建筑高分子材料熱穩(wěn)定性效果有限元分析研究*

孫培華

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽712000）

由于高分子材料結(jié)構(gòu)多元化，不同分子鏈結(jié)構(gòu)會為材料賦予多重功能性，且高分子材料可與無機、有機填料高度融合，以此生成功能化高分子復(fù)合材料，其生成成本低，可在力學(xué)、光學(xué)、介電、熱學(xué)、安全等多性能層面滿足建筑工程相關(guān)要求，并從外觀、功能等方面改善居住環(huán)境與建筑智能化水平[1]。而且隨著科學(xué)技術(shù)更新與進步，人們對于建筑物的智能化要求不斷提高，對此將先進高分子材料引進于建筑工程已是必然趨勢。

1 建筑高分子材料熱穩(wěn)定性效果有限元分析

1.1 原料

本文以建筑高分子材料樹脂混凝土為例進行熱穩(wěn)定性效果有限元分析。樹脂混凝土由骨料、填料、粘結(jié)劑共同構(gòu)成[2]，以具備良好熱力性能的石英砂為骨料，以不同尺寸進行石英砂劃分，劃分為7級，以替換樹脂混泥土的粗石粗骨料和細(xì)砂細(xì)骨料；以云母粉、石英粉、滑石粉、碳酸鈣粉為填料，云母粉作為填料可提高混凝土柔韌度；基于加工要求，環(huán)氧樹脂粘性需嚴(yán)格控制，所以選擇E50環(huán)氧樹脂，同時以T30、二縮水甘油醚為固化劑和稀釋劑，與環(huán)氧樹脂同步使用。

選用顆粒尺寸為0.8～1.9 mm、1.9～2.2 mm、2.2～3.9 mm的石英砂作為骨料，其配比具體分別為：砂子質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比38.35%，砂子質(zhì)量為205g；砂子質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比9.07%，砂子質(zhì)量為41g；砂子質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比31.95%，砂子質(zhì)量為169g。同時添加66g云母粉作為填料，相應(yīng)適當(dāng)比例減少骨料65g，并加入樹脂粘結(jié)劑，即39g環(huán)氧樹脂、16g固化劑、13g稀釋劑。

1.2 設(shè)備

以樹脂混凝土為建筑高分子材料，則材料受熱時的抗彎曲強度、熱膨脹性、抗壓性等都非常關(guān)鍵，需通過相關(guān)儀器進行具體性能測試，具體即高分子材料電熱測試儀器、熱壓罐、火焰噴涂機、高分子材料切割機[3]。

1.3 制備

建筑高分子材料樹脂混凝土制備流程[4]具體如圖1所示。

圖1 樹脂混凝土制備流程Fig.1 Resin concrete preparation process

模具選用1.2L塑料燒杯，為便于成型之后脫模，可以提前鋪設(shè)塑料保鮮膜[5]。利用不同尺寸骨料配比，進行骨料稱取，就顆粒直徑分別放置，充分且均勻混合，稱取環(huán)氧樹脂、固化劑、稀釋劑，根據(jù)需要比例混合之后作為樹脂粘結(jié)劑，與骨料混合物相混合；根據(jù)需要質(zhì)量添加云母粉填料，混合攪拌；倒進模具中成型，并手動搗實，基于36h常溫狀態(tài)之后，固化成型，然后脫模，生成建筑高分子材料樹脂混凝土。通過高分子材料切割機切割樹脂混凝土為長方體，以進行熱穩(wěn)定性效果有限元分析。

1.4 有限元分析

基于有限元軟件構(gòu)建建筑高分子材料樹脂混凝土有限元模型[6]，邊界條件為于X、Y、Z軸等于0時對x方向、y方向、z方向自由度加以約束，并進行網(wǎng)格劃分。建筑高分子材料樹脂混凝土有限元模型尺寸為30×30×90（mm）。在有限元軟件中輸入剪切松弛模量P級數(shù)擬合系數(shù)，從而模擬樹脂混凝土熱力學(xué)行為。

2 分析結(jié)果

針對建筑高分子材料樹脂混凝土樣本，以有限元軟件分析電-熱-力性能和纖維體積量對于材料熱穩(wěn)定性的影響作用[7]，以獲取樹脂混凝土熱穩(wěn)定性效果分析結(jié)果。

