CN112813881B

CN112813881B - 一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料、方法及应用

Info

Publication number: CN112813881B
Application number: CN202011620382.XA
Authority: CN
Inventors: 葛智; 秦晋; 张洪智; 管延华; 孙仁娟; 吴建清; 高发亮; 袁化强; 姜能栋; 王聿梁; 姚斐青
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112813881A

Abstract

本发明公开了一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料、方法及应用，解决了现有技术中水泥基材料由于其脆性和低变形能力无法实现拉胀的问题，具有较好的减震和吸能作用，且具有更大拉胀变形能力的有益效果，具体方案如下：一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，包括拉胀结构，拉胀结构包括若干可连接为一体的胞元，每个胞元包括多个单体，相邻两单体之间连接使得胞元形成环形结构，环形结构内部设置开孔；拉胀结构包括纤维。

Description

一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料、方法及应用

技术领域

本发明涉及水泥基领域，尤其是一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料、方法及应用。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

水泥基材料因其优异的性能和较低的成本而成为世界上应用最广泛的建筑材料。研究表明，水泥基材料的力学性能不仅取决于其组成相(如基体、集料和纤维的性质)，还取决于这些组分的几何特征和空间分布。这被称为水泥基材料的“微观结构”或“细观结构”。从这个意义上讲，水泥基材料的力学行为也可以看作是一个复杂的多组分体系的结构行为。在过去的几十年里，人们集中精力对水泥基材料的微观/细观结构进行配置或修改，以提高其性能。如优化填料密度、修改孔隙结构、修改气孔结构和引入新的相作为强化。在所有这些情况下，材料的微观/细观结构是化学定制的，这意味着通常使用外加剂或添加剂来配置混合比例。除了这种传统的方法，物理架构的微观/细观结构，即分布组成水泥基材料的特定几何设计，可能使水泥基材料的设计有另一个自由度。许多其他材料。构建材料的几何微/介观结构已被证明是一种非常有效的修改材料性能的方法:例如橡胶、金属和陶瓷。各种蜂窝结构已在工程实践中得到研究和应用。例如具有高相对断裂韧性的Kagome结构、具有高相对强度的八隅体晶格和具有高抗冲击性能的拉胀结构。在这些几何结构中，拉胀结构因其优异的力学性能而成为水泥基材料研究的热点。

“拉胀”一词是埃文斯在1991年创造的，指具有负泊松比的材料。这意味着当材料在垂直方向被压缩或拉伸时，分别会出现横向收缩或膨胀。这种不寻常的行为赋予了拉胀材料特殊的力学性能:增强的压痕阻力、高比能吸收和高剪切阻力。不同于用于普通结构的高强度混凝土，拉胀材料的不同寻常的特性表明，它们在未来的特殊工程应用中很有前途，如减振结构和吸能结构。

在实际应用中，即使对相同的拉胀结构使用不同的组成材料，其力学响应也会发生显著的变化。通常，为了达到拉胀的性能，组成材料应该是高度弹性和可变形的。发明人发现，如果使用水泥基材料作为组成材料，则需要解决其脆性和低变形能力，以实现拉胀的行为。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，采用类似椭圆形的胞元规则分布组成的拉胀结构，有着更好的减震和吸能特性，同时相对普通负泊松比材料来说又具有更大的拉胀变形能力；用纤维增强胶凝材料作为组成材料进行了水泥基材料的制备。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，包括拉胀结构，拉胀结构包括若干可连接为一体的胞元，每个胞元包括多个单体，相邻两单体之间连接使得胞元形成环形结构，环形结构内部设置开孔；

拉胀结构包括纤维材料以使得单个单体在受压时能够发生旋转。

上述的水泥基复合材料中，拉胀结构通过多个胞元设置开孔，使得水泥基复合材料呈蜂窝状，具有一定的能量吸收能力和减震作用；当水泥基复合材料受到压缩时，因水泥基材料中纤维的存在使得胞元可产生一种裂纹桥接效应，使得单个单体在受压时发生旋转而没有相互分离，且旋转后横向长度减小，从而实现水泥基复合材料的拉胀行为，使其具有负泊松比特性。

如上所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，所述拉胀结构具有多个胞元，多个胞元成多排多列布置；

