具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，由含有连通孔结构或内凹孔结构的多孔混凝土基体、以及若干个特殊形态的纤维结构单元构建的增强体阵列组成。特殊形态的纤维结构单元由平行排布的2‑4层纤维铰链组成，层间距为10mm‑50mm，纤维铰链为具有内凹角的轴对称多边形结构；轴对称多边形的外接圆直径为9mm‑54mm。本发明专利技术将具有负泊松比效应的多孔混凝土基体与具有负泊松比效应的特殊形态纤维结构单元相结合，使得原有多孔混凝土基体的泊松比值最小分别可达到‑0.53与‑0.98，储能模量分别提高320％与418％；更大幅度提高了对爆炸载荷的吸收能力，并且很大程度上保持原有结构不被破坏。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于建筑领域，涉及一种纤维增强多孔混凝土及其制备方法，具体地说，涉及一种具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土及其制备方法。
技术介绍
近年来，国内、国际社会的爆炸事件层出不穷。针对爆炸载荷造成的人身财产破坏，最为直接的措施是设计行之有效的基础设施防爆材料。然而，传统混凝土的设计理念主要是提高自身强度，对于爆炸过程的疏导与能量传递的消除并不能发挥积极作用。而从力学角度分析，爆炸的基本问题是能量而非力。因此，当载荷强度超过强度临界值时，传统混凝土通过直接释放具有巨大动能的混凝土碎块或金属破片等爆炸产物，实现能量释放，因此，极易造成对人身财产的二次伤害。目前，建筑行业对多孔混凝土更多的要求是轻质；虽然其防爆性能的研发也有所报道，但仍然局限在通过提高自身强度来实现抗爆。此外，用于填充墙等建筑结构的多孔混凝土的孔隙设计主要集中在孔隙尺寸大小与分布控制，对孔隙的形态并无关注。泊松比是指材料受力形变时横向应变与纵向应变比值的负数，是反映材料抵抗外部载荷能力的一个重要参数。泊松比越小，材料在受力形变过程中横向应变越大；相反，则越小。一般材料的泊松比在0至0.7之间。普通材料在受到纵向拉应力作用时出现细颈现象，其泊松比为正值。而负泊松比材料，即拉胀材料(Auxetic，源自希腊语)，形变则相反。负泊松比混凝土受拉伸时在弹性范围内横向发生膨胀，受压缩时材料的横向反而发生收缩，有效抵抗剪切力，大大吸收外部释放的能量。负泊松比材料凭借其负泊松比效应，具备优异的弹性模量、抗断裂性能及回弹韧性。负泊松比材料的发展已经有30余年，其应用主要集中在泡沫材料、腰椎间盘置换材料、人工血管替代材料等领域。在防爆领域，曾有人将窗帘设计出负泊松比效应以实现防爆目的。然而，在建筑领域，目前还没有负泊松比混凝土的相关报道，将其应用于防爆工程更是闻所未闻。为解决传统混凝土在防爆方面的缺陷，实现安全有效的减少爆炸造成的损失的目的，本专利技术拟将“负泊松比效应”的概念引入混凝土结构材料领域。将具备防爆功能的负泊松比混凝土应用于民用、军用建筑物墙体或天然气、石油等工业管道，使得在经受爆炸载荷作用时，墙体或管道在爆炸脉冲的法向方向发生收缩而非膨胀。
技术实现思路
针对现有混凝土在防爆方面所存在的问题，本专利技术提供了纤维增强多孔防爆混凝土及其制备方法。所述纤维增强多孔防爆混凝土通过负泊松比效应设计，可以有效抵抗并吸收爆炸载荷能量，从而实现对建筑结构及其内部人身财产安全最大限度的保护。本专利技术的技术方案：具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，由含有连通孔结构或内凹孔结构的多孔混凝土基体、以及若干个特殊形态的纤维结构单元构建的增强体阵列组成；所述特殊形态的纤维结构单元由平行排布的2-4层纤维铰链组成，层间距为10mm-50mm，所述纤维铰链为具有内凹角的轴对称多边形结构。所述纤维为直径为0.05mm-5mm的聚丙烯纤维、钢纤维、不锈钢纤维、温石棉纤维、青石棉纤维、铁石棉纤维、抗碱玻璃纤维、抗碱矿棉纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、尼龙纤维、芳族聚酰亚胺纤维、西沙尔麻纤维或龙舌兰纤维中的一种或几种。