CN106495592B - 具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土及制备 - Google Patents
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Abstract
具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，由含有连通孔结构或内凹孔结构的多孔混凝土基体、以及若干个特殊形态的纤维结构单元构建的增强体阵列组成。特殊形态的纤维结构单元由平行排布的2‑4层纤维铰链组成，层间距为10mm‑50mm，纤维铰链为具有内凹角的轴对称多边形结构；轴对称多边形的外接圆直径为9mm‑54mm。本发明将具有负泊松比效应的多孔混凝土基体与具有负泊松比效应的特殊形态纤维结构单元相结合，使得原有多孔混凝土基体的泊松比值最小分别可达到‑0.53与‑0.98，储能模量分别提高320％与418％；更大幅度提高了对爆炸载荷的吸收能力，并且很大程度上保持原有结构不被破坏。
Description
技术领域
本发明属于建筑领域，涉及一种纤维增强多孔混凝土及其制备方法，具体地说，涉及一种具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土及其制备方法。
背景技术
近年来，国内、国际社会的爆炸事件层出不穷。针对爆炸载荷造成的人身财产破坏，最为直接的措施是设计行之有效的基础设施防爆材料。然而，传统混凝土的设计理念主要是提高自身强度，对于爆炸过程的疏导与能量传递的消除并不能发挥积极作用。而从力学角度分析，爆炸的基本问题是能量而非力。因此，当载荷强度超过强度临界值时，传统混凝土通过直接释放具有巨大动能的混凝土碎块或金属破片等爆炸产物，实现能量释放，因此，极易造成对人身财产的二次伤害。目前，建筑行业对多孔混凝土更多的要求是轻质；虽然其防爆性能的研发也有所报道，但仍然局限在通过提高自身强度来实现抗爆。此外，用于填充墙等建筑结构的多孔混凝土的孔隙设计主要集中在孔隙尺寸大小与分布控制，对孔隙的形态并无关注。
泊松比是指材料受力形变时横向应变与纵向应变比值的负数，是反映材料抵抗外部载荷能力的一个重要参数。泊松比越小，材料在受力形变过程中横向应变越大；相反，则越小。一般材料的泊松比在0至0.7之间。普通材料在受到纵向拉应力作用时出现细颈现象，其泊松比为正值。而负泊松比材料，即拉胀材料(Auxetic，源自希腊语)，形变则相反。负泊松比混凝土受拉伸时在弹性范围内横向发生膨胀，受压缩时材料的横向反而发生收缩，有效抵抗剪切力，大大吸收外部释放的能量。负泊松比材料凭借其负泊松比效应，具备优异的弹性模量、抗断裂性能及回弹韧性。负泊松比材料的发展已经有30余年，其应用主要集中在泡沫材料、腰椎间盘置换材料、人工血管替代材料等领域。在防爆领域，曾有人将窗帘设计出负泊松比效应以实现防爆目的。然而，在建筑领域，目前还没有负泊松比混凝土的相关报道，将其应用于防爆工程更是闻所未闻。
为解决传统混凝土在防爆方面的缺陷，实现安全有效的减少爆炸造成的损失的目的，本发明拟将“负泊松比效应”的概念引入混凝土结构材料领域。将具备防爆功能的负泊松比混凝土应用于民用、军用建筑物墙体或天然气、石油等工业管道，使得在经受爆炸载荷作用时，墙体或管道在爆炸脉冲的法向方向发生收缩而非膨胀。
发明内容
针对现有混凝土在防爆方面所存在的问题，本发明提供了纤维增强多孔防爆混凝土及其制备方法。所述纤维增强多孔防爆混凝土通过负泊松比效应设计，可以有效抵抗并吸收爆炸载荷能量，从而实现对建筑结构及其内部人身财产安全最大限度的保护。
本发明的技术方案：具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，由含有连通孔结构或内凹孔结构的多孔混凝土基体、以及若干个特殊形态的纤维结构单元构建的增强体阵列组成；所述特殊形态的纤维结构单元由平行排布的2-4层纤维铰链组成，层间距为10mm-50mm，所述纤维铰链为具有内凹角的轴对称多边形结构。所述纤维为直径为0.05mm-5mm的聚丙烯纤维、钢纤维、不锈钢纤维、温石棉纤维、青石棉纤维、铁石棉纤维、抗碱玻璃纤维、抗碱矿棉纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、尼龙纤维、芳族聚酰亚胺纤维、西沙尔麻纤维或龙舌兰纤维中的一种或几种。