且所述开孔为椭圆形孔，水泥基复合材料通过多个椭圆形孔的设置，可使得胞元在受到压缩冲击的最开始一段时间内不会产生负泊松比效应，而是先产生一个较大的弹性变形，随后在材料的内部结构出现微裂缝后才开始发生截面的旋转，即产生负泊松比效应。

如上所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，所述单体为矩形，单体的每一侧边均设置两段凹槽，每一侧边的两段凹槽长度方向相互垂直，且每一段凹槽形状均为1/4的所述椭圆孔，使得多个单体在拼凑为一个胞元时，中部可形成椭圆形孔。

如上所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，所述胞元每一侧边均设置三段卡槽，三段卡槽中部卡槽的形状为1/2的所述椭圆形孔，两侧卡槽形状均为1/4的椭圆形孔，且每一侧边三段卡槽中相邻两卡槽的长度方向相互垂直，使得相邻两胞元在连接时，两胞元之间同样可形成椭圆形孔。

第二方面，本发明还提供了一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的制备方法，包括如下内容：

打印所述的拉胀结构，具体可通过3D打印机进行打印；

将打印出来的拉胀结构固定于壳体中，将硅橡胶真空浸渍到壳体中，然后将硅橡胶放在室温下硬化；

将硬化的硅橡胶从拉胀结构中分离，获得模具；

通过获得的模具制备水泥基复合材料。

如上所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的制备方法，将制备完成的水泥组成材料浇筑于模具中边浇筑边振动，待浇筑完成后盖上盖片，设定天数后，将制备完成的试样从模具剥离，固化获得水泥基复合材料。

如上所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的制备方法，所述水泥组成材料包括水泥、粉煤灰、砂、水、聚乙烯醇纤维、粘度改性剂和减水剂。

如上所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的制备方法，水泥、粉煤灰、砂、水、聚乙烯醇纤维、粘度改性剂和减水剂的用量为水泥450-500kg/m³，粉煤灰530-580kg/m³，砂350-400kg/m³，水400-450kg/m³，聚乙醇纤维25-26kg/m³，粘度改性剂0.27-0.33kg/m³，减水剂0.8-0.9kg/m³。

第三方面，本发明还公开了一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的应用，应用于防撞柱。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过拉胀结构中部设置开孔，在承受压缩荷载时，围绕椭圆形孔设置的单体向开孔处发生形变，使得内部空隙趋向闭合，从而实现胞元的纵向收缩；且拉胀结构通过多个胞元设置开孔，使得水泥基复合材料呈蜂窝状，具有一定的能量吸收能力和减震作用。

2)本发明中拉胀结构包括纤维材料，当水泥基复合材料受到压缩时，在出现裂缝的节点位置因为纤维的存在会拉住裂缝两侧的截面，产生一种裂纹桥接效应。这种效应使得单个单体发生旋转而没有相互分离，且旋转后横向长度减小，从而实现水泥基复合材料的拉胀行为，使其具有负泊松比特性。

3)本发明提供的水泥基复合材料，通过胞元设置为椭圆形孔，在受到压缩冲击的最开始一段时间内不会产生负泊松比效应，而是先产生一个较大的弹性变形，随后在材料的内部结构出现微裂缝后才开始发生截面的旋转，即产生负泊松比效应。这种行为意味着该材料在负泊松比效应发生之前会通过自身较大的弹性变形吸收一部分能量，然后产生负泊松比效应抵抗变形，相对于受力伊始就存在产生负泊松比效应的传统负泊松比材料，对于撞击到该材料上的物体来说具有更好的缓冲、减震以及保护作用。

4)本发明中由于单体旋转前的横向长度L1远大于旋转后的横向长度L2，所以相较于普通的负泊松比材料，该材料有着更大的拉胀变形能力，也就意味着有更大的能量吸收能力。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的桥接效应的示意图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的单体受力旋转前后横向长度对比示意图。

图3是本发明根据一个或多个实施方式的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料中单个胞元设置卡槽的示意图。

图4是本发明根据一个或多个实施方式的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料试件的制备流程示意图。

