CN115073078A - 一种抗高温爆裂复合混凝土及其制备方法、爆裂预警方法 - Google Patents

一种抗高温爆裂复合混凝土及其制备方法、爆裂预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种抗高温爆裂复合混凝土及其制备方法、爆裂预警方法。该制备方法，从混凝土爆炸机理层面着手，在现有混凝土组分的基础上添加聚丙烯纤维和形状记忆合金纤维，采用聚丙烯纤维能够对混凝土的热工性能进行提升，同时采用形状记忆合金纤维对混凝土热力性能进行提升；聚丙烯纤维和形状记忆合金纤维均能在混凝土内部进行多向搭接，聚丙烯纤维在高温作用下熔化形成的网络通道，为混凝土中水分的迁移和蒸汽压的降低提供了传输路径，形状记忆合金纤维在高温下出现收缩，通过对混凝土产生压应力进一步抑制混凝土的爆裂。

Description

一种抗高温爆裂复合混凝土及其制备方法、爆裂预警方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及混凝土，具体涉及一种抗高温爆裂复合混凝土及其制备方法、爆裂预警方法。
背景技术
众所周知，混凝土由于其优良的抗压性能和耐久性，作为土木工程材料进行使用已有超过百年的历史。混凝土在高温作用下，热量通过热辐射与热传导向混凝土内部传递，内部的自由水和结晶水产生蒸汽压，使得水蒸汽在压力梯度作用下出现迁移冷凝现象，逐渐形成饱和蒸汽带阻止水分的迁移，积聚的蒸汽压向混凝土外部释放，产生混凝土爆裂破坏。混凝土的爆裂破坏导致钢筋失去保护层而直接暴露在高温下，出现钢筋软化现象，使得工程结构的承载能力大幅下降，严重时将导致结构的垮塌。
针对混凝土的高温爆裂破坏，通常采用一些防护措施抑制爆裂的发生，例如在混凝土内部掺入聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维等低熔点纤维材料，当混凝土遭遇高温作用时，纤维熔化并产生细小空洞，增强了混凝土的渗透率，为水蒸汽的迁移提供分路，延缓蒸汽压的积聚速率。但是，低熔点纤维材料的掺加仅对混凝土的热性能有一定加强，对其力学性能几乎没有影响。此外，还有在混凝土外部表面涂抹或包裹隔热材料来降低混凝土温度，但是防火涂料或板材对混凝土高温爆裂情况的改善程度受施工工艺的影响较大，尚无法稳定、全面地保障混凝土的高温性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种抗高温爆裂复合混凝土及其制备方法、爆裂预警方法，利用聚丙烯纤维在高温作用下熔化形成的网络通道，为混凝土中水分的迁移和蒸汽压的降低提供了传输路径；利用形状记忆合金纤维在高温下出现收缩，对混凝土产生压应力，从而抑制了混凝土的爆裂。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种抗高温爆裂复合混凝土，各组分及质量占比如下：水泥10%～15%、砂25%～30%、碎石45%～50%、减水剂0.25%～0.25%、水5%～10%、聚丙烯纤维0.1%～0.2%、形状记忆合金纤维1%～3%。
进一步，所述聚丙烯纤维和形状记忆合金纤维共占抗高温爆裂复合混凝土的质量占比为1:100~1:30。
进一步，所述聚丙烯纤维的长度为10~15mm，直径为20~40μm；所述形状记忆合金纤维的长度为20~35mm，直径为200~500μm。
进一步，所述形状记忆合金包括镍钛基记忆合金(Ni-Ti)或铜基记忆合金（Cu-Zn-Al）或铁基记忆合金(Fe-Mn-Si)。
另一方面，本发明还提供了一种制备如上部分或全部所述的抗高温爆裂复合混凝土的方法，具体包括以下步骤：
1）将水泥、砂、碎石按比例混合形成一次混合料；
2）将减水剂与水按比例混合并搅拌均匀形成混合液；
3）将所述混合液加入一次混合料，搅拌均匀后得到二次混合料；
4）保持搅拌状态，均匀向所述二次混合料中加入聚丙烯纤维，搅拌均匀后得到三次混合料；
