具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土及其制備方法與流程

本發明屬于建筑領域，涉及一種多孔混凝土及其制備方法，具體地說，涉及一種具有負泊松比效應的防爆功能多孔混凝土及其制備方法。

背景技術：

近年來，國內、國際社會的爆炸事件層出不窮。針對爆炸載荷造成的人身財產破壞，最為直接的措施是設計行之有效的基礎設施防爆材料。然而，傳統混凝土的設計理念主要是提高自身強度，對于爆炸過程的疏導與能量傳遞的消除并不能發揮積極作用。而從力學角度分析，爆炸的基本問題是能量而非力。因此，當載荷強度超過強度臨界值時，傳統混凝土通過直接釋放具有巨大動能的混凝土碎塊或金屬破片等爆炸產物，實現能量釋放，因此，極易造成對人身財產的二次傷害。目前，建筑行業對多孔混凝土更多的要求是輕質；雖然其防爆性能的研發也有所報道，但仍然局限在通過提高自身強度來實現抗爆。此外，用于填充墻等建筑結構的多孔混凝土的孔隙設計主要集中在孔隙尺寸大小與分布控制，對孔隙的形態并無關注。

泊松比是指拉伸試驗中材料橫向應變與縱向應變比值的相反數，泊松比是反映材料性質的一個重要參數。泊松比越小，材料在拉伸過程中橫向應變越大；相反，則越小。一般材料的泊松比在0至0.7之間。普通材料在受到縱向應力作用時出現細頸現象，其泊松比為正值。負泊松比材料，即拉脹材料(Auxetic，源自希臘語)，該類材料受拉伸時在彈性范圍內橫向發生膨脹，受壓縮時材料的橫向反而發生收縮，有效抵抗剪切力，大大吸收外部釋放的能量。負泊松比材料憑借其負泊松比效應，具備優異的彈性模量、抗斷裂性能及回彈韌性。負泊松比材料的發展已經有30余年，其應用主要集中在泡沫材料、腰椎間盤置換材料、人工血管替代材料等領域。在防爆領域，曾有人將窗簾設計出負泊松比效應以實現防爆目的。然而，在建筑領域，目前還沒有負泊松比混凝土的相關報道，將其應用于防爆工程更是聞所未聞。

為解決傳統混凝土在防爆方面的缺陷，實現安全有效的減少爆炸造成的損失的目的，本發明擬將“負泊松比效應”的概念引入混凝土結構材料領域。將具備防爆功能的負泊松比混凝土應用于民用、軍用建筑物墻體或天然氣、石油等工業管道，使得其經受爆炸載荷作用時，墻體或管道在爆炸脈沖的法向方向發生收縮而非膨脹。

技術實現要素：

針對現有混凝土在防爆方面的所存在的問題，本發明所述的防爆多孔混凝土通過負泊松比效應設計，可以有效抵抗并吸收爆炸載荷能量，從而實現對建筑結構及其內部人身財產安全最大限度的保護。