图5是本发明根据一个或多个实施方式的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料试件的压缩过程示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.单体，2.裂缝，3.椭圆形孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在水泥基材料由于其脆性和低变形能力无法实现拉胀的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料及制备方法。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，包括拉胀结构，拉胀结构包括若干可连接为一体的胞元，每个胞元包括多个单体，相邻两单体之间连接使得胞元形成环形结构，环形结构内部为开孔，优选地，开孔为椭圆形孔。

进一步，胞元为对称结构；容易理解的是，拉胀结构具有多个胞元，多个胞元成多排多列布置，相邻两胞元之间同样具有椭圆形孔，使得拉胀结构形成蜂窝结构。

多个单体沿着椭圆形孔设置，在本实施例中，共设置4个单体1，且胞元的纵向截面中单体为矩形，单体1的每一侧边均设置两段凹槽，每一侧边的两段凹槽长度方向相互垂直，且每一段凹槽形状均为1/4的所述椭圆孔，使得多个单体在拼凑为一个胞元时，中部可形成椭圆形孔3。

胞元每一侧边均设置三段卡槽，三段卡槽中部卡槽的形状为1/2的所述椭圆形孔，两侧卡槽形状均为1/4的椭圆形孔，且每一侧边三段卡槽中相邻两卡槽的长度方向相互垂直，使得相邻两胞元在连接时，两胞元之间同样可形成椭圆形孔。

容易理解的是，部分情况下，卡槽即为单体的凹槽，或者单体的两段凹槽拼成胞元的卡槽。

通过上述胞元的设置，使得水泥基复合材料形成具有重复胞元的拉胀结构，在承受压缩荷载时，围绕椭圆形孔设置的单体向椭圆形孔处发生形变，使得内部空隙趋向闭合，从而实现胞元的纵向收缩。

进一步地，拉胀结构包括纤维材料，具体地，包括纤维材料，具体是聚乙烯醇(PVA)纤维，参考图1所示，当水泥基复合材料受到压缩时，胞元受压，在椭圆的短轴两端节点处会产生较大的拉应力而形成裂缝2；由于基质中纤维的存在会拉住裂缝两侧的截面，产生一种裂纹桥接效应，使得单个单体发生旋转而没有相互分离，且旋转后横向长度减小，从而实现水泥基复合材料的拉胀行为，使其具有负泊松比特性。

参考图2所示，每一单体在常态下，横向长度为L1，这样使得在不设置凹槽的情况下，单体为矩形,在受到压力时，单体发生旋转，因单体的每一侧边均设置凹槽，使得单体旋转后的横向长度L2远小于旋转前的横向长度L1，相较于普通的负泊松比材料，该材料有着更大的拉胀变形能力，也就意味着有更大的能量吸收能力。

进一步地，椭圆形孔长轴范围为8-12mm，短轴范围为8-4mm，即椭圆形孔可从直径为8mm的圆形孔变为长轴为12mm,短轴为4mm的椭圆形孔；在最优方案中，椭圆形孔的长轴长度为10mm，短轴长度为6mm，具体单位可根据实际情况进行确定。

实施例二

一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的制备方法，包括如下内容：

1)以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)为材料，通过3D打印机如Ultimaker2+打印实施例一所述的拉胀结构；

2)将打印出来的拉胀结构固定于壳体中，将双组分硅橡胶(Poly-Sil PS8510，重量为1:1，也可以选择其他材料)真空浸渍到壳体中(真空保持1分钟以去除气泡)，然后将硅橡胶放在室温下硬化设定时间如2小时；

壳体可为纸板箱；

3)将硬化的硅橡胶从拉胀结构中分离，获得模具，硅橡胶模具是容易脱模的，并且足够耐用以重复使用；

4)通过获得的模具制备水泥基复合材料；

5)将制备完成的组成材料浇筑到硅橡胶模具中，边浇筑边振动，待浇筑完成后盖上盖片如塑料片以减少水分流失。设定天数如2-3天后，将试样从硅树脂模具上剥离，然后泡在饱和Ca(OH)₂溶液中固化获得水泥基复合材料，直到28天龄期。

在制备过程中，组成材料中除了水泥、粉煤灰、砂和水外还掺入了聚乙烯醇(PVA)纤维、粘度改性剂(VA)和减水剂(SP)三种混合料；具体地，如表1所示，PVA纤维具有如下的物理力学属性，在一些具体示例中，通过表2所示的材料混合比例来进行水泥基复合材料的制备。