5）将所述三次混合料通过第一管道匀速放入模具，并在第一管道边插入第二管道；当所述三次混合料在模具边缘浇注时，通过第二管道加入指定比例的形状记忆合金纤维，当所述三次混合料在模具中心浇注时，停止加入形状记忆合金纤维；然后再对模具内的混合浆料进行振捣，直至混合浆料不冒气泡；
6）将已经成型的混合浆料在湿度大于95%，温度在20℃±3℃的条件下养护指定时间后，拆除模具得到混凝土成品。
进一步，所述步骤1）中，将水泥、砂、碎石按比例加入搅拌机中进行搅拌混合形成一次混合料，搅拌时间为1~2min；
所述步骤2）、3）中的搅拌时间为2~3min；
所述步骤4）中的搅拌时间为3~5min；
所述步骤5）中的振捣时间为3~5min。
进一步，所述步骤5）中模具边缘为两倍的混凝土保护层厚度。
此外，本发明还提供了一种对如上部分或全部所述的抗高温爆裂复合混凝土进行爆裂预警的方法，应用设置在钢筋外侧混凝土中的混凝土爆裂预警装置进行监测，通过所述混凝土爆裂预警装置中的电阻应变片实时监测混凝土的应变变化，当应变发生突变时则混凝土发生爆裂。
进一步，所述混凝土爆裂预警装置包括安装在外壳内的蓄电池，所述蓄电池与MCU单片机连接，所述MCU单片机分别与无线传输芯片、电阻应变片连接；所述电阻应变片布置在外壳的外表面、并与所述抗高温爆裂复合混凝土相贴合。
进一步，所述混凝土爆裂预警装置还包括温差发电机组，温差发电机构A分布于混凝土表面，温差发电机构B分布于外壳内，通过混凝土表面与外壳内的温度差产生电能，并通过电线给蓄电池供电。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：一方面，本发明从混凝土爆炸机理层面着手，在现有混凝土组分的基础上添加聚丙烯纤维和形状记忆合金纤维，采用聚丙烯纤维能够对混凝土的热工性能进行提升，同时采用形状记忆合金纤维对混凝土热力性能进行提升；聚丙烯纤维和形状记忆合金纤维均能在混凝土内部进行多向搭接，聚丙烯纤维在高温作用下熔化形成的网络通道，为混凝土中水分的迁移和蒸汽压的降低提供了传输路径，形状记忆合金纤维在高温下出现收缩，通过对混凝土产生压应力进一步抑制混凝土的爆裂。
另一方面，本发明该提供了一种在火灾前期对混凝土状态进行监测预警的方法，通过设置在钢筋外侧混凝土中的混凝土爆裂预警装置，利用电阻应变片实时监测混凝土的应变变化，当混凝土的应变发生突变时，则认为钢筋外侧的混凝土发生了爆裂。此外，该混凝土爆裂预警装置，能够利用环境中的温差变化，通过温差发电机组为混凝土应变的监测、数据存储与发送提供电源，且不需要频繁的更换电源或额外设置电线供电，避免了预警装置断电失效的情况发生。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种抗高温爆裂复合混凝土的结构示意图；
图2为本发明提供的抗高温爆裂复合混凝土中聚丙烯纤维在常温时的状态示意图；
图3为本发明提供的抗高温爆裂复合混凝土中聚丙烯纤维在高温时的状态示意图；
图4为本发明提供的抗高温爆裂复合混凝土中形状记忆合金纤维在常温时的状态示意图；
图5为本发明提供的抗高温爆裂复合混凝土中形状记忆合金纤维在高温时的状态示意图；
图6为本发明实施例2-4的爆裂临界温度变化曲线；
图7为本发明实施例2-4的爆裂深度变化曲线；
图8为本发明中混凝土爆裂预警装置的结构示意图。
其中：1、聚丙烯纤维；2、形状记忆合金纤维；3、钢筋；4、混凝土爆裂预警装置；5、温差发电机组；6、电线；7、蓄电池；8、电阻应变片；9、MCU单片机；10、无线传输芯片；11、外壳。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的产品、方法的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一方面，本实施例提供了一种抗高温爆裂复合混凝土，其结构参见图1所示，各组分及质量占比如下：水泥10%～15%、砂25%～30%、碎石45%～50%、减水剂0.25%～0.25%、水5%～10%、聚丙烯纤维0.1%～0.2%、形状记忆合金纤维1%～3%。
