一种哑铃型粗骨料及其制备方法、冰基复合材料

本发明涉及极地地区冰雪跑道，特别涉及一种哑铃型粗骨料及其制备方法、冰基复合材料。

背景技术：

1、极地地区地理位置环境特殊，物资一般只能通过海运和空运进行运输，然而海运运输周期长、物资装载效率低，相比之下航空运输具有时效高、范围广等优点，这就必须在极地地区建设永久性机场或机场跑道。目前我国尚未掌握海冰、压实雪层等类型跑道的建设技术，无法建设满足重型轮式运输机起降的永久性机场跑道。且纯冰的压缩强度虽为5-25mpa，但拉伸强度仅为1.43mpa，作为脆性材料的冰面无法承受中大型飞机的起降冲击（不低于20mpa）。在目前的现有技术中，可通过传统的颗粒与无机纤维来增强冰基复合材料，但存在界面相容性差、力学性能偏低以及环境污染等问题，例如玻纤、碳纤与冰结构结合的界面强度偏低、界面相容性较差，且玻纤、碳纤等无机纤维难降解，用于极地地区的冰基跑道会带来环境污染等问题。因此，发明一种哑铃型粗骨料、冰基复合材料显得尤为必要。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明第一方面提供了一种哑铃型粗骨料。本发明第二方面提供了一种哑铃型粗骨料的制备方法。本发明第三方面提供了一种冰基复合材料。本发明的冰基复合材料使用哑铃型粗骨料填充，具有良好的界面相容性，其抗冲击和抗压缩性能也得到了有效提高。具体通过以下技术实现。

2、本发明第一方面提供一种哑铃型粗骨料，具有3d哑铃型结构；哑铃型粗骨料包括植物纤维和土。

3、所述3d哑铃型粗骨料是将植物纤维处理后，与土、溶剂混匀，浇筑在花生形状结构的模具中得到。

4、植物纤维的主要成分是纤维素、木质素与半纤维素，具有典型的亲水性特点；植物纤维的细胞纤维是一种壁厚中空结构，微观结构主要包括初生壁、次生壁和中部空腔，孔隙率可达20-40%，具有多层级界面的特点；相比玻纤等无机纤维，植物纤维不仅具有高的比强度与比模量，而且还具有亲水性与多层级界面的特点，在冰基复合材料的增强增韧方面更有优势。且植物纤维还具有来源广泛、可回收可降解、质量更轻等优点。

5、传统的混凝土骨料是正泊松比，即在轴向冲击或压缩载荷作用下，材料发生鼓胀变形，结构将失去承载性；而本发明利用植物纤维多层级和亲水性的优势，通过植物纤维与土制备具有负泊松比效应的增强相哑铃型结构，在轴向冲击载荷作用下，哑铃型粗骨料产生横向收缩变形，具有典型的材料聚集效应，可使结构局部区域的强度与模量得到增强。以哑铃型粗骨料填充冰基复合材料，可实现冰基复合材料宏观力学性能的提升。

6、本发明哑铃型骨料中的植物纤维和土没有特殊要求限定。

7、优选地，植物纤维与土的质量比为1:(5-8)。

8、进一步优选地，植物纤维与土的质量比为1:6。

9、优选地，本发明的哑铃型粗骨料结构，采用如下方法设计：参照图3所示，在二维笛卡尔坐标系下，哑铃型2d结构通过两个半径为r的大圆与两个半径为r的小圆相切得到；两个大圆圆心距，d为两个小圆的圆心距，阴影区域即为2d花生几何结构，如图3所示。通过改变基本单元(r,r,s,d)，调控2d花生几何结构的形状大小和负泊松比效应。以2d花生几何结构的中线为轴线，旋转360°得到3d哑铃型粗骨料结构。

10、优选地，植物纤维包括椰壳纤维、亚麻、毛竹纤维、棉纤维中的至少一种。

11、优选地，土包括粉质黏土、冲积土、粉土中的至少一种。

12、本发明第二方面提供了一种哑铃型粗骨料的制备方法，包括以下步骤：

13、将植物纤维剪短，置于碱性溶液中浸泡，清洗至ph为中性，干燥，得到短切纤维；

14、将短切纤维、土和水混匀，浇筑在哑铃型模具中，干燥，得到哑铃型粗骨料。

15、优选地，碱性溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液中的至少一种。植物纤维经过碱性溶液浸泡以后，不仅可以去掉表面杂质，同时也可以使植物纤维的表面更加粗糙，增大纤维与冰沙之间的联结强度。

