CN105622018A - 一种抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料及其制备方法。该防护工程材料采用相同配比的超高性能砂浆，制成三层梯度结构，底层为混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料，中间层为大掺量钢纤维增强超高性能水泥基复合材料，顶层为超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土，界面粘结性好。超高性能砂浆由水泥、工业废渣、纳米材料、细集料、消泡剂、高性能减水剂以及水组成。本发明的防护工程材料底层混杂纤维能够提高该结构的韧性以及吸收冲击波的作用，混杂纤维又可以提高抗裂性与耐高温性能；中间层大掺量钢纤维能够保持结构的完整性，防止爆裂的发生；顶层加入高强粗骨料能够减小侵彻深度，达到抗侵彻抗爆炸耦合作用的目的。

Description

一种抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种防护工程材料，具体涉及一种抗侵彻抗爆炸性能良好的防护工程材料及其制备方法，属于防护工程技术领域。
背景技术
自海湾战争以来,战斗部对地下设施的攻击的特点是先对设施上层的水泥或岩石等进行大穿深侵彻,然后对地下目标进行爆炸。在某些情况下侵彻与爆炸同时发生，而水泥或岩石等防护层的破坏是战斗部侵彻与爆轰耦合作用的结果。所以发展新型防护材料，研究新型防护技术，全面更新防护观念具有非常重要的现实意义。
为了提高抗侵彻爆炸性能，抗侵彻材料研究也比较活跃。钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量的钢纤维而组成的一种高性能材料，钢纤维的存在能够有效阻碍混凝土内部微裂纹的繁衍、扩展，显著提高了混凝土基体的韧性和延性，具有抗拉、抗剪强度高、抗疲劳、抗冲击性能好等特点，所以也是较好的防护抗爆材料。高掺量钢纤维混凝土强度提高可明显提高靶体抗开裂能力，能防止混凝土剥落，消除开裂，和普通混凝土相比破坏范围很小。虽然这种混凝土能够防止其整体开裂，但是其侵彻深度较大，达不到抗侵彻爆炸耦合作用的目的(焦楚杰、孙伟等，钢纤维高强混凝土抗爆炸研究，工程力学：2008，25(3):158-166)。
要提高其抗侵彻性能，也可以选择先进的遮弹层技术。混凝土中加入一定厚度或密度的强度和硬度比较高的材料，或直接采用一些高强度的复合材料或聚合材料作防护层，以减少钻地武器侵彻深度的防护技术，它包括采用一些特殊结构或形状的材料使钻地武器发生偏航。通过采用新材料增大遮弹层的强度可以减小侵彻深度，或者采用合理的遮弹层结构，使弹丸发生偏转，减小侵彻深度。块石混凝土有优良的抗侵彻能力，主要是由于在弹体侵入块石混凝土过程中，弹体与块石混凝土发生强烈的相互作用，由于块石与混凝土的强度不等，产生了很大的非均匀分布应力场，块石被弹体击碎时产生强烈的局部应力场，使弹体破碎或偏转，从而大大降低了弹体的侵彻深度。对于钻地武器在防护工程中侵彻爆炸，我国现行设计规范仅考虑了弹体的侵彻深度和装药爆炸时的填塞系数，并未考虑侵彻与爆炸的复合效应问题。所以进一步研究抗侵彻抗爆炸耦合作用的水泥基防护工程材料具有重要意义(左魁、曾宪明等，长杆弹在岩石介质材料中侵彻爆炸试验研究，第15届全国结构工程学术会议：2006)。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料。本发明的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料采用相同配比的超高性能砂浆，制备三层梯度材料，界面粘结性好。底层混杂纤维能够提高该结构的韧性以及吸收冲击波的作用，混杂纤维又可以提高抗裂性与耐高温性能；中间层大掺量钢纤维能够保持结构的完整性，防止爆裂的发生；顶层加入粗骨料能够减小侵彻深度，达到抗侵彻抗爆炸耦合作用的目的。
本发明的技术方案如下：
一种抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料，由超高性能砂浆、高强粗骨料和纤维组成。该防护工程材料采用相同配比的超高性能砂浆制成三层结构，底层为混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料，中间层为大掺量钢纤维增强超高性能水泥基复合材料，顶层为超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土。
所述的超高性能砂浆，按重量百分比包括以下组分：
优选地，所述的水泥为强度等级52.5或以上的硅酸盐水泥。
优选地，所述的工业废渣为粒径为微米级的硅灰、矿渣、粉煤灰和尾矿粉中的一种或几种。
所述的纳米颗粒为颗粒增强和填充作用的颗粒，可选自纳米SiO2、碳纳米管、纳米Al2O3或纳米CaCO3。
优选地，所述的细集料为粒径不大于3mm的黄砂、石英砂、尾砂、铸石砂或陶瓷砂。
所述的高性能减水剂为减水率不小于35％的减水剂。
所述的消泡剂为有机硅液体。
所述的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料由两种或两种以上的纤维组成的混杂纤维均匀分散在超高性能砂浆中制备得到，混杂纤维体积率不少于3％。
所述的纤维为金属纤维、有机纤维或无机纤维，可选自钢纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、碳纤维和玄武岩纤维中的一种或几种。
优选地，所述的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料由钢纤维与一种或一种以上的有机纤维或无机纤维组成的混杂纤维均匀分散在超高性能砂浆中制备得到。
所述的大掺量钢纤维增强超高性能水泥基复合材料由钢纤维均匀分散在超高性能砂浆中制备得到，钢纤维体积率不少于3％。
优选地，所述的钢纤维直径为0.17-0.2mm，长度为6-20mm，抗拉强度不小于1800MPa。
