一种基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土及其制备方法与应用

本发明属于新型建筑材料，具体涉及一种基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土及其制备方法与应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，简称uhpc)是一种具有超高强度、高韧性和高耐久性的新型水泥基复合材料。与普通混凝土相比，超高性能混凝土具有优异的抗侵彻爆炸性能，如在相同侵彻条件下，超高性能混凝土的侵彻深度和开坑破坏远小于普通混凝土。然而，如图1所示，当超高性能混凝土的强度超过一定阈值后，进一步提高抗压强度并未能有效转化为其抗侵彻性能，即存在平台效应。

3、超高性能混凝土抗侵彻瓶颈可归因于：一方面，为了提高材料均质性以便获得超高的强度，超高性能混凝土在其制备过程中通常剔除了粗骨料。然而，粗骨料有利于提高混凝土类材料的抗侵彻性能。另一方面，超高性能混凝土基体的主要水化产物仍为水化硅酸钙凝胶（c-s-h），大约1/3的水化硅酸钙凝胶是通过薄弱的范德华力（van der waalsforce）连接。范德华力是一种分子间弱作用力，产生于分子间的静电相互作用，只需很低的能量即可使其失效，限制了超高性能混凝土基体的抗侵彻能力。近年来，高强高硬的粗骨料（如烧结铝矾土粗骨料）已被成功引入到超高性能混凝土中用以提高其抗侵彻性能，尤其是侵彻深度。然而，因范德华力的限制，超高性能混凝土基体的抗侵彻能力仍难以有效提高，限制了超高性能混凝土在防护工程中的推广与应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土及其制备方法与应用，本发明利用硅烷对超高性能混凝土基体进行改性，提高其在高速弹体作用下的抗侵彻性能。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、本发明的第一个方面，提供一种基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土，其包括如下重量份的组分；

4、水泥1417-1517份、硅灰135-165份、镀铜平直钢纤维35-43份、硅烷6-10份、消泡剂0.2-0.6份、水410-510份；

5、所述硅烷的分子结构为：

6、。

7、本发明利用硅烷改性超高性能混凝土，掺入硅烷后，硅烷与超高性能混凝土基体的主要水化产物c-s-h反应形成共价键，取代之前薄弱的范德华力连接，从而提高其在高速弹体作用下的抗侵彻性能。

8、本发明的第二个方面，提供一种上述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

9、步骤一、将硅烷和总水量65%-75%的水混合，得到硅烷水溶液；

10、步骤二、将水泥和硅灰混合，得到第一混合物；

11、步骤三、将所述第一混合物、所述硅烷水溶液和消泡剂混合，然后加入剩余的水，得到第二混合物；

12、步骤四、将所述第二混合物与镀铜平直钢纤维混合，得到基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土。

13、本发明的第三个方面，提供一种上述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土在防护工程中的应用。

14、本发明的有益效果为：

15、1、本发明通过多种材料的复配，提高了混凝土的力学性能和抗侵彻性能，提供了一种基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土。具体的，发明人借鉴高强高韧天然贝壳珍珠层有机-无机杂化的结构形式，利用硅烷改性超高性能混凝土基体，进而提供了一种基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土。在基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土制备过程中，硅烷中的甲氧基（-och3）水解并被羟基取代，形成t-硅烷，t-硅烷可以集合到c-s-h凝胶的硅链中，即通过有机-无机杂化形成了硅烷-c-s-h共价键，取代了之前薄弱的范德华力，从而大幅提升了超高性能混凝土基体的抗侵彻性能。此外，掺入硅烷还有利于提高水泥的水化程度，硅烷水解后产生的硅烷衍生物与水化产生的氢氧化钙反应形成更多的c-s-h凝胶，填充基体中的微小孔隙，从而提高了超高性能混凝土基体的力学性能（如抗压强度和韧性）。

16、2、通过测试，添加硅烷的超高性能混凝土与不含硅烷的对照组相比，其抗压强度和弹性模量分别提高了26%和12%，抗折强度提高了8%。本发明提供的硅烷改性超高性能混凝土在~600 m/s弹体作用下的侵彻深度为54.9 mm、开坑直径为88.4 mm。与不含硅烷的对照组相比，其侵彻深度降低了30%。其优异的抗高速冲击爆炸性能很大程度上提高了超高性能混凝土在防护工程中的应用范围。

17、3、本发明还利用钢纤维的桥接作用来抑制侵彻过程中高速冲击作用下裂缝的产生、扩展以及碎片飞溅和崩落。同时，使混凝土在高速冲击下的破坏模式由粉碎性破坏转变为仍具有较好的整体性特征。这是由于钢纤维与基体之间的粘结作用、摩擦作用以及钢纤维与骨料之间的咬合作用，掺有钢纤维的混凝土材料被拉拔时需要消耗大量的能量，从而有效减少了高速冲击下的破坏。当钢纤维被拔出混凝土基体后会留下一定的孔隙，为高速侵彻下的受热膨胀预留出空间，避免因为混凝土内部的挤压产生更大范围的破坏。

技术特征：

1.一种基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土，其特征在于，其包括如下重量份的组分；

2.如权利要求1所述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土，其特征在于，其包括如下重量份的组分：

3.如权利要求1或2所述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为强度等级52.5级或52.5r级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

4.如权利要求1或2所述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰中无定形二氧化硅含量大于95 wt%，所述硅灰的比表面积大于21.0 m2/g，比密度大于2.2。

5.如权利要求1或2所述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土，其特征在于，所述镀铜平直钢纤维平均长度13 mm，平均直径0.16 mm，抗拉强度大于2500 mpa，弹性模量200gpa，密度为7800 kg/m3。

6.如权利要求1或2所述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土，其特征在于，所述消泡剂包括磷酸三丁酯。

7.一种权利要求1-6任一所述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.如权利要求7所述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述混合为搅拌混合；所述搅拌混合为通过磁力搅拌混合，时间为20-40min；

9.如权利要求7所述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述硅烷通过下述制备方法制得：

10.一种权利要求1-6任一所述的基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土在防护工程中的应用。

技术总结本发明公开了一种基于硅烷改性的抗侵彻超高性能混凝土及其制备方法与应用，属于新型建筑材料技术领域。该混凝土包括如下重量份的组分：水泥1417‑1517份、硅灰135‑165份、镀铜平直钢纤维35‑43份、硅烷6‑10份、消泡剂0.2‑0.6份、水410‑510份，且硅烷的分子结构为：。本发明将硅烷引入到超高性能混凝土基体中对混凝土进行改性，硅烷水化后与C‑S‑H联合形成硅烷‑C‑S‑H共价键（离解能为628 kJ/mol），取代了范德华力（离解能为0.4‑4 kJ/mol），有效提高了传统超高性能混凝土的静态力学性能和抗高速冲击爆炸性能，使超高性能混凝土具有极高强度的前提下，明显提高了抗侵彻性能。技术研发人员：张峰领,庞锴,李景龙,孟翔宇,苏同春,汤敏受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27