CN106517941A - 空胞体结构以及其用于制备防爆多孔混凝土的方法 - Google Patents

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Abstract

用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体，所述防爆多孔混凝土的内凹孔结构由所述空胞体分散在混凝土中得到。空胞体由两个中心对称的正六面梯台结构组成，空胞体的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连；正六面梯台的底端设计有实心的正六棱锥结构；正六棱锥与正六面梯台共用底面。单个所述空胞体的体积为100‑1000mm3。本发明通过负泊松比效应设计，采用空胞体制备具有内凹孔结构的多孔混凝土，其泊松比最小达到‑0.75，储能模量最大可提高327％；从而大幅提升抵抗并吸收爆炸载荷能量的能力，实现对建筑结构及其内部人身财产安全最大限度的保护。

Description

空胞体结构以及其用于制备防爆多孔混凝土的方法
技术领域
本发明属于建筑领域，涉及一种空胞体结构及其制备多孔混凝土的方法，具体地说，涉及一种空胞体结构及其用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的方法。
背景技术
近年来，国内、国际社会的爆炸事件层出不穷。针对爆炸载荷造成的人身财产破坏，最为直接的措施是设计行之有效的基础设施防爆材料。然而，传统混凝土的设计理念主要是提高自身强度，对于爆炸过程的疏导与能量传递的消除并不能发挥积极作用。而从力学角度分析，爆炸的基本问题是能量而非力。因此，当载荷强度超过强度临界值时，传统混凝土通过直接释放具有巨大动能的混凝土碎块或金属破片等爆炸产物，实现能量释放，因此，极易造成对人身财产的二次伤害。目前，建筑行业对多孔混凝土更多的要求是轻质；虽然其防爆性能的研发也有所报道，但仍然局限在通过提高自身强度来实现抗爆。此外，用于填充墙等建筑结构的多孔混凝土的孔隙设计主要集中在孔隙尺寸大小与分布控制，对孔隙的形态并无关注。
泊松比是指材料受力形变时横向应变与纵向应变比值的负数，是反映材料抵抗外部载荷能力的一个重要参数。泊松比越小，材料在受力形变过程中横向应变越大；相反，则越小。一般材料的泊松比在0至0.7之间。普通材料在受到纵向拉应力作用时出现细颈现象，其泊松比为正值。而负泊松比材料，即拉胀材料(Auxetic，源自希腊语)，形变则相反。负泊松比混凝土受拉伸时在弹性范围内横向发生膨胀，受压缩时材料的横向反而发生收缩，有效抵抗剪切力，大大吸收外部释放的能量。负泊松比材料凭借其负泊松比效应，具备优异的弹性模量、抗断裂性能及回弹韧性。负泊松比材料的发展已经有30余年，其应用主要集中在泡沫材料、腰椎间盘置换材料、人工血管替代材料等领域。在防爆领域，曾有人将窗帘设计出负泊松比效应以实现防爆目的。然而，在建筑领域，目前还没有负泊松比混凝土的相关报道，将其应用于防爆工程更是闻所未闻。
为解决传统混凝土在防爆方面的缺陷，实现安全有效的减少爆炸造成的损失的目的，本发明拟将“负泊松比效应”的概念引入混凝土结构材料领域。将具备防爆功能的负泊松比混凝土应用于民用、军用建筑物墙体或天然气、石油等工业管道，使得在经受爆炸载荷作用时，墙体或管道在爆炸脉冲的法向方向发生收缩而非膨胀。
发明内容
针对现有混凝土在防爆方面的所存在的问题，本发明所述的防爆多孔混凝土通过负泊松比效应设计，可以有效抵抗并吸收爆炸载荷能量，从而实现对建筑结构及其内部人身财产安全最大限度的保护。
本发明的技术方案：用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体，所述防爆多孔混凝土的内凹孔结构由所述空胞体分散在混凝土中得到；所述空胞体由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述空胞体的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连；所述正六面梯台的底端设计有实心的正六棱锥结构；所述正六棱锥与正六面梯台共用底面，如附图1所示。
其中，所述正六面梯台底部六边形的边长为a，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.3a-0.7a，所述空胞体的高度h为1.7a-2.2a，所述正六棱锥的高度c为0.3a-0.7a；单个所述空胞体的体积为100-1000mm3。
用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体的制备方法为：设计空胞体的结构，并根据空胞体的设计参数采用高分子材料吹塑机或注塑机加工成型。其中，所述制备空胞体的材料为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物中的一种或几种。
具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，包括以下几个步骤：(1)制备空胞体：设计空胞体，并根据空胞体的设计参数采用高分子材料吹塑机或注塑机加工成型；(2)称取适量的胶凝材料、减水剂和水，搅拌使混合均匀，得到混凝土基材；(3)根据步骤(2)制备的混凝土基材的体积、空胞体的体积和目标孔隙率，计算所需空胞体的用量；并将空胞体投入混凝土基材中，低速搅拌至二者混合均匀且空胞体被胶凝材料包覆完全；静置养护后，得到具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土。
其中，所述目标孔隙率为10-60％；步骤(3)所述的低速搅拌的速率为30-100r/min。
其中，所述胶凝材料为石膏、硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥、快硬水泥、膨胀水泥、自应力水泥、磷酸镁水泥、特种硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥中的一种或几种；所述减水剂为聚羧酸系减水剂。按重量份数计，所述胶凝材料为280-320份；所述聚羧酸系减水剂为0.5-0.7份，所述水与胶凝材料的重量比为0.5-0.6:1。