其中，所述轴对称多边形结构为六棱内凹结构、八棱内凹结构、十棱内凹结构或十二棱内凹结构；所述六棱内凹结构如图1a所示，所述八棱内凹结构如图1b所示，所述十棱内凹结构如图1c所示，所述十二棱内凹结构如图1d所示；所述内凹角分别为β1＝90°-150°，β2＝100°-160°，β3＝110°-160°，β4＝110°-170°，所述纤维结构单元的轴对称多边形的外接圆直径为9mm-54mm。
所述若干个特殊形态的纤维结构单元之间为有序排列；所述有序排列为定向有序密集阵列(特殊内凹结构完全有序排列型纤维混凝土)、定向有序隔层阵列(特殊内凹/普通结构层次交替有序排列型纤维混凝土)或定向有序层间交叉镶嵌阵列(特殊内凹/普通结构ABA条镶嵌排布型纤维混凝土)，如图6所示。
所述每个纤维结构单元还包括垂直方向的固定纤维束，每层所述纤维铰链的平面与固定纤维束垂直；所述内凹角的方向与爆炸载荷的传播方向一致。
其中，所述多孔混凝土基体由以下几种组分制备得到：胶凝材料、减水剂、激发剂、稳泡剂和发泡剂；按重量份数计，所述发泡剂的用量为所述胶凝材料的3-14％，所述稳泡剂和发泡剂的重量比为0.6-4.2。所述胶凝材料为石膏、硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥、快硬水泥、膨胀水泥、自应力水泥、磷酸镁水泥、特种硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥中的一种或几种；所述发泡剂为双氧水；所述稳泡剂为羧甲基纤维素、纤维素钠和硬脂酸钙中的一种或几种；所述激发剂为质量分数为0.3-0.6％的KMnO4溶液；所述减水剂为聚羧酸系减水剂；按重量份数计，所述胶凝材料为280-320份；所述KMnO4溶液为0.5-1份，所述聚羧酸系减水剂为0.5-0.7份。
具有负泊松比效应的防爆纤维混凝土的制备方法，所述制备方法为预制骨架法，包括以下步骤：(1)准备：根据纤维铰链的需要，采用常规技术，将直径为0.05mm-5mm的纤维纺成直径为1mm-20mm的纤维束，并对纤维束进行弯曲、切割处理；(2)固定：将切割好的纤维束固定为具有内凹角的轴对称多边形结构，然后将n层具有内凹角的轴对称多边形结构固定得到纤维结构单元，最后将纤维结构单元有序排列，得到预制纤维结构模板；(3)浇筑：根据多孔混凝土基体的配比设计拌合混凝土，并将其浇筑到步骤(2)制备的预制纤维结构模板中，静置养护，得到具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土。图5所示的箭头方向为混凝土结构承重的载荷方向。
其中，当稳泡剂为羧甲基纤维素或纤维素钠时，步骤(3)所述的拌合混凝土包括以下步骤：(a)将胶凝材料倒入搅拌装置中，低速搅拌至混合均匀；然后缓慢加入适量水，继续低速搅拌至胶凝材料均匀分散在水中；(b)向搅拌装置中加入减水剂，低速搅拌25-40s；(c)继续高速搅拌20-40s，并在搅拌时加入激发剂和稳泡剂；(d)转为低速搅拌，并在搅拌时加入发泡剂；继续搅拌5-20s开始发泡。当稳泡剂为硬脂酸钙时，步骤(3)所述的拌合混凝土中，稳泡剂在步骤(b)中加入搅拌装置中。
其中，所述低速搅拌的转速为30-100r/min，所述高速搅拌的转速为200-350r/min；所述水与胶凝材料的重量比为0.5-0.6:1。所述防爆多孔混凝土具备连通孔结构时：按重量分数计，所述发泡剂为胶凝材料的8-14％；步骤(d)所述的低速搅拌的转速为30-70r/min；步骤(3)所述的浇筑在发泡完成以后进行。所述防爆纤维多孔混凝土具备内凹孔结构时：按重量分数计，所述发泡剂为胶凝材料的3-8％；步骤(d)所述的低速搅拌的转速为50-100r/min；步骤(3)所述的浇筑在发泡开始时进行；浇筑完成后，在发泡阶段的2/5-2/3时间施加外部压，所述外部压强为该试样抗压强度的10-20％。(制备前需先对相应配方体系的发泡时间与抗压强度进行测定)
通过对孔隙形态及相应界面结构而进行优化设计，从而使混凝土具有负泊松比效应，提高了混凝土对爆炸载荷的吸收能力，并在吸收爆炸载荷后在很大程度上保持混凝土原有宏观结构不被破坏。与具有闭孔结构的普通纤维增强多孔混凝土相比，具有连通孔和内凹孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的储能模量大大提高，大幅提升抵抗并吸收爆炸载荷能量的能力，避免爆炸过程中直接释放爆炸产物对建筑结构及其内部人身财产造成二次伤害，从而实现对建筑结构及其内部人身财产安全最大限度的保护。
为了得到根据上述方法制备的防爆纤维多孔混凝土的泊松比，本申请采用下述方法对试块进行了检测。附图7是检测采用的实验装置示意图。
(一)测试方法
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对普通试块进行抗压强度的测试。采用了全自动压力试验机来对这类试块进行测试。
