一种具有电磁透波功能的改性再生骨料混凝土及其制备方法

一、技术领域

本发明涉及一种具有透波功能的改性再生骨料混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域，既可以大量利用废弃材料作为再生骨料循环利用，又能够大大提升混凝土的电磁波透射率。

二、背景技术

随着5G快速发展，基站设备的性能和成本成为公众关注的热点话题。与4G网络相比，5G需要使用更大的带宽，所需功率约为4G网络的5倍，而中高频段频谱有利于发挥5G宽带大的特点，因此国内运营商主要采用中高频段频谱部署5G网络。但是，中高频段频谱的电磁波频率较高，导致电磁波的传输距离短、传播损耗大、穿透能力弱，使得单基站的覆盖范围较小。要想达到5G网络全覆盖，所需基站数量约为4G网络的3倍左右，这无疑大大加剧了建设运营成本。因此，普通混凝土材料已经不能满足5G时代对电磁波透射率的功能要求。

基于上述，实现混凝土材料的高透波率势在必行。然而目前透波材料的研究主要服务于飞行器的天线罩，研究材料集中于二氧化硅体系、氮化硼体系、硅铝氧氮陶瓷体系、磷酸盐体系、有机硅树脂体系等，并不断开发出耐高温、透波性能优良的天线罩用透波材料。针对再生骨料混凝土透波性能的研究较少，有少数学者研究了环氧树脂和引气剂等外加剂对混凝土透波性能的影响；有关陶瓷、塑料颗粒等废弃材料的掺加，众多学者主要探究了废弃材料对混凝土力学性能的影响，而对废弃材料对混凝土透波性能的影响研究甚少。

利用再生骨料制备透波混凝土，一方面可以实现废弃材料的循环利用，促进资源合理化处理；另一方面，氮化硅陶瓷、玻璃珠、聚四氟乙烯废塑料颗粒等再生骨料自身介电性能优异，可进一步增强混凝土材料的透波性能。透波混凝土可增强微波信号的传输性能，不仅能应用于基站的建设，减少5G基站的投资成本，同样可提高建筑物在雷达侦查下的隐身性能，在国防军事领域等方面发挥重要作用。

三、发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有透波功能的改性再生骨料混凝土及其制备方法。通过使用再生骨料提高废弃材料的资源利用率，同时加入透波材料和复合植物纤维，改善混凝土的透波率和力学性能，且制备得到的混凝土28天抗压强度可以达到49-53MPa，且具备良好的透波性能，该混凝土在4-18GHz频率范围内，透波率大于-3dB的带宽为8.2GHz。

本发明技术方案具体如下：

1.一种具有透波功能的改性再生骨料混凝土，其特征在于：所述的混凝土的组成及各组份的重量份数为：硫铝酸盐水泥400-450份重量份，矿物掺合料40-80重量份，复合植物纤维30-42重量份，复合金属盐11-18重量份，透波材料101-138重量份，天然砂700-900重量份，改性再生粗骨料800-1100重量份。水85-150重量份，减水剂2-5重量份。

2.进一步，所述矿物掺合料的组份及各组分的重量份数为：沸石粉10-20份，磷渣粉10-20份，硅灰20-40份。

3.进一步，所述复合植物纤维的组份及各组份的重量分数为：黄麻纤维10-17份，竹纤维20-25份。黄麻纤维的长度为3mm、直径15μm；竹纤维的长度为8mm、直径200μm。

4.进一步，所述复合金属盐的组份及各组份的重量分数为：硫酸锌6-9份，硅酸铝5-9重量份。

5.进一步，所述的透波材料组份及各组份的重量分数为：短切玄武岩纤维40-50份，聚甲基丙烯酸甲酯1-3份，聚四氟乙烯浓缩分散液30-35份，石英短切纤维30-50份。聚四氟乙烯浓缩分散液固含量60％wt％，短切玄武岩纤维长度6mm、直径7μm，石英短切纤维长度6mm、直径8μm。

6.进一步，所述天然砂为细度模数2.7的河砂；所述的改性再生粗骨料组份及各组份的重量分数为：氮化硅陶瓷碎块400-500份，玻璃珠300-400份，聚四氟乙烯废塑料颗粒100-200份。改性再生粗骨料粒径范围为5mm-20mm。