通过对孔隙形态及相应界面结构进行优化设计，使混凝土具有负泊松比效应，可提高混凝土对爆炸载荷的吸收能力，并在吸收爆炸载荷后在很大程度上保持混凝土原有宏观结构不被破坏。与具有闭孔结构的普通多孔钢筋混凝土相比，由空胞体结构制备的具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的泊松比最小达到-0.75、储能模量最大可提高327％，大幅提升抵抗并吸收爆炸载荷能量的能力，避免爆炸过程中直接释放爆炸产物对建筑结构及其内部人身财产造成二次伤害，从而实现对建筑结构及其内部人身财产安全最大限度的保护。
为了得到根据上述方法制备的防爆多孔混凝土的泊松比，本申请采用下述方法对试块进行了测试。附图1是测试采用的实验装置示意图。
(一)测试方法
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对普通试块进行抗压强度的测试。采用了全自动压力试验机来对这类试块进行测试。
参照《普通混凝土小型空心砌块力学性能实验标准》(GB/T8239-1997)中的相关内容对多孔试块的抗压强度进行测定。
为了准确测出试块在受到压力载荷后形状的连续变化情况，试验采用最小的加载速度进行加载，普通试块加载速率为0.1MPa/s，多孔试块加载速率为0.2mm/min，并在加载的同时，使用工业相机拍摄试块加载的全过程，直至试块出现宏观破坏。
(二)测试步骤
1.将养护到规定时间的试块从养护室中拿出，将其放入电热鼓风干燥箱内干燥直至恒重，然后取出，冷却到室温。
2.首先将试块表面的测试区域(侧面)均匀的喷上黑漆，然后用白色喷漆随机喷洒在黑漆表面，如图2所示。这样处理的目的是为了便于观测，以满足数字散斑法测试的需要。
3.待喷漆干透后，把试块放置在压力试验机的承压板上，并保证承压板与试块的受压面的中心重合。压缩装置如图3所示。
4.启动试验机，将下压板慢慢上升，当试块与上压板快要接触时，调整旋钮为慢速上升，以便使承板与试块受压面均匀的接触。
5.设置测试参数，将工作空间切换成上空间，最大量程50KN，位移速度0.2mm/min。清零后开始测试，直到试件产生宏观破坏。并在加载过程的同时，用工业相机连续拍照，对不同时刻的试块被破坏的各个时间段进行实时的记录。
6.数据处理：采用DSCM软件(清华大学工程力学系开发)进行相关分析。这种方法在很大程度上弥补了使用相关系数插值拟和的DSCM方法在测量大应变位移场方面的不足，可研究混凝土试件在单轴受压的情况下的形变，并可同时给出位移场和应变场的变化。
如图4所示，普通试块为无孔试块，内凹孔试块的孔隙是预制的内凹空胞体单元结构。
本发明的有益效果：
(1)与泊松比为正值的传统多孔混凝土相比，本发明制备的防爆多孔混凝土的泊松比为负值，大幅度提高了建筑材料对爆炸载荷的吸收能力，且在很大程度上保持原有结构不被破坏。
(2)本发明通过负泊松比效应设计，采用空胞体制备具有内凹孔结构的多孔混凝土，与具有闭孔结构的普通多孔钢筋混凝土相比，其泊松比最小达到-0.75，储能模量最大可提高327％；从而大幅提升抵抗并吸收爆炸载荷能量的能力，避免爆炸过程中直接释放爆炸产物对建筑结构及其内部人身财产造成二次伤害，从而实现对建筑结构及其内部人身财产安全最大限度的保护。
附图说明
图1为制备具有内凹孔结构的混凝土时预制的空胞体结构示意图,a为正六面梯台底部六边形边长，d为正六面梯台顶部六边形边长，h为空胞体高度，c为正六棱锥高度。
图2为泊松比测试采用的实验装置示意图。
图3为泊松比测试中的试样示意图。
图4为泊松比测试中的压缩装置示意图。
图5为多孔混凝土试块剖面结构示意图，a为普通混凝土，b为具有内凹孔结构的混凝土。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体，所述防爆多孔混凝土的内凹孔结构由所述空胞体分散在混凝土中得到；所述空胞体由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述空胞体的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连；所述正六面梯台的底端设计有实心的正六棱锥结构；所述正六棱锥与正六面梯台共用底面。
其中，所述正六面梯台底部六边形的边长为5mm，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为1.5mm，所述空胞体的高度h为9mm，所述正六棱锥的高度c为2.5mm，单个空胞体的体积为495mm3。
用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体的制备方法为：设计空胞体的结构，并根据空胞体的设计参数采用高分子材料吹塑机或注塑机加工成型。其中，所述制备空胞体的材料为低密度聚乙烯。
具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，包括以下几个步骤：(1)制备空胞体：设计空胞体，并根据空胞体的设计参数采用高分子材料吹塑机或注塑机加工成型；(2)称取300g硅酸盐水泥、0.6g聚羧酸系减水剂和150g水，搅拌使混合均匀，得到混凝土基材；(3)为实现30％的目标孔隙率，计算所需空胞体的量为6.1×105个/m3(可根据具体空胞体的比重换算为重量)；并将空胞体投入混凝土基材中，在70r/min的转速下搅拌至二者混合均匀且空胞体被包覆完全；静置养护后，得到具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土。
为了得到根据上述方法制备的防爆多孔混凝土的泊松比，本申请采用下述方法对试块进行了检测。附图2是检测采用的实验装置示意图。
(一)测试方法
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对普通试块进行抗压强度的测试。采用了全自动压力试验机来对这类试块进行测试。
参照《普通混凝土小型空心砌块力学性能实验标准》(GB/T8239-1997)中的相关内容对多孔试块的抗压强度进行测定。
为了准确测出试块在受到压力载荷后形状的连续变化情况，试验采用最小的加载速度进行加载，普通试块加载速率为0.1MPa/s，多孔试块加载速率为0.2mm/min，并在加载的同时，使用工业相机拍摄试块加载的全过程，直至试块出现宏观破坏。
