建筑高分子材料热稳定性效果有限元分析研究*

孙培华

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳712000）

由于高分子材料结构多元化，不同分子链结构会为材料赋予多重功能性，且高分子材料可与无机、有机填料高度融合，以此生成功能化高分子复合材料，其生成成本低，可在力学、光学、介电、热学、安全等多性能层面满足建筑工程相关要求，并从外观、功能等方面改善居住环境与建筑智能化水平[1]。而且随着科学技术更新与进步，人们对于建筑物的智能化要求不断提高，对此将先进高分子材料引进于建筑工程已是必然趋势。

1 建筑高分子材料热稳定性效果有限元分析

1.1 原料

本文以建筑高分子材料树脂混凝土为例进行热稳定性效果有限元分析。树脂混凝土由骨料、填料、粘结剂共同构成[2]，以具备良好热力性能的石英砂为骨料，以不同尺寸进行石英砂划分，划分为7级，以替换树脂混泥土的粗石粗骨料和细砂细骨料；以云母粉、石英粉、滑石粉、碳酸钙粉为填料，云母粉作为填料可提高混凝土柔韧度；基于加工要求，环氧树脂粘性需严格控制，所以选择E50环氧树脂，同时以T30、二缩水甘油醚为固化剂和稀释剂，与环氧树脂同步使用。

选用颗粒尺寸为0.8～1.9 mm、1.9～2.2 mm、2.2～3.9 mm的石英砂作为骨料，其配比具体分别为：砂子质量分数占比38.35%，砂子质量为205g；砂子质量分数占比9.07%，砂子质量为41g；砂子质量分数占比31.95%，砂子质量为169g。同时添加66g云母粉作为填料，相应适当比例减少骨料65g，并加入树脂粘结剂，即39g环氧树脂、16g固化剂、13g稀释剂。

1.2 设备

以树脂混凝土为建筑高分子材料，则材料受热时的抗弯曲强度、热膨胀性、抗压性等都非常关键，需通过相关仪器进行具体性能测试，具体即高分子材料电热测试仪器、热压罐、火焰喷涂机、高分子材料切割机[3]。

1.3 制备

建筑高分子材料树脂混凝土制备流程[4]具体如图1所示。

图1 树脂混凝土制备流程Fig.1 Resin concrete preparation process

模具选用1.2L塑料烧杯，为便于成型之后脱模，可以提前铺设塑料保鲜膜[5]。利用不同尺寸骨料配比，进行骨料称取，就颗粒直径分别放置，充分且均匀混合，称取环氧树脂、固化剂、稀释剂，根据需要比例混合之后作为树脂粘结剂，与骨料混合物相混合；根据需要质量添加云母粉填料，混合搅拌；倒进模具中成型，并手动捣实，基于36h常温状态之后，固化成型，然后脱模，生成建筑高分子材料树脂混凝土。通过高分子材料切割机切割树脂混凝土为长方体，以进行热稳定性效果有限元分析。

1.4 有限元分析

基于有限元软件构建建筑高分子材料树脂混凝土有限元模型[6]，边界条件为于X、Y、Z轴等于0时对x方向、y方向、z方向自由度加以约束，并进行网格划分。建筑高分子材料树脂混凝土有限元模型尺寸为30×30×90（mm）。在有限元软件中输入剪切松弛模量P级数拟合系数，从而模拟树脂混凝土热力学行为。

2 分析结果

针对建筑高分子材料树脂混凝土样本，以有限元软件分析电-热-力性能和纤维体积量对于材料热稳定性的影响作用[7]，以获取树脂混凝土热稳定性效果分析结果。

2.1 电-热-力性能分析

由树脂混凝土有限元模型一侧分割0.6mm模型，以构建30×30×0.6mm树脂混凝土样本三维模型，以此当作应力场分析模型[8]。通过建筑高分子材料电热测试机进行样本电热荷载相关信息采集，面向样本施加3A、5A、7A电流，以测试不同电流作用下基于EF中线的热应力，结果见表1、表2、表3。

表1 不同电流作用下基于EF中线的x轴热应力（MPa）Table 1 X-axis thermal stress based on the EF midline under different currents

表2 不同电流作用下基于EF中线的y轴热应力（MPa）Table 2 Y-axis thermal stress based on the EF midline under different currents

表3 不同电流作用下基于EF中线的z轴热应力（MPa）Table 3 Z-axis thermal stress based on the EF midline under different currents

由表1～表3可知，随着电流强度增加，建筑高分子材料树脂混凝土样本热应力也随之增大，而且不同电流作用下，树脂混凝土样本热应力变化趋势高度近似，由此可见，树脂混凝土样本热膨胀阻碍效果显著，热应力性能稳定。

2.2 热稳定性分析

为了研究建筑高分子材料树脂混凝土样本制备时，不同纤维体积含量对热稳定性所造成的影响[9]，测试了树脂混凝土样本在纤维体积含量分别为10%、20%、30%时的应力-应变关系，测试结果见表4。

表4 应力-应变关系测试结果Table 4 Test results of stress-strain relationship

由表4可知，相同升温环境（-20～60 ℃）下，建筑高分子材料树脂混凝土样本随着自身纤维体积含量增多，其热力学性能的变化可基于应力-应变关系得以切实反映，在达到同等应变的时候，纤维体积含量越大，则内应力越高。

在此基础上，进一步测试升温环境下，不同纤维体积含量的树脂混凝土样本基于不同温度的等效拉伸模量[10]，测试结果见表5。

表5 基于温度的等效拉伸模量（MPa）Table 5 Equivalent tensile modulus based on temperature (MPa)

由表5可知，在相同温度条件下，建筑高分子材料树脂混凝土样本的纤维体积含量与等效拉伸模量呈正相关关系，纤维体积含量越高，则等效拉伸模量越高，且在温度上升时，不同纤维体积含量的树脂混凝土样本等效拉伸模量都呈现出了稍稍下降的态势，但是纤维体积含量越高的树脂混凝土样本等效拉伸模量下降态势越缓和。由此可知，建筑高分子材料树脂混凝土的纤维体积含量与热稳定性息息相关，其直接影响着材料的热稳定性，二者之间表现为正相关关系。

3 结论

本文针对建筑高分子材料进行了热稳定性效果有限元分析，以树脂混凝土样本为载体，利用有限元软件分析了材料电-热-力性能，以及纤维体积含量对材料热稳定性的影响，得出结论：随着电流作用增大，建筑高分子材料树脂混凝土样本热应力也随之增大，而且不同电流作用下，热应力变化趋势高度近似，因此树脂混凝土样本热膨胀阻碍效果显著，热应力性能稳定；相同升温环境下，建筑高分子材料树脂混凝土样本在达到同等应变时，纤维体积含量越大，则内应力越高；在相同温度下，建筑高分子材料树脂混凝土样本的纤维体积含量与等效拉伸模量呈正相关关系，且温度上升时，不同纤维体积含量下等效拉伸模量都呈现出了稍稍下降的态势，但是纤维体积含量越高的样本等效拉伸模量下降态势越缓和，由此可知，建筑高分子材料树脂混凝土的纤维体积含量与热稳定性息息相关。