CN105946311B - 一种超高韧性抗冲击防暴复合板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高韧性抗冲击防暴复合板，包括泡沫金属内层，所述泡沫金属内层外包覆有一层浇筑而成的超高性能混凝土层。所述混凝土层包括水泥、矿物掺合料、填充料、水、减水剂和纤维混合浇筑而成，各组分的质量比为1：0.1~0.4：0.6~1.3：0.13~0.35：0.015~0.035：0.05~0.4。本发明复合板具有抗腐蚀能力强、耐久性能好、复合材料重量轻、耐磨性能好等特点，其结构形式有着共同协作的变形承压能力，能够承受外界强烈冲击能力，可以用于防撞、抗冲击、防暴等各领域工程。

Description

一种超高韧性抗冲击防暴复合板及其制备方法
技术领域
本发明涉及防护材料技术领域，尤其涉及一种超高韧性抗冲击防暴复合板及其制备方法。
背景技术
抗冲击与吸能结构材料是近年来提出的一类新型材料，它的出现对于材料的选择及其性能研究具有重要的使用价值。不同构型的抗冲击吸能结构材料具有优良的力学、承载、抗冲击、吸能特性外，还具有阻尼、减震、吸声降噪、屏蔽电磁辐射及布设传感器等其它功能，可以满足航空、船舶、高速列车及特种车辆等内部结构支撑和底板等多方面的结构材料需求。
传统的抗冲击与吸能材料大多使用混凝土来制作，但是传统的混凝土重量大、吸能性能差，已经被逐渐放弃或进行混凝土改性。现在发展起来的一种多孔泡沫金属材料，其是一种兼具功能和结构双重属性的新型工程材料，一直以来多孔泡沫金属就是抗冲击和吸能结构的首选防护材料之一。泡沫金属是一种含有泡沫气孔的金属材料，通过其独特的结构，泡沫金属拥有密度小、隔热性能好、隔音性能好以及能够吸收电磁波等一系列良好优点。但是在实际应用中泡沫金属材料强度低、表面粗糙，不能单独作为结构材料使用。
申请号为201310602701.8的中国发明专利公开了一种抗冲击吸能材料及其制备方法，包括从外至内依次设置的金属面板和泡沫金属层，金属面板和泡沫金属层之间通过橡胶层进行硫化连接。该发明中金属面板主要有以下几个问题，金属表面自身抗酸、盐等腐蚀能力较差，自重高，容易被雷达声波探测，另外合成之间通过硫化橡胶连接耐高温及耐老化性能不好，同时受到爆裂冲击时候钢板延性太高，结构变形过大，造成整体协调变形性能差，不能充分发挥整体压缩吸能效果，不能与泡沫金属层形成协同作用。因此针对现有的抗冲击与吸能材料的缺点，有必要对此进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐腐蚀能力强、耐久性能好、隔音性能强，结构表面类似石头不容易被雷达声波探测，能够承受外界强烈冲击的超高韧性抗冲击防暴复合板。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：
一种超高韧性抗冲击防暴复合板，包括泡沫金属内层，所述泡沫金属内层外包覆有一层浇筑而成的超高性能混凝土层。
泡沫金属是一种含有泡沫气孔的金属材料，通过其独特的结构，泡沫金属拥有密度小、隔热性能好、隔音性能好以及能够吸收电磁波等一系列良好优点。当泡沫金属承受压力时，由于气孔塌陷导致的受力面积增加和材料应变硬化效应，使得泡沫金属具有优异的冲击能量吸收特性。一般来说，泡沫金属较高的孔隙率使得其抗冲击性能优于其它材料，泡沫金属在受到外界压力时依次经历弹性变形阶段、脆性破碎阶段和紧实阶段，但当泡沫金属受到瞬间压力过大时，泡沫金属在短时间内即进入到紧实阶段，泡沫金属破碎的骨架被挤压到一起，此时泡沫金属实际上成为实体金属，因此在一些防撞、防冲击、防暴等领域，如道路防护，单纯利用泡沫金属并不能起到很好的防撞防冲击效果。因此本发明通过在泡沫金属的表面覆盖一层高性能混凝土层，混凝土层具有优越的力学性能，能极大地减缓瞬间的压力，从而使得泡沫金属不容易在进入到紧实阶段，而是只经过弹性变形阶段和脆性破碎阶段，大大提高抗冲击效果。