参照《普通混凝土小型空心砌块力学性能实验标准》(GB/T8239-1997)中的相关内容对多孔试块的抗压强度进行测定。
为了准确测出试块在受到压力载荷后形状的连续变化情况，试验采用最小的加载速度进行加载，普通试块加载速率为0.1MPa/s，多孔试块加载速率为0.2mm/min，并在加载的同时，使用工业相机拍摄试块加载的全过程，直至试块出现宏观破坏。
(二)测试步骤
1.将养护到规定时间的试块从养护室中拿出，将其放入电热鼓风干燥箱内干燥直至恒重，然后取出，冷却到室温。
2.首先将试块表面的测试区域(侧面)均匀的喷上黑漆，然后用白色喷漆随机喷洒在黑漆表面，如图8所示。这样处理的目的是为了便于观测，以满足数字散斑法测试的需要。
3.待喷漆干透后，把试块放置在压力试验机的承压板上，并保证承压板与试块的受压面的中心重合。压缩装置如图9所示。
4.启动试验机，将下压板慢慢上升，当试块与上压板快要接触时，调整旋钮为慢速上升，以便使承板与试块受压面均匀接触。
5.设置测试参数，将工作空间切换成上空间，最大量程50KN，位移速度0.2mm/min。清零后开始测试，直到试件产生宏观破坏。并在加载过程的同时，用工业相机连续拍照，对不同时刻的试块被破坏的各个时间段进行实时的记录。
6.数据处理：采用DSCM软件(清华大学工程力学系开发)进行相关分析。这种方法在很大程度上弥补了使用相关系数插值拟和的DSCM方法在测量大应变位移场方面的不足，可研究混凝土试件在单轴受压的情况下的形变，并可同时给出位移场和应变场的变化。
如图10所示，普通试块为无孔试块，闭孔试块内的孔隙为近似规则球体，连通孔试块内的孔隙是由内部孔隙连通而成，内凹孔试块的孔隙是在闭孔试块发泡时受单向压力挤压而成或预埋预制的石蜡内凹空胞体单元结构。
本发明的有益效果：
(1)本发明创新性的通过设计纤维结构单元的形式与角度，以及混凝土中的纤维结构单元及其堆叠阵列分布，得到具有特殊形态的预制纤维结构模板；然后采用预制骨架法，制备具备负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土。
(2)本发明的混凝土基体为具有连通孔结构或内凹孔结构的多孔混凝土，二者的泊松比值最小分别可达到-0.21与-0.90，与具有闭孔结构的普通多孔纤维混凝土相比，其储能模量分别提高261％与372％；大幅提升抵抗并吸收爆炸载荷能量的能力，避免爆炸过程中直接释放爆炸产物对建筑结构及其内部人身财产造成二次伤害，从而实现对建筑结构及其内部人身财产安全最大限度的保护。
(3)本发明将具有负泊松比效应的多孔混凝土基体与具有负泊松比效应的特殊形态纤维结构单元相结合，使得原有多孔混凝土基体的泊松比值最小分别可达到-0.53与-0.98，储能模量分别提高320％与418％；更大幅度提高了对爆炸载荷的吸收能力，并且很大程度上保持原有结构不被破坏。
附图说明
图1为本发明中具备负泊松比效应的纤维铰链结构图，图1a为六棱内凹结构，图1b为八棱内凹结构、图1c为十棱内凹结构，图1d为十二棱内凹结构。
图2为六棱内凹结构、八棱内凹结构的纤维铰链受力方向的示意图。
图3为纤维铰链在图2所示的受力之后的收缩方向的示意图。
图4为采用不同纤维铰链结构的纤维结构单元示意图；图4a为普通纤维结构，图4b为六棱内凹结构，图4c为八棱内凹结构。
图5为采用不同纤维铰链结构的纤维混凝土试块的立体透视图；图5a为普通砂浆混凝土，图5b为普通纤维混凝土，图5c为六棱内凹纤维混凝土；图5d为八棱内凹纤维混凝土。
图6为纤维结构单元三种有序排列方式的示意图；图6a为定向有序密集阵列，图6b为定向有序隔层阵列，图6c为定向有序层间交叉镶嵌阵列。
图7为泊松比检测采用的实验装置示意图。
图8为泊松比检测中的试样示意图。
图9为泊松比检测中的压缩装置示意图。
图10为纤维多孔混凝土试块剖面形态示意图。
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：具备连通孔结构与六棱内凹纤维结构单元定向有序密集阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维增强多孔防爆混凝土由具备连通孔结构的多孔混凝土基体、以及若干个特殊形态纤维结构单元组成；所述纤维结构单元由由平行排布的2层纤维铰链组成，所述纤维铰链为六棱内凹结构；所述内凹角为β1＝90°，层间距为15mm，六棱轴对称多边形的外接圆直径为24mm，所述纤维为直径为0.2mm的钢纤维纺成的直径为5mm的纤维束。所述每个纤维结构单元还包括垂直方向的固定纤维束，每层所述纤维铰链的平面与固定纤维束垂直；所述内凹角的方向与爆炸载荷的传播方向一致。组成防爆纤维混凝土的所述多个纤维结构单元之间为定向有序密集阵列(特殊内凹结构完全有序排列型纤维混凝土)，如图6a所示。