16、优选地，短切纤维的长度为哑铃型模具的腰部最细部位直径的1/5-1/2。哑铃型模具腰部最细部位的尺寸l=s-2r，参照图3所示，其中s为两个大圆的圆心距，r为两个大圆的半径。

17、优选地，植物纤维与碱性溶液的质量比为1:(18-22)。

18、进一步优选地，植物纤维与碱性溶液的质量比为1:20。

19、优选地，浸泡的时间不低于10h。

20、优选地，水的质量为植物纤维的2-4倍。

21、进一步优选地，水的质量为植物纤维的2倍。

22、本发明第三方面提供了一种冰基复合材料，包括上述的哑铃型粗骨料。

23、本发明的冰基复合材料中，含有的哑铃型粗骨料具有典型的压阻效应，使得本发明的冰基复合材料具有负泊松比效应。即在受到轴向或压缩载荷作用下，本发明的冰基复合材料横向将产生聚集效应，使得局部区域的强度、刚度得到增强，进而有效提高冰基复合材料的抗冲击与抗压缩性能。

24、本发明的冰基复合材料包含有上述哑铃型粗骨料，具有负泊松比效应。本发明的冰基复合材料可采用不同尺寸的哑铃型粗骨料来实现骨料级配的调配。

25、优选地，冰基复合材料还包括植物纤维与冰沙的混合物。混合物中的植物纤维没有特殊要求限定。

26、优选地，植物纤维与冰沙的质量比为1:(2-5)。

27、进一步优选地，植物纤维与冰沙的质量比为1:3。

28、优选地，哑铃型粗骨料与混合物的质量比为(1-2):1。

29、进一步优选地，哑铃型粗骨料与混合物的质量比为1.2:1。

30、优选地，混合物的制备方法包括以下步骤：

31、将蒸馏水置于低温环境下处理，得到过冷水；

32、将过冷水冷冻成冰块，破碎，得到冰沙；

33、将植物纤维剪短，置于碱性溶液中浸润，清洗至ph为中性，干燥，与上述冰沙混匀，得到混合物。

34、与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

35、1、本发明的哑铃型粗骨料具有典型的压阻效应，冰基复合材料使用本发明的哑铃型骨料进行填充后，在轴向冲击载荷作用下，会产生横向收缩变形，有助于增强结构的局部强度、刚度；

36、2、本发明的冰基复合材料使用哑铃型粗骨料进行填充，具有良好的界面相容性，其抗冲击和抗压缩性能也得到了有效提高；

37、3、本发明的冰基复合材料使用植物纤维和土作为原料，成本低廉、绿色无污染。

技术特征：

1.一种哑铃型粗骨料，其特征在于，具有3d哑铃型结构；所述哑铃型粗骨料包括植物纤维和土。

2.根据权利要求1所述的哑铃型粗骨料，其特征在于，所述植物纤维与所述土的质量比为1:(5-8)。

3.根据权利要求1所述的哑铃型粗骨料，其特征在于，制备所述哑铃型骨料的模具延长轴方向的切面形状为花生形，所述花生形由位于两端的优弧和位于中间的劣弧组成，所述优弧所在的第一圆形与所述劣弧所在的第二圆弧相切设置，两个所述劣弧的圆心距，r为所述劣弧的圆心，r为所述优弧的圆心，d为两个所述优弧的圆心距。

4.权利要求1-3任一项所述的哑铃型粗骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述短切纤维的长度为哑铃型模具的腰部最细部位直径的1/5-1/2。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述水的质量为所述土的质量的2-4倍。

7.一种冰基复合材料，其特征在于，具有负泊松比值，包括权利要求1-3任一项所述的哑铃型粗骨料。

8.根据权利要求7所述的冰基复合材料，其特征在于，还包括植物纤维和冰沙的混合物。

9.根据权利要求8所述的冰基复合材料，其特征在于，所述混合物中，所述植物纤维与所述冰沙的质量比为1:(2-5)。

10.根据权利要求8所述的冰基复合材料，其特征在于，所述哑铃型粗骨料与所述混合物的质量比为(1-2):1。

技术总结本发明公开了一种哑铃型粗骨料和冰基复合材料，属于极地地区冰雪跑道技术领域。所述哑铃型粗骨料具有3D哑铃型结构，包括植物纤维和土。所述冰基复合材料包括上述哑铃型骨料。本发明的哑铃型粗骨料具有典型的压阻效应，当冰基复合材料在轴向冲击载荷作用下，哑铃型骨料会产生横向收缩变形，有助于增强结构的局部强度、刚度。技术研发人员：雷永鹏,王辉,董勤喜,王丹受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20