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抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料及制备方法

文献发布时间：2023-06-19 18:37:28

技术领域

本发明属于防护工程材料技术领域，具体涉及一种抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料及制备方法。

背景技术

钻地弹依靠强大的动能钻入地下，发生爆炸与侵彻耦合作用，对地下防御设施产生破坏。混凝土作为当前地下防御设施的主要材料，由于其拉压强度比低、延性差和性脆易断裂的缺点，当遇到爆炸和弹体侵彻时很容易发生侵彻贯穿，层裂震塌破坏。所以即便是亚速钢铁厂地下的防核武工事在重型炸弹和钻地弹的轰炸下也出现了坍塌，钢铁厂的守军不得不出来投降，寻找比混凝土更高抗压强度和更好延性研究新型的防护工程材料迫在眉睫。而另一方面，在提倡节能减排的今天，水泥行业排放的二氧化碳约占全球碳排放总量的7%，甚至超过了全球所有卡车的碳排放量，所以研究新型的低碳排放的抗侵彻材料成了当前研究的重点。

我国每年工业废渣年产量为33.2亿吨，而工业废渣的处理率只为24%。地聚合物以一般工业废渣矿渣，硅灰为主要原料，既可以提升工业废渣的利用率，也可以降低水泥需求量，减少碳排放。甚至由于其含有铝硅酸盐结构，地聚合物有着不输混凝土的机械性能，甚至延性会比混凝土更好。截至2022年3月底，我国机动车保有量到达4亿，每年产生1500万吨的废弃旧轮胎，每年回收率却不到50%，而废弃旧轮胎中钢纤维具有强度高，韧性好的优点。另一方面，我国人口众多，每年产生的废旧纺织品可达2000万吨，而废旧纺织品再生利用率不足20%。纺织品领域中广泛应用的聚乙烯醇纤维以其耐腐蚀性强，与地聚合物粘结性和亲和性好等特点，得到了研究人员的关注。

发明内容

本发明提供一种抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料及制备方法，在地聚合物中添加从废弃旧轮胎中提取的钢纤维和从废旧纺织品中提取的聚乙烯醇纤维，提升材料的抗压强度和延性，增强抗侵彻性能的同时，提高固体废物的利用率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料所述复合材料，包括从下至上依次分布的混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层、钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层、短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层，其中：

所述混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层由固废集超高延性地聚合物浆体和混杂钢纤维组成；

所述钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层由固废集超高延性地聚合物浆体、钢纤维网、短直钢纤维组成；

所述短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层由固废集超高延性地聚合物浆体和短直钢纤维组成；

混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层、钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层、短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层中的固废集超高延性地聚合物浆体配比相同；

所述固废集超高延性地聚合物浆体，按照质量百分比包括以下组分：

细骨料 20%～30%

工业废渣 31.5%～43%

偏高岭土 9.5%～11%

碱激活剂 25%～30%

聚乙烯醇纤维 0.5%～1%。

作为本发明的进一步优选，所述细骨料为河沙；所述工业废渣为粒径为微米级的硅灰、矿渣中的一种或者两种；所述偏高岭土颗粒尺寸为2μm，比表面积为25000m2/kg；所述碱激活剂为10mol/L的氢氧化钠水溶液与水玻璃溶液按照3:7质量比混合所得；所述聚乙烯醇纤维为长度12mm，抗拉强度为1600MPa，密度为1300kg/m3，粘度温度系数为0.6。

作为本发明的进一步优选，所述混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层中的混杂钢纤维由长直钢纤维、短直钢纤维和端钩钢纤维中的一种或两种或三种组成；

将混杂钢纤维均匀分散在超高延性地聚合物浆体中制备得到所述混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层。

作为本发明的进一步优选，所述混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层中混杂钢纤维体积率7%～10%。

作为本发明的进一步优选，所述钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层中钢纤维网含量不低于6%，短直钢纤维含量5%。

作为本发明的进一步优选，所述短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层中短直钢纤维含量在2%～5%。

作为本发明的进一步优选，所述钢纤维网密度为7800kg/m3，抗拉强度为1150MPa。

作为本发明的进一步优选，所述混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层中长直钢纤维直径为1mm，长度为20mm，长径比为20；短直钢纤维直径为0.18～0.23mm，长度为12～14mm；端钩钢纤维直径为0.75mm，长度为60mm,长径比80。

