CN106116343A - 高含量级配纤维回收集料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级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，由钢纤维、聚丙烯纤维、水泥、水、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石、高效减水剂按照下述质量百分比制成：钢纤维16.30%、聚丙烯纤维0.04%、水泥18.00%～19.00%、水5.40%～5.60%、粉煤灰2%、矿渣粉2%、硅灰2.60%～3.00%、砂15.50%～16.50%、碎石36.00%～37.00%、高效减水剂0.36%。本发明优点在于比粘土砖、普通水泥砖具有更加优越的抗压、抗拉、抗弯、抗冲击韧性，是一种集高强、防弹、防撞击、承重、耐磨、环保于一体的新型、高性能复合材料砖。同时也起到节约资源、有效保护耕地和环境的目的。

Description

高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其是涉及高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖及其制备方法。
背景技术
目前，我国是世界上少数几个以实心粘土砖作为主要墙体材料的国家之一。在我国，墙体材料约占整个房屋建筑材料的70%，其中粘土砖在墙材中仍居主导地位，生产实心粘土砖所需的粘土资源更属可耕地中较优质的粘土，每年500万亩耕地遭破坏，其中70万亩被损毁。为了节约资源，有效保护耕地和环境，出现了许多替代粘土砖的产品，如免烧砖、水泥砖、小型混凝土砌块等。当前，烧结普通砖和混凝土普通砖中最高等级是MU30，其抗压强度平均值≥30.0MPa，抗压强度标准值≥22.0MPa。该等级砖虽然具有一定的抗压强度但是抗拉强度和抗弯强度均很低，韧性很小，属于脆性材料，在弹丸冲击侵彻荷载或爆炸荷载作用下很容易发生粉碎破坏。
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。手榴弹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。迄今还没有检索到利用回收集料研制而成的小型高强、高性能环保型防弹防爆砌块来构筑防暴反恐建筑物或结构物的文献。
发明内容
本发明目的在于提供一种高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，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级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，由钢纤维、聚丙烯纤维、水泥、水、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石、高效减水剂按照下述质量百分比制成：钢纤维16.30%、聚丙烯纤维0.04%、水泥18.00%～19.00%、水5.40%～5.60%、粉煤灰2%、矿渣粉2%、硅灰2.60%～3.00%、砂15.50%～16.50%、碎石36.00%～37.00%、高效减水剂0.36%。
制备方法：
第一步、将所述钢纤维分三至五次与聚丙烯纤维混合，然后与粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石拌合均匀；
第二步、将第一步所得混合物与所述水泥加入强制式搅拌机内搅拌100s～120s，然后将所述水和高效减水剂的混合物加入所述强制式搅拌机内搅拌180s，搅拌均匀制成集料；
第三步、将砖模具组合到成型机上，加入第二步制得的集料，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，制得的砖强度大于CF70。
所述钢纤维为端钩型钢纤维，长度采用20mm、15mm和12mm三种规格，三种规格的所述端钩型钢纤维质量比为5:3:2；长度为20mm的端钩型钢纤维直径为0.25mm，长径比为80；长度为15mm的端钩型钢纤维直径为0.3mm，长径比为50；长度为12mm的端钩型钢纤维直径为0.2mm，长径比为60；三种规格的端钩型钢纤维材质均为国标级冷拔钢丝，抗拉强度不小于600MPa。
所述聚丙烯纤维，长度采用19mm、12mm和6mm三种规格，三种规格的聚丙烯纤维质量比为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；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，符合GB/T18736-2002要求；所述矿渣粉的牌号为S95，符合GB/T18046-2008要求；所述硅灰的牌号为SF96，符合GB/T18736-2002要求。
所述砂为建筑垃圾粉碎制得的中粗砂，细度模数为3.0，用水洗净，不含泥土；所述碎石采用建筑垃圾粉碎制得的5mm～20mm级配的破碎石，用水洗净，不含泥土。