其中，所述轴对称多边形结构为六棱内凹结构、八棱内凹结构、十棱内凹结构或十二棱内凹结构；所述六棱内凹结构如图1a所示，所述八棱内凹结构如图1b所示，所述十棱内凹结构如图1c所示，所述十二棱内凹结构如图1d所示；所述内凹角分别为β1＝90°-150°，β2＝100°-160°，β3＝110°-160°，β4＝110°-170°，所述纤维结构单元的轴对称多边形的外接圆直径为9mm-54mm。所述若干个特殊形态的纤维结构单元之间为有序排列；所述有序排列为定向有序密集阵列(特殊内凹结构完全有序排列型纤维混凝土)、定向有序隔层阵列(特殊内凹/普通结构层次交替有序排列型纤维混凝土)或定向有序层间交叉镶嵌阵列(特殊内凹/普通结构ABA条镶嵌排布型纤维混凝土)，如图6所示。所述每个纤维结构单元还包括垂直方向的固定纤维束，每层所述纤维铰链的平面与固定纤维束垂直；所述内凹角的方向与爆炸载荷的传播方向一致。其中，所述多孔混凝土基体由以下几种组分制备得到：胶凝材料、减水剂、激发剂、稳泡剂和发泡剂；按重量份数计，所述发泡剂的用量为所述胶凝材料的3-14％，所述稳泡剂和发泡剂的重量比为0.6-4.2。所述胶凝材料为石膏、硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥、快硬水泥、膨胀水泥、自应力水泥、磷酸镁水泥、特种硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥中的一种或几种；所述发泡剂为双氧水；所述稳泡剂为羧甲基纤维素、纤维素钠和硬脂酸钙中的一种或几种；所述激发剂为质量分数为0.3-0.6％的KMnO4溶液；所述减水剂为聚羧酸系减水剂；按重量份数计，所述胶凝材料为280-320份；所述KMnO4溶液为0.5-1份，所述聚羧酸系减水剂为0.5-0.7份。具有负泊松比效应的防爆纤维混凝土的制备方法，所述制备方法为预制骨架法，包括以下步骤：(1)准备：根据纤维铰链的需要，采用常规技术，将直径为0.05mm-5mm的纤维纺成直径为1mm-20mm的纤维束，并对纤维束进行弯曲、切割处理；(2)固定：将切割好的纤维束固定为具有内凹角的轴对称多边形结构，然后将n层具有内凹角的轴对称多边形结构固定得到纤维结构单元，最后将纤维结构单元有序排列，得到预制纤维结构模板；(3)浇筑：根据多孔混凝土基体的配比设计拌合混凝土，并将其浇筑到步骤(2)制备的预制纤维结构模板中，静置养护，得到具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土。图5所示的箭头方向为混凝土结构承重的载荷方向。其中，当稳泡剂为羧甲基纤维素或纤维素钠时，步骤(3)所述的拌合混凝土包括以下步骤：(a)将胶凝材料倒入搅拌装置中，低速搅拌至混合均匀；然后缓慢加入适量水，继续低速搅拌至胶凝材料均匀分散在水中；(b)向搅拌装置中加入减水剂，低速搅拌25-40s；(c)继续高速搅拌20-40s，并在搅拌时加入激发剂和稳泡剂；(d)转为低速搅拌，并在搅拌时加入发泡剂；继续搅拌5-20s开始发泡。当稳泡剂为硬脂酸钙时，步骤(3)所述的拌合混凝土中，稳泡剂在步骤(b)中加入搅拌装置中。其中，所述低速搅拌的转速为30-100r/min，所述高速搅拌的转速为200-350r/min；所述水与胶凝材料的重量比为0.5-0.6:1。所述防爆多孔混凝土具备连通孔结构时：按重量分数计，所述发泡剂为胶凝材料的8-14％；步骤(d)所述的低速搅拌的转速为30-70r/min；步骤(3)所述的浇筑在发泡完成以后进行。所述防爆纤维多孔混凝土具备内凹孔结构时：按重量分数计，所述发泡剂为胶凝材料的3-8％；步骤(d)所述的低速搅拌的转速为50-100r/min；步骤(3)所述的浇筑在发泡开始时进行；浇筑完成后，在发泡阶段的2/5-2/3时间施加外部压，所述外部压强为该试样抗压强度的10-20％。(制备前需先对相应配方体系的发泡时间与抗压强度进行测定)通过对孔隙形态及相应界面结构而进行优化设计，从而使混凝土具有负泊松比效应，提高了混凝土对爆炸载荷的吸收能力，并在吸收爆炸载荷后在很大程度上保持混凝土原有宏观结构不被破坏。与具有闭孔结构的普通纤维增强多孔混凝土相比，具有连通孔和内凹孔结构的纤维增强多孔防本文档来自技高网...
