CN114426420B - 一种金属空心球水泥基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种金属空心球水泥基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金属空心球水泥基复合材料的制备方法，包括步骤1.配制金属空心球水泥基复合材料的基体。根据以下配合比配制基体：按质量比水：水泥：砂：粉煤灰：硅灰：减水剂：增稠剂：消泡剂＝160:397.5：650:106:2.65:0.16准备，把水泥、砂、粉煤灰、硅灰、增稠剂干料加入到搅拌机中搅拌3min，再把减水剂、消泡剂和水的混合物加入到搅拌机搅拌5min，即可制备出金属空心球水泥基复合材料的基体。本发明采用水泥砂浆为载体与金属空心球的复合而成制备新型材料，破除了只采用环氧树脂等聚合物的局限。并且材料现浇现用，与混凝土具有相同的优点，可模型好，可在自然条件下固化，并且操作简便。

Description

一种金属空心球水泥基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种金属空心球水泥基复合材料的制备方法。
背景技术
金属泡沫材料因其具有特殊的孔洞结构，使其具有轻质高强、耐冲击、减隔振、隔热、屏蔽辐射等一系列优异的特性，广泛应用于航空航天、舰船、车辆制造和核工业等相关领域。现有的金属泡沫大部分是由开孔和闭孔混合而成，且孔隙尺寸及分布均匀性难以控制，从而导致金属泡沫的性能存在较大的不确定性。
现有研究表明，金属泡沫材料的性能均是依赖于材料内部的多孔结构。金属空心球复合材料的出现，可有效解决传统金属泡沫材料中的系列局限性。金属空心球多孔材料是近年来发展起来的一种新型多孔金属材料，它是一种良好应对碰撞冲击爆炸的防护材料，在汽车制造、航天航空、交通运输、工民建筑等领域的应用前景十分广阔。相比于传统的金属泡沫，具有了更为优异的力学性能和物理性能，如良好的吸能特性以及隔热、屏蔽、吸声、阻尼等。
但是，对于用于防撞结构，工民建筑等领域，金属空心球材料就显得不够经济。而将金属空心球与水泥砂浆复合成一种材料作为一种新型的金属空心球水泥基复合材料则少有报道。
现有技术一的技术方案
如图1所示，将金属空心球与聚合物复合而成的一体型构件，里层为堆积的金属空心球和空心内充满聚合物的复合材料，外层为圆形、方形、管形、板形或其他形状的金属空心球构件组成的一体型构件。
制备方法如下：
(1)金属空心球预处理
将金属空心球进行酸液和碱液脱脂处理，去除表面污垢油脂，用清水冲洗干净，烘干后再使用添加有2％体积分数硅烷偶联剂的无水乙醇进行清洗处理，烘干后备用。所述金属空心球为铝、缸、铜、镍等金属或它们的合金等金属材料制成，球体直径1到30mm。
(2)设计构件
构件外形根据实际需要设计成圆形、方形、管形、板形及其它形状的空心构件作为面层，将步骤(1)处理好金属空心球堆积于构件内部。所述作为面层的空心构件是铝、铝合金、钢或其它金属材料制成。
(3)配制聚合物
按照不同种类聚合物各自的配制要求制备成聚合物流体或熔融体。所述聚合物环氧树脂、聚氨酯、氨基树脂、橡胶、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙中的一种。
(4)注入聚合物固化成型
将配制好的聚合物流体或熔融体注入步骤(2)的构件中，渗入稳定后，在常温下固化48小时，或者在温度40℃-70℃条件下固化2小时，或者水冷却固化，即制备得到芯材与面层粘接在一起的一体型构件。
将金属空心球堆积在预设的空心构件中，再在金属空心球堆积体中注入聚合物，通过聚合物将金属空心球相互连接，同时也与面层材料相互连接，固化以后制备成金属空心球/聚合物复合材料一体型构件，芯材与面层之间也没有明显的界限。
现有技术一的缺点
1.本技术需要模具来制作一体型构件。
2.本技术采用都是环氧树脂等聚合物与金属空心球的复合。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一一种金属空心球水泥基复合材料的制备方法，采用水泥砂浆为载体与金属空心球的复合而成制备新型材料，破除了只采用环氧树脂等聚合物的局限。并且材料现浇现用，与混凝土具有相同的优点，可模型好，可在自然条件下固化，并且操作简便。本发明采用如下技术方案：
一种金属空心球水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1.配制金属空心球水泥基复合材料的基体
根据以下质量比(或重量)配合配制基体：
准备水：水泥：砂：粉煤灰：硅灰：减水剂：增稠剂：消泡剂＝160:397.5：650:106:2.65:0.16。
把水泥、砂子、粉煤灰、硅灰和增稠剂等干料加入到搅拌机中搅拌3min，再把减水剂、消泡剂和水的混合物加入到搅拌机搅拌5min，即可制备出金属空心球水泥基复合材料的基体。