为了进一步的使得混凝土层能减弱冲击瞬间的压力，所述超高性能混凝土层包括水泥、矿物掺合料、填充料、水、减水剂和纤维混合浇筑而成，各组分的质量比为1：0.1~0.4：0.6~1.3：0.13~0.35：0.015~0.035：0.05~0.4。
通过矿物掺合料、填充料和纤维混合水泥，提高了所制备混凝土的强度，纤维在混凝土中迅速分散均匀形成一种乱向支撑体系，分散了混凝土的定向应力，且在填充料的作用下，能迅速阻止在水化过程中由于混凝土体积收缩而产生的裂缝，消除或减少裂缝的产生，提高了混凝土的韧性。矿物掺合料的加入增强了体系中的粘性，大大增强纤维与混凝土之间的粘结强度，使得在受到冲击时，纤维不容易被拔出，增强混凝土与泡沫金属的界面稳定性，从而提高复合板的变形承压能力。
优选的，经过发明人大量的试验，确定出以下最优的配比，所述各组分的质量比为1：0.2~0.3：0.8~1.1：0.19~0.25：0.021~0.029：0.18~0.32。
所述填充料包括平均粒径0.16~4.75mm连续级配的砂和平均粒径5~100μm的硅类填充粉，两者的质量比为1：0.05~0.15。
由于填充料与纤维共同作用减少裂缝的产生，因此采用砂和硅类填充粉作为混合填充料，大大提高阻止裂纹产生的效果。且对砂和硅类填充粉的粒径做了优化，并不是粒径越小越好或越大越好。粒径越小，虽然能进一步降低裂缝的产生，但是纤维与混凝土基体的粘结强度有所下降；粒径越大，则不能有效防止裂缝的产生。本发明所述的硅类填充粉为含硅的填充料，如石英粉、磨细砂粉、陶瓷微粉、超细矿粉、玻璃微珠粉等。
所述纤维包括质量占比至少为90%的金属纤维和余量的有机纤维和无机非金属纤维，所述有机纤维和无机非金属纤维的质量比为1：2~10。
优选的，所述金属纤维的直径为0.08~0.3mm，抗拉强度大于1000兆帕，长径比为60~200。
优选的，所述有机纤维为芳纶纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维中的一种或多种，其长度为10~20mm，所述无机非金属纤维为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维中的一种或多种，其长度为5~20mm。
通过金属纤维和有机纤维和无机非金属纤维的混合，充分发挥了不同形式纤维的优点，金属纤维主要解决宏观承载极限的抗拉、抗爆、抗冲击等性能，微观裂缝通过无机非金属纤维和有机纤维进一步提高了混凝土的抗拉、抗弯、抗折强度，同时有机纤维也解决材料的大幅度提升耐高温等性能。
优选的，所述水泥的强度不低于42.5兆帕，所述矿物掺合料28天活性指数不低于0.85，所述减水剂为非氯盐类液体减水剂。非氯盐类液体减水剂即为不含氯盐类液体减水剂。
优选的，所述超高性能混凝土层和泡沫金属层的厚度比为1：0.5~10，且泡沫金属层的厚度不少于5mm。泡沫金属层的成分可选用镍、铝、铜、钛等可压缩泡沫金属。综合抗冲击、抗爆、隔音、耐高温、成本等各条件，本发明的复合板的泡沫金属层最薄可至5mm。
该超高韧性抗冲击防暴复合板的制备方法，具体为，铺设泡沫金属后，采用自流平浇筑工艺或震动压制工艺或真空泵送工艺将混合后的混凝土材料浇筑于泡沫金属表面并进行辅助震动排气，在60~100摄氏度恒温状态下养护不少于24小时，使得泡沫金属与混凝土两者的界面相结合得到复合板结构产品。进一步地，为了提高抗冲击性能，可以在混凝土层中设置钢筋网，即在辐射泡沫金属后增加钢网铺设，再进行混凝土浇筑。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明复合板具有抗腐蚀能力强、耐久性能好、复合材料重量轻、耐磨性能好等特点，其结构形式有着共同协作的变形承压能力，能够承受外界强烈冲击能力，可以用于防撞、抗冲击、防暴等各领域工程。