进一步，所述聚丙烯纤维1和形状记忆合金纤维2共占抗高温爆裂复合混凝土的质量占比为1:100~1:30。其中，聚丙烯纤维1的掺量为1.5~4.7kg/m3，形状记忆合金纤维2的掺量为25~45kg/m3，形状记忆合金纤维2的预应变为2%~4%。
进一步，所述聚丙烯纤维1的长度为10~15mm，直径为20~40μm；所述形状记忆合金纤维2的长度为20~35mm，直径为200~500μm。
进一步，所述形状记忆合金纤维2的形状记忆合金包括镍钛基记忆合金(Ni-Ti)或铜基记忆合金（Cu-Zn-Al）或铁基记忆合金(Fe-Mn-Si)。
具体地，所述形状记忆合金采用Ti-Ni-Pd高温记忆合金，其相变温度为100~530℃。优选马氏体相变温度为212℃的Ti51Pd30Ni19高温记忆合金纤维。
另一方面，本实施例还提供了制备上述抗高温爆裂复合混凝土的方法，具体包括以下步骤：
1）将水泥、砂、碎石按比例加入搅拌机中进行搅拌混合形成一次混合料，搅拌时间为1~2min；
2）将减水剂与水按比例混合并搅拌均匀形成混合液，搅拌时间为2~3min；
3）将所述混合液加入一次混合料，搅拌均匀后得到二次混合料，搅拌时间为2~3min；
4）保持搅拌状态，均匀向所述二次混合料中加入聚丙烯纤维1，搅拌均匀后得到三次混合料，搅拌时间为3~5min；
5）将所述三次混合料通过管道匀速放入模具，并在管道边插入软管；当所述三次混合料在模具边缘浇注时，通过软管加入指定比例的形状记忆合金纤维2，当所述三次混合料在模具中心浇注时，停止加入形状记忆合金纤维2，确保在浇注完成前将形状记忆合金纤维2按比例完全放入；然后再对模具内的混合浆料进行振捣，振捣时间为3~5min，直至混合浆料不冒气泡；
6）将已经成型的混合浆料在湿度大于95%，温度在20℃±3℃的条件下养护28天，拆除模具得到混凝土成品。
进一步，所述步骤5）中模具边缘与模具中心的区分边界在于钢筋，定义模具边缘为两倍的混凝土保护层厚度。
本发明从混凝土爆炸机理层面着手，在现有混凝土组分的基础上添加聚丙烯纤维1和形状记忆合金纤维2，采用聚丙烯纤维1能够对混凝土的热工性能进行提升，同时采用形状记忆合金纤维2对混凝土热力性能进行提升；聚丙烯纤维1和形状记忆合金纤维2在混凝土中均匀拌合，使得聚丙烯纤维1与形状记忆合金纤维2在混凝土中呈现三维乱向分布且互相搭接。
参见图2-3，混凝土在高温作用下，热量传递到混凝土内部，自由水、从凝胶孔壁上脱落的吸附水以及从骨料中脱离的结晶水均不断蒸发并形成了水蒸气，产生了蒸汽压。聚丙烯纤维1的熔点为189℃，在混凝土中分布搭接，在高温作用下出现熔化，形成了细小的通道，这些孔隙为蒸汽的膨胀和水分的迁移提供了空间，降低了蒸汽压力，延缓了孔隙水压力的上升速率。因此，这些通道相互搭接交汇形成了通向混凝土表面的通道网络，提高了混凝土的孔隙率，加大了水分的排除，抑制了混凝土的爆裂。参见图4-5，形状记忆合金纤维2，在常温下经历一定塑性变形后，将该合金纤维加热到一定温度时，材料又完全恢复到变形前的形状；当混凝土受到高温作用时，混凝土中的形状记忆合金纤维2在高温作用下开始恢复变形出现收缩，对包裹纤维的混凝土产生压应力，抑制了混凝土的爆裂。
此外，本发明还提供了一种应用如上部分或全部所述的抗高温爆裂复合混凝土进行爆裂预警的方法，应用设置在钢筋3外侧混凝土中的混凝土爆裂预警装置4进行监测，通过所述混凝土爆裂预警装置4中的电阻应变片8实时监测混凝土的应变变化，当应变发生突变时则认为混凝土发生爆裂。