优选地，所述的聚乙烯醇纤维直径为26-40um，长度为6-20mm，抗拉强度不小于1600MPa。
优选地，所述的玻璃纤维直径为5-13um，长度为6-20mm，抗拉强度不小于2000MPa。
优选地，所述的碳纤维直径为10-20um，长度为6-20mm，抗拉强度不小于3000MPa。
优选地，所述的玄武岩纤维直径为13-17um，长度为6-20mm，抗拉强度不小于3000MPa。
所述的超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土为将高强粗骨料紧密堆积并将超高性能砂浆分层灌注在粗骨料间隙中制备得到，粗骨料体积率不小于52％。
优选地，所述的高强粗骨料为粒径为5-20mm的碎石或尾矿，可选自陶瓷骨料、刚玉骨料、铁矿石、铸石、花岗岩或重晶石。
本发明还提供上述抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，超高性能砂浆的制备：
首先将水泥、工业废渣、纳米材料、细集料按比例称量好后放入搅拌机中混合均匀，然后将溶有高性能减水剂、消泡剂和水的混合溶液加入搅拌机内，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，制备成超高性能砂浆；
步骤2，混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料的制备：
往超高性能砂浆中加入由两种或两种以上的纤维组成的混杂纤维，搅拌混合均匀得到混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料，将制备好的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具内，作为底层；
步骤3，钢纤维增强超高性能水泥基复合材料的制备：
往超高性能砂浆中加入钢纤维，搅拌混合均匀得到钢纤维增强超高性能水泥基复合材料，将制备好的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具中，作为中间层；
步骤4，超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土的制备：
分层铺设高强粗骨料并分层灌注超高性能砂浆，得到超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土，作为顶层；
步骤5，最后在顶层表面覆盖塑料膜，常温下自然养护，即制得抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料。
优选地，所述的自然养护时间不少于28天。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)所用原材料来源广泛，大量使用工业废渣，有利于生态可持续发展；
(2)本发明的超高性能砂浆具有自密实性，避免了振动，减少了工艺复杂性，大大提高经济性；
(3)具有三层超高性能水泥基梯度结构，采用相同配比的超高性能砂浆，提高界面结合强度；顶层通过采用分层铺设高强粗骨料并分层灌注超高性能砂浆，使骨料达到最紧密堆积，加以骨料的高硬度，起到减小侵彻深度的作用；中间层采用大掺量钢纤维增强超高性能水泥基复合材料，可以保持结构的完整性，防止爆裂的发生；底层采用掺有混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料，在混凝土受到冲击时，纤维可以吸收大部分能量，提高混凝土的抗冲击性能，混杂纤维又可以提高其抗裂性与耐高温性能，达到了抗侵彻与抗爆炸性能耦合作用的目的。
附图说明
图1为本发明的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料的结构示意图。
具体实施方式
本发明的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料的结构示意图如图1所示，其中，1为顶层超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土，2为中间层大掺量钢纤维增强超高性能水泥基复合材料，3为底层混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
选取重量百分比水泥20.6％，工业废渣20.6％(硅灰:矿渣＝2:3)，纳米SiO20.41％，黄砂49.5％放入搅拌机中混合均匀；将0.62％的聚羧酸减水剂、0.0012％的753W型消泡剂和8.25％的水的混合溶液加入搅拌机内，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到超高性能砂浆。
往搅拌机内加入3％钢纤维与1％聚乙烯醇纤维的混杂纤维，将制备好的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具内，其具有自密实性，无需振动。
重复以上制备超高性能砂浆的步骤，往搅拌机内加入3％体积含量的钢纤维，将制备好的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具中，作为中间层。
重复以上制备超高性能砂浆的步骤，然后分层铺设铁矿石粗骨料并分层灌注超高性能砂浆，得到超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土，作为顶层。
最后在模具表面覆盖塑料膜，常温下自然养护到28天以上，即制得抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料。