其中，所述多孔混凝土基体由以下几种组分制备得到：胶凝材料、减水剂、激发剂、稳泡剂和发泡剂。其中，所述胶凝材料为硅酸盐水泥，所述发泡剂为双氧水，所述稳泡剂为羧甲基纤维素，所述激发剂为质量分数为0.3％的KMnO4溶液，所述减水剂为聚羧酸系减水剂。按重量份数计，所述胶凝材料为300g，双氧水为30g，羧甲基纤维素为35g，质量分数为0.3％的KMnO4溶液为0.8g，所述聚羧酸系减水剂为0.6g。
具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土的制备方法，所述制备方法为预制骨架法，包括以下步骤：(1)准备：根据纤维铰链的需要，采用常规纺丝技术，将直径为0.2mm的钢纤维纺成的直径为5mm的纤维束，并进行弯曲和切割；(2)固定：将切割好的纤维固定为具有内凹角的六棱轴对称多边形结构，然后将2层具有内凹角的六棱轴对称多边形结构固定得到纤维结构单元，最后将纤维结构单元有序排列，得到预制纤维结构模板；(3)浇筑：根据多孔混凝土基体的配比设计拌合混凝土，并将其浇筑到步骤(2)制备的预制纤维结构模板中，静置养护，得到具有负泊松比效应的防爆纤维混凝土。图5所示的箭头方向为混凝土结构承重的载荷方向。
其中，步骤(3)所述的拌合混凝土包括以下步骤：(a)将胶凝材料倒入搅拌装置中，低速搅拌约1min，使混合均匀；然后缓慢加入适量水，继续低速搅拌30s，使胶凝材料均匀分散在水中；(b)向搅拌装置中加入减水剂，低速搅拌25s；(c)继续高速搅拌20s，并在搅拌时加入激发剂和稳泡剂；(d)转为低速搅拌，并在搅拌时加入发泡剂；继续搅拌10s开始发泡，发泡完成后浇筑。其中，低速搅拌的转速为50r/min，高速搅拌的转速为300r/min；步骤(a)中水与胶凝材料的重量比为0.5:1。
为了得到根据上述方法制备的防爆多孔混凝土的泊松比，本申请采用下述方法对试块进行了检测。附图7 是检测采用的实验装置示意图。
(一)测试方法
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对普通试块进行抗压强度的测试。采用了全自动压力试验机来对这类试块进行测试。
参照《普通混凝土小型空心砌块力学性能实验标准》(GB/T8239-1997)中的相关内容对多孔试块的抗压强度进行测定。
为了准确测出试块在受到压力载荷后形状的连续变化情况，试验采用最小的加载速度进行加载，普通试块加载速率为0.1MPa/s，多孔试块加载速率为0.2mm/min，并在加载的同时，使用工业相机拍摄试块加载的全过程，直至试块出现宏观破坏。
(二)测试步骤
1.将养护到规定时间的试块从养护室中拿出，将其放入电热鼓风干燥箱内干燥直至恒重，然后取出，冷却到室温。
2.首先将试块表面的测试区域(侧面)均匀的喷上黑漆，然后用白色喷漆随机喷洒在黑漆表面，如图8 所示。这样处理的目的是为了便于观测，以满足数字散斑法测试的需要。
3.待喷漆干透后，把试块放置在压力试验机的承压板上，并保证承压板与试块的受压面的中心重合。压缩装置如图9 所示。
4.启动试验机，将下压板慢慢上升，当试块与上压板快要接触时，调整旋钮为慢速上升，以便使承板与试块受压面均匀的接触。
5.设置测试参数，将工作空间切换成上空间，最大量程50KN，位移速度0.2mm/min。清零后开始测试，直到试件产生宏观破坏。并在加载过程的同时，用工业相机连续拍照，对不同时刻的试块被破坏的各个时间段进行实时的记录。
6.数据处理：采用DSCM软件(清华大学工程力学系开发)进行相关分析。这种方法在很大程度上弥补了使用相关系数插值拟和的DSCM方法在测量大应变位移场方面的不足，可研究混凝土试件在单轴受压的情况下的形变，并可同时给出位移场和应变场的变化。
根据上述检测结果进行计算，本实施例制备的具备连通孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.44。
实施例2：具备连通孔结构与六棱内凹纤维结构单元定向有序隔层阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例1不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的3层纤维铰链组成，所述内凹角为β1＝120°，层间距为20mm，六棱轴对称多边形的外接圆直径为20mm，所述纤维为直径为0.1mm的钢纤维纺成的直径为4mm的纤维束。组成防爆纤维混凝土的所述多个纤维结构单元之间为定向有序隔层阵列(特殊内凹/普通结构层次交替有序排列型纤维混凝土)，如图6b所示。所述胶凝材料为硅酸盐水泥，所述稳泡剂为硬脂酸钙中。按重量份数计，所述胶凝材料为280g，双氧水为22.4g，硬脂酸钙为25g；所述质量分数为0.6％的KMnO4溶液为0.5g，所述聚羧酸系减水剂为0.5g。