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。因此本发明采用普通纤维混凝土施工工艺和纤维混杂技术，将两种级配的钢纤维和聚丙烯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，一方面，通过级配短钢纤维有效提高了混凝土的抗拉强度，通过级配聚丙烯纤维有效克服了混凝土的脆性，达到增强、增韧的目的；分别选择三种规格的钢纤维和聚丙烯纤维级配混杂可以相互取长补短，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。另一方面，两种纤维的级配混杂使纤维能与集料更加均匀、充分结合，增加结合面，提高结合力，克服回收集料本身的缺陷对混凝土强度的不利影响，从而制得性能优越的高性能纤维混凝土砖。本发明比粘土砖、普通水泥砖具有更加优越的抗压、抗拉、抗弯、抗冲击韧性，是一种集高强、防弹、防撞击、承重、耐磨、环保于一体的新型、高性能复合材料砖。同时也起到节约资源、有效保护耕地和环境的目的。
具体实施方式
实施例1：
本发明所述的高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，由端钩型钢纤维、聚丙烯纤维、水泥、水、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石、高效减水剂按照下述质量百分比制成：
端钩型钢纤维16.30%，长度采用20mm、15mm和12mm三种规格，三种规格的质量比为5:3:2；长度为20mm的端钩型钢纤维直径为0.25mm；长度为15mm的端钩型钢纤维直径为0.3mm；长度为12mm的端钩型钢纤维直径为0.2mm；三种规格的端钩型钢纤维材质均为国标级冷拔钢丝，抗拉强度不小于600MPa；
聚丙烯纤维0.04%，长度采用19mm、12mm和6mm三种规格，三种规格的聚丙烯纤维质量比为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%；
P.O52.5级普通硅酸盐水泥18.00%；饮用自来水5.60%；Ⅰ级粉煤灰2%；牌号为S95的矿渣粉2%；牌号为SF96的硅灰3.0%；
砂16.50%，采用建筑垃圾粉碎制得的中粗砂，细度模数为3.0，用水洗净，不含泥土；
碎石36.20%,采用建筑垃圾粉碎制得的5mm～20mm级配的破碎石，用水洗净，不含泥土；
高效减水剂0.36%,采用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%。
制备方法：
第一步、将所述钢纤维分三次与聚丙烯纤维混合，然后与粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石拌合均匀；
第二步、将第一步所得混合物与水泥加入强制式搅拌机内搅拌100s～120s，然后将饮用自来水和高效减水剂的混合物加入所述强制式搅拌机内搅拌180s，搅拌均匀制成集料；
第三步、将砖模具组合到成型机上，加入第二步制得的集料，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，制得的砖强度大于CF70。
实施例2：
本发明所述的高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，由端钩型钢纤维、聚丙烯纤维、水泥、水、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石、高效减水剂按照下述质量百分比制成：
端钩型钢纤维16.30%，长度采用20mm、15mm和12mm三种规格，三种规格的质量比为5:3:2；长度为20mm的端钩型钢纤维直径为0.25mm；长度为15mm的端钩型钢纤维直径为0.3mm；长度为12mm的端钩型钢纤维直径为0.2mm；三种规格的端钩型钢纤维材质均为国标级冷拔钢丝，抗拉强度不小于600MPa；
聚丙烯纤维0.04%，长度采用19mm、12mm和6mm三种规格，三种规格的聚丙烯纤维质量比为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%；
P.O52.5级普通硅酸盐水泥18.50%；饮用自来水5.50%；Ⅰ级粉煤灰2%；牌号为S95的矿渣粉2%；牌号为SF96的硅灰2.80%；
砂16.00%，采用建筑垃圾粉碎制得的中粗砂，细度模数为3.0，用水洗净，不含泥土；
碎石36.50%,采用建筑垃圾粉碎制得的5mm～20mm级配的破碎石，用水洗净，不含泥土；
高效减水剂0.36%,采用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%。
制备方法：
第一步、将所述钢纤维分三次与聚丙烯纤维混合，然后与粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石拌合均匀；
第二步、将第一步所得混合物与水泥加入强制式搅拌机内搅拌100s～120s，然后将饮用自来水和高效减水剂的混合物加入所述强制式搅拌机内搅拌180s，搅拌均匀制成集料；
第三步、将砖模具组合到成型机上，加入第二步制得的集料，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，制得的砖强度大于CF70。
实施例3：
本发明所述的高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，由端钩型钢纤维、聚丙烯纤维、水泥、水、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石、高效减水剂按照下述质量百分比制成：