还提供了一种抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、固废集超高延性地聚合物浆体的制备：

步骤S1-1、首先将细骨料、工业废渣和偏高岭土按比例称好后放入搅拌机中混合均匀；

步骤S1-2、将碱激活剂加入搅拌机内，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，再加入聚乙烯醇纤维，振捣均匀分布在浆体中；

步骤S2、混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层的制备：

步骤S2-1、往步骤S1中制备得到的固废集超高延性地聚合物浆体中加入由长直钢纤维、短直钢纤维和端钩钢纤维中的两种或三种组成的混杂钢纤维，通过振捣得到混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层浆体；

步骤S2-2、将步骤S2-1中制备好的混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层浆体浇筑在模具内，形成混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层，作为底层；

步骤S3、钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层的制备：

步骤S3-1、往步骤S1中制备得到的固废集超高延性地聚合物浆体中加入短直钢纤维，振捣均匀后，形成短直钢纤维增强固废集超高性能地聚合物；

步骤S3-2、往模具中浇筑适量步骤S3-1中制备的短直钢纤维增强固废集超高性能地聚合物，加入至少一层的钢纤维网，形成钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层，作为中间层；

步骤S4、短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层的制备：

步骤S4-1、往步骤S1中制备得到的固废集超高延性地聚合物浆体中加入短直钢纤维，振捣均匀后，得到短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层浆体；

步骤S4-2、将步骤S4-1中制备好的短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层浆体浇筑在模具内，形成短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层，作为上层；

步骤S5、制备抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料：

在上层表面覆盖塑料膜，常温常湿条件下自然养护，即制得抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料。

作为本发明的进一步优选，自然养护时间不少于28天。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过在地聚合物中添加从废弃旧轮胎中提取的钢纤维和从废旧纺织品中提取的聚乙烯醇纤维，提升材料的抗压强度和延性，增强抗侵彻性能的同时，提高固体废物的利用率，绿色环保成本低，有利于可持续发展。

2、本发明钢纤维的加入可以增强抗压强度，聚乙烯醇纤维的加入可以提升延性，减少爆坑直径和深度，弹坑体积和剥落破坏减小，有效阻止裂缝发展。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料的结构示意图。

图中：1、短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层；2、钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层；3、混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

本申请提供一种抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料，包括从下至上依次分布的混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3、钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层2、短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层1，其中：

上述混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3由固废集超高延性地聚合物浆体和混杂钢纤维组成。具体地，所述混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3中的混杂钢纤维由长直钢纤维、短直钢纤维和端钩钢纤维中的一种或两种或三种组成；将混杂钢纤维均匀分散在超高延性地聚合物浆体中制备得到所述混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3。

优选地，所述混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3中混杂钢纤维体积率7%～10%。混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3中长直钢纤维直径为1mm，长度为20mm，长径比为20；短直钢纤维直径为0.18～0.23mm，长度为12～14mm；端钩钢纤维直径为0.75mm，长度为60mm,长径比80。

上述钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层2由固废集超高延性地聚合物浆体、钢纤维网、短直钢纤维组成。优选地，所述钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层2中钢纤维网含量不低于6%，短直钢纤维含量5%；钢纤维网密度为7800kg/m

上述短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层1由固废集超高延性地聚合物浆体和短直钢纤维组成。优选地，所述短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层1中短直钢纤维含量在2%～5%。

混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3、钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层2、短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层1中的固废集超高延性地聚合物浆体配比相同。具体地，上述固废集超高延性地聚合物浆体，按照质量百分比包括以下组分：

细骨料 20%～30%

工业废渣 31.5%～43%

偏高岭土 9.5%～11%

碱激活剂 25%～30%

聚乙烯醇纤维 0.5%～1%。

进一步地，上述细骨料为河沙；所述工业废渣为粒径为微米级的硅灰、矿渣中的一种或者两种；所述偏高岭土颗粒尺寸为2μm，比表面积为25000m

本申请还提供了一种上述抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、固废集超高延性地聚合物浆体的制备：

步骤S1-1、首先将细骨料、工业废渣和偏高岭土按比例称好后放入搅拌机中混合均匀；

步骤S1-2、将碱激活剂加入搅拌机内，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，再加入聚乙烯醇纤维，振捣均匀分布在浆体中；