其中，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土的制备方法，步骤(3)所述的拌合混凝土为：低速搅拌的转速为70r/min，高速搅拌的转速为250r/min；步骤(1)中水与胶凝材料的重量比为0.6:1。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备连通孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.49。
实施例3：具备连通孔结构与六棱内凹纤维结构单元定向有序层间交叉镶嵌阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例1不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的4层纤维铰链组成，所述内凹角为β1＝150°，层间距为30mm，六棱轴对称多边形的外接圆直径为50mm，所述纤维为直径为0.6mm的钢纤维纺成的直径为6mm的纤维束。组成防爆纤维混凝土的所述多个纤维结构单元之间为定向有序层间交叉镶嵌阵列(特殊内凹/普通结构ABA条镶嵌排布型纤维混凝土)，如图6c所示。所述胶凝材料为膨胀水泥，所述稳泡剂纤维素钠。按重量份数计，所述胶凝材料为320g；双氧水为41.6g，纤维素钠为40g，所述质量分数为0.5％的KMnO4溶液为1g，所述聚羧酸系减水剂为0.7g。
其中，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土的制备方法，步骤(3)所述的拌合混凝土为：低速搅拌的转速为30r/min，高速搅拌的转速为350r/min；步骤(1)中水与胶凝材料的重量比为0.55:1。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备连通孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.51。
实施例4：具备内凹孔结构与八棱内凹纤维结构单元定向有序层间交叉镶嵌阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例1不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的3层纤维铰链组成，所述纤维铰链为八棱内凹结构；所述内凹角β2＝100°，层间距为20mm，八棱轴对称多边形的外接圆直径为40mm，所述纤维为直径为0.1mm的钢纤维纺成的直径为5mm的纤维束。所述有序排列为定向有序层间交叉镶嵌阵列(特殊内凹/普通结构ABA条镶嵌排布型纤维混凝土)，如图6c所示。所述胶凝材料为快硬水泥，所述稳泡剂为羧甲基纤维素。按重量份数计，所述胶凝材料为300g；双氧水为18g，稳泡剂中的羧甲基纤维素为18g，所述质量分数为0.5％的KMnO4溶液为0.6g，所述聚羧酸系减水剂为0.6g。
其中，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土的制备方法，
步骤(3)所述的拌合混凝土为：低速搅拌的转速为80r/min，高速搅拌的转速为250r/min；步骤(a)中水与胶凝材料的重量比为0.5:1。步骤(d)中在发泡开始时浇筑，发泡15s时施加2.6MPa的外部压强。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.74。
实施例5：具备内凹孔结构与八棱内凹纤维结构单元定向有序隔层阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例4不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的2层纤维铰链组成，所述内凹角β2＝120°，层间距为10mm，八棱轴对称多边形的外接圆直径为30mm，所述纤维为直径为0.2mm的钢纤维纺成的直径为4mm的纤维束。所述有序排列为定向有序隔层阵列(特殊内凹/普通结构层次交替有序排列型纤维混凝土)，如图6b所示。所述胶凝材料为抗硫酸盐水泥，所述稳泡剂为硬脂酸钙。按重量份数计，所述胶凝材料为290g，双氧水为10.4g，硬脂酸钙为15g；所述质量分数为0.3％的KMnO4溶液为0.9g，所述聚羧酸系减水剂为0.5g。
