一种复合多层仿生抗冲击防护结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种抗冲击防护结构，具体涉及一种复合多层仿生抗冲击防护结构。
【背景技术】
[0002]目前，大多防护性建筑(军事设施，政府设施，使馆，核电站等)都是用钢筋混凝土建造而成的，且一般采取提高混凝土强度，加大结构构件(墙，柱等)厚度和配筋率等方法来增强构件自身的抗高速冲击能力。随着科技的发展，常规武器威力日益增加，C50混凝土在12.7mm穿甲燃烧弹侵彻作用下，侵深可达15-20cm(800m/s左右时可达25cm左右)，且试验证明混凝土强度增加到一定程度后对减小侵彻深度贡献很小，配筋率增加对减小侵彻深度的贡献也不大甚至会加重破坏程度。所以靠无限提高混凝土强度或大比例增加构件尺寸或配筋率的方法来增大墙或柱等构件的抗冲击能力既不方便，也不实用。
[0003]以往，防御性功能与民用建筑并不直接相关。相对于防御工事，由于考虑到经济及适用性，民用建筑的墙厚度及柱截面尺寸往往较小，配筋率也较小。但是近十几年来，随着国外以民用建筑(住宅，学校，办公楼等)为目标的恐怖袭击案例数量增多，千疮百孔甚至面目全非的爆炸现场揭示了现有民用建筑已满足不了人们对栖身室内以寻求庇护的需求，人们对居住和工作环境周围的建筑物在冲击荷载作用下的整体安全性问题表现出越来越大的担忧。而且，由于混凝土或普通粘土砖等建筑材料固有的脆性特点，使得现有的墙体结构在冲击荷载作用下可能发生粉碎性破坏。在冲击过程中产生的弹片或混凝土碎片将飞溅，对结构内外人员和设备构成更大的二次杀伤威胁。
[0004]所以，我们希望增加墙体和柱等重要构件的韧性和非弹性变形能力，延迟墙体和柱在高速冲击下的毁坏时间，给建筑物内外人员更多的逃亡时间。如果能提高结构构件的抗冲击韧性和稳健性，使得墙体在冲击波作用下依然能保持整体性，则可能避免墙体被弹片穿破，同时减小破裂碎片的二次杀伤力。
[0005]为了提高混凝土材料的抗冲击韧性，近十几年来国内外很多学者着眼于纤维增强混凝土复合材料，包括钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维等，并得到了一系列的研宄成果。试验证明钢纤维对裂缝的抑制作用优于其他纤维，但是应用于工程材料，成本较高。有的研宄学者通过在混凝土中添加纳米纤维或者纳米管，得到了可以完全抑制初始纳米级裂缝的结论，但是相同的试验在其他学者的实验室中却很难得到同样的试验结果。也有学者通过在混凝土试块靠近上下表层的地方布置钢丝网的试验得出结论:布置钢丝网的混凝土试块的抗子弹冲击性能要优于钢纤维增强混凝土试块。布置钢丝网虽然相对经济，但是工程实际操作麻烦而且往往遇到表层混凝土或水泥砂浆与钢丝网由于粘结不紧而脱离的情况。目前，在抗冲击建筑材料方面研宄较新的是ECC (engineered cementit1us composites)和水泥基功能梯度材料，ECC材料的抗冲击性有待实验验证而且材料本身成本较高，还不能广泛应用。水泥基功能梯度材料在一发子弹打击后会产生鼓起，降低了抗多发打击的防护概率。多层复合材料在抗冲击方面早有应用，尤其是在军事领域上国内外对Al2O3陶瓷金属多层复合装甲或陶瓷基功能梯度材料复合装甲已有很多研宄和应用。但是在混凝土建筑结构中，关于水泥基多层复合材料或结构的研宄却较少，其中包括2004年Michael Schmitz发明一种多层复合材料(专利号为US 006790544B2)和2004年Guy Bamford发明的层压混凝土板(专利号为 US 20040231273A1)。
