CN106082874A - 高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，由钢纤维、聚丙烯纤维、水泥、水、砂、碎石、硅灰、粉煤灰、高效减水剂按照下述质量百分比组成：钢纤维14.21%，聚丙烯纤维0.04%，水泥19.00%～19.80%，水5.40%～5.80%，砂17.00%～18.00%，碎石37.50%～38.50%，硅灰2.60%～3.00%，粉煤灰2.00%，高效减水剂0.45%。本发明优点在于具有优良的抗压、抗拉、抗弯、抗冲击侵彻、抗冲击韧性等动静力学性能的砖体，进而达到防弹、防爆之目的。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其是涉及高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖及其制备方法。
背景技术
恐怖分子制造爆炸事件使用的小型炸弹主要是手榴弹、手雷和各种自制小型弹药。爆炸后的破片致命杀伤半径为5m～7m，致伤杀伤半径为15m，在15m～20m内具有杀伤性，25m以外杀伤性骤降，安全距离在35m～40m左右，杀伤元件是几百上千颗2.5mm～3.0mm直径的钢珠或者是几十到几百颗质量约为0.15g～0.40g的破片，破片初速达1500m/s以上。恐怖分子使用的枪械主要有手枪、步枪和机枪等轻武器，像苏式AK-47，美式M82A1等等。主要口径有7.62mm和12.7mm。其中12.7mm的大口径高射机枪和狙击步枪威力较大。解放军出版社1998年出版的《野战筑城教范》中规定：防步枪子弹和破片需要25cm厚的浆砌砖墙或12cm厚的C40混凝土墙；防坦克枪弹和机枪扫射需要40cm厚的砖墙。该规定有两点没有提及；一是没有说明武器的射击距离，二是没有说明防坦克枪弹和机枪扫射需要多厚的C40钢筋混凝土墙。从该《野战筑城教范》的规定中可以看出，金融企业营业柜台、金库的墙体，重要的政治目标、办公楼、学校、体育场、博物馆、影剧院、车站、会议中心、机场、地铁等公共场所建筑物的外部承重墙体，若使用240mm烧结普通砖或混凝土普通砖，不具备防范大口径枪弹侵彻袭击的能力。
近几年，国内外一些学者开始研究混杂纤维增强混凝土，通过合理的材料设计，利用不同类型的纤维混杂与混凝土叠加，充分发挥各种纤维性能，降低材料成本，对低含量混杂纤维增强混凝土性能进行了初步研究。高含量混杂纤维增强混凝土具有优良的力学性能，其中韧性与抗冲击性能最为显著，适宜于抗爆结构、复合遮弹、军用机场和障碍防护设施。但是对高含量混杂纤维增强混凝土冲击韧性的研究很少，而将其作为防弹防爆材料进行抗爆炸抗侵彻破坏效应的专题研究则少之又少，迄今还没有见诸利用高含量混杂纤维混凝土材料研制而成的小型防弹防爆砌块的研究文献。
发明内容
本发明目的在于提供一种高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，本发明另一目的是提供该防弹防爆砖的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，由钢纤维、聚丙烯纤维、水泥、水、砂、碎石、硅灰、粉煤灰、高效减水剂按照下述质量百分比组成：
钢纤维14.21%，聚丙稀纤维0.04%，水泥19.00%～19.80%，水5.40%～5.80%，砂17.00%～18.00%，碎石37.50%～38.50 %，硅灰2.60%～3.00%，粉煤灰2.00%，高效减水剂0.45%。
所述钢纤维为波纹型钢纤维，长度为15mm，直径为0.6mm，长径比为25，抗拉强度600MPa～700MPa。
所述聚丙烯纤维由长度19mm、12mm、6mm三种规格混合组成，所述三种规格的聚丙烯纤维质量份之比为5:3:2；其性能指标为:密度0.91g/cm3,单丝直径30μm～40μm，抗拉强度400MPa～500MPa，杨氏模量3.5GPa，极限延伸率7%～9%。
所述水泥为P.O52.5级普通硅酸盐水泥。
所述水为饮用自来水。
所述砂的细度模数为2.8。
所述碎石的粒径为5mm～10mm。
所述高效减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，为粉体，早强型，其性能指标为：减水率≥ 25%，密度为1.41±0.02g/ml，固含量为97±2%，水泥净浆流动度（基准水泥）≥ 250㎜（W/C=0.29），pH为6～8，氯离子含量≤ 0.02%，碱含量（Na2O+0.658K2O）≤ 0.2%。
本发明所述高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖的制备方法为：
第一步、将所述钢纤维分三～五次与聚丙烯纤维进行混合；