7.所述玻璃珠中SiO

8.所述的透波材料的制备方法如下：

(1)将聚甲基丙烯酸甲酯和15-20份聚四氟乙烯浓缩分散液利用超声分散仪在室温下分散1h后，再搅拌0.5h，形成混合料1；

(2)取石英短切纤维加入15重量份聚四氟乙烯浓缩分散液，利用磁力搅拌器分散1h，形成混合料2；

(3)将混合料1、混合料2和短切玄武岩纤维一同装入电动搅拌器中搅拌1h；然后转入烘箱中在85℃下将混合料烘干至恒重，得到初混料；

(4)将步骤(3)制备的初混料在粉碎机中粉碎，得到细度为100目的透波材料。

9.一种制备所述的具有透波功能的改性再生骨料混凝土的方法，其特征在于包括以下制备步骤：

(1)将水泥、天然砂、矿物掺合料、透波材料干拌5min，混合均匀形成干粉料；

(2)将复合植物纤维和复合金属盐依次加入步骤(1)制成的干粉料中，依次搅拌3min，之后加3/4的水搅拌均匀；

(3)将改性再生粗骨料、减水剂和剩余1/4的水同时加入步骤(2)制备的混合物中，继续搅拌8-10min，得到具有透波功能的改性再生骨料混凝土。

10.所述的减水剂为市场购买的聚羧酸高效减水剂，减水率为20％。

11.所述的聚甲基丙烯酸甲酯为市售，CAS号：9011-14-7，分子式：C

12.所述的硫酸锌、硅酸铝均为市售化学纯产品。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

(1)本发明开发的透波材料，将短切玄武岩纤维、石英短切纤维和聚四氟乙烯相结合；SiO

(2)本发明采用的改性再生粗骨料中，氮化硅陶瓷碎块、玻璃珠、聚四氟乙烯废塑料颗粒均为透波性能较好的材料。同时，再生骨料的使用，可以节约大量的天然骨料，有利于废弃材料的合理化处理及循环经济的发展。

具体实施方式

为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种具有透波功能的改性再生骨料混凝土，配比及制备步骤如下：

1.混凝土的组成及各组份的重量份数为：硫铝酸盐水泥400重量份，矿物掺合料40重量份，复合植物纤维30重量份，复合金属盐11重量份，透波材料101重量份，天然砂700重量份，改性再生粗骨料800重量份，拌和水85重量份，减水剂2重量份。

2.所述矿物掺合料的组份及各组分的重量份数为：沸石粉10重量份，磷渣粉10重量份，硅灰20重量份。

3.所述复合植物纤维的组份及各组份的重量分数为：黄麻纤维10重量份，竹纤维20重量份。黄麻纤维的长度为3mm、直径15μm；竹纤维的长度为8mm、直径200μm。

4.所述复合金属盐的组份及各组份的重量分数为：硫酸锌6重量份，硅酸铝5重量份。

5.所述透波材料组份及各组份的重量分数为：短切玄武岩纤维40重量份，聚甲基丙烯酸甲酯1重量份，聚四氟乙烯浓缩分散液30重量份，石英短切纤维30重量份。聚四氟乙烯浓缩分散液固含量60％wt％，短切玄武岩纤维长度6mm、直径7μm，石英短切纤维长度6mm、直径8μm。

6.所述天然砂为细度模数2.7的河砂；所述的改性再生粗骨料组份及各组份的重量分数为：氮化硅陶瓷碎块400重量份，玻璃珠300重量份，聚四氟乙烯废塑料颗粒100重量份。改性再生粗骨料粒径范围为5mm-20mm。

