對酚醛樹脂混凝土可行性的研究及其應用

刁立凱

摘 要：混凝土一般是由水、細骨料、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，經混合、攪拌、固化成型后形成的一種復合材料（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度，韌性，及穩定的物理和化學性能。本文介紹了酚醛樹脂混凝土的組成及其性能，酚醛樹脂混凝土復合材料的研究現狀和應用，根據各項指標數據說明了酚醛樹脂混凝土應具有很好的工程實際應用價值，未來具有廣闊的發展應用前景。

關鍵詞：酚醛樹脂;固化劑;增塑劑及增韌劑;填充料

中圖分類號： U444 ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ?文章編號： 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，受熱時僅軟化，是一種線性樹脂，不能發生化學反應，但加入固化劑 （如六次甲基四胺） 后則可以轉變為熱固性。它是以二官能酚或三官能酚為原料，在酸性催化劑的條件下，苯酚過量時生成的。熱固性酚醛樹脂是高度網狀聚合物，受熱時變為不溶不熔狀態。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發生固化，但為了提高固化速度，使固化盡量完全，有時也應在熱固性酚醛樹脂中加入2%-6%左右的六亞甲基四胺。此外，還加入了固化促進劑。固化促進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;而且還可以促進樹脂的硬化，提高材料的耐熱性能和機械加工強度。在以熱固性酚醛樹脂為原料生產的模塑粉中加入固化促進劑可以提高硬化的速度，它們加入量根據不同要求為0.5%-4%。

1.3 增塑劑及增韌劑

硬化后的酚醛樹脂雖然強度很高，但是塑性、抗沖擊韌性差，為改善這一缺點，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、抑制坍塌度損失，不參與固化反應。而增韌劑（活性增韌劑）通過其分子兩端的反響性活性基團，可以與固化劑發生化學反應，將增塑劑分子鏈段，參與到酚醛樹脂的構造中去，進而提高混凝土內部的黏結性能。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，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，對機械性能、熱變形溫度、耐介質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、降低經濟成本，改善酚醛樹脂膠粘劑的性能，降低膠粘劑的熱膨脹系數、放熱溫度、收縮率，改善膠結性能，降低吸水性，增加黏結力和熱傳導率，提高穩定性，延長其使用壽命。另外，還有其他兩種常用的優良的填充料，有機纖維和橡膠彈性體，下面著重介紹一下這兩種填充料。

1.5.1 ?加入有機纖維

摻入了有機纖維的混凝土能較好地提高的其各項性能。在混凝土中纖維的主要作用，提高混凝土的韌性，增強混凝土的抗折能力，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、纖維與基體黏結力之間的關系等因素的影響。

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

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。按照斷裂力學的觀點，當纖維均勻分布在混凝土基體之中時，可以起到阻止基體內微裂縫發展的作用，假定混凝土基體內部存在有發生微裂縫的傾向，當任何一條微裂縫發生、并且可能向任意方向發展時，在最遠不超過纖維在混凝土基體內纖維平均中心距S的路程之內，該裂縫將遇到橫亙在它前方的一根纖維，由于這根纖維的存在，使裂縫發展受阻，只能在混凝土基體內形成類似于無害孔洞的封閉空腔或者內徑非常細小的孔洞。當在脆性材料內部中加入一定數量的纖維后，當材料受到應力時，由于纖維的斷裂應變大大高于材料的開裂應變，致使纖維能夠有效地抑制裂紋的開展，從而起到增強、增韌的作用。因此，在酚醛樹脂混凝土中加入一定量的有機纖維，能夠很好地增強韌性。

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

在上述條件下，有兩種纖維狀態下的混合定律，一種是連續纖維，另一種是非連續纖維（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條件，才能較好的發揮其作用。實驗證明，橡膠混凝土的抗壓、抗折強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，抗折強度的下降程度小于抗壓強度的下降程度，即混凝土的韌性提高，彈性增強。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性能

樹脂混凝土的技術性能主要取決于加入的樹脂。其主要技術性能如下。

2.1 強度高

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

2.2 抗滲性能好

采用普通水泥混凝土的抗滲試驗方法檢測樹脂混凝土的抗滲性能：試件養護至試驗前1天取出，將表面晾干，然后在其側面涂一層熔化的密封材料，隨即在螺旋或其它加壓裝置上，將試件壓入經烘箱預熱過的試件套中，稍冷卻后，解除壓力、連同試件套裝在抗滲儀上進行試驗，開始水壓為0.1MPa，以后每隔8h增加水壓0.1MPa，并且要隨時注意觀察試件端面的滲水情況，當水壓升2MPa時，未發現滲漏現象。劈開抗滲試驗后的試塊檢查，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行測驗，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

抗凍融試驗溫度為-15℃到20℃。共進行50次循環，試驗前樹脂混凝土的抗壓強度為69MPa，凍融試驗后測得的抗壓強度為 64MPa，說明抗凍融性能良好。

2.5 耐化學性能好

樹脂混凝土的耐化學腐蝕性能優于一般材料，其耐化學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狀及其應用

酚醛樹脂混凝土是聚合物混凝土的一種，德國于20世紀初就開始了樹脂類材料的商業應用，現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，聚合物混凝土結構構件尚未被系統開發，對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為：①對酚醛樹脂混凝土的級配研究，以及在樹脂混凝土中添加不同填料對混凝土性能的研究。②酚醛樹脂混凝土在不同條件下的強度、耐久性、耐火性、耐化學腐蝕性、抗凍融性、抗滲性等各項性能的研究。③酚醛樹脂混凝土應用于工程快速修復、加固，工程搶險方面的研究。④對酚醛樹脂材料的研究，另外還有對酚醛樹脂混凝土經濟性的研究等。

酚醛樹脂在混凝土領域有廣泛的應用前景，現在主要用于混凝土構件的粘接和修補、橋梁修建、公路修建、混凝土構件裂縫的加固等領域。

酚醛樹脂在混凝土領域的另一個重要應用是橋梁工程中的應用。橋梁一般承受很大的豎向壓力和剪力，建造時，通常采用預應力鋼筋混凝土構件組裝，為了提高橋梁的整體性，往往在相鄰構件之間添加高強度的膠黏劑，使其不易脫落分離。此時，可以采用酚醛樹脂混凝土，因為其能在較短的時間內形成較高的強度，很夠很好的抑制裂縫的產生及在伸展。

4 ?結論

酚醛樹脂混凝土具有強度高，抗滲性能好，耐電性能好，抗凍融、耐化學性能好的特點。因此，酚醛樹脂混凝土具有很好的應用價值，將是今后主要的建筑材料之一，具有廣闊的發展前景。

參 考 文 獻

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