端钩型钢纤维16.30%，长度采用20mm、15mm和12mm三种规格，三种规格的质量比为5:3:2；长度为20mm的端钩型钢纤维直径为0.25mm；长度为15mm的端钩型钢纤维直径为0.3mm；长度为12mm的端钩型钢纤维直径为0.2mm；三种规格的端钩型钢纤维材质均为国标级冷拔钢丝，抗拉强度不小于600MPa；
聚丙烯纤维0.04%，长度采用19mm、12mm和6mm三种规格，三种规格的聚丙烯纤维质量比为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%；
P.O52.5级普通硅酸盐水泥18.80%；饮用自来水5.40%；Ⅰ级粉煤灰2%；牌号为S95的矿渣粉2%；牌号为SF96的硅灰2.60%；
砂15.50%，采用建筑垃圾粉碎制得的中粗砂，细度模数为3.0，用水洗净，不含泥土；
碎石37.00%,采用建筑垃圾粉碎制得的5mm～20mm级配的破碎石，用水洗净，不含泥土；
高效减水剂0.36%,采用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%。
制备方法：
第一步、将所述钢纤维分三次与聚丙烯纤维混合，然后与粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石拌合均匀；
第二步、将第一步所得混合物与水泥加入强制式搅拌机内搅拌100s～120s，然后将饮用自来水和高效减水剂的混合物加入所述强制式搅拌机内搅拌180s，搅拌均匀制成集料；
第三步、将砖模具组合到成型机上，加入第二步制得的集料，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，制得的砖强度大于CF70。
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，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标准砖砌成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。试验弹药为：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 (6)

1.一种高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，其特征在于：由钢纤维、聚丙烯纤维、水泥、水、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石、高效减水剂按照下述质量百分比制成：钢纤维16.30%、聚丙烯纤维0.04%、水泥18.00%～19.00%、水5.40%～5.60%、粉煤灰2%、矿渣粉2%、硅灰2.60%～3.00%、砂15.50%～16.50%、碎石36.00%～37.00%、高效减水剂0.36%；
制备方法：
第一步、将所述钢纤维分三至五次与聚丙烯纤维混合，然后与粉煤灰、矿渣粉、硅灰、砂、碎石拌合均匀；
第二步、将第一步所得混合物与所述水泥加入强制式搅拌机内搅拌100s～120s，然后将所述水和高效减水剂的混合物加入所述强制式搅拌机内搅拌180s，搅拌均匀制成集料；
第三步、将砖模具组合到成型机上，加入第二步制得的集料，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，制得的砖强度大于CF70。
2.根据权利要求1所述的高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述钢纤维为端钩型钢纤维，长度采用20mm、15mm和12mm三种规格，三种规格的所述端钩型钢纤维质量比为5:3:2；长度为20mm的端钩型钢纤维直径为0.25mm，长径比为80；长度为15mm的端钩型钢纤维直径为0.3mm，长径比为50；长度为12mm的端钩型钢纤维直径为0.2mm，长径比为60；三种规格的端钩型钢纤维材质均为国标级冷拔钢丝，抗拉强度不小于600MPa。
3.根据权利要求1或2所述的高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述聚丙烯纤维，长度采用19mm、12mm和6mm三种规格，三种规格的聚丙烯纤维质量比为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%。
4.根据权利要求1或2所述的高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，符合GB/T18736-2002要求；所述矿渣粉的牌号为S95，符合GB/T18046-2008要求；所述硅灰的牌号为SF96，符合GB/T18736-2002要求。
5.根据权利要求1或2所述的高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，其特征在于：所述砂为建筑垃圾粉碎制得的中粗砂，细度模数为3.0，用水洗净，不含泥土；所述碎石采用建筑垃圾粉碎制得的5mm～20mm级配的破碎石，用水洗净，不含泥土。
6.根据权利要求1或2所述的高含量级配纤维回收集料混凝土防弹防爆砖，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≥ 250㎜（W/C=0.29），pH为6～8，氯离子含量≤ 0.02%，碱含量（Na2O+0.658K2O）≤ 0.2%。
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