【技术保护点】
具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，其特征在于：所述纤维增强多孔防爆混凝土包括具有连通孔结构或内凹孔结构的多孔混凝土基材、以及若干个特殊形态的纤维结构单元构建的增强体阵列；所述纤维结构单元由平行排布的2‑4层纤维铰链组成，层间距为10mm‑50mm，所述纤维铰链为具有内凹角的轴对称多边形结构。
【技术特征摘要】
1.具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，其特征在于：所述纤维增强多孔防爆混凝土包括具有连通孔结构或内凹孔结构的多孔混凝土基材、以及若干个特殊形态的纤维结构单元构建的增强体阵列；所述纤维结构单元由平行排布的2-4层纤维铰链组成，层间距为10mm-50mm，所述纤维铰链为具有内凹角的轴对称多边形结构。2.根据权利要求1所述的具有负泊松比效应的防爆纤维多孔混凝土，其特征在于：所述轴对称多边形结构为六棱内凹结构、八棱内凹结构、十棱内凹结构或十二棱内凹结构；所述六肋内凹结构的内凹角为β1，所述八棱内凹结构的内凹角为β2，所述十棱内凹结构的内凹角为β3，所述十二棱内凹结构的内凹角为β4；所述内凹角分别为β1＝90°-150°，β2＝100°-160°，β3＝110°-160°，β4＝110°-170°，所述轴对称多边形的外接圆直径为9mm-54mm。3.根据权利要求2所述的具有负泊松比效应的防爆纤维多孔混凝土，其特征在于：所述多个纤维结构单元之间为有序排列；所述有序排列为定向有序密集阵列、定向有序隔层阵列或定向有序层间交叉镶嵌阵列。4.根据权利要求2所述的具有负泊松比效应的防爆纤维多孔混凝土，其特征在于：所述每个纤维结构单元还包括垂直方向的固定纤维束，每层所述纤维铰链的平面与固定纤维束垂直；所述内凹角的方向与爆炸载荷的传播方向一致。5.根据权利要求1-3中任意一项所述的具有负泊松比效应的防爆纤维多孔混凝土，其特征在于：所述多孔混凝土基材由以下几种组分制备得到：胶凝材料、减水剂、激发剂、稳泡剂和发泡剂；按重量份数计，所述发泡剂的用量为所述胶凝材料的3-14％，所述稳泡剂和发泡剂的重量比为0.6-4.2。6.根据权利要求4所述的具有负泊松比效应的防爆纤维多孔混凝土，其特征在于：所述胶凝材料为石膏、硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥、快硬水泥、膨胀水泥、自应力水泥、磷酸镁水泥、特种硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥中的一种或几种；所述发泡剂为双氧水；所述稳泡剂为羧甲基纤维素、纤维素钠和硬脂酸钙中的一种或几种；所述激发剂为质量分数为0.3-0.6％的KMnO4溶液；所述减水剂为聚羧酸系减水剂；按重量份数计，所述胶凝材料为280-320份；所述KMnO4溶液为0.5-1份，所述聚羧酸系减水剂为0.5-0.7份。7.具有负泊松比效应的防爆纤维混凝土的制备方法，其特征在于：所述制备方法为预制骨...
【专利技术属性】
技术研发人员：马衍轩，张颖锐，杨蒙蒙，管泽鑫，李子哲，黄胜扬，汪鹤健，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。