上述组分按前述工艺制备得到的抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料，测得的相关的材料的力学性能为：超高性能砂浆抗压强度为153.7MPa，抗弯强度为24MPa；钢纤维增强超高性能水泥基复合材料抗压强度178MPa，抗弯强度35.1MPa；混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料抗压强度209.5MPa，抗弯强度43.1MPa；超高性能砂浆灌注混凝土中铁矿石的体积率为54％。
实施例2
选取重量百分比水泥18.8％，工业废渣22.6％(硅灰:尾矿粉＝2:3)，纳米Al2O30.83％，黄砂49.6％放入搅拌机中混合均匀；将0.74％的聚羧酸减水剂、0.0017％的753W型消泡剂和7.45％的水的混合溶液加入搅拌机内，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到超高性能砂浆。
往搅拌机内加入2％钢纤维与1％聚乙烯醇纤维的混杂纤维，将制备好的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具内，其具有自密实性，无需振动。
重复以上制备超高性能砂浆的步骤，往搅拌机内加入4％体积含量的钢纤维，将制备好的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具中，作为中间层。
重复以上制备超高性能砂浆的步骤，然后分层铺设Al2O3陶瓷球粗骨料并分层灌注超高性能砂浆，得到超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土，作为顶层。
最后在模具表面覆盖塑料膜，常温下自然养护到28天以上，即制得抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料。
上述组分按前述工艺制备得到的抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料，测得的相关的材料的力学性能为：超高性能砂浆抗压强度为163.4MPa，抗弯强度为25MPa；钢纤维增强超高性能水泥基复合材料抗压强度196.3MPa，抗弯强度47MPa；混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料抗压强度178.2MPa，抗弯强度29.2MPa；超高性能砂浆灌注混凝土中Al2O3陶瓷球的体积率为52％。
实施例3
选取重量百分比水泥18.8％，工业废渣26.3％(硅灰:矿渣:尾矿粉＝2:2:1)，纳米SiO20.9％，黄砂45.1％放入搅拌机中混合均匀；将0.81％的聚羧酸减水剂、0.0023％753W型消泡剂和8.12％的水的混合溶液加入搅拌机内，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到超高性能砂浆。
往搅拌机内加入2％钢纤维与1％玄武岩纤维的混杂纤维，将制备好的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具内，其具有自密实性，无需振动。
重复以上制备超高性能砂浆的步骤，往搅拌机内加入4％体积含量的钢纤维，将制备好的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具中，作为中间层。
重复以上制备超高性能砂浆的步骤，然后分层铺设重晶石粗骨料并分层灌注超高性能砂浆，得到超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土，作为顶层。
最后在模具表面覆盖塑料膜，常温下自然养护到28天以上，即制得抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料。
上述组分按前述工艺制备得到的抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料，测得的相关的材料的力学性能为：超高性能砂浆抗压强度为157.9MPa，抗弯强度为26.6MPa；钢纤维增强超高性能水泥基复合材料抗压强度196.3MPa，抗弯强度47MPa；混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料抗压强度为167.8MPa，抗弯强度为30MPa；超高性能砂浆灌注混凝土中重晶石的体积率为64％。
实施例4
选取重量百分比水泥16.5％，工业废渣24.8％(硅灰:矿渣:粉煤灰＝2:2:1)，纳米Al2O30.62％，黄砂50.2％放入搅拌机中混合均匀；将0.62％的聚羧酸减水剂、0.0025％的753W型消泡剂和7.85％的水的混合溶液加入搅拌机内，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到超高性能砂浆。
往搅拌机内加入2％钢纤维与1％玻璃纤维的混杂纤维，将制备好的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具内，其具有自密实性，无需振动。
重复以上制备超高性能砂浆的步骤，往搅拌机内加入5％体积含量的钢纤维，将制备好的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具中，作为中间层。
重复以上制备超高性能砂浆的步骤，然后分层铺设刚玉粗骨料并分层灌注超高性能砂浆，得到超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土，作为顶层。
最后在模具表面覆盖塑料膜，常温下自然养护到28天以上，即制得抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料。
上述组分按前述工艺制备得到的抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料，测得的相关的材料的力学性能为：超高性能砂浆抗压强度为164.2MPa，抗弯强度为25.1MPa；钢纤维增强超高性能水泥基复合材料抗压强度209.4MPa，抗弯强度54.7MPa；混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料抗压强度为174.5MPa，抗弯强度为27.5MPa；超高性能砂浆灌注混凝土中刚玉的体积率为58％。

