CN111003959A - 抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土及其制备方法 - Google Patents

抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土及其制备方法。所述抗爆抗冲击混凝土中设置多层平行排布的多级异质纤维预制体。所述多级异质纤维预制体由若干根多级异质纤维经纬平织而成。所述多级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成；所述芯纤维为低模量纤维，所述多级辅纤维为不同弹性模量的高模量纤维。所述抗爆抗冲击混凝土，通过预制体中多级辅纤维的梯度式螺旋设计以及三维层状排布，使得预制体的负泊松比效应显著提高并在基体中有效发挥。与现有混凝土相比，所述抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土的强度、韧性、耗能模量与储能模量均大幅度提高，且可有效防止材料损伤产生碎片飞溅，减少对人员及建筑结构的二次伤害。

Description

抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑领域，涉及一种抗爆抗冲击纤维混凝土及其制备方法，具体地说，涉及一种抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土及其制备方法。
背景技术
近年来，国内外爆炸事故频繁发生，对建筑物和人的生命财产造成严重的威胁。这是由于爆炸事故发生时间短，遭受冲击载荷非常大，且变化时间非常快，难以做出有效的应对措施以降低伤害。通常来说，高强混凝土的弹性模量大、脆性较大、延展性低，在爆炸时会产生体积大且数量多的碎片，造成一定的伤害。在混凝土中掺入纤维，可以增加结构或构件的强度和延性，避免在爆炸发生时爆炸碎片飞溅。
从材料角度进行研究，改善建筑结构材料的防护抗爆性能，使混凝土朝着高韧性、高延性方向发展，进而改善结构抗爆炸局部破坏性能；目前的常用手段是在混凝土中掺入韧性良好的纤维材料改变混凝土低韧性强度和脆性状态，形成新的复合材料。现有技术中，大多在纤维增强混凝土中掺入单一纤维来解决这个问题。但由于纤维本身的特性，对纤维混凝土混凝土的阻裂性与抗冲击性仍存在一定的不足；如碳纤维本身具有很高的韧性和延展性，应用在混凝土中可以显著提高混凝土的韧性以及抗拉强度等，但碳纤维在受到局部冲击时表现为脆性，故当只有单种碳纤维增强混凝土在抗冲击性能方面存在一定的局限性；此外，纤维在混凝土中，纤维的杂乱分布对于纤维混凝土特定方向及内部结构的抗冲击性能研究存在一定的困难。
发明专利申请201810455234.3公开了“一种利用合成双螺旋纤维制备的混凝土及其制备方法”。该申请公开了负泊松比双螺旋纤维的制备，以及掺加一定量的双螺旋纤维制备混凝土的方法。该申请将双螺旋纤维掺入混凝土中，能有效控制混凝土的非结构性裂缝，使双螺旋纤维混凝土比传统纤维混凝土具有更好的增强效果。然而，该申请所涉及的双螺旋纤维结构的负泊松比效应较为有限，且负泊松比效应仅仅存在于双螺旋纤维结构本身，将所述短切双螺旋纤维掺杂在混凝土中，混凝土整体负泊松比效应并不明显，不能实现混凝土的抗冲击性、抗爆性能的大幅度提升。此外，该申请对于纤维种类的范围较窄，未能适用所有纤维混凝土类型，且纤维经未改性环氧树脂处理后与混凝土基体的粘结性能不理想，在荷载作用下易与混凝土基体剥离，降低混凝土综合性能。
发明内容
针对现有技术中抗爆抗冲击混凝土所存在的问题，本发明提供了一种具备显著负泊松比效应的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土及其制备方法。所述复合混凝土优化了现有的双螺旋纤维结构，并改善了其在基体中三维随机分布的状况。与现有抗爆抗冲击混凝土相比，所述抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土的强度、韧性、耗能模量与储能模量均大幅度提高，且可有效防止材料损伤产生碎片飞溅，减少对人员及建筑结构的二次伤害。
本发明的技术方案：
具备负泊松比效应的多级异质纤维预制体由若干根多级异质纤维经纬平织而成。所述多级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成；所述芯纤维为低模量纤维，所述多级辅纤维为不同弹性模量的高模量纤维。相邻所述多级异质纤维的芯纤维之间的距离为20mm-100mm。所述低模量纤维的弹性模量为50MPa-50GPa；所述高模量纤维的弹性模量为≥50GPa。所述辅纤维分级缠绕在芯纤维上；所述一级辅纤维弹性模量为50GPa-90GPa；所述第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-9.6，N为2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-3.0，第N级辅纤维直径与第N-1级辅纤维的直径比为0.5-0.9，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-15.0，N为2-7；所述第一级辅纤维螺旋角度为2°-8°，第N级辅纤维较第N-1级辅纤维的螺旋角度增加3°-15°，第N级辅纤维螺旋角度为5-60°，N为2-7。所述辅纤维采用螺旋角与弹性模量均呈梯度分布的多级高模量纤维，具有优良的耐久性和高抗拉强度，能够在微裂纹产生时抑制裂缝的扩展，促进混凝土内应力的均匀分布，从而提高混凝土的抗压强度和抗冲击性。而作为芯纤维的低模量纤维，其柔韧性可以提高纤维网织物结构及混凝土基体的抗拉、抗弯、抗剪性能，并在宏观裂缝产生时充分发挥作用避免基体快速损伤。