步骤2.将步骤1中配制金属空心球水泥基复合材料的基体与金属空心球混合，金属空心球的材料是合金，直径为16mm和19mm，厚度为0.6mm，制得空心球水泥基复合材料。可按需要掺入一定量的金属空心球来取代一定量的基体制备出新型复合材料。
步骤3.将步骤2中混合好的空心球水泥基复合材料浇入模具中，并且铺上塑料薄膜，静置24h后即可拆膜，然后在自然条件下养护28d。
还包括由金属空心球水泥基复合材料的制备方法制得材料。
本发明的有益效果：
本发明制备出来的金属空心球水泥基复合材料，既能具备混凝土的性能也具备金属空心球复合材料的性能，其中混凝土的应用范围广泛，具有良好的静力学性能，金属空心球复合材料具有优良的动力学性能，并且保温、隔热等性能。
在工民建筑以及结构防撞的方面有更广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明背景技术一的结构示意图；
图2为静力实验中不同试件的应力应变曲线图；
图3为动力实验中试件强度随气压改变的变化趋势；
图4为本发明的制备步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图4所示，本发明的一种金属空心球水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1.配制金属空心球水泥基复合材料的基体
根据以下质量比(或重量)配合比配制基体：
水 水泥 砂 粉煤灰 硅灰 减水剂 增稠剂 消泡剂
160 397.5 650 106 26.5 2.65 0.265 0.16
把水泥、砂子、粉煤灰、硅灰和增稠剂等干料加入到搅拌机中搅拌3min，再把减水剂、消泡剂和水的混合物加入到搅拌机搅拌5min，即可制备出金属空心球水泥基复合材料的基体。
步骤2.将步骤1中配制金属空心球水泥基复合材料的基体与金属空心球混合，金属空心球的材料是合金，直径为16mm和19mm，厚度为0.6mm，制得空心球水泥基复合材料。
根据需要，可按需要掺入一定量的金属空心球来取代一定量的基体制备出新型复合材料，制备出不同金属空心球掺量的复合材料。
步骤3.将步骤2中混合好的空心球水泥基复合材料浇入模具中，并且铺上塑料薄膜，静置24h后即可拆膜，然后在自然条件下养护28d。
实施例
实验1
静力学性能测试:
根据下表配合(单位：kg/m3)制备金属空心球水泥基复合材料的基体：
水 水泥 砂 粉煤灰 硅灰 减水剂 增稠剂 消泡剂
160 397.5 650 106 26.5 2.65 0.265 0.16
然后掺入10％的不同直径的金属空心球，分别是16mm和19mm，制备成100mmX100mmX100mm的立方体试件，即在掺入16mm小球的试件中加入47个直径为16mm的金属空心球，在掺入19mm小球的试件中加入28个直径为19mm的金属空心球。并制作不含金属空心球的试件作为空白对照组。试件制备及养护方法参照上述步骤。
2.养护28天后采用YNS-Y3000型电液伺服压力试验机对试件的静力力学性能进行测量。采用位移加载的方式，加载速度为0.5mm/min。强度结果如下表1-表2，应力应变曲线图如图2:
表1：基体与金属空心球水泥基复合材料强度
Figure BDA0003456977910000051
表2：基体与金属空心球水泥基复合材料峰值应变
Figure BDA0003456977910000052
如图2所示，根据以上表格以及应力应变曲线图的分析就是加入的小球都会在一定程度上降低基体的强度，加入小球基体强度下降的原因是，基体的密度降低，同时基体与小球的界面较弱，会先发生界面破坏。但是加入金属空心球能够提高基体峰值应变，峰值应变的增大意味着延性增强，并且强度下降段也较基体的要平缓，这两个都是延性增强的指标。所以金属空心球的加入可以有效改善基体的脆性。金属空心球水泥基复合材料的延性好于普通混凝土材料。
实验2
动力力学性能测试：
1.根据下表配合(单位：kg/m3)制备金属空心球水泥基复合材料的基体：
水 水泥 砂 粉煤灰 硅灰 减水剂 增稠剂 消泡剂
160 397.5 650 106 26.5 2.65 0.265 0.16
然后掺入10％的不同直径的金属空心球，分别是16mm和19mm，制出Ф100mm×50mm(直径×高)金属空心球水泥基复合材料扁平圆柱体试件以探究其动态冲击性能，即在掺入16mm小球的试件中加入18个直径为16mm的金属空心球，在掺入19mm小球的试件中加入11个直径为19mm的金属空心球。并制作不含金属空心球的试件作为空白对照组。试件制备及养护方法参照上述步骤。
2.养护28天后采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置进行试件的动态冲击试验。
