具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土及其制备方法与流程

本发明属于建筑领域，涉及一种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防爆功能多孔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。

泊松比是指拉伸试验中材料横向应变与纵向应变比值的相反数，泊松比是反映材料性质的一个重要参数。泊松比越小，材料在拉伸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应力作用时出现细颈现象，其泊松比为正值。负泊松比材料，即拉胀材料(Auxetic，源自希腊语)，该类材料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，使得其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。

技术实现要素：

针对现有混凝土在防爆方面的所存在的问题，本发明所述的防爆多孔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防爆多孔混凝土，所述防爆多孔混凝土具备连通孔结构或者内凹孔结构。

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土，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％，所述发泡剂和稳泡剂的重量比为0.6-4.2。减水剂可以改善拌合物的流动性，减少单位用水量，使胶凝材料的浆体能够顺利地被倒入模中。其中，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、磷酸煤水泥、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；所述质量分数为0.3-0.6％的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多孔混凝土的制备方法，包括以下步骤：(1)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；(2)向搅拌装置中加入减水剂，低速搅拌25-40s；(3)继续高速搅拌20-40s，并在搅拌时加入激发剂和稳泡剂；(4)转为低速搅拌，并在搅拌时加入发泡剂；继续搅拌5-20s后，迅速浇注入模，发泡至不再膨胀；然后将试块移至阴凉干燥处养护一段时间(通常24h)，待试块有一定强度后，拆模，送入养护室养护至试验龄期，即得到防爆多孔混凝土。其中，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、特种硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥中的一种或几种；所述减水剂为聚羧酸系减水剂；所述激发剂为质量分数为0.3-0.6％的KMnO₄溶液；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；所述发泡剂为双氧水。按重量分数计，所述胶凝材料为280-320份；所述聚羧酸系减水剂为0.5-0.7份；所述激发剂KMnO₄溶液为0.5-1份。

需要特别注意的是，当稳泡剂采用硬脂酸钙时，稳泡剂需在第(1)步与胶凝材料一起加入，以保证稳泡剂的分散，实现良好的稳泡效果，使得到的防爆多孔混凝土的孔结构更有利于防爆的目的。

其中，低速搅拌的转速为30-100r/min，高速搅拌的转速为200-350r/min；步骤(1)中水与胶凝材料的重量比为0.5-0.6:1。当所述防爆多孔混凝土具备连通孔结构时，按重量分数计，发泡剂为胶凝材料的8-14％；步骤(4)的低速搅拌的转速为30-70r/min。当所述防爆多孔混凝土具备内凹孔结构时，按重量分数计，发泡剂为胶凝材料的3-8％；步骤(4)的低速搅拌的转速为50-100r/min，并且在发泡阶段的2/5-2/3时间施加外部压强，所述外部压强为该试块抗压强度的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多孔钢筋混凝土相比，具有连通孔和内凹孔结构的防爆多孔混凝土的储能模量大大提高，从而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2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3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4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。

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)与泊松比为正值的传统混凝土相比，本发明制备的防爆多孔混凝土泊松比是负值，从而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。

(2)本发明通过负泊松比效应设计，制备具有连通孔结构与内凹孔结构的多孔混凝土，二者的泊松比值分别为-0.21与-0.90，与具有闭孔结构的普通多孔钢筋混凝土相比，其储能模量分别提高261％与372％；从而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。

附图说明

图1为泊松比测试采用的实验装置示意图。

图2为泊松比测试中的试样示意图，A为受力面，B为数字散斑采集面。

图3为泊松比测试中的压缩装置示意图。

图4为多孔混凝土试块剖面孔隙形态及其排布方式示意图，a为普通混凝土，b为闭孔混凝土，c为连通孔混凝土，d为内凹孔混凝土。

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：具备连通孔结构的防爆多孔混凝土

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土，所述防爆多孔混凝土具备连通孔结构。所述防爆多孔混凝土，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防爆多孔混凝土的制备方法，包括以下步骤：(1)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；(2)向搅拌装置中加入减水剂，低速搅拌30s；(3)继续高速搅拌35s，并在搅拌时加入激发剂和稳泡剂；(4)转为低速搅拌，并在搅拌时加入发泡剂；继续搅拌10s后，迅速浇注入模，发泡至不再膨胀；然后将试块移至阴凉干燥处养护一段时间(通常24h)，待试块有一定强度后，拆模，送入养护室养护至试验龄期，即得到防爆多孔混凝土。其中，低速搅拌的转速为50r/min，高速搅拌的转速为300r/min；步骤(1)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1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2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3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防爆多孔混凝土的泊松比为-0.57。

实施例2：具备连通孔结构的防爆多孔混凝土

与实施例1不同的是，所述胶凝材料为石膏，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25g，硬脂酸钙为29g；所述质量分数为0.5％的KMnO₄溶液为0.5g，所述聚羧酸系减水剂为0.5g。

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，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防爆多孔混凝土的泊松比为-0.36。

实施例3：具备连通孔结构的防爆多孔混凝土

与实施例1不同的是，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41g，纤维素钠为52g，所述质量分数为0.6％的KMnO₄溶液为1g，所述聚羧酸系减水剂为0.7g。

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，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防爆多孔混凝土的泊松比为-0.82。

实施例4：具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土

与实施例1不同的是，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20g，所述质量分数为0.4％的KMnO₄溶液为0.6g，所述聚羧酸系减水剂为0.6g。

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，低速搅拌的转速为80r/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0.5:1。步骤(4)中在发泡10s时施加0.8MPa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防爆多孔混凝土的泊松比为-0.34。

实施例5：具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土

与实施例4不同的是，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11g，硬脂酸钙为10g；所述质量分数为0.6％的KMnO₄溶液为0.9g，所述聚羧酸系减水剂为0.5g。

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，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15s时施加1.6MPa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防爆多孔混凝土的泊松比为-0.55。

实施例6：具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土

与实施例4不同的是，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25g，纤维素钠为15g，所述质量分数为0.5％的KMnO₄溶液为0.7g，所述聚羧酸系减水剂为0.7g。

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，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1.2MPa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防爆多孔混凝土的泊松比为-0.81。

实施例7：具备连通孔结构的防爆多孔混凝土

与实施例1不同的是，所述胶凝材料硅酸盐水泥，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30g，羧甲基纤维素为25g，所述质量分数为0.3％的KMnO₄溶液为0.6g，所述聚羧酸系减水剂为0.6g。

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，低速搅拌的转速为40r/min，高速搅拌的转速为320r/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内连通结构的防爆多孔混凝土的泊松比为-0.73。实施例8：具备连通孔结构的防爆多孔混凝土

与实施例7不同的是，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28g，硬脂酸钙为35g，质量分数为0.6％的KMnO4溶液为0.7g，所述聚羧酸系减水剂为0.5g。

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，低速搅拌的转速为35r/min，高速搅拌的转速为340 r/min；步骤(1)中水与胶凝材料的重量比为0.5:1。

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防爆多孔混凝土的泊松比为-0.61。

实施例9：具备内凹孔结构的防爆多孔混凝土

与实施例7不同的是，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，纤维素钠为12g，质量分数为0.5％的KMnO4溶液为0.8g，所述聚羧酸系减水剂为0.7g。

具有负泊松比效应的防爆多孔混凝土的制备方法，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10s时施加0.9MPa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防爆多孔混凝土的泊松比为-0.82。

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。