2.1 電-熱-力性能分析

由樹脂混凝土有限元模型一側(cè)分割0.6mm模型，以構(gòu)建30×30×0.6mm樹脂混凝土樣本三維模型，以此當(dāng)作應(yīng)力場分析模型[8]。通過建筑高分子材料電熱測試機進行樣本電熱荷載相關(guān)信息采集，面向樣本施加3A、5A、7A電流，以測試不同電流作用下基于EF中線的熱應(yīng)力，結(jié)果見表1、表2、表3。

表1 不同電流作用下基于EF中線的x軸熱應(yīng)力（MPa）Table 1 X-axis thermal stress based on the EF midline under different currents

表2 不同電流作用下基于EF中線的y軸熱應(yīng)力（MPa）Table 2 Y-axis thermal stress based on the EF midline under different currents

表3 不同電流作用下基于EF中線的z軸熱應(yīng)力（MPa）Table 3 Z-axis thermal stress based on the EF midline under different currents

由表1～表3可知，隨著電流強度增加，建筑高分子材料樹脂混凝土樣本熱應(yīng)力也隨之增大，而且不同電流作用下，樹脂混凝土樣本熱應(yīng)力變化趨勢高度近似，由此可見，樹脂混凝土樣本熱膨脹阻礙效果顯著，熱應(yīng)力性能穩(wěn)定。

2.2 熱穩(wěn)定性分析

為了研究建筑高分子材料樹脂混凝土樣本制備時，不同纖維體積含量對熱穩(wěn)定性所造成的影響[9]，測試了樹脂混凝土樣本在纖維體積含量分別為10%、20%、30%時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，測試結(jié)果見表4。

表4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系測試結(jié)果Table 4 Test results of stress-strain relationship

由表4可知，相同升溫環(huán)境（-20～60 ℃）下，建筑高分子材料樹脂混凝土樣本隨著自身纖維體積含量增多，其熱力學(xué)性能的變化可基于應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系得以切實反映，在達到同等應(yīng)變的時候，纖維體積含量越大，則內(nèi)應(yīng)力越高。

在此基礎(chǔ)上，進一步測試升溫環(huán)境下，不同纖維體積含量的樹脂混凝土樣本基于不同溫度的等效拉伸模量[10]，測試結(jié)果見表5。

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

由表5可知，在相同溫度條件下，建筑高分子材料樹脂混凝土樣本的纖維體積含量與等效拉伸模量呈正相關(guān)關(guān)系，纖維體積含量越高，則等效拉伸模量越高，且在溫度上升時，不同纖維體積含量的樹脂混凝土樣本等效拉伸模量都呈現(xiàn)出了稍稍下降的態(tài)勢，但是纖維體積含量越高的樹脂混凝土樣本等效拉伸模量下降態(tài)勢越緩和。由此可知，建筑高分子材料樹脂混凝土的纖維體積含量與熱穩(wěn)定性息息相關(guān)，其直接影響著材料的熱穩(wěn)定性，二者之間表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

本文針對建筑高分子材料進行了熱穩(wěn)定性效果有限元分析，以樹脂混凝土樣本為載體，利用有限元軟件分析了材料電-熱-力性能，以及纖維體積含量對材料熱穩(wěn)定性的影響，得出結(jié)論：隨著電流作用增大，建筑高分子材料樹脂混凝土樣本熱應(yīng)力也隨之增大，而且不同電流作用下，熱應(yīng)力變化趨勢高度近似，因此樹脂混凝土樣本熱膨脹阻礙效果顯著，熱應(yīng)力性能穩(wěn)定；相同升溫環(huán)境下，建筑高分子材料樹脂混凝土樣本在達到同等應(yīng)變時，纖維體積含量越大，則內(nèi)應(yīng)力越高；在相同溫度下，建筑高分子材料樹脂混凝土樣本的纖維體積含量與等效拉伸模量呈正相關(guān)關(guān)系，且溫度上升時，不同纖維體積含量下等效拉伸模量都呈現(xiàn)出了稍稍下降的態(tài)勢，但是纖維體積含量越高的樣本等效拉伸模量下降態(tài)勢越緩和，由此可知，建筑高分子材料樹脂混凝土的纖維體積含量與熱穩(wěn)定性息息相關(guān)。