其中，所述低模量纤维为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、纤维素纤维、聚四氟乙烯纤维和聚苯硫醚纤维中的一种或多种；所述高模量纤维为芳纶纤维、聚苯并咪唑纤维、聚苯并二恶唑纤维、聚芳酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维、连续玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化镁纤维、氧化铝纤维、二氧化硅纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、石墨烯纤维和硼纤维中的一种或多种。
优选的是，所述第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-7.5，N为2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-2.5，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-10.0，第N级辅纤维螺旋角度为10-60°，N为2-7。
抗爆抗冲击混凝土中设置多层平行排布的多级异质纤维预制体。相邻所述各层多级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为10°-90°。所述多级异质纤维预制体所在的平面与混凝土所抵抗的冲击载荷的方向之间的夹角为5°-90°。相邻所述多级异质纤维预制体的层间距为20mm-100mm。当混凝土存在较大开裂位移条件时，多级异质纤维预制体结构能够使其保持良好韧性，减少混凝土裂纹的发展路径，延迟基体微观裂缝的形成和扩展，从而增强混凝土的抗爆抗冲击性能。
所述具有显著负泊松比效应的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法：包括以下步骤：
(1)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构；
(2)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂和固化剂分别加入到环氧树脂中充分搅拌，其中偶联剂的量为环氧树脂质量的0.1％-5.0％，所述固化剂和环氧树脂的质量比为1.0:0.8-1.0:1.2；然后将步骤(1)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至50℃-80℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置直至完成固化，获得一级异质纤维结构；
(3)多级异质纤维结构的加工制备：将步骤(2)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述N级结构的螺旋角度，重复步骤(1)和步骤(2)，制备得到N级异质纤维结构，N为2-7；
(4)多级异质纤维预制体的编织制备：将所得N级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，相邻所述多级异质纤维的芯纤维之间的距离为20mm-100mm，然后将步骤(2)所述的固化体系充分涂覆在经纬平织结构所有经纬交接点，静置直至完成固化，获得N级异质纤维预制体，N为2-7；
(5)抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土的施工制备：将搅拌完成的混凝土浆料浇筑至模具中至高度为20mm-100mm，在未出现表面固化的混凝土浆料表面一层铺设多级异质纤维预制体，然后重复上述浇筑与铺设步骤，振捣密实，养护成型。其中，各层纤维预制体间纤维的投影夹角为10°-90°，相邻所述异质纤维网状结构的层间距为20mm-100mm，即得到所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土。
其中，所述环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种或多种。根据上述方法制备的抗爆抗冲击混凝土，改善了异质纤维之间以及异质纤维与混凝土基体间的界面结构与性能，实现了多级异质纤维预制体的负泊松比效应在混凝土基体中的极大限度发挥，从而提高了基体材料的抗爆抗冲击能力。
抗爆抗冲击原理：当多级异质纤维预制体受到非平行外力冲击作用时，由于预制体中各级辅纤维的弹性模量较高且断裂伸长率较低，故趋向为伸直状态；而芯纤维则由于弹性模量较低且伸长率较大变，从而趋向为螺旋状态。其中，芯纤维的直径大于辅纤维直径，在应力作用下螺旋纤维结构表现为在横向方向变宽，而纤维预制体则表现为网格经纬向孔隙缩小；因此当混凝土中产生裂缝时，不但保持了混凝土的完整性，还防止混凝土的碎片化，提高混凝土的抗强动载性能、结构安全性与稳定性。
