对酚醛树脂混凝土可行性的研究及其应用

刁立凯

摘 要：混凝土一般是由水、细骨料、粗骨料和掺和剂组合而成的一种人工石材。而如果将掺和剂中加入一定量的酚醛树脂、固化剂、增塑剂及增韧剂、稀释剂和填充料等，经混合、搅拌、固化成型后形成的一种复合材料（酚醛树脂混凝土），属于聚合物混凝土。酚醛树脂混凝土具有良好的强度，韧性，及稳定的物理和化学性能。本文介绍了酚醛树脂混凝土的组成及其性能，酚醛树脂混凝土复合材料的研究现状和应用，根据各项指标数据说明了酚醛树脂混凝土应具有很好的工程实际应用价值，未来具有广阔的发展应用前景。

关键词：酚醛树脂;固化剂;增塑剂及增韧剂;填充料

中图分类号： U444      文献标识码： A      文章编号： 1673-1069（2016）30-59-2

1  酚醛树脂混凝土的主要成分

1.1 酚醛树脂

酚醛树脂是指酚与醛在酸性或碱性催化剂存在下缩聚而形成的树脂性聚合物的总称。一般指的是从苯酚或苯酚同系物与甲醛通过缩聚反应得到的树脂。按所有用到的原材料的种类、配和比和催化剂类型的不同，可以将树脂分为热塑性树脂和热固性树脂。热塑性酚醛树脂，受热时仅软化，是一种线性树脂，不能发生化学反应，但加入固化剂 （如六次甲基四胺） 后则可以转变为热固性。它是以二官能酚或三官能酚为原料，在酸性催化剂的条件下，苯酚过量时生成的。热固性酚醛树脂是高度网状聚合物，受热时变为不溶不熔状态。它以三官能的酚为原料，在碱性催化剂的条件下和醛过量的情况下生成的。酚醛树脂耐酸耐碱，并且有很好的耐热性，是用于制做黏结剂的良好的材料。

1.2 固化剂

普遍用六亚甲基四胺作为酚醛树脂模压粉的固化剂。六亚甲基四胺在与树脂热熔的过程中分解出亚甲基起连接作用，同时释放出的氨可以作为加快树脂硬化的催化剂。六亚甲基四胺的加入量通常为热塑性酚醛树脂的10%-15%，而热固性酚醛树脂可以在加热的条件下主动发生固化，但为了提高固化速度，使固化尽量完全，有时也应在热固性酚醛树脂中加入2%-6%左右的六亚甲基四胺。此外，还加入了固化促进剂。固化促进剂为氢氧化钙和氧化镁，它们的加入不但可以中和线型树脂剩余的酸;而且还可以促进树脂的硬化，提高材料的耐热性能和机械加工强度。在以热固性酚醛树脂为原料生产的模塑粉中加入固化促进剂可以提高硬化的速度，它们加入量根据不同要求为0.5%-4%。

1.3 增塑剂及增韧剂

硬化后的酚醛树脂虽然强度很高，但是塑性、抗冲击韧性差，为改善这一缺点，我们将其掺入一定量的增塑剂及增韧剂，增塑剂的主要作用是吸附、分散、润滑、润湿、减水、增强、抑制坍塌度损失，不参与固化反应。而增韧剂（活性增韧剂）通过其分子两端的反响性活性基团，可以与固化剂发生化学反应，将增塑剂分子链段，参与到酚醛树脂的构造中去，进而提高混凝土内部的黏结性能。常用的增塑剂及增韧剂有邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、聚酰胺、丁腈橡胶、聚硫橡胶等。

1.4 稀释剂

添加稀释剂的主要作用是降低酚醛树脂的黏度，使酚醛树脂具有良好的浸透力，并能有效地降低酚醛树脂的活性，从而延长酚醛树脂混凝的使用期。这里我们使用不含活性基因的非活性稀释剂，在稀释过程中不参加反应，它只是在树脂之中并起到降低黏度的目的，除了起到稀释作用之外，对机械性能、热变形温度、耐介质及老化破坏等都有有利影响。常用的稀释剂有甲苯、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减少酚醛树脂的用量、降低经济成本，改善酚醛树脂胶粘剂的性能，降低胶粘剂的热膨胀系数、放热温度、收缩率，改善胶结性能，降低吸水性，增加黏结力和热传导率，提高稳定性，延长其使用寿命。另外，还有其他两种常用的优良的填充料，有机纤维和橡胶弹性体，下面着重介绍一下这两种填充料。

1.5.1  加入有机纤维

掺入了有机纤维的混凝土能较好地提高的其各项性能。在混凝土中纤维的主要作用，提高混凝土的韧性，增强混凝土的抗折能力，有效的控制混凝土的开裂，并能适量的提高混凝土的抗压强度和抗冲击性能，从而能阻止水泥中裂缝的开展。其阻裂效果主要受纤维的种类与性能、纤维长径比、纤维的取向、纤维的掺入量、纤维与基体黏结力之间的关系等因素的影响。