本發明的技術方案：

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土，所述防爆多孔混凝土具備連通孔結構或者內凹孔結構。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土，由以下幾種組分制備得到：膠凝材料、減水劑、激發劑、穩泡劑和發泡劑；按重量份數計，所述發泡劑的用量為所述膠凝材料的3-14％，所述發泡劑和穩泡劑的重量比為0.6-4.2。減水劑可以改善拌合物的流動性，減少單位用水量，使膠凝材料的漿體能夠順利地被倒入模中。其中，所述膠凝材料為石膏、硅酸鹽水泥、摻混合材料的硅酸鹽水泥、快硬水泥、膨脹水泥、自應力水泥、磷酸煤水泥、特種硅酸鹽水泥和抗硫酸鹽水泥中的一種或幾種。所述發泡劑為雙氧水。所述穩泡劑為羧甲基纖維素、纖維素鈉和硬脂酸鈣中的一種或幾種。所述激發劑為質量分數為0.3-0.6％的KMnO₄溶液。所述減水劑為聚羧酸系減水劑。按重量份數計，所述膠凝材料為280-320份；所述質量分數為0.3-0.6％的KMnO₄溶液為0.5-1份，所述聚羧酸系減水劑為0.5-0.7份。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，包括以下步驟：(1)將膠凝材料倒入攪拌裝置中，低速攪拌約1min，使混合均勻；然后緩慢加入適量水，繼續低速攪拌30s，使膠凝材料均勻分散在水中；(2)向攪拌裝置中加入減水劑，低速攪拌25-40s；(3)繼續高速攪拌20-40s，并在攪拌時加入激發劑和穩泡劑；(4)轉為低速攪拌，并在攪拌時加入發泡劑；繼續攪拌5-20s后，迅速澆注入模，發泡至不再膨脹；然后將試塊移至陰涼干燥處養護一段時間(通常24h)，待試塊有一定強度后，拆模，送入養護室養護至試驗齡期，即得到防爆多孔混凝土。其中，所述膠凝材料為石膏、硅酸鹽水泥、摻混合材料的硅酸鹽水泥、快硬水泥、膨脹水泥、自應力水泥、特種硅酸鹽水泥和抗硫酸鹽水泥中的一種或幾種；所述減水劑為聚羧酸系減水劑；所述激發劑為質量分數為0.3-0.6％的KMnO₄溶液；所述穩泡劑為羧甲基纖維素、纖維素鈉和硬脂酸鈣中的一種或幾種；所述發泡劑為雙氧水。按重量分數計，所述膠凝材料為280-320份；所述聚羧酸系減水劑為0.5-0.7份；所述激發劑KMnO₄溶液為0.5-1份。

需要特別注意的是，當穩泡劑采用硬脂酸鈣時，穩泡劑需在第(1)步與膠凝材料一起加入，以保證穩泡劑的分散，實現良好的穩泡效果，使得到的防爆多孔混凝土的孔結構更有利于防爆的目的。

其中，低速攪拌的轉速為30-100r/min，高速攪拌的轉速為200-350r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.5-0.6:1。當所述防爆多孔混凝土具備連通孔結構時，按重量分數計，發泡劑為膠凝材料的8-14％；步驟(4)的低速攪拌的轉速為30-70r/min。當所述防爆多孔混凝土具備內凹孔結構時，按重量分數計，發泡劑為膠凝材料的3-8％；步驟(4)的低速攪拌的轉速為50-100r/min，并且在發泡階段的2/5-2/3時間施加外部壓強，所述外部壓強為該試塊抗壓強度的10-20％(制備前需先對相應配方體系的發泡時間與抗壓強度進行測定)。

通過對孔隙形態及相應界面結構而進行優化設計，從而使混凝土具有負泊松比效應，提高了混凝土對爆炸載荷的吸收能力，并在吸收爆炸載荷后在很大程度上保持混凝土原有宏觀結構不被破壞。與具有閉孔結構的普通多孔鋼筋混凝土相比，具有連通孔和內凹孔結構的防爆多孔混凝土的儲能模量大大提高，從而大幅提升抵抗并吸收爆炸載荷能量的能力，避免爆炸過程中直接釋放爆炸產物對建筑結構及其內部人身財產造成二次傷害，從而實現對建筑結構及其內部人身財產安全最大限度的保護。

為了得到根據上述方法制備的防爆多孔混凝土的泊松比，本申請采用下述方法對試塊進行了檢測。附圖2是檢測采用的實驗裝置示意圖。

(一)測試方法

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)對普通試塊進行抗壓強度的測試。采用了全自動壓力試驗機來對這類試塊進行測試。

參照《普通混凝土小型空心砌塊力學性能實驗標準》(GB/T8239-1997)中的相關內容對多孔試塊的抗壓強度進行測定。

為了準確測出試塊在受到壓力載荷后形狀的連續變化情況，試驗采用最小的加載速度進行加載，普通試塊加載速率為0.1MPa/s，多孔試塊加載速率為0.2mm/min，并在加載的同時，使用工業相機拍攝試塊加載的全過程，直至試塊出現宏觀破壞。