7.所述玻璃珠成分及各成分的重量分数为：SiO

8.所述的减水剂为市场购买的聚羧酸高效减水剂，减水率为20％。

9.所述的聚甲基丙烯酸甲酯为市售，CAS号：9011-14-7，分子式：C

10.所述的硫酸锌、硅酸铝均为市售化学纯产品。

11.所述的透波材料的制备方法如下：

(1)将聚甲基丙烯酸甲酯和15重量份聚四氟乙烯浓缩分散液利用超声分散仪在室温下分散1h后，再搅拌0.5h，形成混合料1；

(2)取石英短切纤维加入15重量份聚四氟乙烯浓缩分散液，利用磁力搅拌器分散1h，形成混合料2；

(3)将混合料1、混合料2和40重量份短切玄武岩纤维一同装入电动搅拌器中搅拌1h；然后转入烘箱中在85℃下将混合料烘干至恒重，得到初混料；

(4)将步骤(3)制备的初混料在粉碎机中粉碎，得到细度为100目的透波材料。

12.所述的具有透波功能的改性再生骨料混凝土制备步骤如下：

(1)将硫铝酸盐水泥400重量份、天然砂700重量份、矿物掺合料40重量份、透波材料101重量份干拌5min，混合均匀形成干粉料；

(2)将复合植物纤维30重量份和复合金属盐11重量份依次加入步骤(1)制成的干粉料中，依次搅拌3min，之后加60重量份拌和水搅拌均匀；

(3)将改性再生粗骨料800重量份、减水剂2重量份和拌和水25重量份同时加入步骤(2)制备的混合物中，继续搅拌9min，得到具有透波功能的改性再生骨料混凝土。

实施例2

一种具有透波功能的改性再生骨料混凝土，配比及制备步骤如下：

1.混凝土的组成及各组份的重量份数为：硫铝酸盐水泥420重量份，矿物掺合料53重量份，复合植物纤维34重量份，复合金属盐14重量份，透波材料123重量份，天然砂760重量份，改性再生粗骨料900重量份，拌和水105重量份，减水剂3重量份。

2.所述矿物掺合料的组份及各组分的重量份数为：沸石粉13重量份，磷渣粉13重量份，硅灰27重量份。

3.所述复合植物纤维的组份及各组份的重量分数为：黄麻纤维12重量份，竹纤维22重量份。黄麻纤维的长度为3mm、直径15μm；竹纤维的长度为8mm、直径200μm。

4.所述复合金属盐的组份及各组份的重量分数为：硫酸锌7重量份，硅酸铝7重量份。

5.所述透波材料组份及各组份的重量分数为：短切玄武岩纤维43重量份，聚甲基丙烯酸甲酯2重量份，聚四氟乙烯浓缩分散液31重量份，石英短切纤维37重量份。聚四氟乙烯浓缩分散液固含量60％wt％，短切玄武岩纤维长度6mm、直径7μm，石英短切纤维长度6mm、直径8μm。

6.所述天然砂为细度模数2.7的河砂；所述的改性再生粗骨料组份及各组份的重量分数为：氮化硅陶瓷碎块430重量份，玻璃珠330重量份，聚四氟乙烯废塑料颗粒140重量份。改性再生粗骨料粒径范围为5mm-20mm。

7.所述玻璃珠成分及各成分的重量分数为：SiO

8.所述的减水剂为市场购买的聚羧酸高效减水剂，减水率为20％。

9.所述的聚甲基丙烯酸甲酯为市售，CAS号：9011-14-7，分子式：C

10.所述的硫酸锌、硅酸铝均为市售化学纯产品。

11.所述的透波材料的制备方法如下：

(1)将聚甲基丙烯酸甲酯2重量份和16重量份聚四氟乙烯浓缩分散液利用超声分散仪在室温下分散1h后，再搅拌0.5h，形成混合料1；

(2)取37重量份石英短切纤维加入15重量份聚四氟乙烯浓缩分散液，利用磁力搅拌器分散1h，形成混合料2；

(3)将混合料1、混合料2和43重量份短切玄武岩纤维一同装入电动搅拌器中搅拌1h；然后转入烘箱中在85℃下将混合料烘干至恒重，得到初混料；

(4)将步骤(3)制备的初混料在粉碎机中粉碎，得到细度为100目的透波材料。

12.所述的具有透波功能的改性再生骨料混凝土制备步骤如下：

(1)将硫铝酸盐水泥420重量份、天然砂760重量份、矿物掺合料53重量份、透波材料123重量份干拌5min，混合均匀形成干粉料；

(2)将复合植物纤维34重量份和复合金属盐14重量份依次加入步骤(1)制成的干粉料中，依次搅拌3min，之后加78重量份拌和水搅拌均匀；

(3)将改性再生粗骨料900重量份、减水剂3重量份和27重量份拌合水同时加入步骤(2)制备的混合物中，继续搅拌9min，得到具有透波功能的改性再生骨料混凝土。

实施例3

一种具有透波功能的改性再生骨料混凝土，配比及制备步骤如下：

1.混凝土的组成及各组份的重量份数为：硫铝酸盐水泥440重量份，矿物掺合料67重量份，复合植物纤维38重量份，复合金属盐16重量份，透波材料124重量份，天然砂830重量份，改性再生粗骨料990重量份，拌和水128重量份，减水剂4重量份。