(二)测试步骤
1.将养护到规定时间的试块从养护室中拿出，将其放入电热鼓风干燥箱内干燥直至恒重，然后取出，冷却到室温。
2.首先将试块表面的测试区域(侧面)均匀的喷上黑漆，然后用白色喷漆随机喷洒在黑漆表面，如图3所示。这样处理的目的是为了便于观测，以满足数字散斑法测试的需要。
3.待喷漆干透后，把试块放置在压力试验机的承压板上，并保证承压板与试块的受压面的中心重合。压缩装置如图4所示。
4.启动试验机，将下压板慢慢上升，当试块与上压板快要接触时，调整旋钮为慢速上升，以便使承板与试块受压面均匀接触。
5.设置测试参数，将工作空间切换成上空间，最大量程50KN，位移速度 0.2mm/min。清零后开始测试，直到试件产生宏观破坏。并在加载过程的同时，用工业相机连续拍照，对不同时刻的试块被破坏的各个时间段进行实时的记录。
6.数据处理：采用DSCM软件(清华大学工程力学系开发)进行相关分析。这种方法在很大程度上弥补了使用相关系数插值拟和的DSCM方法在测量大应变位移场方面的不足，可研究混凝土试件在单轴受压的情况下的形变，并可同时给出位移场和应变场的变化。
根据上述检测结果进行计算，本实施例制备的具备连通孔结构的防爆多孔混凝土的泊松比为-0.59。
实施例2：具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土
与实施例1不同的是，用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体中，所述正六面梯台底部六边形的边长为5mm，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为2.1mm，所述空胞体的高度h为11mm，所述正六棱锥的高度c为3mm，单个空胞体的体积为578mm3。
用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体的制备方法中，所述制备空胞体的材料为超高分子量聚乙烯。
具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法中，步骤(2)：称取280g抗硫酸盐水泥、0.5g聚羧酸系减水剂和168g水，搅拌使混合均匀，得到混凝土基材；(3)为实现60％的目标孔隙率，计算所需空胞体的量为1.13×106个/m3；并将空胞体投入混凝土基材中，在80r/min的转速下搅拌至二者混合均匀且空胞体被包覆完全；静置养护后，得到具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备连通孔结构的防爆多孔混凝土的泊松比为-0.67。
实施例3：具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土
与实施例1不同的是，用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体中，所述正六面梯台底部六边形的边长为5mm，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为2mm，所述空胞体的高度h为10mm，所述正六棱锥的高度c为3mm，单个空胞体的体积为550mm3。
用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体的制备方法中，所述制备空胞体的材料为聚氯乙烯。
具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法中，步骤(2)：称取320g硅酸盐水泥、0.7g聚羧酸系减水剂和176g水，搅拌使混合均匀，得到混凝土基材；(3)为实现20％的目标孔隙率，计算所需空胞体的量为3.64×105个/m3；并将空胞体投入混凝土基材中，在30r/min的转速下搅拌至二者混合均匀且空胞体被包覆完全；静置养护后，得到具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备连通孔结构的防爆多孔混凝土的泊松比为-0.31。
实施例4：具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土
与实施例1不同的是，用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体中，所述正六面梯台底部六边形的边长为5mm，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为3mm，所述空胞体的高度h为8mm，所述正六棱锥的高度c为3mm，单个空胞体的体积为517mm3。
用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体的制备方法中，所述制备空胞体的材料为聚酰胺。
具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法中，步骤(2)：称取300g快硬水泥、0.6g聚羧酸系减水剂和150g水，搅拌使混合均匀，得到混凝土基材；(3)为实现50％的目标孔隙率，计算所需空胞体的量为9.67×105个/m3；并将空胞体投入混凝土基材中，在100r/min的转速下搅拌至二者混合均匀且空胞体被包覆完全；静置养护后，得到具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土。根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土的泊松比为-0.65。
实施例5：具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土
与实施例1不同的是，用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体中，所述正六面梯台底部六边形的边长为5mm，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为4mm，所述空胞体的高度h为9mm，所述正六棱锥的高度c为3mm，单个空胞体的体积为526mm3。