第二步、将第一步所得物与所述硅灰、粉煤灰、砂、碎石一起加入强制式搅拌机内搅拌均匀后，再将所述水泥加入所述强制式搅拌机内搅拌100s～120s；
第三步、将所述水和高效减水剂的混合物加入第二步中的强制式搅拌机内搅拌180s制成集料；将砖模具组合到成型机上，加入所述集料，振动密实，成型后放入标准养护室，覆盖表面，在温度20℃±5℃的条件下静置2昼夜，然后编号脱模，在温度20℃±2℃、相对湿度大于95%条件下经过标准养护28天，制成的砖体强度大于CF80。
本发明优点在于根据材料力学、爆炸力学以及防弹技术的有关原理，通过对大口径枪弹对建筑物墙体的侵彻破坏效应是弹丸以超音速或亚音速对墙体强烈的动态侵彻撞击作用分析，以及对小型炸弹的爆炸破坏效应是距建筑物一定距离外的爆炸冲击破坏效应和破片的冲击侵彻破坏作用的分析，考虑墙体材料既要有很高的表面抗压强度阻止弹丸头部的侵彻开坑作用，又要考虑在弹丸侵彻墙体的过程中，墙体材料要有很高的劈裂抗拉强度以增加弹丸表面与墙体材料之间的摩擦力，阻止弹丸的侵彻、延长弹丸侵彻时间以消耗弹丸的动能；同时还考虑到墙体材料要有良好的韧性，在弹丸、破片撞击和侵彻墙体与爆炸荷载冲击墙体的过程中，能发生较大的变形以吸收大量的能量。因此，本发明采取在普通混凝土集材中加入高含量的短钢纤维和聚丙烯合成纤维，采用纤维混杂技术，对两种纤维进行合理的比例设计，将不同尺度和不同掺量的纤维混杂以提高纤维含量，用短钢纤维提高混凝土的抗拉强度，而聚丙烯合成纤维用于混凝土结构的增强与增韧，相互取长补短，充分发挥各种纤维性能，使之在不同受荷阶段和不同性能层次上达到逐级阻裂与强化的功能，从而制得具有优良的抗压、抗拉、抗弯、抗冲击侵彻、抗冲击韧性等动静力学性能的砖体，进而达到防弹、防爆之目的。
具体实施方式
实施例1：
本发明所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，由长度为15mm、直径为0.6mm、抗拉强度为600MPa～700MPa的波纹型钢纤维（选用宜兴市军威金属纤维有限公司生产的波纹型钢纤维），聚丙烯纤维（选用宜兴市军威金属纤维有限公司生产的聚丙烯纤维），普通硅酸盐水泥（选用洛阳黄河牌P.O52.5级普通硅酸盐水泥），水（选用饮用自来水），细度模数为2.8的砂（选用洛阳伊河滩产天然中砂，用水洗净，不含泥土），粒径为5mm～10mm的碎石（选用级配良好的洛阳伊河滩产河卵石，用水洗净，不含泥土），硅灰（选用河北省灵寿县鑫鼎矿产品加工厂生产的牌号为SF96硅灰，符合《GB/T18736-----2002高强高性能混凝土用矿物外加剂》要求）、粉煤灰（选用河北省灵寿县鑫鼎矿产品加工厂生产的Ⅰ级粉煤灰，符合《GB/T18736-----2002高强高性能混凝土用矿物外加剂》要求）、聚羧酸系高性能减水剂（选用河南省郑州市晟泰工程材料有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂），按照下述质量百分比组成：
钢纤维14.21%，聚丙稀纤维0.04%，水泥19.00%，水5.80%，砂18.00%，碎石37.50%，硅灰3.00%，粉煤灰2.00%，高效减水剂0.45%。
所述聚丙烯纤维由长度19mm、12mm、6mm三种规格混合组成，所述三种规格的聚丙烯纤维质量份之比为5:3:2。其性能指标为:密度0.91g/cm3,单丝直径30μm～40μm，抗拉强度400MPa～500MPa，杨氏模量3.5GPa，极限延伸率7%～9%。
所述聚羧酸系高性能减水剂为粉体，早强型，其性能指标为：减水率≥ 25%，密度为1.41±0.02g/ml，固含量为97±2%，水泥净浆流动度（基准水泥）≥ 250㎜（W/C=0.29），pH为6～8，氯离子含量≤ 0.02%，碱含量（Na2O+0.658K2O）≤ 0.2%。
本发明所述高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖的制备方法为：
第一步、将所述波纹型钢纤维分三～五次与聚丙烯纤维进行混合；
第二步、将第一步所得物与所述硅灰、粉煤灰、砂、碎石一起加入强制式搅拌机内搅拌均匀后，再将所述水泥加入所述强制式搅拌机内搅拌100s～120s；
第三步、将所述水和高效减水剂的混合物加入第二步中的强制式搅拌机内搅拌180s制成集料；将砖模具组合到成型机上，加入所述集料，振动密实，成型后放入标准养护室，覆盖表面，在温度20℃±5℃的条件下静置2昼夜，然后编号脱模，在温度20℃±2℃、相对湿度大于95%条件下经过标准养护28天，制成的砖体强度大于CF80。
实施例2：
本发明所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，由长度为15mm、直径为0.6mm、抗拉强度为600MPa～700MPa的波纹型钢纤维，聚丙烯纤维，普通硅酸盐水泥，水，细度模数为2.8的砂，粒径为5mm～10mm的碎石，硅灰、粉煤灰、聚羧酸系高性能减水剂，按照下述质量百分比组成：