2.所述矿物掺合料的组份及各组分的重量份数为：沸石粉17重量份，磷渣粉17重量份，硅灰33重量份。

3.所述复合植物纤维的组份及各组份的重量分数为：黄麻纤维14重量份，竹纤维24重量份。黄麻纤维的长度为3mm、直径15μm；竹纤维的长度为8mm、直径200μm。

4.所述复合金属盐的组份及各组份的重量分数为：硫酸锌8重量份，硅酸铝8重量份。

5.所述透波材料组份及各组份的重量分数为：短切玄武岩纤维46重量份，聚甲基丙烯酸甲酯2重量份，聚四氟乙烯浓缩分散液33重量份，石英短切纤维43重量份。聚四氟乙烯浓缩分散液固含量60％wt％，短切玄武岩纤维长度6mm、直径7μm，石英短切纤维长度6mm、直径8μm。

6.所述天然砂为细度模数2.7的河砂；所述的改性再生粗骨料组份及各组份的重量分数为：氮化硅陶瓷碎块460重量份，玻璃珠360重量份，聚四氟乙烯废塑料颗粒170重量份。改性再生粗骨料粒径范围为5mm-20mm。

7.所述玻璃珠成分及各成分的重量分数为：SiO

8.所述的减水剂为市场购买的聚羧酸高效减水剂，减水率为20％。

9.所述的聚甲基丙烯酸甲酯为市售，CAS号：9011-14-7，分子式：C

10.所述的硫酸锌、硅酸铝均为市售化学纯产品。

11.所述的透波材料的制备方法如下：

(1)将聚甲基丙烯酸甲酯2重量份和18份聚四氟乙烯浓缩分散液利用超声分散仪在室温下分散1h后，再搅拌0.5h，形成混合料1；

(2)取43重量份石英短切纤维加入15重量份聚四氟乙烯浓缩分散液，利用磁力搅拌器分散1h，形成混合料2；

(3)将混合料1、混合料2和46重量份短切玄武岩纤维一同装入电动搅拌器中搅拌1h；然后转入烘箱中在85℃下将混合料烘干至恒重，得到初混料；

(4)将步骤(3)制备的初混料在粉碎机中粉碎，得到细度为100目的透波材料。

12.所述的具有透波功能的改性再生骨料混凝土制备步骤如下：

(1)将硫铝酸盐水泥440重量份、天然砂830重量份、矿物掺合料67重量份、透波材料124重量份干拌5min，混合均匀形成干粉料；

(2)将复合植物纤维38重量份和复合金属盐16重量份依次加入步骤(1)制成的干粉料中，依次搅拌3min，之后加96重量份拌和水搅拌均匀；

(3)将改性再生粗骨料990重量份、减水剂4重量份和32重量份拌合水同时加入步骤(2)制备的混合物中，继续搅拌9min，得到具有透波功能的改性再生骨料混凝土。

实施例4

一种具有透波功能的改性再生骨料混凝土，配比及制备步骤如下：

1.混凝土的组成及各组份的重量份数为：硫铝酸盐水泥450重量份，矿物掺合料80重量份，复合植物纤维42重量份，复合金属盐18重量份，透波材料138重量份，天然砂900重量份，改性再生粗骨料1100重量份，水150重量份，减水剂5重量份。

2.所述矿物掺合料的组份及各组分的重量份数为：沸石粉20重量份，磷渣粉20重量份，硅灰40重量份。

3.所述复合植物纤维的组份及各组份的重量分数为：黄麻纤维17重量份，竹纤维25重量份。黄麻纤维的长度为3mm、直径15μm；竹纤维的长度为8mm、直径200μm。

4.所述复合金属盐的组份及各组份的重量分数为：硫酸锌9重量份，硅酸铝9重量份。

5.所述透波材料组份及各组份的重量分数为：短切玄武岩纤维50重量份，聚甲基丙烯酸甲酯3重量份，聚四氟乙烯浓缩分散液35重量份，石英短切纤维50重量份。聚四氟乙烯浓缩分散液固含量60％wt％，短切玄武岩纤维长度6mm、直径7μm，石英短切纤维长度6mm、直径8μm。

