超高温下抗强冲击的金属陶瓷混凝土

摘要

本发明公开了一种超高温下抗强冲击的金属陶瓷混凝土，每立方米金属陶瓷混凝土中包含胶凝材料400‑500kg，金属陶瓷粗骨料950‑1150kg，石英砂或金属陶瓷细骨料660‑715kg，水160‑180kg，聚羧酸高性能减水剂7‑9kg，纳米微粉0.5kg‑2kg，耐高温高强纤维3kg‑10kg。本发明金属陶瓷混凝土以金属陶瓷作为骨料，掺入大量纳米硅粉作为矿物掺和料、聚羧酸高性能减水剂和耐高温高强纤维，成型后材料的内部结构。金属陶瓷混凝土在桥梁结构、高层建筑、军事防护、核电工程及航天工程等领域极具应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程混凝土技术领域，具体涉及一种可用于超高温下抗强冲击的金属陶瓷混凝土。

背景技术

混凝土作为一种最常用的土木工程材料，已经被广泛应用于各类建筑工程领域。随着城市建筑密度越来越大，导致城市建筑火灾危险性和扑救难度越来越大，随着火灾事故频发，建筑物因此连续倒塌事故时有发生。同时，一些与化工相关的特种工业由于操作不当等原因引发的事故不仅使建筑结构遭受爆炸和火灾的袭击，也会因此而发生结构的连续倒塌。在一些极端使用条件下，混凝土不仅需要面对超高温的外界条件，同时必须承受部分可能的强冲击荷载，这对混凝土材料性能提出了严峻的考验。

在超高温条件下（大约1300摄氏度左右），传统混凝土性能严重劣化，具体表现为：（1）水泥水化矿物的脱水，体积收缩，分解，强度大幅度下降。（2）混凝土中骨料的受热破坏；拌制混凝土的粗细骨料（一般多为卵石或碎石以及河沙）热稳定性很差，矿物晶体膨胀系数不同，部分骨料在达到一定温度后，其内部晶体会发生晶型转变，引起体积膨胀而导致开裂破坏。（3）水泥石与骨料间界面的破坏；水泥石在加热过程中产生较大的收缩，而被水泥石包裹着的石子却在加热过程中膨胀，且其膨胀值随着温度的升高而增大，这种涨缩差异引起混凝土的破坏。在这种高温情况下，传统混凝土表现出现开裂、掉皮甚至崩裂等现象，此时在强冲击荷载造成的高应变率效应将使混凝土结构遭到极为严重的破坏，造成不可估量的损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐超高温下强冲击的金属陶瓷混凝土，在1300℃左右其强度为C30-C80、坍落度为160mm-220mm，克服了传统混凝土抗高温烧蚀性能差以及高温下强度下降严重的缺点，同样可满足泵送要求。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种在超高温下抗强冲击的金属陶瓷混凝土，每立方米金属陶瓷混凝土中包含胶凝材料400-500kg，金属陶瓷粗骨料950-1150kg，石英砂（或金属陶瓷细骨料）660-715kg，水160-180kg，聚羧酸高性能减水剂7-9kg，纳米微粉0.5kg-2kg，耐高温高强纤维3kg-10kg。

所述胶凝材料为氧化铝含量为65%的铝酸钙水泥和铝矾土的混合物，其中铝矾土的用量占胶凝材料重量的15%-25%。

所述铝矾土的铝硅比不低于10，水胶比为0.35-0.42。

所述粗骨料为连续级配，粒径为5-20mm的球状或不规则块状金属陶瓷材料，金属陶瓷粗骨料的级配选用按照国家标准《建筑用卵石和碎石》（GB/T14685-2011）执行。

所述金属陶瓷材料为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷等。

所述细骨料的细度模数2.26，砂率：0.36-0.40。

所述纳米微粉包括碳纳米管、石墨烯、纳米金属粉体、纳米非金属粉体、 纳米合金粉体或纳米化合物等。

所述耐高温高强纤维包括有机耐高温纤维（PMIA、PPTA等）或者无机耐高温纤维（碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、硼纤维等）。

搅拌混凝土时，采用净浆裹石工艺，即首先加入胶凝材料、二分之一的水和二分之一减水剂搅拌60秒，然后加入粗骨料搅拌90秒；最后加入细骨料、剩余的水和减水剂搅拌90秒。

金属陶瓷混凝土与普通混凝土最主要差别如下：

（1）、骨料的不同：金属陶瓷混凝土采用金属陶瓷材料作为粗骨料。金属陶瓷是一种具有金属和陶瓷综合性能的先进高温结构材料，能在高温条件下承受静态或动态的机械负荷，具有高熔点，极高的高温强度和较小的高温蠕变，耐热震、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定等特点。

（2）、胶凝材料的不同：金属陶瓷混凝土的胶凝材料为氧化铝含量为65%的铝酸钙水泥和铝矾土的混合物，强度增长过程类似于普通硅酸盐水泥，但有着更高的后期强度和大气稳定性。另外，金属陶瓷混凝土在胶凝材料中掺入适量纳米微粉用于提高混凝土的耐热性能，高温作用下活性矿物掺和料中的、与水泥水化产物发生二次反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，有效降低了高温下脱水生成的含量。

（3）、采用聚羧酸高性能减水剂：高温下，混凝土失水导致内部形成大量的孔结构是混凝土迅速劣化的重要原因，金属陶瓷混凝土采用聚羧酸高性能减水剂，可有效降低混凝土的含水量，降低高温下混凝土水分丧失引起的爆裂现象。