本发明的有益效果：
(1)本发明所述的多级异质纤维预制体，采用多级不同弹性模量的纤维构筑的纤维束经纬平织网络，不仅节省造价，还可发挥不同纤维的优点；通过纤维梯度结构的设计，增加了纤维网的储能模量等力学性能，并通过经纬网络节点建立了纤维动态联动机制，从而使得所述多级异质纤维预制体具有更加显著的负泊松比效应。
(2)本发明将所述的抗爆抗冲击混凝土，通过预制体中多级辅纤维的梯度式螺旋设计以及三维层状排布，使得预制体的负泊松比效应显著提高并在基体中有效发挥，在非平行荷载作用方向上，不但大幅度提高了相同配合比素混凝土的抗压、抗拉、抗剪等抗静载力学性能，而且使相同配合比素混凝土的抗爆抗冲击性能可提高至135.4％。
(3)本发明所述的混凝土制备方法中，将偶联剂加入环氧树脂中，改善了纤维与纤维、纤维与混凝土的界面结构，增强各类界面间的结合力，使界面粘结强度等力学性能得到提高。同时，还使得纤维表面的性状与混凝土基体相近，从而大幅提高了纤维的增强、增韧和阻裂能力。其中，混凝土抗拉强度与抗剪强度可分别达到26.5MPa、17.8MPa，与普通混凝土相比，力学强度得到了大幅度提高。
附图说明
附图1为三级异质纤维结构示意图，其中：a为芯纤维，b1为一级辅纤维，b2为二级辅纤维，b3为三级辅纤维，θ为辅纤维与芯纤维间螺旋角度，D为芯纤维直径，d为辅纤维直径。
附图2为三级异质纤维受力变形示意图，其中：A1为自由初始状态三级异质纤维主视图，A2为自由初始状态三级异质纤维径向剖面图，B1为最大应力状态三级异质纤维主视图，B2为最大应力状态三级异质纤维径向剖面图。
附图3为多级异质纤维预制体中纤维经纬平织结构示意图，其中，x、y为多级异质纤维的芯纤维之间的距离。
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：
具备负泊松比效应的二级异质纤维预制体，由若干根二级异质纤维经纬平织而成。所述二级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成；所述芯纤维为低模量纤维，所述二级辅纤维为不同弹性模量的高模量纤维。相邻所述二级异质纤维的芯纤维之间的距离为20mm。所述低模量纤维为聚乙烯醇纤维；聚乙烯醇纤维：长纤维，直径为450μm的纤维束，断裂伸长率为7％，弹性模量为43GPa，密度为1.30g/cm3，有良好的耐酸碱性。
所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为50Gpa，直径为150μm，螺旋角为6°；所述第二级辅纤维是硅酸铝纤维，弹性模量为480GPa，直径为75μm，螺旋角为15°。
所述抗爆抗冲击混凝土中设置多层平行排布的二级异质纤维预制体。相邻所述各层二级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为30°。所述二级异质纤维预制体所在的平面与混凝土所抵抗的冲击载荷的方向之间的夹角为45°。相邻所述二级异质纤维预制体的层间距为70mm。
所述具有显著负泊松比效应的抗爆抗冲击二级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法：包括以下步骤：
(1)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(2)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂和固化剂分别加入到环氧树脂中充分搅拌，其中偶联剂的量为环氧树脂质量的2.0％，所述固化剂和环氧树脂的质量比为1.0:0.8；然后将步骤(1)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至65℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置直至完成固化，获得一级异质纤维结构；其中，所述环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺；所述偶联剂为硅烷偶联剂。
(3)二级异质纤维结构的加工制备：将步骤(2)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述二级结构的螺旋角度，重复步骤(1)和步骤(2)，制备二级异质纤维结构。
(4)二级异质纤维预制体的编织制备：将所得二级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，相邻所述二级异质纤维的芯纤维之间的距离为20mm，然后将步骤(2)所述的固化体系充分涂覆在经纬平织结构所有经纬交接点，静置直至完成固化，获得二级异质纤维预制体。
(5)抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土的施工制备：将按照C100配合比设计搅拌完成的混凝土浆料浇筑至模具中至高度为70mm，在未出现表面固化的混凝土浆料表面一层铺设二级异质纤维预制体，然后重复上述浇筑与铺设步骤，振捣密实，养护成型。
实施例2：与实施例1不同的是，
具备负泊松比效应的三级异质纤维预制体，相邻所述三级异质纤维的芯纤维之间的距离为50mm。所述低模量纤维为聚乙烯纤维；聚乙烯纤维：束状单丝，直径为380μm的纤维束，弹性模量为4000MPa，断裂伸长率为15％，密度为0.91g/cm3。