6.所述天然砂为细度模数2.7的河砂；所述的改性再生粗骨料组份及各组份的重量分数为：氮化硅陶瓷碎块500重量份，玻璃珠400重量份，聚四氟乙烯废塑料颗粒200重量份。改性再生粗骨料粒径范围为5mm-20mm。

7.所述玻璃珠成分及各成分的重量分数为：SiO

8.所述的减水剂为市场购买的聚羧酸高效减水剂，减水率为20％。

9.所述的聚甲基丙烯酸甲酯为市售，CAS号：9011-14-7，分子式：C

10.所述的硫酸锌、硅酸铝均为市售化学纯产品。

11.所述的透波材料的制备方法如下：

(1)将聚甲基丙烯酸甲酯3重量份和20份聚四氟乙烯浓缩分散液利用超声分散仪在室温下分散1h后，再搅拌0.5h，形成混合料1；

(2)取50重量份石英短切纤维加入15重量份聚四氟乙烯浓缩分散液，利用磁力搅拌器分散1h，形成混合料2；

(3)将混合料1、混合料2和50重量份短切玄武岩纤维一同装入电动搅拌器中搅拌1h；然后转入烘箱中在85℃下将混合料烘干至恒重，得到初混料；

(4)将步骤(3)制备的初混料在粉碎机中粉碎，得到细度为100目的透波材料。

12.所述的具有透波功能的改性再生骨料混凝土制备步骤如下：

(1)将硫铝酸盐水泥450重量份、天然砂900重量份、矿物掺合料80重量份、透波材料138重量份干拌5min，混合均匀形成干粉料；

(2)将复合植物纤维42重量份和复合金属盐18重量份依次加入步骤(1)制成的干粉料中，依次搅拌3min，之后加112重量份拌和水搅拌均匀；

(3)将改性再生粗骨料1100重量份、减水剂5重量份和38重量份拌合水同时加入步骤(2)制备的混合物中，继续搅拌9min，得到具有透波功能的改性再生骨料混凝土。

对比例1

一种普通混凝土配比及制备步骤如下：

1.按各原料重量份数计，硫铝酸盐水泥400重量份，天然河砂700重量份，天然石子800重量份，水85重量份。

2.所述天然河砂细度模数为2.7，天然石子粒径范围为5mm-20mm。

3.将硫铝酸盐水泥400重量份、天然河砂700重量份、天然石子800重量份干拌5min，混合均匀形成干粉料。

4.再缓慢加入85重量份水，继续搅拌9min，得到普通混凝土。

对比例2

一种普通混凝土配比及制备步骤如下：

1.按各原料重量份数计，硫铝酸盐水泥420重量份，天然河砂760重量份，天然石子900重量份，水105重量份。

2.所述天然河砂细度模数为2.7，天然石子粒径范围为5mm-20mm

3.将水泥420重量份、天然河砂760重量份、天然石子900重量份干拌5min，混合均匀形成干粉料。

4.再缓慢加入105重量份水，继续搅拌9min，得到普通混凝土。

对比例3

一种普通混凝土配比及制备步骤如下：

1.按各原料重量份数计，硫铝酸盐水泥440重量份，天然河砂830重量份，天然石子990重量份，水128重量份。

2.所述天然河砂细度模数为2.7，天然石子粒径范围为5mm-20mm

3.将水泥440重量份、天然河砂830重量份、天然石子990重量份干拌5min，混合均匀形成干粉料。

4.再缓慢加入128重量份水，继续搅拌9min，得到普通混凝土。

对比例4

一种普通混凝土配比及制备步骤如下：

1.按各原料重量份数计，硫铝酸盐水泥450重量份，天然河砂900重量份，天然石子1100重量份，水150重量份。

2.所述天然河砂细度模数为2.7，天然石子粒径范围为5mm-20mm

3.将水泥450重量份、天然河砂900重量份、天然石子1100重量份干拌5min，混合均匀形成干粉料。

4.再缓慢加入150重量份水，继续搅拌9min，得到普通混凝土。

试验结果

将上述试验组按照GJB7954-2012《雷达透波材料透波率测试方法》测试所得电磁透波混凝土试件的透射率，根据GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试所得电磁透波混凝土试件的抗压强度，结果如下表所示。

可以看出，上述实施例1-4的28天抗压强度、透波率大于-3dB的带宽都稳定在一个较高水平，且均大于对比例，在透波材料和改性再生骨料的协同作用下，稳定了混凝土的抗压强度且透波性能得到大幅度提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。