表1 PVA纤维的物理力学属性

直径	长度	抗拉强度	杨氏模量	密度
					15μm	6mm	1.6GPa	34GPa	1.28g/cm<sup>3</sup>

表2组成材料的混合比例(kg/m³)

混合物	水泥	粉煤灰	砂	水	SP	VA	纤维
								F	471	556	385	428	0.86	0.3	25.6

对获得的水泥基复合材料试件进行单轴压缩实验，包括如下内容：

在第一阶段(应变0％-10％)，受压力学响应与常规水泥基材料相似。随着试件顶部的压缩荷载不断上升，直到达到峰值荷载时(约1MPa)，单个胞元的节点处开始出现微裂纹。由于裂纹桥接效应，局部裂纹在受压过程中慢慢打开，然后单体截面开始旋转，同时在试验过程中可以观察到侧向收缩(见图5)，此阶段达到了拉胀行为。如图1所示，截面旋转促进了水泥基复合材料在单轴压缩条件下的拉胀行为。如上所述，在微裂纹出现后，水泥基复合材料的裂纹桥接能力开始决定并有助于防止节点分离。

第二阶段(应变10％-40％)可被认为是胞元的压实过程。从图5可以看出，由于单体截面的旋转，椭圆孔总体上被压实。当竖向压缩继续进行时，在横向上可以观察到更多的收缩，也就是说，在这个过程中胞元被破坏了。这是因为胞元被压缩了，各部分最终相互接触。因此，被压实的水泥基复合材料开始承受不断增加的荷载。

第三阶段(40％应变后)是破碎组分材料的纯压实过程，由于压实致密，这个阶段的应力会迅速上升。

从上面的结果来看，试件在压缩试验过程中表现出了拉胀行为。在这个试验中，试件的泊松比是用试件中间高度的位移以及横向收缩来计算的。此外，随着压缩荷载的不断增加，第一阶段的泊松比在10％应变时达到最低；而在第二阶段，泊松比开始增加，这表明几个单独的单体截面开始相互接触，并在截面上开始出现裂缝。

另外，一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的应用，可应用于多种领域，其中可应用于防撞柱，通过其蜂窝结构的设置，可有效降低对车辆的损伤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，其特征在于，包括拉胀结构，拉胀结构包括若干可连接为一体的胞元，每个胞元包括多个单体，相邻两单体之间连接使得胞元形成环形结构，环形结构内部设置开孔；

拉胀结构包括纤维材料以使得单个胞元在受压时能够发生旋转；

所述拉胀结构具有多个胞元，多个胞元成多排多列布置，且所述开孔为椭圆形孔；

椭圆形孔长轴范围为8-12mm，短轴范围为8-4mm。

2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，其特征在于，所述单体为矩形，每一胞元共设置4个单体。

3.根据权利要求2所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，其特征在于，所述单体的每一侧边均设置两段凹槽，每一侧边的两段凹槽长度方向相互垂直，且每一段凹槽形状均为1/4的所述椭圆孔。

4.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料，其特征在于，所述胞元每一侧边均设置三段卡槽，三段卡槽中部卡槽的形状为1/2的所述椭圆形孔，两侧卡槽形状均为1/4的椭圆形孔，且每一侧边三段卡槽中相邻两卡槽的长度方向相互垂直。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下内容：

打印所述的拉胀结构；

将硬化的硅橡胶从拉胀结构中分离，获得模具；

通过获得的模具制备水泥基复合材料；

将制备完成的水泥组成材料浇筑于模具中边浇筑边振动，待浇筑完成后盖上盖片，设定天数后，将制备完成的试样从模具剥离，固化获得水泥基复合材料；

所述水泥组成材料包括水泥、粉煤灰、砂、水、聚乙烯醇纤维、粘度改性剂和减水剂；

所述水泥、粉煤灰、砂、水、聚乙烯醇纤维、粘度改性剂和减水剂的用量为水泥450-500kg/m³，粉煤灰530-580kg/m³，砂350-400kg/m³，水400-450kg/m³，聚乙醇纤维25-26kg/m³，粘度改性剂0.27-0.33kg/m³，减水剂0.8-0.9kg/m³；

所述纤维长度为6mm，直径为15μm。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料的应用，其特征在于，可应用于防撞柱。