混凝土是一种土木工程中得到广泛应用的材料，所以，所设计使用的混凝土结构应当能够承受人为(如爆破载荷等)和自然灾害(如地震等)产生的高应变率。分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,简称SHPB)试验装置可施加的冲击荷载，能有效地模拟混凝土材料在爆炸、地震等极端的高应变率作用下的工作情况。实验装置所采用的SHPB系统由发射管、1000mm长的撞击杆、5500mm长的入射杆、3500mm长的透射杆、1000mm长的吸收杆和阻尼器组成。能源系统包括高压气罐和瓶装氮气。测量系统包括速度采集计和动态应变采集仪。SHPB杆件均为型号ASTM2600的高强合金钢，密度ρb和弹性模量Eb分别为7710kg/m3和206GPa，所以SHPB杆件的弹性波的波速
Figure BDA0003456977910000061
此外，入射杆和透射杆的上下表面均分别对称贴有电阻式应变片，试验时试样夹持在入射杆和透射杆之间。试验加载时，首先在气压控制系统输入目标气压，再打开高压气罐的进气开关；当高压气罐内气压达到目标气压后，按下发射开关，发射管中的撞击杆在高压气体的推动下完成加速，然后与入射杆发生撞击，使得入射杆发生压缩变形，产生入射脉冲应力波。入射波沿着入射杆传播到夹持在入射杆和透射杆之间的试样的端面，使试样发生压缩变形，并通过试样发生反射与透射，形成反射波与透射波，同时反射波沿入射杆原路返回传递，而透射波通过试件后沿透射杆传播，最后在吸收杆和阻尼器的作用下将传导过来的冲击能量消耗殆尽。在此过程中，产生的入射波和反射波经入射杆上的应变片采集记录，而透射波则相应由透射杆表面的应变片采集记录。本试验中，主要通过调节设定霍普金森杆中高压气管内的控制气压(0.3Mpa、0.5MPa和0.7Mpa)使得撞击杆获得不同的动能来从而获得不同范围的应变率。
SHPB试验的基本原理主要基于一维弹性波理论，即弹性应力波在细长杆件中的传播理论，建立了如下的两个基本假定：一维弹性波假定(平截面假定)和应力(应变)均匀性假设。一维弹性波假定指的是应力脉冲传播是一维的，即应力波在弹性状态下的弹性杆件中传播过程中，杆件的每个截面都是平面的，处处保持平行状态；而应力(应变)均匀性假设认为应力波在试件中往返传递2～3次，沿试样厚度方向的应力处处相等，且试样在均匀应力作用下均匀变形。因此。基于上述两个假设，试样的应力σs、应变εs和应变率
Figure BDA0003456977910000062
可由以下公式(1)～(3)得到：
Figure BDA0003456977910000071
Figure BDA0003456977910000072
Figure BDA0003456977910000073
其中，Eb为SHPB杆件的弹性模量，Ab为SHPB杆件的横截面面积，As为试样的圆形端面截面积，Cb为SHPB杆件的弹性波的波速，ls为试样的厚度，而εt(t)和εr(t)分别为所采集到的透射波和反射波。因此，由公式(1)～(3)可知，试样的冲击压缩应力与时间的关系式可由杆件的弹性模量和横截面积、试样的横截面积及透射脉冲函数求得；而应变与应变率与时间的关系式可由杆件的弹性波的波速、试件厚度以及反射脉冲函数计算求得；最后再计算透射波与反射波之间相应的时间差，即可得到同一时间内的试样相应的应力σs与应变εs，从而取得试样冲击荷载作用过程得到的σs-εs曲线。
动态力学性能结果如表3及图3所示：
表3：各组实验强度值(MPa)
Figure BDA0003456977910000074
由图3和表3都可以看出随着气压的增大，也就是说撞击杆获得的动能越大，试件的动态轴压强度越高，也就是说试件抵抗冲击的能力越强。
综合静态和动态实验，虽然在静态实验中金属空心球混凝土水泥基材料会较基体的强度有所下降，但是表现出了优于基体的延性，改善了基体的脆性。在动态实验中，金属空心球水泥基复合材料的动态轴压强度高于基体的动态轴压强度，表现出更好的抗冲击性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种金属空心球水泥基复合材料的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：
步骤1.配制金属空心球水泥基复合材料的基体
根据以下配合比配制基体：
按质量比160:397.5：650:106:26.5：2.65：0.265:0.16准备水：水泥：砂：粉煤灰：硅灰：减水剂：增稠剂：消泡剂，把水泥、砂、粉煤灰、硅灰、增稠剂的干料加入到搅拌机中搅拌3min，再把减水剂、消泡剂和水的混合物加入到搅拌机搅拌5min，即可制备出金属空心球水泥基复合材料的基体；
步骤2.将步骤1中配制的金属空心球水泥基复合材料的基体与金属空心球混合，金属空心球的材料是合金，直径为16mm和19mm，厚度为0.6mm，制得空心球水泥基复合材料；
步骤3.将步骤2中混合好的空心球水泥基复合材料浇入模具中，并且铺上塑料薄膜，静置24h后即可拆膜，然后在自然条件下养护28d。
2.根据权利要求1所述的金属空心球水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，还包括由金属空心球水泥基复合材料的制备方法制得材料。
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