CN103774769A - 一种具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，在混凝土(2)内设有多层错位叠合的蜂窝板芯(1)，所述的蜂窝板芯(1)构成所述的混凝土(2)内的软骨架，每层所述的蜂窝板芯(1)及设在所述的蜂窝板芯(1)的蜂窝孔内的混凝土(2)构成一层蜂窝板芯层。本发明是一种抵御高速冲击的能力强、成本低、工艺简单、能用于工程实际的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构。本防护结构可以提高混凝土墙柱梁等结构构件（已建或新建）抵御高速冲击的能力，造价低，工艺不复杂，适合工厂预制。

Description

一种具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构

技术领域

本发明涉及一种防护结构，具体是涉及一种能抵抗高速冲击的混凝土防护结构。

背景技术

目前，大多防护性建筑（军事设施，政府设施，使馆，核电站等）都是用钢筋混凝土建造而成的，且一般采取提高混凝土强度，加大结构构件（墙,柱等）厚度和配筋率等方法来增强构件自身的抗高速冲击能力。随着科技的发展，常规武器威力日益增加，C50混凝土在12.7mm穿甲燃烧弹侵彻作用下，侵深可达15-20cm（800m/s左右时可达25cm左右），且试验证明混凝土强度增加到一定程度后对减小侵彻深度贡献很小，配筋率增加对减小侵彻深度的贡献也不大甚至会加重破坏程度。所以靠无限提高混凝土强度或大比例增加构件尺寸或配筋率的方法来增大墙或柱等构件的抗冲击能力既不方便，也不实用。

以往，防御性功能与民用建筑并不直接相关。相对于防御工事，由于考虑到经济及适用性，民用建筑的墙厚度及柱截面尺寸往往较小，配筋率也较小。但是近十几年来，随着国外以民用建筑（住宅，学校，办公楼等）为目标的恐怖袭击案例数量增多，千疮百孔甚至面目全非的爆炸现场揭示了现有民用建筑已满足不了人们对栖身室内以寻求庇护的需求。中国虽然恐怖袭击案例很少，但是在部分刑事案件中人为制造的住宅楼或办公楼炸弹爆炸，还有近几年频繁报道的因化学品或液化气爆炸而引发的建筑物破坏或倒塌，同样对人民的生命财产安全造成了不可弥补的损失；因此，人们对居住和工作环境周围的建筑物在冲击荷载作用下的整体安全性问题表现出越来越大的担忧。而且，由于混凝土或普通粘土砖等建筑材料固有的脆性特点，使得现有的墙体结构在冲击荷载作用下可能发生粉碎性破坏。在冲击过程中产生的弹片或混凝土碎片将飞溅，对结构内外人员和设备构成更大的二次杀伤威胁。

为了提高混凝土材料的抗冲击韧性，近十几年来国内外很多学者着眼于纤维增强混凝土复合材料，包括钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维等，并得到了一系列的研究成果。试验证明钢纤维对裂缝的抑制作用优于其他纤维，但是应用于工程材料，成本较高。有的研究学者通过在混凝土中添加纳米纤维或者纳米管，得到了可以完全抑制初始纳米级裂缝的结论，但是相同的试验在其他学者的实验室中却很难得到同样的试验结果。也有学者通过在混凝土试块靠近上下表层的地方布置钢丝网的试验得出结论：布置钢丝网的混凝土试块的抗子弹冲击性能要优于钢纤维增强混凝土试块。布置钢丝网虽然相对经济，但是工程实际操作麻烦而且往往遇到表层混凝土或水泥砂浆与钢丝网由于粘结不紧而脱离的情况。目前，在抗冲击建筑材料方面研究较新的是ECC（engineered cementitious composites）和水泥基功能梯度材料，ECC材料的抗冲击性有待实验验证而且材料本身成本较高，还不能广泛应用。水泥基功能梯度材料在一发子弹打击后会产生鼓起，降低了抗多发打击的防护概率。多层复合材料在抗冲击方面早有应用，尤其是在军事领域上国内外对Al₂O₃陶瓷金属多层复合装甲或陶瓷基功能梯度材料复合装甲已有很多研究和应用。但是在混凝土建筑结构中，关于水泥基多层复合材料或结构的研究却较少，其中包括2004年Michael Schmitz发明一种多层复合材料（专利号为US006790544B2）和2004年Guy Bamford发明的层压混凝土板（专利号为US 20040231273A1）。