(二)測試步驟

1.將養護到規定時間的試塊從養護室中拿出，將其放入電熱鼓風干燥箱內干燥直至恒重，然后取出，冷卻到室溫。

2.首先將試塊表面的測試區域(側面)均勻的噴上黑漆，然后用白色噴漆隨機噴灑在黑漆表面，如圖3所示。這樣處理的目的是為了便于觀測，以滿足數字散斑法測試的需要。

3.待噴漆干透后，把試塊放置在壓力試驗機的承壓板上，并保證承壓板與試塊的受壓面的中心重合。壓縮裝置如圖4所示。

4.啟動試驗機，將下壓板慢慢上升，當試塊與上壓板快要接觸時，調整旋鈕為慢速上升，以便使承板與試塊受壓面均勻接觸。

5.設置測試參數，將工作空間切換成上空間，最大量程50KN，位移速度0.2mm/min。清零后開始測試，直到試件產生宏觀破壞。并在加載過程的同時，用工業相機連續拍照，對不同時刻的試塊被破壞的各個時間段進行實時的記錄。

6.數據處理：采用DSCM軟件(清華大學工程力學系開發)進行相關分析。這種方法在很大程度上彌補了使用相關系數插值擬和的DSCM方法在測量大應變位移場方面的不足，可研究混凝土試件在單軸受壓的情況下的形變，并可同時給出位移場和應變場的變化。

普通試塊為無孔試塊，閉孔試塊內的孔隙為近似規則球體，連通孔試塊內的孔隙是由內部孔隙連通而成，內凹孔試塊的孔隙是在閉孔試塊發泡時受單向壓力擠壓而成或預埋預制的石蠟內凹空胞體單元結構。

本發明的有益效果：

(1)與泊松比為正值的傳統混凝土相比，本發明制備的防爆多孔混凝土泊松比是負值，從而大幅度提高了對爆炸載荷的吸收能力，并且很大程度上保持原有結構不被破壞。

(2)本發明通過負泊松比效應設計，制備具有連通孔結構與內凹孔結構的多孔混凝土，二者的泊松比值分別為-0.21與-0.90，與具有閉孔結構的普通多孔鋼筋混凝土相比，其儲能模量分別提高261％與372％；從而大幅提升抵抗并吸收爆炸載荷能量的能力，避免爆炸過程中直接釋放爆炸產物對建筑結構及其內部人身財產造成二次傷害，從而實現對建筑結構及其內部人身財產安全最大限度的保護。

附圖說明

圖1為泊松比測試采用的實驗裝置示意圖。

圖2為泊松比測試中的試樣示意圖，A為受力面，B為數字散斑采集面。

圖3為泊松比測試中的壓縮裝置示意圖。

圖4為多孔混凝土試塊剖面孔隙形態及其排布方式示意圖，a為普通混凝土，b為閉孔混凝土，c為連通孔混凝土，d為內凹孔混凝土。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做進一步的說明。

實施例1：具備連通孔結構的防爆多孔混凝土

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土，所述防爆多孔混凝土具備連通孔結構。所述防爆多孔混凝土，由以下幾種組分制備得到：膠凝材料、減水劑、激發劑、穩泡劑和發泡劑。其中，所述膠凝材料為硅酸鹽水泥，所述發泡劑為雙氧水，所述穩泡劑為羧甲基纖維素，所述激發劑為質量分數為0.3％的KMnO₄溶液，所述減水劑為聚羧酸系減水劑。按重量份數計，所述膠凝材料為300g，雙氧水為30g，羧甲基纖維素為35g，質量分數為0.3％的KMnO₄溶液為0.8g，所述聚羧酸系減水劑為0.6g。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，包括以下步驟：(1)將膠凝材料倒入攪拌裝置中，低速攪拌約1min，使混合均勻；然后緩慢加入適量水，繼續低速攪拌30s，使膠凝材料均勻分散在水中；(2)向攪拌裝置中加入減水劑，低速攪拌30s；(3)繼續高速攪拌35s，并在攪拌時加入激發劑和穩泡劑；(4)轉為低速攪拌，并在攪拌時加入發泡劑；繼續攪拌10s后，迅速澆注入模，發泡至不再膨脹；然后將試塊移至陰涼干燥處養護一段時間(通常24h)，待試塊有一定強度后，拆模，送入養護室養護至試驗齡期，即得到防爆多孔混凝土。其中，低速攪拌的轉速為50r/min，高速攪拌的轉速為300r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.5:1。