进一步，结合图8所示，上述混凝土爆裂预警装置4包括安装在外壳11内的蓄电池7，所述蓄电池7与MCU单片机9连接，所述MCU单片机9分别与无线传输芯片10、电阻应变片8连接；所述电阻应变片8布置在外壳11的外表面、并与所述抗高温爆裂复合混凝土相贴合，在混凝土结构长期监测混凝土应变变化。在高温作用下，混凝土中的水分不断向内部迁移并在低温区重新凝结为液态水，阻碍后续的水分迁移而产生了较大的孔隙压力。
进一步，电阻应变片8布置在靠近钢筋3处的混凝土中，当孔隙压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土块爆裂脱离，电阻应变片8监测到混凝土应变出现突变；而且，电阻应变片8监测得到的电信号通过电线6不断传递至MCU单片机9，MCU单片机9接收到电信号后转换为数字信号并储存，发送到无线传输芯片10进行上传，为现场作业人员提供可靠的数据信息。
进一步，所述混凝土爆裂预警装置4还包括温差发电机组5，温差发电机构A分布于混凝土表面，温差发电机构B分布于外壳11内，布置在混凝土表面的温差发电机构A在白天较内部温差发电机构B升温更快，而晚上较内部温差发电机构B降温更快，在内部温差发电机构逐渐升温或者降温的过程中，温差发电机组5会产生电能，并通过电线6提供给蓄电池7。
具体地，该混凝土爆裂预警装置中各部件的具体选型如下：温差发电机组5选用TEP1-142T300型发电片，使用温度为-40℃~300℃，尺寸为40mm×40mm×3.4mm；电阻应变片8选用KHC-10-120-G9-16，使用温度可达到550℃，尺寸为30mm×5mm；蓄电池7选用803450聚合物锂电池，容量1500mAh，尺寸8mm×34mm×50mm；MCU单片机9选用SC92F8003，尺寸为8.3mm×2.1mm×1.1mm；无线传输芯片10选用CC2541芯片。
进一步，在混凝土爆裂预警装置4的外壳11还涂有隔热涂料，使预警装置内部各组件均能够保持工作温度，且各组件均通过电线6或电路板进行连接。
该爆裂预警装置，设置在钢筋3外侧的混凝土中，通过长期监测混凝土的应变变化，当混凝土的应变发生突变时，可认为钢筋3外侧的混凝土发生了爆裂。该装置能够利用环境中的温差变化，通过温差发电机组5为混凝土应变的监测、数据存储与发送提供电源，不需要频繁的更换电源或额外设置电线供电，避免了预警装置断电失效的情况发生。
实施例2
本实施例提供了一种抗高温爆裂复合混凝土，以质量份数计，各组分占比如下：水泥为300份、砂为700份、碎石为1150份、减水剂为10份、水为180份、聚丙烯纤维为2.5份（质量占比为0.11%）、高温形状记忆合金纤维为25份（质量百分比为1.06%）。
实施例3
本实施例提供了一种抗高温爆裂复合混凝土，以质量份数计，各组分占比如下：水泥为300份、砂为700份、碎石为1150份、减水剂为10份、水为180份、聚丙烯纤维为3.5份（质量占比为0.15%）、高温形状记忆合金纤维为45份（质量百分比为1.88%）。
实施例4
本实施例提供了一种抗高温爆裂复合混凝土，以质量份数计，各组分占比如下：水泥为300份、砂为700份、碎石为1150份、减水剂为10份、水为180份、聚丙烯纤维为4.5份（质量占比为0.19%）、高温形状记忆合金纤维为70份（质量百分比为2.9%）。
需要强调的是，实施例2-4中复合混凝土的制备方法与实施例1相同，且对其进行爆裂预警的方法也与实施例相同，这里不再赘述。
为验证本发明在现有混凝土组分的基础上添加聚丙烯纤维1和形状记忆合金纤维2的影响，实施例2-4设计三种规格的试件进行高温爆裂试验，每种规格的试件各2-3个，试件尺寸均为150mm×150mm×150mm。试验采用HC火灾升温曲线，温度计算公式如下：
T=1080(1-0.325e -t/6 -0.675e -2.5t )+T 0
式中：T 0 为初始温度；t为延火时间；T为t时刻的温度。
混凝土高温爆裂的评价指标为爆裂临界温度与混凝土爆裂深度，如图6和图7所示，随着聚丙烯纤维1和高温形状记忆合金纤维掺量的增加，混凝土的爆裂临界温度明显提高，而混凝土爆裂深度降低。