（4）、采用耐高温高强纤维，不论是冲击还是高温均有效。

本发明的有益效果在于：

（1）、金属陶瓷混凝土材料在长时间超高温以及反复高温-冷却的循环过程中保持较强的抗烧蚀性，保证混凝土表面完好，具有较高的稳定性，能保证混凝土的长期安全服役。

（2）、混凝土不仅抗压强度高，而且有较强的抗冲击性能，在强冲击作用下可以有效消耗冲击能量，在冲击作用下不易开裂。

（3）、可根据不同的应用场合，选用不同热膨胀系数和弹性模量的金属陶瓷，使其与水泥基体的热膨胀系数和弹性模量较为接近，有效减少超高温强冲击作用下混凝土内部裂纹的产生，为超高强度混凝土的研制提供了可能。

（4）、金属陶瓷骨料通过添加耐高温高强纤维（如碳纤维陶瓷纤维、硼纤维、玻璃纤维）使混凝土可以在没有配筋的情况下保持较强的韧性。

（5）、有效减小碱骨料反应，有效降低混凝土内部膨胀，长时间服役过程中不会由于混凝土的强度降低及开裂等而造成混凝土的破坏。

（6）、金属陶瓷混凝土可以使用喷射施工，作为防护层附加于钢筋混凝土基体表面，可以起到良好的耐高温和抗冲击效果。

总之，随着现代建筑工程结构向大跨、高层、重载及特殊环境（如核设施、航天、军事工程等）方向发展，普通混凝土已经不能满足当代工程建设发展的需要。混凝土在工程中的应用，其服役环境越来越复杂，除了可能经受冲击荷载的作用或者超高温的作用，甚至存在高温下承受强冲击的情况，这对混凝土高温下的抗冲击性能提出了更高的要求。金属陶瓷混凝土以金属陶瓷作为骨料，掺入大量纳米硅粉作为矿物掺和料、聚羧酸高性能减水剂和耐高温高强纤维，成型后材料的内部结构。金属陶瓷混凝土在桥梁结构、高层建筑、军事防护、核电工程及航天工程等领域极具应用前景。

具体实施方式

为了使本发明所述内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

一种耐超高温下强冲击的金属陶瓷混凝土，每立方米金属陶瓷混凝土中包含胶凝材料400-500kg，金属陶瓷粗骨料950-1150kg，石英砂（或金属陶瓷细骨料）660-715kg，水160-180kg，聚羧酸高性能减水剂7-9kg，纳米微粉0.5kg-2kg，耐高温高强纤维3kg-10kg。

胶凝材料为氧化铝含量为65%的铝酸钙水泥和铝矾土的混合物，其中铝矾土的用量占胶凝材料重量的15%-25%。铝矾土的铝硅比不低于10，水胶比为0.35-0.42。

粗骨料为连续级配，粒径为5-20mm的球状或不规则块状金属陶瓷材料，金属陶瓷粗骨料的级配选用按照国家标准《建筑用卵石和碎石》（GB/T14685-2011）执行。

细骨料为粒径为0.5-3mm，砂率：0.36-0.40。

纳米微粉包括碳纳米管、石墨烯、纳米金属粉体、纳米非金属粉体、 纳米合金粉体或纳米化合物等。

耐高温高强纤维包括有机耐高温纤维（PMIA、PPTA等）或者无机耐高温纤维（碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、硼纤维等）。

搅拌混凝土时，采用净浆裹石工艺，即首先加入胶凝材料、二分之一的水和二分之一减水剂搅拌60秒，然后加入粗骨料搅拌90秒；最后加入细骨料、剩余的水和减水剂搅拌90秒。

实施例1

每立方米金属陶瓷混凝土中包含胶凝材料500kg（其中水泥380kg，铝矾土120kg），金属陶瓷粗骨料950kg，石英砂细骨料715kg，水180kg，聚羧酸高性能减水剂7kg，碳纳米管0.5kg，玄武岩纤维8kg。

采用净浆裹石工艺配制，所得金属陶瓷混凝土的坍落度为205mm，28天立方体抗压强度为53.7MPa。

实施例2

每立方米金属陶瓷混凝土中包含胶凝材料500kg（其中水泥375kg，铝矾土125kg），金属陶瓷粗骨料1050kg，石英砂细骨料685kg，水160kg，聚羧酸高性能减水剂8.5kg，石墨烯0.5kg，陶瓷纤维6kg。

采用净浆裹石工艺配制，所得金属陶瓷混凝土的坍落度为185mm，28天立方体抗压强度为67.1MPa。

实施例3

每立方米金属陶瓷混凝土中包含胶凝材料500kg（其中水泥420kg，铝矾土80kg），金属陶瓷粗骨料1150kg，石英砂细骨料650kg，水175kg，聚羧酸高性能减水剂5.5kg，纳米碳化锆1.5kg，碳纤维6kg。

采用净浆裹石工艺配制，所得金属陶瓷混凝土的坍落度为200mm，28天立方体抗压强度为56.3MPa。

实施例4

每立方米金属陶瓷混凝土中包含胶凝材料500kg（其中水泥400kg，铝矾土100kg），金属陶瓷粗骨料1000kg，石英砂细骨料700kg，水175kg，聚羧酸高性能减水剂6.3kg，纳米二氧化硅1kg，硼纤维5kg。

采用净浆裹石工艺配制，所得金属陶瓷混凝土的坍落度为195mm，28天立方体抗压强度为58.8MPa。

对实施例1、2、3、4制备的金属陶瓷混凝土进行性能测试，结果如下表1：

表1

抗压强度和劈裂抗拉强度越大说明混凝土抗冲击能力越强，耐热度越大说明混凝土抗高温能力越强，因此由表1可知，本发明提供的金属陶瓷混凝土具有优异的抗冲击性能和抗高温性能。这是由于在制备过程中，水泥、铝矾土、金属陶瓷、石英砂、二氧化硅和纤维之间进行了协同作用，使得混凝土具有优异的抗冲击性能和抗高温性能。

以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。