為了得到根據上述方法制備的防爆多孔混凝土的泊松比，本申請采用下述方法對試塊進行了檢測。附圖1是檢測采用的實驗裝置示意圖。

(一)測試方法

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)對普通試塊進行抗壓強度的測試。采用了全自動壓力試驗機來對這類試塊進行測試。

參照《普通混凝土小型空心砌塊力學性能實驗標準》(GB/T8239-1997)中的相關內容對多孔試塊的抗壓強度進行測定。

為了準確測出試塊在受到壓力載荷后形狀的連續變化情況，試驗采用最小的加載速度進行加載，普通試塊加載速率為0.1MPa/s，多孔試塊加載速率為0.2mm/min，并在加載的同時，使用工業相機拍攝試塊加載的全過程，直至試塊出現宏觀破壞。

(二)測試步驟

1.將養護到規定時間的試塊從養護室中拿出，將其放入電熱鼓風干燥箱內干燥直至恒重，然后取出，冷卻到室溫。

2.首先將試塊表面的測試區域(側面)均勻的噴上黑漆，然后用白色噴漆隨機噴灑在黑漆表面，如圖2所示。這樣處理的目的是為了便于觀測，以滿足數字散斑法測試的需要。

3.待噴漆干透后，把試塊放置在壓力試驗機的承壓板上，并保證承壓板與試塊的受壓面的中心重合。壓縮裝置如圖3所示。

4.啟動試驗機，將下壓板慢慢上升，當試塊與上壓板快要接觸時，調整旋鈕為慢速上升，以便使承板與試塊受壓面均勻的接觸。

5.設置測試參數，將工作空間切換成上空間，最大量程50KN，位移速度0.2mm/min。清零后開始測試，直到試件產生宏觀破壞。并在加載過程的同時，用工業相機連續拍照，對不同時刻的試塊被破壞的各個時間段進行實時的記錄。

6.數據處理：采用DSCM軟件(清華大學工程力學系開發)進行相關分析。這種方法在很大程度上彌補了使用相關系數插值擬和的DSCM方法在測量大應變位移場方面的不足，可研究混凝土試件在單軸受壓的情況下的形變，并可同時給出位移場和應變場的變化。

根據上述檢測結果進行計算，本實施例制備的具備連通孔結構的防爆多孔混凝土的泊松比為-0.57。

實施例2：具備連通孔結構的防爆多孔混凝土

與實施例1不同的是，所述膠凝材料為石膏，所述穩泡劑為硬脂酸鈣中。按重量份數計，所述膠凝材料為280g，雙氧水為25g，硬脂酸鈣為29g；所述質量分數為0.5％的KMnO₄溶液為0.5g，所述聚羧酸系減水劑為0.5g。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，低速攪拌的轉速為70r/min，高速攪拌的轉速為250r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.6:1。

根據檢測結果進行計算，本實施例制備的具備連通孔結構的防爆多孔混凝土的泊松比為-0.36。

實施例3：具備連通孔結構的防爆多孔混凝土

與實施例1不同的是，所述膠凝材料為膨脹水泥，所述穩泡劑纖維素鈉。按重量份數計，所述膠凝材料為320g；雙氧水為41g，纖維素鈉為52g，所述質量分數為0.6％的KMnO₄溶液為1g，所述聚羧酸系減水劑為0.7g。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，低速攪拌的轉速為30r/min，高速攪拌的轉速為350r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.55:1。

根據檢測結果進行計算，本實施例制備的具備連通孔結構的防爆多孔混凝土的泊松比為-0.82。

實施例4：具備內凹孔結構的防爆多孔混凝土

與實施例1不同的是，所述膠凝材料為快硬水泥，所述穩泡劑為羧甲基纖維素。按重量份數計，所述膠凝材料為300g；雙氧水為18g，穩泡劑中的羧甲基纖維素為20g，所述質量分數為0.4％的KMnO₄溶液為0.6g，所述聚羧酸系減水劑為0.6g。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，低速攪拌的轉速為80r/min，高速攪拌的轉速為250r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.5:1。步驟(4)中在發泡10s時施加0.8MPa的外部壓強。