仿生的概念和研究由来已久，在工程和医学等领域应用广泛，但是对于非精密施工的土木工程建筑材料领域，这一概念却经常被忽视。鲍鱼壳的珍珠层组成非常简单，却具有优异的力学性能，大部分的学者认为珍珠层的微观叠层结构是首要影响因素。石少卿等从贝壳珍珠层的结构中得到启示，研发了蜂窝状钢管约束混凝土防护结构（专利证书号为ZL03233831.7），认为钢管的环箍效应可以大大增加混凝土的抗压强度，而且层间交错布置对裂纹起到了偏转作用。虽然其蜂窝状防护结构的外观结构是仿贝壳，但是结构原理却与贝壳不同。其对裂纹的“偏转作用”有待探究。贝壳是利用“弱”层来引导裂缝偏转，而蜂窝状钢管约束混凝土防护结构并没有明显的“弱”层，裂纹很可能只是“止”于侧向钢管。本发明从珍珠层的特征得到设计启示，用以提高混凝土墙柱梁等结构构件（已建或新建）抵御高速冲击的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种抵御高速冲击的能力强、成本低、工艺简单、能用于工程实际的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，在混凝土内设有多层错位叠合的蜂窝板芯，每层所述的蜂窝板芯及设在所述的蜂窝板芯的蜂窝孔内的混凝土构成一层蜂窝板芯层，所述的蜂窝板芯构成所述的混凝土内的软骨架。

多层所述的蜂窝板芯层之间设有隔层。

每层所述的蜂窝板芯层的高度为所述的隔层的高度的4倍到20倍。

所述的蜂窝板芯的每个蜂窝孔孔径的大小为所述的蜂窝板芯的高度的2倍到10倍。

所述的蜂窝板芯的材料为纸、塑料或橡胶。

所述的蜂窝板芯的蜂窝孔形状为正多边形或者不规则多边形，所述的蜂窝板芯的蜂窝孔孔壁厚度为所述的蜂窝板芯的高度的1/100到1/10。

所述的隔层为纤维网，或含有纤维网或短纤维的水泥沥青砂浆层，或含有纤维网或短纤维的聚合物砂浆层。

所述的含有纤维网或短纤维的水泥沥青砂浆层或聚合物砂浆层为连续薄层或为不连续薄层。

所述的蜂窝板芯层为平面或为球面形状。

采用上述技术方案的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其基本原理是：混凝土防护结构借鉴鲍鱼壳珍珠层的微观结构，通过“软骨架”蜂窝板芯诱导裂缝偏转，增加裂缝数量和裂缝长度来吸收和耗散冲击作用产生的能量，保持防护结构的整体稳定性，避免发生脆性破坏。具体表现：

由“软骨架”蜂窝板芯构成的错层结构及具有低弹性模量的隔层可以诱导裂缝产生及偏转，使裂缝多而曲折，增加塑性变形，减少甚至消除应力集中，有利于保持混凝土结构构件在高速冲击作用下的整体性。纤维网网孔不需要很小，作用是既可以使上下蜂窝板芯层中的混凝土通过网孔贯通，减小对混凝土强度的影响，又能使发展中的裂缝沿强度较弱及较易产生层间位移的纤维网层偏转，同时纤维网也能起到防止混凝土碎片飞溅的作用。含有纤维网或短纤维的水泥沥青砂浆层或聚合物砂浆层作用与纤维网层相似，而且可以根据不同的需要，调整其中纤维网或短纤维的含量，使蜂窝板芯层和隔层的力学参数（强度和弹性模量等）比值可控。水泥沥青砂浆层或聚合物砂浆层可以为不连续薄层，从而使蜂窝板芯层层间混凝土部分贯通，部分隔开。