综上，本发明提供的这种抗高温爆裂复合混凝土及其制备方法，利用聚丙烯纤维1在高温作用下熔化形成的网络通道，为混凝土中水分的迁移和蒸汽压的降低提供了传输路径；利用形状记忆合金纤维2在高温下出现收缩，对混凝土产生压应力，从而抑制了混凝土的爆裂。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种抗高温爆裂复合混凝土，其特征在于，各组分及质量占比如下：水泥10%～15%、砂25%～30%、碎石45%～50%、减水剂0.25%～0.25%、水5%～10%、聚丙烯纤维(1) 0.1%～0.2%、形状记忆合金纤维(2) 1%～3%。
2.根据权利要求1所述的抗高温爆裂复合混凝土，其特征在于，所述聚丙烯纤维(1)和形状记忆合金纤维(2)共占抗高温爆裂复合混凝土的质量占比为1:100~1:30。
3.根据权利要求1所述的抗高温爆裂复合混凝土，其特征在于，所述聚丙烯纤维(1)的长度为10~15mm，直径为20~40μm；所述形状记忆合金纤维(2)的长度为20~35mm，直径为200~500μm。
4.根据权利要求1所述的抗高温爆裂复合混凝土，其特征在于，所述形状记忆合金纤维(2)的形状记忆合金包括镍钛基记忆合金或铜基记忆合金或铁基记忆合金。
5.一种制备如权利要求1-4任一项所述的抗高温爆裂复合混凝土的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1）将水泥、砂、碎石按比例混合形成一次混合料；
2）将减水剂与水按比例混合并搅拌均匀形成混合液；
3）将所述混合液加入一次混合料，搅拌均匀后得到二次混合料；
4）保持搅拌状态，均匀向所述二次混合料中加入聚丙烯纤维(1)，搅拌均匀后得到三次混合料；
5）将所述三次混合料通过第一管道匀速放入模具，并在第一管道边插入第二管道；当所述三次混合料在模具边缘浇注时，通过第二管道加入指定比例的形状记忆合金纤维(2)，当所述三次混合料在模具中心浇注时，停止加入形状记忆合金纤维(2)；然后再对模具内的混合浆料进行振捣，直至混合浆料不冒气泡；
6）将已经成型的混合浆料在湿度大于95%，温度在20℃±3℃的条件下养护指定时间后，拆除模具得到混凝土成品。
6.根据权利要求5所述的制备抗高温爆裂复合混凝土的方法，其特征在于，
所述步骤1）中，将水泥、砂、碎石按比例加入搅拌机中进行搅拌混合形成一次混合料，搅拌时间为1~2min；
所述步骤2）、3）中的搅拌时间为2~3min；
所述步骤4）中的搅拌时间为3~5min；
所述步骤5）中的振捣时间为3~5min。
7.根据权利要求5所述的制备抗高温爆裂复合混凝土的方法，其特征在于，所述步骤5）中模具边缘为两倍的混凝土保护层厚度。
8.一种对权利要求1-4任一项所述的抗高温爆裂复合混凝土进行爆裂预警的方法，其特征在于，应用设置在钢筋(3)外侧混凝土中的混凝土爆裂预警装置(4)进行监测，通过所述混凝土爆裂预警装置(4)中的电阻应变片(8)实时监测混凝土的应变变化，当应变发生突变时则混凝土发生爆裂。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混凝土爆裂预警装置(4)包括安装在外壳(11)内的蓄电池(7)，所述蓄电池(7)与MCU单片机(9)连接，所述MCU单片机(9)分别与无线传输芯片(10)、电阻应变片(8)连接；所述电阻应变片(8)布置在外壳(11)的外表面、并与所述抗高温爆裂复合混凝土相贴合。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述混凝土爆裂预警装置还包括温差发电机组(5)，温差发电机构A分布于混凝土表面，温差发电机构B分布于外壳(11)内，通过混凝土表面与外壳(11)内的温度差产生电能，并通过电线(6)给蓄电池(7)供电。
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