根據檢測結果進行計算，本實施例制備的具備內凹孔結構的防爆多孔混凝土的泊松比為-0.34。

實施例5：具備內凹孔結構的防爆多孔混凝土

與實施例4不同的是，所述膠凝材料為抗硫酸鹽水泥，所述穩泡劑為硬脂酸鈣。按重量份數計，所述膠凝材料為290g，雙氧水為11g，硬脂酸鈣為10g；所述質量分數為0.6％的KMnO₄溶液為0.9g，所述聚羧酸系減水劑為0.5g。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，低速攪拌的轉速為50r/min，高速攪拌的轉速為200r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.6:1。步驟(4)中在發泡15s時施加1.6MPa的外部壓強。

根據檢測結果進行計算，本實施例制備的具備內凹孔結構的防爆多孔混凝土的泊松比為-0.55。

實施例6：具備內凹孔結構的防爆多孔混凝土

與實施例4不同的是，所述膠凝材料硅酸鹽水泥，所述穩泡劑為纖維素鈉。按重量份數計，所述膠凝材料為310g，雙氧水為25g，纖維素鈉為15g，所述質量分數為0.5％的KMnO₄溶液為0.7g，所述聚羧酸系減水劑為0.7g。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，低速攪拌的轉速為50r/min，高速攪拌的轉速為200r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.6:1。步驟(4)中在發泡14s時施加1.2MPa的外部壓強。

根據檢測結果進行計算，本實施例制備的具備內凹孔結構的防爆多孔混凝土的泊松比為-0.81。

實施例7：具備連通孔結構的防爆多孔混凝土

與實施例1不同的是，所述膠凝材料硅酸鹽水泥，所述穩泡劑為羧甲基纖維素。按重量份數計，所述膠凝材料為300g，雙氧水為30g，羧甲基纖維素為25g，所述質量分數為0.3％的KMnO₄溶液為0.6g，所述聚羧酸系減水劑為0.6g。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，低速攪拌的轉速為40r/min，高速攪拌的轉速為320r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.55:1。

根據檢測結果進行計算，本實施例制備的具備內連通結構的防爆多孔混凝土的泊松比為-0.73。實施例8：具備連通孔結構的防爆多孔混凝土

與實施例7不同的是，所述膠凝材料硅酸鹽水泥，所述穩泡劑為硬脂酸鈣。按重量份數計，所述膠凝材料為280g，雙氧水為28g，硬脂酸鈣為35g，質量分數為0.6％的KMnO4溶液為0.7g，所述聚羧酸系減水劑為0.5g。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，低速攪拌的轉速為35r/min，高速攪拌的轉速為340 r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.5:1。

根據檢測結果進行計算，本實施例制備的具備連通孔結構的防爆多孔混凝土的泊松比為-0.61。

實施例9：具備內凹孔結構的防爆多孔混凝土

與實施例7不同的是，所述膠凝材料為硅酸鹽水泥，所述穩泡劑為纖維素鈉。按重量份數計，所述膠凝材料為320g，纖維素鈉為12g，質量分數為0.5％的KMnO4溶液為0.8g，所述聚羧酸系減水劑為0.7g。

具有負泊松比效應的防爆多孔混凝土的制備方法，低速攪拌的轉速為50r/min，高速攪拌的轉速為200r/min；步驟(1)中水與膠凝材料的重量比為0.6:1。步驟(4)中在發泡10s時施加0.9MPa的外部壓強。

根據檢測結果進行計算，本實施例制備的具備內凹孔結構的防爆多孔混凝土的泊松比為-0.82。

本發明上述實施例中采用的原料規格如下：

原料 規格 產品標號 生產廠家

雙氧水 分析純 GB/T 6684-2002 煙臺三和化學試劑有限公司

高錳酸鉀 分析純 GB/643-2008 煙臺三和化學試劑有限公司

羧甲基纖維素 分析純 Q/HG 34351-99 天津市永大化學試劑有限公司

羧甲基纖維素鈉 分析純 GB/1904-2005 上海申光食用化學品有限公司

硬脂酸鈣 化學純 Q/12HB3780-2004 天津科密歐化學試劑有限公司

膠凝材料 山東山水水泥有限公司

聚羧酸減水劑 分析純 BKS-199 山東博克化學股份有限公司。