本发明的优势在于：新型混凝土防护结构既可以应用于结构构件整体，即构件的横断面为整体错位多层结构；也可以应用于构件的部分，例如构件的横断面的上（或下）表层处为多层结构，其余部分仍为普通整体混凝土。与现有混凝土相比，新型混凝土防护结构可以提高混凝土墙柱梁等结构构件（已建或新建）抵御高速冲击的能力，而且造价低，工艺不复杂，适合工厂预制或现场浇筑。与目前所用的高强或纤维增强混凝土防护材料相比，新型混凝土防护结构在造价方面具有明显优势。

发明的意义是可以为重点保护建筑物和办公住宅等民用建筑物提供更好的安全保障。

综上所述，多层蜂窝板芯层间错位叠合铺置，作为混凝土内的软骨架。裹有蜂窝板芯的混凝土横断面呈层状结构，每层混凝土之间可以直接贯通，也可以间隔有纤维网或含有纤维网或短纤维的薄砂浆层。本防护结构可以提高混凝土墙柱梁等结构构件（已建或新建）抵御高速冲击的能力，造价低，工艺不复杂，适合工厂预制。本发明是一种抵御高速冲击的能力强、成本低、工艺简单、能用于工程实际的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构。

附图说明

图1是裹有蜂窝板芯且蜂窝板芯层层间为纤维网的混凝土防护结构的立体图。

图2是混凝土防护结构用于混凝土构件表层的横断面示意图。

图3是裹有球面型蜂窝板芯的混凝土防护结构的侧面图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1：

参见图1和图2，本实施例采用纸材质的蜂窝板芯1作为混凝土2内的软骨架。蜂窝板芯1为平面，每个纸质的蜂窝板芯1的高度为10mm，蜂窝孔形状为大小均一的正六边形，孔径为25mm，孔壁厚度为0.2mm。将新拌的混凝土2（粗骨料最大粒径为9mm）浇注于边长为200mm的立方体木模中，当木模内混凝土高度达到140mm时停止浇注，将6层纸质的蜂窝板芯1错位叠置于木模中的混凝土2上，然后继续浇注混凝土至混凝土完全填充于各层蜂窝板芯1的每个蜂窝孔，即完全包裹纸质的蜂窝板芯1，并充满木模。

实施例2：

参见图1、图2和图3，本实施例采用塑料材质的蜂窝板芯1作为混凝土2内的软骨架。蜂窝板芯1为球面形状。每个塑料材质的蜂窝板芯1高度为15mm，蜂窝孔形状为大小均一的正六边形，孔径为32mm，孔壁厚度为0.5mm。将新拌的混凝土（粗骨料最大粒径为9mm）浇注于边长为200mm的立方体木模中，当木模内混凝土高度达到140mm时停止浇注，将第1层塑料材质的蜂窝板芯1置于木模中的混凝土2上，继续浇注混凝土2至混凝土2刚好完全填充于该层蜂窝板芯1的每个蜂窝孔，然后在填满混凝土2的该层蜂窝板芯层上铺置一层塑料纤维网作为隔层3，网孔大小为10mm；将第2层塑料材质的蜂窝板芯1置于刚铺置的塑料纤维网上，继续浇注混凝土2至该层塑料材质的蜂窝板芯1刚好完全被混凝土2填充并包裹，然后铺置第二层塑料纤维网；重复以上步骤，至第4层层间含有塑料纤维网的塑料材质的蜂窝板芯1铺置完毕并被混凝土完全包裹。

实施例3：

参见图1和图2，本实施例采用橡胶材质的蜂窝板芯1作为混凝土2内的软骨架。蜂窝板芯1为平面，每个橡胶材质的蜂窝板芯1的高度为20mm，蜂窝孔形状为大小均一的正六边形，孔径为50mm，孔壁厚度为2.0mm。将新拌的混凝土2（粗骨料最大粒径为16mm）浇注于边长为200mm的立方体木模中，当木模内混凝土高度达到120mm时停止浇注，将4层橡胶材质的蜂窝板芯1错位叠置于木模中的混凝土2上，然后继续浇注混凝土至混凝土完全填充于各层蜂窝板芯1的每个蜂窝孔，即完全包裹蜂窝板芯1，并充满木模。

