CN101983946A - 抗多次冲击的防护工程材料及利用固体废弃物制备该材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有抗多次冲击能力的水泥基防护工程材料和利用固体废弃物制备该材料的方法。该防护工程材料由水泥、活性工业废渣、超塑化剂、细骨料、粗骨料、增强纤维和水组成，将水泥、活性工业废渣、细骨料、粗骨料、增强纤维按比例在搅拌机内混合均匀，将超塑化剂按照比例溶解于水中形成溶液；将配置好的溶液倒入搅拌机内的固体原料中搅拌，使固体原料从分散状态逐渐变成粘性浆体状态，再倒入模具中，振动密实后在模具表面覆盖塑料膜，静置、拆除模具和养护后即得抗多次冲击的防护工程材料。本发明的水泥基材料制成的防护工程结构具有高强度、高韧性、抗多次冲击的优越性能，能有效抑制防护结构在多次打击下的损伤开裂。

Description

抗多次冲击的防护工程材料及利用固体废弃物制备该材料的方法 

技术领域

本发明涉及一种防护工程材料，特别是一种具有抗多次冲击能力的水泥基防护工程材料和利用固体废弃物制备该材料的方法。 

背景技术

高新技术武器、恐怖主义袭击、以及突发性的爆炸和撞击事故对现有防护材料和防护结构提出了严峻挑战。防护工程结构在使用中常常受到多次冲击荷载的作用，因此必须进行防护工程材料抗多次冲击设计，抑制材料在多次冲击下的损伤开裂过程，提高防护工程结构抗多次打击的能力。水泥基材料是目前用量最大的工程材料，目前关于水泥基材料的抗多次冲击设计还未见详细报道。 

1995年Richard P和Cheyrezy M提出一种超高性能水泥基复合材料：活性粉末混凝土-RPC(Composition of reactive powder concrete，Cement and ConcreteResearch，1995，25(7)：1501-1511)。RPC材料的基本原理包括：(1)去除粗骨料，将砂的尺寸控制在600μm以内，掺加超细活性二氧化硅微粉，改善匀质性；(2)加入超塑化剂，降低水灰比，通过优化颗粒级配及在凝固前和凝固过程中对混凝土施加压力，增加密实度；(3)硬化后通过热处理来改善混凝土的微结构；(4)加入超细钢纤维提高混凝土的延性和韧性。按前三种原则可以配制出超高强度的水泥基体，但其脆性极大，必须加入超细钢纤维以获得高韧性和延性。RPC的原材料主要是硅灰、磨细石英粉和水泥，其中硅灰、磨细石英砂的掺量高、能耗大，导致性价比低，骨料采用磨细石英砂，同样要消耗能源；超细钢纤维用量大，价格高；制备过程需要加压和热养护，工艺复杂，难以大规模推广应用。 

本发明针对RPC材料存在的问题，充分运用固体废弃资源化利用技术，采用不同尺度和不同品种的纤维及纤维混杂增强技术，抑制材料在多次冲击过程中的损伤开裂，制备出具有抗多次冲击能力的水泥基防护工程材料。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有抗多次冲击能力的水泥基防护工程材料和 

实现本发明目的的技术解决方案为：一种抗多次冲击的防护工程材料，按重量百分比该材料包括以下组分： 

水泥            10.2％～19.2％ 

活性工业废渣    15.3％～23.0％ 

超塑化剂        0.5％～0.77％ 

细骨料          30.6％～46.1％ 

粗骨料          0.0％～30.6％ 

增强纤维        8.5％～11.2％ 

水              4.3％～6.13％ 

制备该防护工程材料的方法包括以下步骤： 

(a)将水泥、活性工业废渣、细骨料、粗骨料按10.2％～19.2％∶15.3％～23.0％∶30.6％～46.1％∶0.0％～30.6％的比例在搅拌机内混合均匀； 

(b)将纤维按8.5％～11.2％的比例分撒在搅拌机内搅拌，使增强纤维分散均匀； 

(c)将0.5％～0.77％的超塑化剂溶解于4.3％～6.13％的水中形成溶液； 

(d)将步骤(c)配置好的溶液倒入搅拌机内的固体原料中，边倒边搅拌，倒完后继续搅拌，使固体原料从分散状态逐渐变成粘性浆体状态； 

(e)将步骤(d)中混合均匀的粘性浆体倒入模具中，在振动台上振动密实，模具表面覆盖塑料膜，防止浆体中的水分蒸发； 

(f)将模具静置，当水泥基材料硬化后，拆除模具，对水泥基材料进行标准养护，即得抗多次冲击的防护工程材料。 

本发明与现有技术相比，其显著优点：针对RPC材料存在的缺点，充分运用固体废弃资源化利用技术，通过机械力活化手段提高各种工业废渣的活性，采用不同种类的活性工业废渣混合取代50％～60％的水泥熟料，显著降低了水泥和硅灰掺量。采用黄砂或尾砂取代磨细石英砂，在水泥基体中加入碎石、尾矿或废陶瓷颗粒，既降低了材料的成本，又有效利用了固体废弃物，保护了生态环境。采用标准养护取代热养护，取消加压过程，简化了材料的制备工艺。采用不同尺度和不同品种的纤维及纤维混杂增强技术，抑制了材料在多次冲击过程中的损伤开裂，使制备出的水泥基防护工程材料具有抗多次冲击的能力。 