所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为85GPa，直径为243μm，螺旋角为7°；所述第二级辅纤维为超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量为130GPa，直径为151μm，螺旋角为15°；所述第三级辅纤维是钢纤维和碳纤维，其中，钢纤维的弹性模量为210GPa，碳纤维的弹性模量为200GPa，钢纤维和碳纤维的直径均为135μm，碳纤维和钢纤维的螺旋角均为30°。
所述抗爆抗冲击混凝土中设置多层平行排布的三级异质纤维预制体。相邻所述各层三级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为50°。所述三级异质纤维预制体所在的平面与混凝土所抵抗的冲击载荷的方向之间的夹角为60°。相邻所述三级异质纤维预制体的层间距为100mm。
所述具有显著负泊松比效应的抗爆抗冲击三级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法：包括以下步骤：
(1)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(2)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂和固化剂分别加入到环氧树脂中充分搅拌，其中偶联剂的量为环氧树脂质量的0.5％，所述固化剂和环氧树脂的质量比为1.0:1.2；然后将步骤(1)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至55℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置直至完成固化，获得一级异质纤维结构；其中，所述环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酯树脂；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。
(3)三级异质纤维结构的加工制备：将步骤(2)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述三级结构的螺旋角度，重复步骤(1)和步骤(2)，制备三级异质纤维结构。
(4)三级异质纤维预制体的编织制备：将所得三级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，相邻所述三级异质纤维的芯纤维之间的距离为50mm，然后将步骤(2)所述的固化体系充分涂覆在经纬平织结构所有经纬交接点，静置直至完成固化，获得三级异质纤维预制体。
(5)抗爆抗冲击三级异质纤维预制体复合混凝土的施工制备：将按照C100配合比设计搅拌完成的混凝土浆料浇筑至模具中至高度为100mm，在未出现表面固化的混凝土浆料表面一层铺设多级异质纤维预制体，然后重复上述浇筑与铺设步骤，振捣密实，养护成型。
实施例3：与实施例1不同的是，
具备负泊松比效应的四级异质纤维预制体，相邻所述四级异质纤维的芯纤维之间的距离为80mm。所述低模量纤维为聚丙烯纤维；聚丙烯纤维：束状单丝长纤维，直径为410μm的纤维束，密度为0.91g/cm3，弹性模量为3500MPa，断裂伸长率为17％，柔性链纤维，耐酸碱性强。
所述一级辅纤维是聚芳酯纤维，弹性模量为50Gpa，直径为270μm，螺旋角为5°；所述第二级辅纤维是聚苯并二恶唑纤维，弹性模量为56Gpa，直径为220μm，螺旋角为12°；所述第三级辅纤维是超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量为65Gpa，直径为143μm，螺旋角为18°；所述第四级辅纤维是氧化铝纤维，弹性模量为460Gpa，直径为125μm，螺旋角为30°。
所述抗爆抗冲击混凝土中设置多层平行排布的四级异质纤维预制体。相邻所述各层四级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为70°。所述四级异质纤维预制体所在的平面与混凝土所抵抗的冲击载荷的方向之间的夹角为90°。相邻所述四级异质纤维预制体的层间距为20mm。
所述具有显著负泊松比效应的抗爆抗冲击四级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法：包括以下步骤：
(1)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(2)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂和固化剂分别加入到环氧树脂中充分搅拌，其中偶联剂的量为环氧树脂质量的0.1％，所述固化剂和环氧树脂的质量比为1.0:0.9；然后将步骤(1)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至60℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置直至完成固化，获得一级异质纤维结构；其中，所述环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为脂肪族胺类固化剂；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。