其中，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土的制备方法，步骤(3)所述的拌合混凝土为：低速搅拌的转速为50r/min，高速搅拌的转速为200r/min；步骤(1)中水与胶凝材料的重量比为0.6:1。步骤(4)中在发泡20s时施加2.2MPa的外部压强。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.85。
实施例6：具备内凹孔结构与八棱内凹纤维结构单元定向有序隔层阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例4不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的2层纤维铰链组成，所述内凹角β2＝150°，层间距为15mm，八棱轴对称多边形的外接圆直径为45mm，所述纤维为直径为0.3mm的钢纤维纺成的直径为3mm的纤维束。所述有序排列为定向有序隔层阵列(特殊内凹/普通结构层次交替有序排列型纤维混凝土)，如图6c所示。所述胶凝材料硅酸盐水泥，所述稳泡剂为纤维素钠。按重量份数计，所述胶凝材料为310g，双氧水为24.8g，纤维素钠为24g，所述质量分数为0.4％的KMnO4溶液为0.7g，所述聚羧酸系减水剂为0.7g。
其中，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土的制备方法，步骤(3)所述的拌合混凝土为：低速搅拌的转速为50r/min，高速搅拌的转速为200r/min；步骤(1)中水与胶凝材料的重量比为0.6:1。步骤(4)中在发泡14s时施加2.7MPa的外部压强。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.93。
实施例7：具备连通孔结构与八棱内凹纤维结构单元定向有序密集阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例1不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的4层纤维铰链组成，所述内凹角β2＝160°，层间距为15mm，八棱轴对称多边形的外接圆直径为50mm，所述纤维为直径为0.4mm的钢纤维纺成的直径为4mm的纤维束。所述有序排列为定向有序密集阵列(特殊内凹结构完全有序排列型纤维混凝土)，如图6a所示。所述胶凝材料为硅酸盐水泥，所述稳泡剂为羧甲基纤维素。按重量份数计，所述胶凝材料为300g，双氧水为27g，羧甲基纤维素为29g，所述质量分数为0.6％的KMnO4溶液为0.6g，所述聚羧酸系减水剂为0.6g。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内连通结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.51。
实施例8：具备连通孔结构与十棱内凹纤维结构单元定向有序密集阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例7不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的2层纤维铰链组成，所述纤维铰链为具有内凹角的十棱内凹结构；所述内凹角β3＝130°，层间距为12mm，十棱轴对称多边形的外接圆直径为38mm，所述纤维为直径为0.1mm的钢纤维纺成的直径为2mm的纤维束。所述有序排列为定向有序密集阵列(特殊内凹结构完全有序排列型纤维混凝土)，如图6a所示。所述胶凝材料硅酸盐水泥，所述稳泡剂为硬脂酸钙。按重量份数计，所述胶凝材料为280g，双氧水为14g，硬脂酸钙为15g，质量分数为0.3％的KMnO4溶液为0.7g，所述聚羧酸系减水剂为0.5g。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备连通孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.45。