用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体的制备方法中，所述制备空胞体的材料为改性聚苯醚。
具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法中，步骤(2)：称取290g膨胀水泥、0.5g聚羧酸系减水剂和174g水，搅拌使混合均匀，得到混凝土基材；(3)为实现40％的目标孔隙率，计算所需空胞体的量为7.60×105个/m3；并将空胞体投入混凝土基材中，在50r/min的转速下搅拌至二者混合均匀且空胞体被包覆完全；静置养护后，得到具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土的泊松比为-0.61。
实施例6：具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土
与实施例1不同的是，用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体中，所述正六面梯台底部六边形的边长为5mm，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为2mm，所述空胞体的高度h为11mm，所述正六棱锥的高度c为3mm，单个空胞体的体积为536mm3。
用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体的制备方法中，所述制备空胞体的材料为甲基戊烯聚合物。
具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法中，步骤(2)：称取310g特种硅酸盐水泥、0.7g聚羧酸系减水剂和155g水，搅拌使混合均匀，得到混凝土基材；(3)为实现45％的目标孔隙率，计算所需空胞体的量为8.41×105个/m3；并将空胞体投入混凝土基材中，在75r/min的转速下搅拌至二者混合均匀且空胞体被包覆完全；静置养护后，得到具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土的泊松比为-0.67。

Claims (9)

1.用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体，其特征在于：所述防爆多孔混凝土的内凹孔结构由所述空胞体分散在混凝土中得到；所述空胞体由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述空胞体的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连；所述正六面梯台的底端设计有实心的正六棱锥结构；所述正六棱锥与正六面梯台共用底面。
2.根据权利要求1所述的用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体，其特征在于：所述正六面梯台底部六边形的边长为a，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.3a-0.7a，所述空胞体的高度h为1.7a-2.2a，所述正六棱锥的高度c为0.3a-0.7a；单个所述空胞体的体积为100-1000mm3。
3.用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体的制备方法，其特征在于：设计空胞体，并根据空胞体的设计参数采用高分子材料吹塑机、注塑机进行加工成型。
4.用于制备具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的空胞体的制备方法，其特征在于：所述制备空胞体的材料为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物中的一种或几种。
5.具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下几个步骤：(1)制备空胞体：设计空胞体，并根据空胞体的设计参数采用高分子材料吹塑机或注塑机进行加工成型；(2)称取适量的胶凝材料、减水剂和水，搅拌使混合均匀，得到混凝土基材；(3)根据步骤(2)制备的混凝土基材的体积、空胞体体积和目标孔隙率，计算所需空胞体的用量；并将空胞体投入混凝土基材中，低速搅拌至二者混合均匀且空胞体被胶凝材料包覆完全；静置养护后，得到具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土。
6.根据权利要求5具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，其特征在于：所述目标孔隙率为10-60％；步骤(3)所述的低速搅拌的速率为30-100r/min。
7.根据权利要求5具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，其特征在于：所述胶凝材料为石膏、硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥、快硬水泥、膨胀水泥、自应力水泥、磷酸镁水泥、特种硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥中的一种或几种；所述减水剂为聚羧酸系减水剂。
8.根据权利要求7具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，其特征在于：按重量份数计，所述胶凝材料为280-320份，所述聚羧酸系减水剂为0.5-0.7份；所述水与胶凝材料的重量比为0.5-0.6:1。
9.根据权利要求5-8中任意一项具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，其特征在于：所述制备空胞体的材料为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物中的一种或几种。
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