步骤S2、混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3的制备：

步骤S2-2、将步骤S2-1中制备好的混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层浆体浇筑在模具内，形成混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3，作为底层；

步骤S3、钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层2的制备：

步骤S3-1、往步骤S1中制备得到的固废集超高延性地聚合物浆体中加入短直钢纤维，振捣均匀后，形成短直钢纤维增强固废集超高性能地聚合物；

步骤S3-2、往模具中浇筑适量步骤S3-1中制备的短直钢纤维增强固废集超高性能地聚合物，加入至少一层的钢纤维网，形成钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层2，作为中间层；

步骤S4、短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层1的制备：

步骤S4-2、将步骤S4-1中制备好的短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层浆体浇筑在模具内，形成短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层1，作为上层；

步骤S5、制备抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料：

在上层表面覆盖塑料膜，常温常湿条件下自然养护，即制得抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料。优选地，自然养护时间不少于28天。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

按照以下质量百分比称取原料：细骨料20%，胶凝材料（矿渣39.5%，偏高岭土23.7%，硅灰15.8%）79%，放入搅拌机300r/min搅拌2分钟混合均匀；将碱激活剂（胶凝材料和细骨料总质量和碱激活剂的比例为1kg:300ml）加入搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，再加入聚乙烯醇纤维（胶凝材料和细骨料总质量的1%），400r/min搅拌2分钟得到固废集超高延性地聚合物浆体。

往搅拌机内加入3%长直钢纤维、2%短直钢纤维和5%端钩钢纤维的混杂纤维，制备得到混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层浆体；将制备好的混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层浆体倒入模具中，振捣1分钟，形成混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3，作为底层。

重复以上制备固废集超高延性地聚合物浆体的步骤，往搅拌机里加5%体积掺量的短直钢纤维，制备得到短直钢纤维增强固废集超高性能地聚合物；将制备好的短直钢纤维增强超高延性地聚合物往模具中浇筑，加入一层的钢纤维网，形成钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合层2，作为中间层；此层钢纤维网分布在中间层正中间。

重复以上制备超高延性地聚合物浆体的步骤，往搅拌机里加5%体积掺量的短直钢纤维，得到短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层浆体；制备好的短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层浆体浇筑在模具内，形成短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层1，作为上层。

在模具表面覆盖塑料膜，常温常湿条件下自然养护28天，即制得抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料。

上述组分按前述工艺制备得到的抗侵彻的固废集超高延性地聚合物复合材料，测得的相关的力学性能为：固废集超高延性地聚合物浆体抗压强度为122.7MPa，应变为9.8%，垂直侵彻深度124.6mm，靶面弹坑面积26.1mm2；短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合材料抗压强度176.4MPa，应变为16.2%，垂直侵彻深度109.7mm，靶面弹坑面积18.4mm2；钢丝网增强固废集超高延性地聚合物复合材料抗压强度186.1MPa，应变16.8%，垂直侵彻深度86mm，靶面弹坑面积16.7mm2；混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合材料抗压强度237.4MPa，应变为19.3%，垂直侵彻深度56mm，靶面弹坑面积10.5mm2（子弹直径30mm，弹速330m/s）。

实施例2

同实施例1，区别在于，按照以下质量百分比称取原料：细骨料20%，胶凝材料（矿渣39.5%，偏高岭土23.7%，硅灰15.8%）79%，放入搅拌机300r/min搅拌2分钟混合均匀；将碱激活剂（胶凝材料和细骨料总质量和碱激活剂的比例为1kg:300ml）加入搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，再加入聚乙烯醇纤维（胶凝材料和细骨料总质量的1%），400r/min搅拌2分钟得到固废集超高延性地聚合物浆体。

往搅拌机内加入3%长直钢纤维、2%短直钢纤维和5%端钩钢纤维的混杂纤维，制备得到混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层浆体；将制备好的混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合材料倒入模具中，振捣1分钟，形成混杂纤维增强固废集超高性能地聚合物复合层3，作为底层。

重复以上制备超高延性地聚合物浆体的步骤，往搅拌机里加2%体积掺量的短直钢纤维，得到短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层浆体；制备好的短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层浆体浇筑在模具内，形成短直钢纤维增强固废集超高延性地聚合物复合层1，作为上层。