波纹型钢纤维14.21%，聚丙稀纤维0.04%，水泥19.40%，水5.60%，砂17.50%，碎石38.00%，硅灰2.80%，粉煤灰2.00%，高效减水剂0.45%。
所述聚丙烯纤维由长度19mm、12mm、6mm三种规格混合组成，所述三种规格的聚丙烯纤维质量份之比为5:3:2；其性能指标为:密度0.91g/cm3,单丝直径30μm～40μm，抗拉强度400MPa～500MPa，杨氏模量3.5GPa，极限延伸率7%～9%。
所述聚羧酸系高性能减水剂，为粉体，早强型，其性能指标为：减水率≥ 25%，密度为1.41±0.02g/ml，固含量为97±2%，水泥净浆流动度（基准水泥）≥ 250㎜（W/C=0.29），pH为6～8，氯离子含量≤ 0.02%，碱含量（Na2O+0.658K2O）≤ 0.2%。
本发明所述高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖的制备方法为：
第一步、将所述波纹型钢纤维分三～五次与聚丙烯纤维进行混合；
第二步、将第一步所得物与所述硅灰、粉煤灰、砂、碎石一起加入强制式搅拌机内搅拌均匀后，再将所述水泥加入所述强制式搅拌机内搅拌100s～120s；
第三步、将所述水和高效减水剂的混合物加入第二步中的强制式搅拌机内搅拌180s制成集料；将砖模具组合到成型机上，加入所述集料，振动密实，成型后放入标准养护室，覆盖表面，在温度20℃±5℃的条件下静置2昼夜，然后编号脱模，在温度20℃±2℃、相对湿度大于95%条件下经过标准养护28天，制成的砖体强度大于CF80。
实施例3：
本发明所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，由长度为15mm、直径为0.6mm、抗拉强度为600MPa～700MPa的波纹型钢纤维，聚丙烯纤维，普通硅酸盐水泥，水，细度模数为2.8的砂，粒径为5mm～10mm的碎石，硅灰、粉煤灰、聚羧酸系高性能减水剂，按照下述质量百分比组成：
波纹型钢纤维14.21%，聚丙稀纤维0.04%，水泥19.80%，水5.40%，砂17.00%，碎石38.50%，硅灰2.60%，粉煤灰2.00%，高效减水剂0.45%。
所述聚丙烯纤维由长度19mm、12mm、6mm三种规格混合组成，所述三种规格的聚丙烯纤维质量份之比为5:3:2；其性能指标为:密度0.91g/cm3,单丝直径30μm～40μm，抗拉强度400MPa～500MPa，杨氏模量3.5GPa，极限延伸率7%～9%。
所述聚羧酸系高性能减水剂，为粉体，早强型，其性能指标为：减水率≥ 25%，密度为1.41±0.02g/ml，固含量为97±2%，水泥净浆流动度（基准水泥）≥ 250㎜（W/C=0.29），pH为6～8，氯离子含量≤ 0.02%，碱含量（Na2O+0.658K2O）≤ 0.2%。
本发明所述高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖的制备方法为：
第一步、将所述波纹型钢纤维分三～五次与聚丙烯纤维进行混合；
第二步、将第一步所得物与所述硅灰、粉煤灰、砂、碎石一起加入强制式搅拌机内搅拌均匀后，再将所述水泥加入所述强制式搅拌机内搅拌100s～120s；
第三步、将所述水和高效减水剂的混合物加入第二步中的强制式搅拌机内搅拌180s制成集料；将砖模具组合到成型机上，加入所述集料，振动密实，成型后放入标准养护室，覆盖表面，在温度20℃±5℃的条件下静置2昼夜，然后编号脱模，在温度20℃±2℃、相对湿度大于95%条件下经过标准养护28天，制成的砖体强度大于CF80。
按照本发明实施例1-3制备的混凝土材料，根据《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13:2009），在YAW型3000kN电液伺服压力试验机上进行了压缩韧性试验。试验结果见表1。
表1：试验结果平均值
。
按照本发明实施例1-3制备的标准砖体，为实心长方体,长240mm,宽115mm,厚53mm，进行实弹射击试验结果如下：
实弹射击试验在解放军某部试验室进行。试验发射装置：12.7mm高射机枪。弹丸：12.7mm穿甲弹，全弹重124g，弹头重48.2g，装药量17g，出膛速度800m/s～870m/s。试件：用M30水泥砂浆和本发明的防弹防爆砖砌成500mm×500mm×240mm的墙体靶板。射击距离：6m、11m、16m、21m 、26m和31m。试验方式：水平射击试验。测速装置：用锡箔靶和电子测时仪测量弹丸着靶速度。每组做三次有效试验，取平均值，观察弹丸侵彻情况、弹丸破坏情况、靶板破坏情况。试验结果见表2。