实施例9：具备连通孔结构与十棱内凹纤维结构单元定向有序隔层阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例7不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的3层纤维铰链组成，所述内凹角β3＝135°，层间距为12mm，十棱轴对称多边形的外接圆直径为38mm，所述纤维为直径为0.1mm的钢纤维纺成的直径为2mm的纤维束。所述有序排列为定向有序隔层阵列(特殊内凹/普通结构层次交替有序排列型纤维混凝土)，如图6b所示。所述胶凝材料为硅酸盐水泥，所述稳泡剂为纤维素钠。按重量份数计，所述胶凝材料为320g，双氧水为35.2g，纤维素钠为32g，质量分数为0.4％的KMnO4溶液为0.8g，所述聚羧酸系减水剂为0.7g。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.42。
实施例10：具备连通孔结构与十棱内凹纤维结构单元定向有序隔层阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例8不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的4层纤维铰链组成，所述内凹角β3＝160°。所述有序排列为定向有序隔层阵列(特殊内凹/普通结构层次交替有序排列型纤维混凝土)，如图6b所示。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.46。
实施例11：具备连通孔结构与十二棱内凹纤维结构单元定向有序隔层阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例1不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的3层纤维铰链组成，所述纤维铰链为十二棱内凹结构；所述内凹角β4＝110°。所述有序排列为定向有序隔层阵列，如图6b所示。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.48。
实施例12：具备连通孔结构与十二棱内凹纤维结构单元定向有序层间交叉镶嵌阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例11不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的4层纤维铰链组成，所述内凹角为β4＝140°。所述有序排列为定向有序层间交叉镶嵌阵列，如图6c所示。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.52。
实施例13：具备连通孔结构与十二棱内凹纤维结构单元定向有序层间交叉镶嵌阵列增强体的纤维增强多孔防爆混凝土
与实施例11不同的是，具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，所述纤维结构单元由平行排布的2层纤维铰链组成，所述内凹角为β4＝170°。所述有序排列为定向有序层间交叉镶嵌阵列，如图6c所示。
根据检测结果进行计算，本实施例制备的具备内凹孔结构的纤维增强多孔防爆混凝土的泊松比为-0.51。
本发明上述实施例中采用的原料规格如下：
原料 规格 产品标号 生产厂家
双氧水 分析纯 GB/T 6684-2002 烟台三和化学试剂有限公司
高锰酸钾 分析纯 GB/643-2008 烟台三和化学试剂有限公司
羧甲基纤维素 分析纯 Q/HG 34351-99 天津市永大化学试剂有限公司
羧甲基纤维素钠 分析纯 GB/1904-2005 上海申光食用化学品有限公司
硬脂酸钙 化学纯 Q/12HB3780-2004 天津科密欧化学试剂有限公司
胶凝材料 山东山水水泥有限公司
聚羧酸减水剂 分析纯 BKS-199 山东博克化学股份有限公司
钢纤维 唐山亿安金属制品有限公司。
Claims (9)
1.具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，其特征在于：所述纤维增强多孔防爆混凝土包括具有连通孔结构或内凹孔结构的多孔混凝土基材、以及若干个特殊形态的纤维结构单元构建的增强体阵列；所述纤维结构单元由平行排布的2-4层纤维铰链组成，层间距为10mm-50mm，所述纤维铰链为具有内凹角的轴对称多边形结构；
所述轴对称多边形结构为六棱内凹结构、八棱内凹结构、十棱内凹结构或十二棱内凹结构；所述六棱内凹结构的内凹角为β1，所述八棱内凹结构的内凹角为β2，所述十棱内凹结构的内凹角为β3，所述十二棱内凹结构的内凹角为β4；所述内凹角分别为β1＝90°-150°，β2＝100°-160°，β3＝110°-160°，β4＝110°-170°，所述轴对称多边形的外接圆直径为9mm-54mm。