附图说明
图1为实施例1结构示意图；
图2为实施例5结构示意图。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
实施例1
如图1所示，一种超高韧性抗冲击防暴复合板，包括泡沫金属内层100，所述泡沫金属内层100外包覆有一层浇筑而成的高性能混凝土层200。
所述混凝土层包括水泥、矿物掺合料、填充料、水、减水剂和纤维混合浇筑而成，各组分的质量比为1：0.1：0.6：0.13：0.015：0.05。
所述填充料包括平均粒径0.16~4.75mm连续级配的砂和平均粒径10~100μm的硅类填充粉，所述硅类填充粉为石英粉，两者的质量比为1：0.05。
所述纤维包括金属纤维和有机纤维、无机非金属纤维，金属纤维质量占比90%，其它纤维质量占比10%，且有机纤维与无机非金属纤维的质量比为1:6。所述金属纤维的直径为0.08mm，抗拉强度大于1000兆帕，长径比为60；所述其它纤维为聚丙烯纤维和玄武岩纤维，长度为10mm。
所述水泥的强度不低于42.5兆帕，所述矿物掺合料28天活性指数不低于0.85，所述减水剂为不含氯盐类液体减水剂。
所述高性能混凝土层和泡沫金属层的厚度比为1：0.5，泡沫金属层的厚度10mm。
该复合板通过如下方法制备：铺设泡沫金属后，采用自流平浇筑工艺将混凝土材料浇筑于泡沫金属表面并进行辅助震动排气，在60摄氏度恒温状态下养护时间24小时，使得泡沫金属与混凝土两者的界面相结合得到复合板结构产品。
实施例2
一种超高韧性抗冲击防暴复合板，包括泡沫金属内层100，所述泡沫金属内层100外包覆有一层浇筑而成的高性能混凝土层200。
所述混凝土层包括水泥、矿物掺合料、填充料、水、减水剂和纤维混合浇筑而成，各组分的质量比为1：0.4：1.3：0.35：0.035：0.4。
所述填充料包括平均粒径0.16~4.75mm连续级配的砂和平均粒径10~100μm的硅类填充粉，所述硅类填充粉为石英粉，两者的质量比为1：0.15。
所述纤维为金属纤维。所述金属纤维的直径为0.08mm，抗拉强度大于1000兆帕，长径比为60。
所述水泥的强度不低于42.5兆帕，所述矿物掺合料28天活性指数不低于0.85，所述减水剂为不含氯盐类液体减水剂。
所述高性能混凝土层和泡沫金属层的厚度比为1：10，泡沫金属层的厚度10mm。
该复合板通过如下方法制备：铺设泡沫金属后，采用自流平浇筑工艺将混凝土材料浇筑于泡沫金属表面并进行辅助震动排气排气，在100摄氏度恒温状态下养护时间24小时，使得泡沫金属与混凝土两者的界面相结合得到复合板结构产品。
实施例3
本实施例与实施例1类似，区别在于：
所述混凝土层包括水泥、矿物掺合料、填充料、水、减水剂和纤维浇筑而成，各组分的质量比为1：0.2：0.8：0.19：0.021：0.18。
实施例4
本实施例与实施例2类似，区别在于：
所述混凝土层包括水泥、矿物掺合料、填充料、水、减水剂和纤维浇筑而成，各组分的质量比为1：0.3：1.1：0.25：0.029：0.32。
实施例5
本实施例与实施例4类似，区别在于，如图2所示，超高性能混凝土层中还设有钢筋网300。
对比例1
本对比例与实施例1类似，区别在于，所述填充料为连续级配的砂。
对比例2
本对比例与实施例1类似，区别在于，所述填充料为石灰石粉。
对比例3
本对比例与实施例1类似，区别在于，砂和石英粉的质量比为0.85~0.25。