(3)四级异质纤维结构的加工制备：将步骤(2)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述四级结构的螺旋角度，重复步骤(1)和步骤(2)，制备得到四级异质纤维结构。
(4)四级异质纤维预制体的编织制备：将所得四级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，相邻所述四级异质纤维的芯纤维之间的距离为80mm，然后将步骤(2)所述的固化体系充分涂覆在经纬平织结构所有经纬交接点，静置直至完成固化，获得四级异质纤维预制体。
(5)抗爆抗冲击四级异质纤维预制体复合混凝土的施工制备：将按照C100配合比设计搅拌完成的混凝土浆料浇筑至模具中至高度为20mm，在未出现表面固化的混凝土浆料表面一层铺设四级异质纤维预制体，然后重复上述浇筑与铺设步骤，振捣密实，养护成型。
实施例4：与实施例1不同的是，
具备负泊松比效应的五级异质纤维预制体，相邻所述五级异质纤维的芯纤维之间的距离为100mm。所述低模量纤维为聚酯纤维；聚酯纤维：直径为668μm，密度1.38g/cm3，弹性模量为13.50GPa，断裂伸长率为21％，为柔性链纤维。
所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为50Gpa，直径为230μm，螺旋角为7°；所述第二级辅纤维为石英纤维，弹性模量为78Gpa，直径为126μm，螺旋角为10°，所述第三级辅纤维为聚芳酯纤维，弹性模量为87Gpa，直径为91μm，螺旋角为24°，所述第四级辅纤维是玄武岩纤维，弹性模量为110Gpa，直径为78μm，螺旋角为35°；所述第五级辅纤维为氧化铝纤维，弹性模量为460Gpa，直径为70μm，螺旋角为50°。
所述抗爆抗冲击混凝土中设置五层平行排布的多级异质纤维预制体。相邻所述各层五级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为90°。所述五级异质纤维预制体所在的平面与混凝土所抵抗的冲击载荷的方向之间的夹角为5°。相邻所述五级异质纤维预制体的层间距为40mm。
所述具有显著负泊松比效应的抗爆抗冲击五级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法：包括以下步骤：
(1)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(2)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂和固化剂分别加入到环氧树脂中充分搅拌，其中偶联剂的量为环氧树脂质量的1.0％，所述固化剂和环氧树脂的质量比为1.0:1.1；然后将步骤(1)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至70℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置直至完成固化，获得一级异质纤维结构；其中，所述环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。
(3)五级异质纤维结构的加工制备：将步骤(2)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述五级结构的螺旋角度，重复步骤(1)和步骤(2)，制备得到五级异质纤维结构。
(4)五级异质纤维预制体的编织制备：将所得五级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，相邻所述五级异质纤维的芯纤维之间的距离为100mm，然后将步骤(2)所述的固化体系充分涂覆在经纬平织结构所有经纬交接点，静置直至完成固化，获得五级异质纤维预制体。
(5)抗爆抗冲击五级异质纤维预制体复合混凝土的施工制备：将按照C100配合比设计搅拌完成的混凝土浆料浇筑至模具中至高度为40mm，在未出现表面固化的混凝土浆料表面一层铺设五级异质纤维预制体，然后重复上述浇筑与铺设步骤，振捣密实，养护成型。
实施例5：与实施例1不同的是，
具备负泊松比效应的六级异质纤维预制体，相邻所述六级异质纤维的芯纤维之间的距离为40mm。所述低模量纤维为聚乙烯醇纤维；聚酰胺纤维：长纤维，直径为480μm，断裂伸长率为23％，弹性模量为5.25GPa，密度为1.14g/cm3。
所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为71Gpa，直径为283μm，螺旋角为7°；所述第二级辅纤维为聚芳酯纤维，弹性模量为120Gpa，直径为224μm，螺旋角为15°；所述第三级辅纤维是钢纤维，弹性模量为210Gpa，直径为180μm，螺旋角为25°；所述第四级辅纤维是碳化硅纤维，弹性模量为290Gpa，直径为144μm，螺旋角为34°；所述第五级辅纤维是氧化铝纤维，弹性模量为375Gpa，直径为115μm，螺旋角为40°；所述第六级辅纤维是硅酸铝纤维，弹性模量为480Gpa，直径为100μm，螺旋角为50°。所述抗爆抗冲击混凝土中设置多层平行排布的六级异质纤维预制体。相邻所述各层六级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为10°。所述六级异质纤维预制体所在的平面与混凝土所抵抗的冲击载荷的方向之间的夹角为30°。相邻所述六级异质纤维预制体的层间距为50mm。