2.根据权利要求1所述的具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，其特征在于：所述多个纤维结构单元之间为有序排列；所述有序排列为定向有序密集阵列、定向有序隔层阵列或定向有序层间交叉镶嵌阵列。
3.根据权利要求1所述的具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，其特征在于：所述每个纤维结构单元还包括垂直方向的固定纤维束，每层所述纤维铰链的平面与固定纤维束垂直；所述内凹角的方向与爆炸载荷的传播方向一致。
4.根据权利要求1或2所述的具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，其特征在于：所述多孔混凝土基材由以下几种组分制备得到：胶凝材料、减水剂、激发剂、稳泡剂和发泡剂；按重量份数计，所述发泡剂的用量为所述胶凝材料的3-14％，所述稳泡剂和发泡剂的重量比为0.6-4.2。
5.根据权利要求4所述的具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，其特征在于：所述胶凝材料为石膏、硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥、快硬水泥、膨胀水泥、自应力水泥、磷酸镁水泥和抗硫酸盐水泥中的一种或几种；所述发泡剂为双氧水；所述稳泡剂为羧甲基纤维素、纤维素钠和硬脂酸钙中的一种或几种；所述激发剂为质量分数为0.3-0.6％的KMnO4溶液；所述减水剂为聚羧酸系减水剂；
按重量份数计，所述胶凝材料为280-320份；所述KMnO4溶液为0.5-1份，所述聚羧酸系减水剂为0.5-0.7份。
6.根据权利要求5所述的具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土，其特征在于：所述纤维为直径为0.05mm-5mm的钢纤维、抗碱玻璃纤维和芳族聚酰亚胺纤维中的一种或几种。
7.如1-6任意一项所述的具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土的制备方法，其特征在于：所述制备方法为预制骨架法，包括以下步骤：(1)准备：根据纤维铰链的需要，将纤维纺成直径为1mm-20mm的纤维束，并对纤维束进行弯曲、切割处理；(2)固定：将切割好的纤维束固定为具有内凹角的轴对称多边形结构，然后将2-4层具有内凹角的轴对称多边形结构固定得到纤维结构单元，最后将纤维结构单元有序排列，得到预制纤维结构模板；(3)浇筑：根据多孔混凝土基材的配比设计拌合混凝土，并将其浇筑到步骤(2)制备的预制纤维结构模板中，静置养护，得到具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土。
8.根据权利要求7所述的具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土的制备方法，其特征在于：当稳泡剂为羧甲基纤维素或纤维素钠时，步骤(3)所述的拌合混凝土包括以下步骤：(a)将胶凝材料倒入搅拌装置中，低速搅拌至混合均匀；然后缓慢加入适量水，继续低速搅拌至胶凝材料均匀分散在水中；(b)向搅拌装置中加入减水剂，低速搅拌25-40s；(c)继续高速搅拌20-40s，并在搅拌时加入激发剂和稳泡剂；(d)转为低速搅拌，并在搅拌时加入发泡剂；继续搅拌5-20s开始发泡；
当稳泡剂为硬脂酸钙时，步骤(3)所述的拌合混凝土中，稳泡剂在步骤(b)中加入搅拌装置中；
所述低速搅拌的转速为30-100r/min，所述高速搅拌的转速为200-350r/min；所述水与胶凝材料的重量比为0.5-0.6:1。
9.根据权利要求8所述的具有负泊松比效应的纤维增强多孔防爆混凝土的制备方法，其特征在于：所述防爆多孔混凝土具备连通孔结构时：按重量分数计，所述发泡剂为胶凝材料的8-14％；步骤(d)所述的低速搅拌的转速为30-70r/min；步骤(3)所述的浇筑在发泡完成以后进行；
所述防爆多孔混凝土具备内凹孔结构时：按重量分数计，所述发泡剂为胶凝材料的3-8％；步骤(d)所述的低速搅拌的转速为50-100r/min；步骤(3)所述的浇筑在发泡开始时进行；浇筑完成后，在发泡阶段的2/5-2/3时间施加外部压，所述外部压强为该试样抗压强度的10-20％。
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