对比例4
本对比例与实施例1类似，区别在于，填充料的质量比为1.8。
对比例5
本对比例与实施例1类似，区别在于，填充料的质量比为0.1。
对比例6
本对比例与实施例1类似，区别在于，矿物掺合料的质量比为0.9。
对比例7
本对比例与实施例1类似，区别在于，矿物掺合料的质量比为0.05。
厚度为200mm（50mm+100mm+50mm）标准件，对以上实施例和对比例做制备的复合板进行性能测试，测试结果如下：
项目 抗压强度/兆帕 抗弯曲强度/兆帕 抗冲击性能10KG金属球/次 极限压缩变形% 耐酸碱盐腐蚀
实施例1 92 140 155 44% 好
实施例2 160 200 280 42% 好
实施例3 117 164 189 45% 好
实施例4 132 175 223 45% 好
实施例5 155 210 320 45% 好
对比例1 97 129 136 42% 好
对比例2 85 135 147 46% 好
对比例3 83 145 159 42% 好
对比例4 114 120 103 45% 好
对比例5 80 104 89 43% 一般
对比例6 73 116 105 41% 一般
对比例7 64 96 67 43% 差

Claims (8)

1.一种超高韧性抗冲击防暴复合板，其特征在于，包括泡沫金属内层，所述泡沫金属内层外包覆有一层浇筑而成的超高性能混凝土层；所述超高性能混凝土层包括水泥、矿物掺合料、填充料、水、减水剂和纤维混合浇筑而成，各组分的质量比为1：0.1~0.4：0.6~1.3：0.13~0.35：0.015~0.035：0.05~0.4；所述纤维包括质量占比至少为90%的金属纤维和余量的有机纤维和无机非金属纤维，所述有机纤维和无机非金属纤维的质量比为1：2~10。
2.根据权利要求1所述的超高韧性抗冲击防暴复合板，其特征在于，各组分的质量比为1：0.2~0.3：0.8~1.1：0.19~0.25：0.021~0.029：0.18~0.32。
3.根据权利要求1或2所述的超高韧性抗冲击防暴复合板，其特征在于，所述填充料包括平均粒径0.16~4.75mm连续级配的砂和平均粒径5~100μm的硅类填充粉，两者的质量比为1：0.05~0.15。
4.根据权利要求1所述的超高韧性抗冲击防暴复合板，其特征在于，所述金属纤维的直径为0.08~0.3mm，抗拉强度大于1000兆帕，长径比为60~200。
5.根据权利要求1所述的超高韧性抗冲击防暴复合板，其特征在于，所述有机纤维为芳纶纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维中的一种或多种，其长度为10~20mm，所述无机非金属纤维为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维中的一种或多种，其长度为5~20mm。
6.根据权利要求1或2所述的超高韧性抗冲击防暴复合板，其特征在于，所述水泥的强度不低于42.5兆帕，所述矿物掺合料28天活性指数不低于0.85，所述减水剂为非氯盐类液体减水剂。
7.根据权利要求1或2所述的超高韧性抗冲击防暴复合板，其特征在于，所述超高性能混凝土层和泡沫金属层的厚度比为1：0.5~10，且泡沫金属层的厚度不少于5mm。
8.一种如权利要求1或2所述的超高韧性抗冲击防暴复合板的制备方法，其特征在于，铺设泡沫金属后，采用自流平浇筑工艺或震动压制工艺或真空泵送工艺将混合后的混凝土材料浇筑于泡沫金属表面并进行辅助震动排气，在60~100摄氏度恒温状态下养护不少于24小时得到复合板结构产品。
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