目前能准确反映纤维增强水泥性能的理论主要有两种：一种是弹性断裂力学的纤维间距理论;另一种是复合材料力学的混合定律。

纤维间距理论又称“纤维阻裂理论”，是由Romualdi与Batson于1963-1964年提出的。按照断裂力学的观点，当纤维均匀分布在混凝土基体之中时，可以起到阻止基体内微裂缝发展的作用，假定混凝土基体内部存在有发生微裂缝的倾向，当任何一条微裂缝发生、并且可能向任意方向发展时，在最远不超过纤维在混凝土基体内纤维平均中心距S的路程之内，该裂缝将遇到横亘在它前方的一根纤维，由于这根纤维的存在，使裂缝发展受阻，只能在混凝土基体内形成类似于无害孔洞的封闭空腔或者内径非常细小的孔洞。当在脆性材料内部中加入一定数量的纤维后，当材料受到应力时，由于纤维的断裂应变大大高于材料的开裂应变，致使纤维能够有效地抑制裂纹的开展，从而起到增强、增韧的作用。因此，在酚醛树脂混凝土中加入一定量的有机纤维，能够很好地增强韧性。

混合定律是一种取加权平均值的方法来预测纤维增强复合材料的多种性能的一种假设，把纤维混凝土看成是多相体系，混凝土为一相，纤维为一相，而复合材料的性能就是把各相性性能叠加的结果，使用混合定律应满足以下假设：①复合材料在宏观上是均质的，不存在内应力;②各组分材料是各向同性（或正交异性）的线弹性材料;③各组分之间黏结牢靠，无空隙，不产生相对位移。

在上述条件下，有两种纤维状态下的混合定律，一种是连续纤维，另一种是非连续纤维（短纤维）或晶须。

1.5.2  加入橡胶弹性体

加入的橡胶弹性体必须满足两个条件：一是橡胶掺入量的比例要合适，橡胶掺入量的比例主要影响混凝土的表观密度。二是所掺入橡胶的粒径要合适，粒径主要影响混凝土的坍塌度。因此所掺入的橡胶必须满足以上两个条件，才能较好的发挥其作用。实验证明，橡胶混凝土的抗压、抗折强度均随橡胶掺入量的增加而降低。但相同橡胶掺量的情况下，抗折强度的下降程度小于抗压强度的下降程度，即混凝土的韧性提高，弹性增强。所以，在酚醛树脂混凝土中加入一定量的橡胶弹性体，能使酚醛树脂混凝土的脆性得到很大的改观。

2  酚醛树脂混凝土的主要技术性能

树脂混凝土的技术性能主要取决于加入的树脂。其主要技术性能如下。

2.1 强度高

一般树脂混凝土的抗压强度为50MPa以上，但是酚醛树脂的混凝土强度，可达到100MPa以上。此外，树脂混凝土的强度增长很快，特别是早期阶段，在正常条件下养护l天，其强度可以达到普通混凝土养护28天强度的50MPa以上，适用于快速抢修工程。

2.2 抗渗性能好

采用普通水泥混凝土的抗渗试验方法检测树脂混凝土的抗渗性能：试件养护至试验前1天取出，将表面晾干，然后在其侧面涂一层熔化的密封材料，随即在螺旋或其它加压装置上，将试件压入经烘箱预热过的试件套中，稍冷却后，解除压力、连同试件套装在抗渗仪上进行试验，开始水压为0.1MPa，以后每隔8h增加水压0.1MPa，并且要随时注意观察试件端面的渗水情况，当水压升2MPa时，未发现渗漏现象。劈开抗渗试验后的试块检查，水的最大渗入深度不大于5mm。

2.3 电性能好

以树脂混凝土的胶料进行测验，其绝缘电阻为 7×107Ω，击穿电压为4.9 V/mm。

2.4 抗冻融性能好

抗冻融试验温度为-15℃到20℃。共进行50次循环，试验前树脂混凝土的抗压强度为69MPa，冻融试验后测得的抗压强度为 64MPa，说明抗冻融性能良好。

2.5 耐化学性能好

树脂混凝土的耐化学腐蚀性能优于一般材料，其耐化学腐蚀性能又具体因树脂的种类性能而不同。

3  酚醛树脂混凝土的研究现状及其应用

酚醛树脂混凝土是聚合物混凝土的一种，德国于20世纪初就开始了树脂类材料的商业应用，现在市场上已有许多的树脂材料， 包括用于制造各种涂料、胶粘剂及合成纤维等。

在我国，聚合物混凝土结构构件尚未被系统开发，对树脂混凝土的研究还处于起步阶段，因此很具有研究性。

目前树脂混凝土材料的主要研究方向为：①对酚醛树脂混凝土的级配研究，以及在树脂混凝土中添加不同填料对混凝土性能的研究。②酚醛树脂混凝土在不同条件下的强度、耐久性、耐火性、耐化学腐蚀性、抗冻融性、抗渗性等各项性能的研究。③酚醛树脂混凝土应用于工程快速修复、加固，工程抢险方面的研究。④对酚醛树脂材料的研究，另外还有对酚醛树脂混凝土经济性的研究等。

酚醛树脂在混凝土领域有广泛的应用前景，现在主要用于混凝土构件的粘接和修补、桥梁修建、公路修建、混凝土构件裂缝的加固等领域。

酚醛树脂在混凝土领域的另一个重要应用是桥梁工程中的应用。桥梁一般承受很大的竖向压力和剪力，建造时，通常采用预应力钢筋混凝土构件组装，为了提高桥梁的整体性，往往在相邻构件之间添加高强度的胶黏剂，使其不易脱落分离。此时，可以采用酚醛树脂混凝土，因为其能在较短的时间内形成较高的强度，很够很好的抑制裂缝的产生及在伸展。

4  结论

酚醛树脂混凝土具有强度高，抗渗性能好，耐电性能好，抗冻融、耐化学性能好的特点。因此，酚醛树脂混凝土具有很好的应用价值，将是今后主要的建筑材料之一，具有广阔的发展前景。

参 考 文 献

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