实施例4：

参见图1和图2，本实施例采用塑料材质的蜂窝板芯1作为混凝土2内的软骨架。蜂窝板芯1为平面，每个塑料材质的蜂窝板芯1高度为15mm，蜂窝孔形状为大小均一的正六边形，孔径为30mm，孔壁厚度为0.15mm。将新拌的混凝土（粗骨料最大粒径为9mm）浇注于边长为200mm的立方体木模中，当木模内混凝土高度达到130mm时停止浇注，将第1层塑料材质的蜂窝板芯1置于木模中的混凝土2上，继续浇注混凝土2至混凝土2刚好完全填充于该层蜂窝板芯1的每个蜂窝孔，然后在填满混凝土2的该层蜂窝板芯层上铺置一层含有纤维网的水泥沥青砂浆作为隔层3；将第2层塑料材质的蜂窝板芯1置于刚铺置的含有纤维网的水泥沥青砂浆上，继续浇注混凝土2至该层塑料材质的蜂窝板芯1刚好完全被混凝土2填充并包裹，然后铺置第二层含有纤维网的水泥沥青砂浆，蜂窝板芯1的高度为该含有纤维网的水泥沥青砂浆的高度的4倍；重复以上步骤，至第4层层间含有塑料纤维网的塑料材质的蜂窝板芯1铺置完毕并被混凝土完全包裹。该含有纤维网的水泥沥青砂浆为不连续薄层，即间断地刷涂于包裹蜂窝板芯的混凝土上，使浇注后的层间混凝土部分贯通，部分隔开。

实施例5：

参见图1和图2，本实施例采用纸材质的蜂窝板芯1作为混凝土2内的软骨架。蜂窝板芯1为平面，每个纸质的蜂窝板芯1的高度为10mm，蜂窝孔形状为蜂窝孔为正多边形，孔壁厚度为0.2mm。将新拌的混凝土2（粗骨料最大粒径为9mm）浇注于边长为200mm的立方体木模中，当木模内混凝土高度达到140mm时停止浇注，将6层纸质的蜂窝板芯1错位叠置于木模中的混凝土2上，然后继续浇注混凝土至混凝土完全填充于各层蜂窝板芯1的每个蜂窝孔，即完全包裹纸质的蜂窝板芯1，并充满木模。

实施例6：

参见图1、图2和图3，本实施例采用橡胶材质的蜂窝板芯1作为混凝土2内的软骨架。蜂窝板芯1为球面形状，每个橡胶材质的蜂窝板芯1高度为15mm，蜂窝孔形状为不规则多边形，孔壁厚度为1mm。将新拌的混凝土（粗骨料最大粒径为9mm）浇注于边长为200mm的立方体木模中，当木模内混凝土高度达到130mm时停止浇注，将第1层橡胶材质的蜂窝板芯1置于木模中的混凝土2上，继续浇注混凝土2至混凝土2刚好完全填充于该层蜂窝板芯1的每个蜂窝孔，然后在填满混凝土2的该层蜂窝板芯层上铺置一层含有纤维网的聚合物砂浆层作为隔层3，该含有纤维网的聚合物砂浆层为连续薄层，蜂窝板芯1的高度为该含有纤维网的聚合物砂浆层的高度的5倍；将第2层橡胶材质的蜂窝板芯1置于刚铺置的含有纤维网的聚合物砂浆层上，继续浇注混凝土2至该层橡胶材质的蜂窝板芯1刚好完全被混凝土2填充并包裹，然后铺置第二层含有纤维网的聚合物砂浆层；重复以上步骤，至第4层橡胶材质的蜂窝板芯1铺置完毕并被混凝土完全包裹。