[0006]仿生的概念和研宄由来已久，在工程和医学等领域应用广泛，但是对于强调宏观和非精密施工的土木工程领域，这一概念却经常被忽视。鲍鱼壳的珍珠层组成非常简单，却具有优异的力学性能，大部分的学者认为珍珠层的微观叠层结构是首要影响因素。石少卿等从贝壳珍珠层的结构中得到启示，研发了蜂窝状钢管约束混凝土防护结构(专利证书号为ZL 03233831.7)，认为钢管的环箍效应可以大大增加混凝土的抗压强度，而且层间交错布置对裂纹起到了偏转作用。虽然其蜂窝状防护结构的外观结构是仿贝壳，但是结构原理却与贝壳不同。其对裂纹的“偏转作用”有待探宄。贝壳是利用“弱”层来引导裂缝偏转，而蜂窝状钢管约束混凝土防护结构并没有明显的“弱”层，裂纹很可能只是“止”于侧向钢管。人体的骨头和肌腱同样具有很高的韧性，但是组成成分和结构更复杂。本发明从珍珠层和肌腱的部分特征得到设计启示，用以提高建筑墙体或柱(已建或新建)的抗高速冲击的能力。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能有效抵抗爆炸冲击波作用，避免墙体破裂和碎片飞溅且造价不高、便于施工、防护效果明显、用于工程实际的复合多层仿生抗冲击防护结构。
[0008]为了解决上述技术问题，本实用新型提供的复合多层仿生抗冲击防护结构，由迎爆层(10)和背爆层(20)组成，所述的迎爆层采用多层错位排布的正六边形混凝土砌块通过粘结物粘合而成，所述的粘结物是自密实橡胶混凝土、自密实橡胶砂浆、自密实塑料纤维增强橡胶混凝土、高流动性改性沥青混凝土或改性乳化沥青混凝土；所述的背爆层采用布置有钢丝网的混凝土或布置有钢丝网的纤维增强混凝土。
[0009]所述的布置有钢丝网的纤维增强混凝土采用布置有钢丝网的塑料纤维增强混凝土。
[0010]所述的正六边形混凝土砌块是预制的素混凝土块或纤维增强混凝土块。
[0011 ] 所述的纤维增强混凝土块为钢纤维增强混凝土块。
[0012]所述的正六边形混凝土砌块的对边距与厚度之比值在4?10之间。
[0013]相邻层的混凝土砌块按边长的垂直方向错位，错位值为砌块对边距的1/4?1/2。
[0014]所述的正六边形混凝土砌块的厚度与所述的粘结物的厚度之比值在5?12。
[0015]采用上述技术方案的复合多层仿生抗冲击防护结构，与现有技术相比，本实用新型采用高流动性弹塑性材料作为粘结材料，自流平填充，克服多层错位结构施工困难的弊端，采用廉价的高弹塑性材料作为吸能材料，经济环保。同时，本实用新型抛弃了 “以刚克刚”的传统设计理念，采用仿贝壳珍珠层结构，刚柔并济，具有良好的吸能防爆效果。
[0016]迎爆层利用正六边形钢纤维增强混凝土砌块的高强度、良好的韧性以及耐高温性来抵抗强大的冲击波作用和高速碎片的冲击，其性能犹如鲍鱼壳珍珠层多边形文石片组成的薄“砖”层，正六边形混凝土砌块的对边距与厚度之比值在4?10之间，相邻层的混凝土砌块按边长的垂直方向错位，错位值为砌块对边距的1/4?1/2。粘结物是本构筑物的能量消耗层，由于自密实橡胶混凝土、自密实塑料纤维增强橡胶混凝土、高流动性改性沥青混凝土和改性乳化沥青混凝土都是高弹性材料，在结构受到爆炸冲击后，其能够提供足够的剪切变形或者形成裂纹偏转层增加结构的韧性，增加了结构整体变形能力，促使结构能吸收足够的冲击波能量，犹如鲍鱼壳珍珠层砖层间的更薄的“胶”层粘结物。正六边形混凝土砌块厚度与粘结物层厚度之比值在5?12。
[0017]粘结物中的自密实橡胶混凝土含有大量的高弹性的橡胶颗粒，使整体变形能力提高，有利于