[发明专利]一种具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种防护结构，具体是涉及一种能抵抗高速冲击的混凝土防护结构。

背景技术

目前，大多防护性建筑（军事设施，政府设施，使馆，核电站等）都是用钢筋混凝土建造而成的，且一般采取提高混凝土强度，加大结构构件（墙,柱等）厚度和配筋率等方法来增强构件自身的抗高速冲击能力。随着科技的发展，常规武器威力日益增加，C50混凝土在12.7mm穿甲燃烧弹侵彻作用下，侵深可达15-20cm（800m/s左右时可达25cm左右），且试验证明混凝土强度增加到一定程度后对减小侵彻深度贡献很小，配筋率增加对减小侵彻深度的贡献也不大甚至会加重破坏程度。所以靠无限提高混凝土强度或大比例增加构件尺寸或配筋率的方法来增大墙或柱等构件的抗冲击能力既不方便，也不实用。

以往，防御性功能与民用建筑并不直接相关。相对于防御工事，由于考虑到经济及适用性，民用建筑的墙厚度及柱截面尺寸往往较小，配筋率也较小。但是近十几年来，随着国外以民用建筑（住宅，学校，办公楼等）为目标的恐怖袭击案例数量增多，千疮百孔甚至面目全非的爆炸现场揭示了现有民用建筑已满足不了人们对栖身室内以寻求庇护的需求。中国虽然恐怖袭击案例很少，但是在部分刑事案件中人为制造的住宅楼或办公楼炸弹爆炸，还有近几年频繁报道的因化学品或液化气爆炸而引发的建筑物破坏或倒塌，同样对人民的生命财产安全造成了不可弥补的损失；因此，人们对居住和工作环境周围的建筑物在冲击荷载作用下的整体安全性问题表现出越来越大的担忧。而且，由于混凝土或普通粘土砖等建筑材料固有的脆性特点，使得现有的墙体结构在冲击荷载作用下可能发生粉碎性破坏。在冲击过程中产生的弹片或混凝土碎片将飞溅，对结构内外人员和设备构成更大的二次杀伤威胁。

为了提高混凝土材料的抗冲击韧性，近十几年来国内外很多学者着眼于纤维增强混凝土复合材料，包括钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维等，并得到了一系列的研究成果。试验证明钢纤维对裂缝的抑制作用优于其他纤维，但是应用于工程材料，成本较高。有的研究学者通过在混凝土中添加纳米纤维或者纳米管，得到了可以完全抑制初始纳米级裂缝的结论，但是相同的试验在其他学者的实验室中却很难得到同样的试验结果。也有学者通过在混凝土试块靠近上下表层的地方布置钢丝网的试验得出结论：布置钢丝网的混凝土试块的抗子弹冲击性能要优于钢纤维增强混凝土试块。布置钢丝网虽然相对经济，但是工程实际操作麻烦而且往往遇到表层混凝土或水泥砂浆与钢丝网由于粘结不紧而脱离的情况。目前，在抗冲击建筑材料方面研究较新的是ECC（engineered cementitious composites）和水泥基功能梯度材料，ECC材料的抗冲击性有待实验验证而且材料本身成本较高，还不能广泛应用。水泥基功能梯度材料在一发子弹打击后会产生鼓起，降低了抗多发打击的防护概率。多层复合材料在抗冲击方面早有应用，尤其是在军事领域上国内外对Al₂O₃陶瓷金属多层复合装甲或陶瓷基功能梯度材料复合装甲已有很多研究和应用。但是在混凝土建筑结构中，关于水泥基多层复合材料或结构的研究却较少，其中包括2004年Michael Schmitz发明一种多层复合材料（专利号为US006790544B2）和2004年Guy Bamford发明的层压混凝土板（专利号为US 20040231273A1）。

仿生的概念和研究由来已久，在工程和医学等领域应用广泛，但是对于非精密施工的土木工程建筑材料领域，这一概念却经常被忽视。鲍鱼壳的珍珠层组成非常简单，却具有优异的力学性能，大部分的学者认为珍珠层的微观叠层结构是首要影响因素。石少卿等从贝壳珍珠层的结构中得到启示，研发了蜂窝状钢管约束混凝土防护结构（专利证书号为ZL03233831.7），认为钢管的环箍效应可以大大增加混凝土的抗压强度，而且层间交错布置对裂纹起到了偏转作用。虽然其蜂窝状防护结构的外观结构是仿贝壳，但是结构原理却与贝壳不同。其对裂纹的“偏转作用”有待探究。贝壳是利用“弱”层来引导裂缝偏转，而蜂窝状钢管约束混凝土防护结构并没有明显的“弱”层，裂纹很可能只是“止”于侧向钢管。本发明从珍珠层的特征得到设计启示，用以提高混凝土墙柱梁等结构构件（已建或新建）抵御高速冲击的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种抵御高速冲击的能力强、成本低、工艺简单、能用于工程实际的具有抵抗高速冲击作用的混凝土防护结构。