将钢纤维和其他不同性质的纤维混杂增强后，本发明的水泥基防护工程材料还将具有其他一些特殊的功能。例如混杂聚合物纤维后，由于聚合物纤维在高温下熔化，降低了材料内部的压力，因此可以提高水泥基防护工程材料的耐高温抗火灾性能。而混杂碳纤维后，由于碳纤维的导电性，可使水泥基防护工程材料具备电磁屏蔽功能。 

具体实施方式

本发明抗多次冲击的防护工程材料，按重量百分比该材料包括以下组分： 

水泥            10.2％～19.2％ 

活性工业废渣    15.3％～23.0％ 

超塑化剂        0.5％～0.77％ 

细骨料          30.6％～46.1％ 

粗骨料          0.0％～30.6％ 

增强纤维        8.5％～11.2％ 

水              4.3％～6.13％ 

其中水泥为强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥，活性工业废渣为小于1微米的硅灰、小于10微米的粉煤灰和小于10微米的矿渣中的两种或三种的混合物，超塑化剂是一种减水率大于35％的减水剂。细骨料为颗粒尺寸小于3mm的黄砂或尾砂，粗骨料为颗粒尺寸小于10mm、压碎值指标小于10％的碎石或尾矿或废陶瓷颗粒，增强纤维为钢纤维，增强纤维也可以是钢纤维与聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的一种或两种的混合；钢纤维直径为0.17mm-0.2mm、长度13mm-20mm，抗拉强度大于1800MPa；聚乙烯醇纤维直径为26μm-40μm、长度 6mm-18mm，抗拉强度大于1600MPa；玄武岩纤维直径为13μm-17μm，长度6mm-18mm，抗拉强度大于3000MPa；碳纤维直径为10μm-20μm、长度6mm-18mm，抗拉强度大于3000MPa。 

本发明抗多次冲击的防护工程材料的制备方法，包括以下步骤： 

(a)将水泥、活性工业废渣、细骨料、粗骨料按10.2％～19.2％∶15.3％～23.0％∶30.6％～46.1％∶0.0％～30.6％的比例在搅拌机内混合均匀； 

(b)将纤维按8.5％～11.2％的比例分撒在搅拌机内，搅拌10秒～30秒，使纤维分散均匀； 

(c)将0.5％～0.77％的超塑化剂溶解于4.3％～6.13％的水中形成溶液； 

(d)将步骤(c)配置好的溶液倒入搅拌机内的固体原料中，边倒边搅拌，倒完后继续搅拌，使固体原料从分散状态逐渐变成粘性浆体状态； 

(e)将步骤(d)中混合均匀的粘性浆体倒入模具中，在振动台上振动密实，模具表面覆盖塑料膜，防止浆体中的水分蒸发； 

(f)将模具静置24小时，当水泥基材料硬化后，拆除模具，对水泥基材料进行标准养护，即得抗多次冲击的防护工程材料。 

本发明将在国防和人防防护工程、核设施防护工程、高速轨道交通工程、矿井的加固和修补中得到广泛应用，并在工业和民用建筑的大跨或薄壁结构、石油化工行业的抗爆工程和结构、市政工程材料、固体废弃物的资源化利用等领域有重要应用价值。 

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。 

本发明采用直径为74mm的分离式霍普金森压杆对本发明的防护工程材料进行了多次冲击试验，试件为直径70mm、厚度34mm的圆柱体。第一次冲击的弹速为18m/s，此后各次冲击的弹速均为22m/s，每次冲击后采用超声波法测量材料的损伤D(≤1)，这一数值越低，说明材料的抗冲击性越好。 

试验结果表明，本发明的防护工程材料的抗压强度为186MPa～227MPa，抗弯强度为38MPa～55MPa。冲击荷载作用下，材料的动态损伤发展缓慢，可以承受3次以上的高速冲击。混杂纤维增强的防护材料抗压强度高于单一纤维增强时 材料的强度，而且前者在高速冲击下产生的裂缝的宽度和深度均小于后者。本发明不限于以下实施例。 

实施例1 

分别按以下表1中指定的各组分称量所需原材料，先将水泥、矿物掺合料和骨料在搅拌机内混合均匀，然后将纤维撒在搅拌机内，搅拌10秒～30秒，使纤维分散均匀。接着将超塑化剂溶解于水中形成溶液，并把配置好的溶液慢慢倒入搅拌机内的固体原料中，边倒边搅拌，倒完后继续搅拌，使固体原料从分散状态逐渐变成粘性浆体状态。接着将混合均匀的浆体倒入模具中，在振动台上振动密实，模具表面覆盖塑料膜，防止浆体中的水分蒸发。模具在室温下静置24小时以上，当材料完全硬化后，拆除模具，将试件在温度20±2℃、相对湿度95％以上的环境中养护90天，然后进行静态力学性能和抗冲击实验，在表1和表2中列出了测试结果。本例中所用的矿物掺合料为10％硅灰、25％粉煤灰和25％矿渣的混合物，细骨料为黄砂或尾砂，纤维为钢纤维。 

