)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(jì)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(gè)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(gè)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(shí)，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(gè)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(jì)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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[ 8 ]黃石. 黃石匯波防腐技術(shù)有限公司. 匯波整體電解槽用戶指南[J ] .

[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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