Claims (9)

1.一种抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料，其特征在于，由超高性能砂浆、高强粗骨料和纤维组成，所述的水泥基防护工程材料采用相同配比的超高性能砂浆制成三层梯度结构，底层为混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料，中间层为大掺量钢纤维增强超高性能水泥基复合材料，顶层为超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土；所述的超高性能砂浆，按重量百分比包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料，其特征在于，所述的水泥为强度等级52.5或以上的硅酸盐水泥；所述的工业废渣为粒径为微米级的硅灰、矿渣、粉煤灰和尾矿粉中的一种或几种；所述的纳米颗粒为颗粒增强和填充作用的颗粒，选自纳米SiO2、碳纳米管、纳米Al2O3或纳米CaCO3；所述的细集料为粒径不大于3mm的黄砂、石英砂、尾砂、铸石砂或陶瓷砂；所述的高性能减水剂为减水率不小于35％的减水剂；所述的消泡剂为有机硅液体。
3.根据权利要求1所述的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料，其特征在于，所述的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料由两种或两种以上的纤维组成的混杂纤维均匀分散在超高性能砂浆中制备得到，混杂纤维体积率不少于3％；所述的大掺量钢纤维增强超高性能水泥基复合材料由钢纤维均匀分散在超高性能砂浆中制备得到，钢纤维体积率不少于3％；所述的超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土为将高强粗骨料紧密堆积并将超高性能砂浆分层灌注在粗骨料间隙中制备得到，粗骨料体积率不小于52％。
4.根据权利要求1所述的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料，其特征在于，所述的纤维为金属纤维、有机纤维或无机纤维，选自钢纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、碳纤维和武岩纤维中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料，其特征在于，所述的高强粗骨料为粒径为5-20mm的碎石或尾矿，选自陶瓷骨料、刚玉骨料、铁矿石、铸石、花岗岩或重晶石。
6.根据权利要求3所述的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料，其特征在于，所述的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料由钢纤维与一种或一种以上的有机纤维或无机纤维组成的混杂纤维均匀分散在超高性能砂浆中制备得到。
7.根据权利要求4所述的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料，其特征在于，所述的钢纤维直径为0.17-0.2mm，长度为6-20mm，抗拉强度不小于1800MPa；所述的聚乙烯醇纤维直径为26-40um，长度为6-20mm，抗拉强度不小于1600MPa；所述的玻璃纤维直径为5-13um，长度为6-20mm，抗拉强度不小于2000MPa；所述的碳纤维直径为10-20um，长度为6-20mm，抗拉强度不小于3000MPa；所述的玄武岩纤维直径为13-17um，长度为6-20mm，抗拉强度不小于3000MPa。
8.根据权利要求1至7任一所述的抗侵彻抗爆炸的水泥基防护工程材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，超高性能砂浆的制备：
首先将水泥、工业废渣、纳米材料、细集料按比例称量好后放入搅拌机中混合均匀，然后将溶有高性能减水剂、消泡剂和水的混合溶液加入搅拌机内，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，制备成超高性能砂浆；
步骤2，混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料的制备：
往超高性能砂浆中加入由两种或两种以上的纤维组成的混杂纤维，搅拌混合均匀得到混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料，将制备好的混杂纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具内，作为底层；
步骤3，钢纤维增强超高性能水泥基复合材料的制备：
往超高性能砂浆中加入钢纤维，搅拌混合均匀得到钢纤维增强超高性能水泥基复合材料，将制备好的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料灌注在模具中，作为中间层；
步骤4，超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土的制备：
分层铺设高强粗骨料并分层灌注超高性能砂浆，得到超高性能砂浆灌注高强粗骨料混凝土，作为顶层；
步骤5，最后在顶层表面覆盖塑料膜，常温下自然养护，即制得抗侵彻抗爆炸水泥基防护工程材料。
9.根据权利要求要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的自然养护时间不少于28天。
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