实施例7：

参见图1和图2，本实施例采用塑料材质的蜂窝板芯1作为混凝土2内的软骨架。蜂窝板芯1为平面，每个塑料材质的蜂窝板芯1高度为15mm，蜂窝孔形状为大小均一的正六边形，孔径为32mm，孔壁厚度为0.5mm。将新拌的混凝土（粗骨料最大粒径为9mm）浇注于边长为200mm的立方体木模中，当木模内混凝土高度达到130mm时停止浇注，将第1层塑料材质的蜂窝板芯1置于木模中的混凝土2上，继续浇注混凝土2至混凝土2刚好完全填充于该层蜂窝板芯1的每个蜂窝孔，然后在填满混凝土2的该层蜂窝板芯层上铺置一层含有短纤维的水泥沥青砂浆作为隔层3；将第2层塑料材质的蜂窝板芯1置于刚铺置的含有短纤维的水泥沥青砂浆上，继续浇注混凝土2至该层塑料材质的蜂窝板芯1刚好完全被混凝土2填充并包裹，然后铺置第二层含有短纤维的水泥沥青砂浆，蜂窝板芯1的高度为该含有短纤维的水泥沥青砂浆的高度的5倍；重复以上步骤，至第4层塑料材质的蜂窝板芯1铺置完毕并被混凝土完全包裹。该含有短纤维的水泥沥青砂浆为连续薄层。

实施例8：

参见图1、图2和图3，本实施例采用橡胶材质的蜂窝板芯1作为混凝土2内的软骨架。蜂窝板芯1为球面形状，每个橡胶材质的蜂窝板芯1高度为15mm，蜂窝孔形状为不规则多边形，孔壁厚度为1.5mm。将新拌的混凝土（粗骨料最大粒径为9mm）浇注于边长为200mm的立方体木模中，当木模内混凝土高度达到130mm时停止浇注，将第1层橡胶材质的蜂窝板芯1置于木模中的混凝土2上，继续浇注混凝土2至混凝土2刚好完全填充于该层蜂窝板芯1的每个蜂窝孔，然后在填满混凝土2的该层蜂窝板芯层上铺置一层含有短纤维的聚合物砂浆层作为隔层3，该含有短纤维的聚合物砂浆层为不连续薄层，即间断地刷涂于包裹蜂窝板芯的混凝土上，使浇注后的层间混凝土部分贯通，部分隔开。蜂窝板芯1的高度为该含有短纤维的聚合物砂浆层的高度的5倍；将第2层橡胶材质的蜂窝板芯1置于刚铺置的含有短纤维的聚合物砂浆层上，继续浇注混凝土2至该层橡胶材质的蜂窝板芯1刚好完全被混凝土2填充并包裹，然后铺置第二层含有短纤维的聚合物砂浆层；重复以上步骤，至第4层橡胶材质的蜂窝板芯1铺置完毕并被混凝土完全包裹。

Claims (9)

1.一种具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其特征是：在混凝土(2)内设有多层错位叠合的蜂窝板芯(1)，所述的蜂窝板芯(1)构成所述的混凝土(2)内的软骨架，每层所述的蜂窝板芯(1)及设在所述的蜂窝板芯(1)的蜂窝孔内的混凝土(2)构成一层蜂窝板芯层。

2.根据权利要求1所述的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其特征是：多层所述的蜂窝板芯层之间设有隔层(3)。

3.根据权利要求2所述的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其特征是：每层所述的蜂窝板芯层的高度为所述的隔层(3)的高度的4倍到20倍。

4.根据权利要求1、2或3所述的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其特征是：所述的蜂窝板芯(1)的每个蜂窝孔孔径的大小为所述的蜂窝板芯(1)的高度的2倍到10倍。

5.根据权利要求1、2或3所述的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其特征是：所述的蜂窝板芯(1)的材料为纸、塑料或橡胶。

6.根据权利要求1、2或3所述的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其特征是：所述的蜂窝板芯(1)的蜂窝孔形状为正多边形或者不规则多边形，所述的蜂窝板芯(1)的蜂窝孔孔壁厚度为所述的蜂窝板芯(1)的高度的1/100到1/10。

7.根据权利要求1、2或3所述的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其特征是：所述的隔层(3)为纤维网，或含有纤维网或短纤维的水泥沥青砂浆层，或含有纤维网或短纤维的聚合物砂浆层。

8.根据权利要求7所述的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其特征是：所述的含有纤维网或短纤维的水泥沥青砂浆层或聚合物砂浆层为连续薄层或为不连续薄层。

9.根据权利要求1、2或3所述的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构，其特征是：所述的蜂窝板芯层为平面或为球面形状。

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