所述具有显著负泊松比效应的抗爆抗冲击六级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法：包括以下步骤：
(1)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构；
(2)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂和固化剂分别加入到环氧树脂中充分搅拌，其中偶联剂的量为环氧树脂质量的5.0％，所述固化剂和环氧树脂的质量比为1.0:1.0；然后将步骤(1)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至50℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置直至完成固化，获得一级异质纤维结构；其中，所述环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酯树脂；所述偶联剂为硅烷偶联剂。
(3)六级异质纤维结构的加工制备：将步骤(2)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述六级结构的螺旋角度，重复步骤(1)和步骤(2)，制备得到六级异质纤维结构；
(4)六级异质纤维预制体的编织制备：将所得六级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，相邻所述六级异质纤维的芯纤维之间的距离为40mm，然后将步骤(2)所述的固化体系充分涂覆在经纬平织结构所有经纬交接点，静置直至完成固化，获得六级异质纤维预制体；
(5)抗爆抗冲击六级异质纤维预制体复合混凝土的施工制备：将按照C100配合比设计搅拌完成的混凝土浆料浇筑至模具中至高度为50mm，在未出现表面固化的混凝土浆料表面一层铺设六级异质纤维预制体，然后重复上述浇筑与铺设步骤，振捣密实，养护成型。
实施例6：与实施例1不同的是，
具备负泊松比效应的七级异质纤维预制体，相邻所述七级异质纤维的芯纤维之间的距离为60mm。所述低模量纤维为聚酰亚胺纤维；其中，弹性模量为12GPa，密度为2.35g/cm3，直径为600μm，断裂伸长率29％。
所述一级辅纤维是耐碱玻璃纤维，弹性模量为73Gpa，直径为300μm，螺旋角为5°；所述第二级辅纤维为超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量为100Gpa，直径为200μm，螺旋角为14°；所述第三级辅纤维是碳化硅纤维，弹性模量为176Gpa，直径为150μm，螺旋角为25°；所述第四级辅纤维是钢纤维，弹性模量为200Gpa，直径为125μm，螺旋角为32°；所述第五级辅纤维是碳纤维，弹性模量为240Gpa，直径为100μm，螺旋角为40°；所述第六级辅纤维是氧化铝纤维，弹性模量为350Gpa，直径为75μm，螺旋角为50°；所述第七级辅纤维是碳化硅纤维，弹性模量为460Gpa，直径为40μm，螺旋角为60°。
所述抗爆抗冲击混凝土中设置多层平行排布的七级异质纤维预制体。相邻所述各层多级异质纤维预制体间七级异质纤维的投影夹角为45°。所述七级异质纤维预制体所在的平面与混凝土所抵抗的冲击载荷的方向之间的夹角为75°。相邻所述七级异质纤维预制体的层间距为80mm。
所述具有显著负泊松比效应的抗爆抗冲击七级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法：包括以下步骤：
(1)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构；
(2)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂和固化剂分别加入到环氧树脂中充分搅拌，其中偶联剂的量为环氧树脂质量的3.0％，所述固化剂和环氧树脂的质量比为1.0:0.8；然后将步骤(1)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至80℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置直至完成固化，获得一级异质纤维结构；其中，所述环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为脂肪族胺类固化剂；所述偶联剂为硅烷偶联剂。
(3)七级异质纤维结构的加工制备：将步骤(2)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述七级结构的螺旋角度，重复步骤(1)和步骤(2)，制备得到七级异质纤维结构。
(4)七级异质纤维预制体的编织制备：将所得七级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，相邻所述七级异质纤维的芯纤维之间的距离为60mm，然后将步骤(2)所述的固化体系充分涂覆在经纬平织结构所有经纬交接点，静置直至完成固化，获得七级异质纤维预制体。