表2
。
试验结论：用本发明的标准防弹防爆砖建造的240mm墙体可防12.7mm口径穿甲弹的侵彻破坏效应。
按照本发明实施例1-3制备的标准砖体，进行实弹爆炸试验，结果如下：
实弹爆炸试验在解放军某部野外试验场进行。试验弹药：77－1式木柄手榴弹，弹径48mm，弹重355g～385g，弹长173mm，采用A3钢板预制刻槽弹体，弹体内压装70gTNT炸药，杀伤半径大于7m，爆炸时可产生有效破片300余片，单个破片质量约0.4g，破片初速达1000m/s以上，手榴弹的安全半径为37m。试验装药方法：用电雷管静态引爆77－1式木柄手榴弹，第1炮至第8炮引爆1枚手榴弹；第9炮至第11炮2枚手榴弹捆在一起同时引爆，模拟装药量为140g左右的大装药手榴弹；第12炮至第14炮３枚手榴弹捆在一起同时引爆，模拟装药量为210g小型自制炸弹。试件：用M30水泥砂浆和本发明的标准防弹防爆砖砌成1000mm×1000mm×240mm的墙体靶板。靶板距爆点距离：3m、4m、5m、6m、7m、10m、15m和30m。靶板布置方式：以引爆点为中心呈环行布置，每组布置5块，取三块有效试验，取破片侵彻深度平均值，观察破片侵彻情况、靶板破坏情况。试验结果见表3。
表3
。
试验结论：用本发明的标准防弹防爆砖建造的240mm墙体可防77-1式木柄手榴弹或装药量为210g左右的小型自制炸弹距其3m以外爆炸的冲击破坏效应和破片侵彻破坏效应。
Claims (9)
1.一种高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，其特征在于：由钢纤维、聚丙烯纤维、水泥、水、砂、碎石、硅灰、粉煤灰、高效减水剂按照下述质量百分比组成：
钢纤维14.21%，聚丙稀纤维0.04%，水泥19.00%～19.80%，水5.40%～5.80%，砂17.00%～18.00%，碎石37.50%～38.50 %，硅灰2.60%～3.00%，粉煤灰2.00%，高效减水剂0.45%。
2.根据权利1所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述钢纤维为波纹型钢纤维，长度为15mm，直径为0.6mm，长径比为25，抗拉强度600MPa～700MPa。
3.根据权利1所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述聚丙烯纤维由长度19mm、12mm、6mm三种规格混合组成，所述三种规格的聚丙烯纤维质量份之比为5:3:2；其性能指标为:密度0.91g/cm3,单丝直径30μm～40μm，抗拉强度400 MPa～500MPa，杨氏模量3.5GPa，极限延伸率7%～9%。
4.根据权利1所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述水泥为P.O52.5级普通硅酸盐水泥。
5.根据权利1所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述水为饮用自来水。
6.根据权利1所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述砂的细度模数为2.8。
7.根据权利1所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述碎石的粒径为5mm～10mm。
8.根据权利1所述的高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述高效减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，为粉体，早强型，其性能指标为：减水率≥ 25%，密度为1.41±0.02g/ml，固含量为97±2%，水泥净浆流动度（基准水泥）≥ 250㎜（W/C=0.29），pH为6～8，氯离子含量≤ 0.02%，碱含量（Na2O+0.658K2O）≤ 0.2%。
9.如权利要求1所述高含量混杂纤维混凝土防弹防爆砖的制备方法，其特征在于：
第一步、将所述钢纤维分三～五次与聚丙烯纤维进行混合；
第二步、将第一步所得物与所述硅灰、粉煤灰、砂、碎石一起加入强制式搅拌机内搅拌均匀后，再将所述水泥加入所述强制式搅拌机内搅拌100s～120s；
第三步、将所述水和高效减水剂的混合物加入第二步中的强制式搅拌机内搅拌180s制成集料；将砖模具组合到成型机上，加入所述集料，振动密实，成型后放入标准养护室，覆盖表面，在温度20℃±5℃的条件下静置2昼夜，然后编号脱模，在温度20℃±2℃、相对湿度大于95%条件下养护28天，制成的砖体强度大于CF80。
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