一种含有钢纤维的高强度混凝土及其在防护设备中的应用的制作方法

本发明涉及混凝土，具体涉及一种含有钢纤维的高强度混凝土及其在防护设备中的应用。

背景技术：

1、防护设备是保障国防、人防工程安全的重要屏障。目前，工程出入口的防护门通常采用钢筋混凝土结构或钢结构防护密闭门。然而，采用普通混凝土制作的防护门门扇普遍存在过重、过厚的问题，且难以实现大型化。钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入随机分布的短钢纤维所形成的一种新型多相复合材料。由于乱向分布的钢纤维能够有效阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，使原本属于脆性材料的混凝土转变为具有一定塑性性能的复合材料。研究表明，钢纤维的掺入可有效提升混凝土的耗能与抗冲击性能，在冲击荷载下能够有效抑制裂纹萌生扩展，增强结构的稳定性。

2、因此，钢纤维混凝土凭借其优良的阻裂、增韧和抗冲击性能，在防护工程中得到了日益广泛的应用。在防护工程领域，钢纤维混凝土主要用于防爆、抗侵彻等对材料性能要求较高的场合，如掩体、防空洞、防护门、军事交通工程等。已有研究表明，采用钢纤维高强混凝土加固和新建抗爆工程，能够有效提高结构在遭遇爆炸冲击时的安全性能。钢纤维的桥接作用能够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，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整体性的特征。然而，钢纤维混凝土流动性较差，影响混凝土的强度，无法满足防护设备的使用需求。

3、综上所述，亟需开发一种兼具高强度和良好耐久性的新型钢纤维增强混凝土材料，以满足防护设备日益严苛的性能要求。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中提到的问题，本发明的目的在于提供一种含有钢纤维的高强度混凝土及其在防护设备中的应用。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种含有钢纤维的高强度混凝土，包括按照重量份数计量的下列原料：

4、硅酸盐水泥：320-400份；

5、粗骨料：650-820份；

6、细集料：480-600份；

7、改性短切钢纤维：15-25份；

8、粉煤灰：200-260份；

9、减水剂：80-120份；

10、水：150-250份；

11、所述改性短切钢纤维是通过在短切钢纤维表面负载生物质胶制得；

12、所述混凝土的制备方法包括以下步骤：

13、第一步、将粗骨料、细集料和改性短切钢纤维倒入高速搅拌机中，于300-500r/min机械搅拌均匀，形成前驱料；

14、第二步、将硅酸盐水泥、粉煤灰和减水剂加入前驱料中，继续搅拌均匀后，加水搅匀，即可。

15、作为本发明的进一步方案，所述粗骨料为碎石，粒径为10-20mm；所述细集料为砂，粒径为5-10mm。

16、作为本发明的进一步方案，所述改性短切钢纤维的制备方法包括以下步骤：

17、步骤一、将短切钢纤维分散在甲苯中，接着向形成的混合液中添加有机化修饰剂和催化剂，加完后，开启加热，将温度升高至90-100℃，持续保温搅拌8-12h，停止加热，降温出料，过滤出纤维产物，经洗涤、干燥处理，得有机化短切钢纤维；

18、步骤二、将有机化短切钢纤维分散在水中，接着加入磺酸基改性罗望子胶，加毕，搅拌混匀，开启超声，于80-100khz的超声频率下超声处理1-2h，然后于200-400r/min的搅拌速率下继续搅拌6-9h，过滤出料，经洗涤、干燥处理，得到改性短切钢纤维。

19、作为本发明的进一步方案，步骤一中，所述有机化修饰剂为5-羧戊基三苯基溴化膦。

20、作为本发明的进一步方案，步骤一中，所述催化剂为氨基磺酸或者对甲苯磺酸。

21、作为本发明的进一步方案，步骤二中，所述磺酸基改性罗望子胶采用以下方法制备：

22、将罗望子胶加入至吡啶中，搅拌混匀后，加入磺酸基改性试剂，加毕，机械混匀，开启加热，将温度升高至90-100℃，在该温度条件下保温处理1-3h，反应结束后加入乙醇沉淀，沉淀经过滤、洗涤、干燥处理，得磺酸基改性罗望子胶。