(5)抗爆抗冲击七级异质纤维预制体复合混凝土的施工制备：将按照C100配合比设计搅拌完成的混凝土浆料浇筑至模具中至高度为80mm，在未出现表面固化的混凝土浆料表面一层铺设七级异质纤维预制体，然后重复上述浇筑与铺设步骤，振捣密实，养护成型。
对照实施例1：
长度为2.5mm的双螺旋纤维中，低模量纤维为聚丙烯纤维，高模量纤维为钢纤维。其中，聚丙烯纤维：束状单丝长纤维，直径350μm，密度0.91g/cm3，熔点168℃，抗拉强度360MPa，弹性模量3700MPa，断裂伸长率为16％，为柔性链纤维，耐酸碱性强。钢纤维：直径150μm，密度为7.80g/cm3，抗拉强度1200MPa，弹性模量200GPa，断裂伸长率为3.2％。将质量百分比为6.5％的上述双螺旋短切纤维与C100混凝土充分均匀拌合，制备得到抗爆抗冲击混凝土。
将对照实施例1与实施例1-6制备的样品分别进行相应的力学性能测试。
(1)泊松比值的测试：采用数字散斑相关方法配合万能力学实验机测试计算，力学实验机加载速度为5mm/min。
(2)纤维力学性能测试：应用万能力学试验机，采用5mm/min的拉伸速度，纤维长度为250mm。
(3)混凝土试块抗压强度测试：依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002，应用万能力学试验机，试块尺寸为150mm×150mm×150mm。
(4)混凝土抗拉强度测试：依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002，应用万能力学试验机，试块尺寸为150mm×150mm×150mm。
(5)混凝土抗剪强度测试：按照《CECS13-89钢纤维混凝土试验方法》，应用万能力学试验机，试块尺寸为100mm×100mm×400mm。
(6)混凝土抗冲击强度测试：采用100mm霍普金森压杆实验装置，试件尺寸为Φ98mm×50mm，加载速度分别为3m/s、10m/s、20m/s，试验采用波形整形技术以保证应力均匀性。
表1对照实施例1双螺旋纤维与实施例1-6制备的纤维预制体的参数
纤维预制体 对照实施例1 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
泊松比值 -4.32 -5.77 -6.98 -7.55 -8.65 -9.35 -10.64
表2对照实施例1与实施例1-6制备的抗爆抗冲击混凝土的参数
Figure BDA0002247122130000121
由表1可知，实施例1-6制备的纤维预制体的负泊松比为-5.77～-10.64，而对照实施例所述的双螺旋纤维的负泊松比为-4.32。由此可知，与现有技术中的双螺旋纤维相比，本申请所述的多级纤维预制体的负泊松效应更加显著；而且随着纤维预制体中辅纤维级数的增加，负泊松效应也逐步增加。
由表2可知，对照实施例采用双螺旋纤维制备的混凝土的泊松比为0.2，这说明，尽管双螺旋纤维具有明显的负泊松比效应，但却不能在其增强的混凝土上充分体现。而实施例1-6制备的混凝土，其负泊松比为0.17～-0.36，说明本发明所述混凝土通过纤维预制体本身良好的负泊松比效应以及多级纤维预制体在混凝土内部的规则排布，可大幅度降低混凝土的泊松比值，并在真正意义上实现了负泊松比混凝土的制备，从而解决了抗爆抗冲击混凝土制备的难题，具有重要的工程价值与社会意义。
此外，由表2可知，实施例1-6制备的混凝土，抗压强度为110.5-126.9MPa，抗拉强度为18.7-26.5MPa，抗剪强度为11.1-17.8MPa，与对照实施例相比均明显提高；尤其是抗拉强度和抗剪强度，可增加一倍以上，抗静载力学性能得到了大幅度提高。同时，混凝土的抗爆抗冲击强度增幅可达135.4％，10m/s冲击能量吸收达到350kJ/m3以上；说明所述混凝土真正实现了抗爆抗冲击功能。这主要是通过预制体中多级辅纤维的梯度式螺旋设计以及三维层状排布而实现，使得预制体的负泊松比效应显著提高并在基体中得到了有效发挥。

Claims (10)

1.具备负泊松比效应的多级异质纤维预制体，其特征在于：所述纤维预制体由若干根多级异质纤维经纬平织而成；所述多级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成；所述芯纤维为低模量纤维，所述多级辅纤维包括依次缠绕在芯纤维上的弹性模量不同的高模量纤维；所述多级辅纤维中的一级辅纤维弹性模量为50 GPa-90GPa；第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-9.6，N=2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-3.0，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-15.0，第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的直径比为0.5-0.9，N为2-7；所述第一级辅纤维螺旋角度为2°-8°，第N级辅纤维的螺旋角度较第N-1级辅纤维增加3°-15°，第N级辅纤维螺旋角度为5-60°，N为2-7。