实施例2 

按以下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，矿物掺合料为10％硅灰、25％粉煤灰和25％矿渣的混合物，细骨料为黄砂或尾砂，纤维为钢纤维，但增加了钢纤维的掺量，在表1和表2中列出了测试结果。 

实施例3 

按以下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，矿物掺合料为10％硅灰、25％粉煤灰和25％矿渣的混合物，细骨料为黄砂或尾砂，但所用的纤维为95％钢纤维和5％聚乙烯醇纤维的混合物，在表1和表2中列出了测试结果。 

实施例4 

按以下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，纤维为钢纤维，细骨料为黄砂或尾砂，矿物掺合料为10％硅灰和40％粉煤灰的混合物，在表1和表2中列出了测试结果。 

实施例5 

按以下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，矿物掺合料为10％ 硅灰、25％粉煤灰和25％矿渣的混合物，纤维为钢纤维，细骨料为黄砂或尾砂，粗骨料为碎石或尾矿或废陶瓷颗粒。在表1和表2中列出了测试结果。 

表1 

各组分含量  (重量份)和  静态力学性能	水泥	矿物掺  合料	细骨料	粗骨料	超塑  化剂	纤维	水	抗压强   度/MPa	抗弯强   度/MPa
										实施例1	15.4	23.0	46.1	0	0.77	8.6	6.13	186	47
实施例2	14.9	22.4	44.8	0	0.74	11.2	5.96	204	55
										实施例3	15.3	22.9	45.9	0	0.77	9.0	6.13	227	46
实施例4	19.2	19.2	46.1	0	0.77	8.6	6.13	193	39
										实施例5	10.2	15.3	30.6	30.6	0.5	8.5	4.3	211	38

表2 

不同冲击次数  下材料的损伤	第一次	第二次	第三次	第四次	第五次
						实施例1	0.04	0.19	0.53	0.86	0.95
实施例2	0	0.07	0.16	0.33	0.47
						实施例3	0.12	0.24	0.37	0.58	0.79
实施例4	0.04	0.18	0.49	0.74	0.89
						实施例5	0.24	0.50	0.78	0.94	1

Claims (8)

1.一种抗多次冲击的防护工程材料，按重量百分比该材料包括以下组分：

水泥                10.2％～19.2％

活性工业废渣        15.3％～23.0％

超塑化剂            0.5％～0.77％

细骨料              30.6％～46.1％

粗骨料              0.0％～30.6％

增强纤维            8.5％～11.2％

水                  4.3％～6.13％

2.根据权利要求1所述的防护工程材料，其特征在于：水泥为强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的防护工程材料，其特征在于：活性工业废渣为小于1微米的硅灰、小于10微米的粉煤灰和小于10微米的矿渣中的两种或三种的混合物。

4.根据权利要求1所述的防护工程材料，其特征在于：超塑化剂是一种减水率大于35％的减水剂。

5.根据权利要求1所述的防护工程材料，其特征在于：细骨料为颗粒尺寸小于3mm的黄砂或尾砂。

6.根据权利要求1所述的防护工程材料，其特征在于：粗骨料为颗粒尺寸小于10mm、压碎值指标小于10％的碎石或尾矿或废陶瓷颗粒。

7.根据权利要求1所述的防护工程材料，其特征在于：增强纤维为钢纤维，增强纤维为钢纤维与聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的一种或两种的混合；钢纤维直径为0.17mm-0.2mm、长度13mm-20mm，抗拉强度大于1800MPa；聚乙烯醇纤维直径为26μm-40μm、长度6mm-18mm，抗拉强度大于1600MPa；玄武岩纤维直径为13μm-17μm，长度6mm-18mm，抗拉强度大于3000MPa；碳纤维直径为10μm-20μm、长度6mm-18mm，抗拉强度大于3000MPa。

8.利用固体废弃物制备抗多次冲击的防护工程材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)将水泥、活性工业废渣、细骨料、粗骨料按10.2％～19.2％∶15.3％～23.0％∶30.6％～46.1％∶0.0％～30.6％的比例在搅拌机内混合均匀；

(b)将纤维按8.5％～11.2％的比例分撒在搅拌机内搅拌，使增强纤维分散均匀；

(c)将0.5％～0.77％的超塑化剂溶解于4.3％～6.13％的水中形成溶液；

(d)将步骤(c)配置好的溶液倒入搅拌机内的固体原料中，边倒边搅拌，倒完后继续搅拌，使固体原料从分散状态逐渐变成粘性浆体状态；

(e)将步骤(d)中混合均匀的粘性浆体倒入模具中，在振动台上振动密实，模具表面覆盖塑料膜，防止浆体中的水分蒸发；

(f)将模具静置，当水泥基材料硬化后，拆除模具，对水泥基材料进行标准养护，即得抗多次冲击的防护工程材料。