23、作为本发明的进一步方案，所述磺酸基改性试剂为氯磺酸。

24、需要说明的是，在上述技术方案中，首先在催化剂的作用下，采用有机化修饰剂对短切钢纤维进行表面改性，使得钢纤维表面携带有季膦阳离子，制得有机化短切钢纤维，在水溶液中，磺酸基改性罗望子胶结构中的磺酸基团会电离产生磺酸阴离子，能够通过静电作用，与有机化短切钢纤维的季膦阳离子进行静电吸附，从而完成在短切钢纤维表面的静电组装修饰，从而在短切钢纤维表面负载生物质罗望子胶，制得改性短切钢纤维。

25、其中磺酸基改性罗望子胶实在吡啶溶液中，使用磺酸基改性试剂对罗望子胶进行磺化改性制得。

26、作为本发明的进一步方案，所述粉煤灰为ⅱ级粉煤灰。

27、作为本发明的进一步方案，所述减水剂为萘系减水剂或者聚羧酸减水剂中的任意一种。

28、一种含有钢纤维的高强度混凝土的应用，将所述高强度混凝土应用于防护设备中。

29、本发明的有益效果：

30、本发明通过静电自组装将磺酸基改性罗望子胶牢固负载于短切钢纤维表面，制得改性短切钢纤维，在混凝土中可充分发挥钢纤维自身刚性增强相与罗望子胶柔性界面层的协同增效作用。

31、首先，钢纤维作为高弹性模量、高抗拉强度的三维乱向分布增强体，能够有效桥接混凝土内部微裂缝，在受荷过程中通过纤维的拔出、屈服及断裂等机制耗散大量断裂能，从而显著提升混凝土的抗压强度和抗开裂等性能。本发明通过静电自组装将磺酸基改性罗望子胶牢固负载于钢纤维表面后，该有机界面层并非简单包覆，而是与钢纤维形成功能互补的深度协同。

32、在分散阶段，负载的罗望子胶电离产生磺酸阴离子，赋予纤维表面强负电荷和空间位阻斥力，有效拆散纤维团聚体，并结合其亲水润滑与保水增稠特性，使单根钢纤维得以均匀悬浮分散于浆体中，从源头上保障了钢纤维“多而匀”的增强基础；在界面粘结阶段，罗望子胶分子中的活性基团（磺酸基、羟基）与水泥水化产物（如c-s-h凝胶及钙离子）发生化学键合，将原本疏松的纤维-基体界面过渡区优化为致密的高结合力承力层，显著增强了界面粘结强度；当混凝土受荷开裂时将原本疏松的纤维-基体界面过渡区优化为致密的高结合力承力层，使钢纤维的粘结锚固效率大幅提高，从而在受荷时钢纤维能够被充分激发，以拔出或屈服方式高效传递应力，避免了因过早脱粘而失效。

33、在抗裂耗能阶段，刚性钢纤维承担主拉应力并阻滞宏观裂缝贯通，而粘弹性的罗望子胶分子链段在微裂纹尖端发生滑移变形，作为缓冲层额外吸收冲击能量，形成“刚性承载+柔性耗能”的双重抗冲击机制，其协同效果远超单独使用钢纤维或单独掺加聚合物的简单加和。

34、综上，本发明通过罗望子胶对钢纤维的定向功能化修饰，将钢纤维的刚性增强效应与界面改性层的分散调控、化学键合、粘弹性耗能及防护功能深度耦合，从分散性、界面粘结、抗裂韧性及耐久性等维度实现了钢纤维与基体间的协同增益，最终使混凝土的综合力学性能和工作性能得到跨越式提升。

35、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。