2.根据权利要求1所述的具备负泊松比效应的多级异质纤维预制体，其特征在于：相邻所述多级异质纤维的芯纤维之间的距离为20mm-100mm；所述低模量纤维的弹性模量为50MPa-50GPa；所述高模量纤维的弹性模量为≥50GPa；第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-7.5，N为2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-2.5，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-10.0，第N级辅纤维螺旋角度为10-60°，N为2-7。
3.根据权利要求2所述的具备负泊松比效应的多级异质纤维预制体，其特征在于：所述低模量纤维为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、纤维素纤维、聚四氟乙烯纤维和聚苯硫醚纤维中的一种或多种；所述高模量纤维为芳纶纤维、聚苯并咪唑纤维、聚苯并二恶唑纤维、聚芳酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维、连续玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化镁纤维、氧化铝纤维、二氧化硅纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、石墨烯纤维和硼纤维中的一种或多种。
4.采用如权利要求1-3所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土，其特征在于：所述抗爆抗冲击混凝土中设置多层平行排布的多级异质纤维预制体。
5.根据权利要求4所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土，其特征在于：相邻所述各层多级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为10°-90°。
6.根据权利要求4所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土，其特征在于：所述各层多级异质纤维预制体所在的平面与混凝土所抵抗的冲击载荷方向之间的夹角为5°-90°。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土，其特征在于：相邻所述多级异质纤维预制体的层间距为20mm-100mm。
8.如权利要求4-7所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法，其特征在于：所述制备的具体方法为：
（1）一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构；
（2）一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂和固化剂分别加入到环氧树脂中充分搅拌，其中偶联剂的量为环氧树脂质量的0.1%-5.0%，所述固化剂和环氧树脂的质量比为1.0:0.8 -1.0:1.2；然后将步骤（1）制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至50℃-80℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构；
（3）多级异质纤维结构的加工制备：将步骤（2）所得的异质纤维作为一级结构，按照所述N级结构的螺旋角度，依次重复步骤（1）和步骤（2），得到N级异质纤维结构，N为2-7；
（4）多级异质纤维预制体的编织制备：将所得N级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤（2）所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到N级异质纤维预制体，N为2-7；
（5）抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土的施工制备：将搅拌完成的混凝土浆料浇筑至模具中至高度为20mm-100mm，在混凝土浆料表面铺设一层多级异质纤维预制体；然后重复上述浇筑与铺设步骤，振捣密实，养护成型，即得到所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土。
9.根据权利要求8所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法，其特征在于：步骤（4）中相邻所述多级异质纤维的芯纤维之间的距离为20mm-100mm；步骤（5）中各层所述的纤维预制体间纤维的投影夹角为10°-90°，相邻所述异质纤维网状结构的层间距为20mm-100mm。
10.根据权利要求8或9所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合混凝土的制备方法，其特征在于：所述环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种或多种。
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