賈藝凡，陶西貴，張時(shí)豪，周文濤

（1軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院 北京 100036）

（2 1510工程指揮部 北京 100036）

（3 91697部隊(duì) 山東 青島 266000）

1 引言

TNT在空氣中爆炸時(shí)，炸藥在極短的時(shí)間內(nèi)瞬間將全部的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為爆炸能量，形成壓力巨大的沖擊波。爆炸源周?chē)慕ㄖ锖臀矬w都會(huì)因受到?jīng)_擊波的作用而產(chǎn)生一定程度的破壞，在爆炸引起的碎片、地面振動(dòng)以及火災(zāi)等次生災(zāi)害作用下，建筑結(jié)構(gòu)易發(fā)生顯著的局部破壞，甚至因局部破壞引起的連續(xù)倒塌、造成人員傷亡。因此，研究和分析如何提高建筑防爆抗爆能力，是我們急需解決的一大課題。

近些年，聚脲作為減緩爆炸沖擊材料已被廣泛研究，是一種彈性嵌段共聚物，由異氰酸酯和氨的反應(yīng)生成，具有優(yōu)異的機(jī)械性能[1-2]，高彈性模量[3]、高拉伸強(qiáng)度（12～45 MPa）[4]、高延展性[5]和良好的抗沖擊性[6-7]。Raman等[8]聚脲涂層和未涂層混凝土板用3種不同的裝藥重量（0.1、0.5和5 kg）銨梯炸藥在不同的間隔距離進(jìn)行爆炸測(cè)試，研究了混凝土板的裂紋擴(kuò)展，離面位移和失效模式。此外，學(xué)者們更多使用聚脲涂層作為減緩沖擊載荷的有效機(jī)制[9-11]，聚脲材料在防護(hù)結(jié)構(gòu)中作為減輕爆炸沖擊的組成部分顯示出巨大的潛力。在結(jié)構(gòu)表面噴涂高強(qiáng)度、高拉伸性能的聚合物，能有效包裹爆炸沖擊波作用下產(chǎn)生的高速碎片，有效縮短爆炸的危險(xiǎn)距離，減少室內(nèi)人員的傷亡。

本文利用改性的聚脲彈性體加固設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)件，并對(duì)不同加固厚度聚脲彈性體的構(gòu)件分別進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，研究分析在不同厚度和加固方式時(shí)聚脲彈性體加固墻體的破壞模式和抗爆極限。

2 聚脲彈性體噴涂鋼筋混凝土構(gòu)件實(shí)驗(yàn)設(shè)置

鋼筋混凝土采用模塊內(nèi)口凈空尺寸1.2 m×1.8 m，滿足人員通行需要，四周壁厚0.25 m，四周墻（板）雙層雙向配筋，拉筋Φ10，間距300×300梅花形布置?；炷翗?biāo)號(hào)C40，鋼筋凈保護(hù)層15 mm，混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度，折合150 mm立方體抗壓強(qiáng)度58.0 MPa，如圖1所示。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

A模塊單面噴涂聚脲彈性體的厚度為3 mm，雙面噴涂厚度為3 mm。

實(shí)驗(yàn)中，為保證墻體表面爆炸荷載作用過(guò)程的一致性和對(duì)稱性，炸藥放置在試件正中位置。墻體迎爆面中心處墻體凹曲變形時(shí)背爆面中心處位移是判斷、對(duì)比單墻體試件在爆炸荷載作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要參數(shù)，如表1、圖2所示。

表1 鋼筋混凝土構(gòu)件爆炸實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖2 聚脲彈性體噴涂鋼筋混凝土

3 爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)未噴涂聚脲彈性體及噴涂厚度分別為3 mm和內(nèi)外3 mm的鋼筋混凝土進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，由于鋼筋混凝土自身具有較好的抗爆炸沖擊性能，所使用的構(gòu)件是經(jīng)過(guò)前期爆炸實(shí)驗(yàn)后再噴涂聚脲彈性體的，目的是在爆炸荷載作用下墻壁破碎的吸能效果，所得到鋼筋混凝土的破壞模式，通過(guò)對(duì)比不同厚度聚脲彈性體的鋼筋混凝土爆炸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)前后的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 未噴涂聚脲彈性體鋼筋混凝土（爆距5 cm）

如圖3所示，未噴涂聚脲彈性體的鋼筋混凝土構(gòu)件在TNT炸藥爆距為5 cm時(shí)，在爆炸沖擊波作用下，構(gòu)件迎爆面和背爆面均出現(xiàn)較為嚴(yán)重的破損，迎爆面破損面積31 cm×27 cm，背爆面破損面積57 cm×67 cm，圖3（b）中可見(jiàn)鋼筋混凝土構(gòu)件破損主要為混凝土的破裂飛濺，鋼筋出現(xiàn)彎曲但未斷裂。

如圖4所示，鋼筋混凝土構(gòu)件背爆面噴涂3 mm的聚脲彈性體在TNT炸藥爆距為5 cm的作用下，迎爆面破損面積32.5 cm×34 cm，背爆面破損面積52 cm×68 cm，相較于未噴涂聚脲彈性體構(gòu)件（圖3），背爆面破損面積有所減小，且鋼筋未出現(xiàn)彎曲，說(shuō)明聚脲彈性體在鋼筋混凝土背爆面的抗爆性能有所提高。

圖4 涂層厚度3 mm的鋼筋混凝土（爆距5 cm）

如圖5所示，鋼筋混凝土構(gòu)件雙面噴涂3 mm的聚脲彈性體在TNT炸藥爆距為5 cm的作用下，迎爆面破損面積37 cm×30 cm，背爆面破損面積35 cm×27 cm，相較于未噴涂及背爆面噴涂聚脲彈性體構(gòu)件（圖3、4），構(gòu)件的破損面積明顯減小，聚脲彈性體較好地包裹背爆面混凝土碎片，說(shuō)明聚脲彈性體包覆混凝土的吸能效果[12]明顯提高，有效防止爆炸造成的二次損傷。

圖5 涂層厚度內(nèi)外3 mm的鋼筋混凝土（爆距5 cm）

如圖6所示，未噴涂聚脲彈性體的鋼筋混凝土構(gòu)件在TNT炸藥爆距為10 cm時(shí)，在爆炸沖擊波作用下，構(gòu)件迎爆面和背爆面均出現(xiàn)較為嚴(yán)重的破損，迎爆面破損面積26 cm×13 cm，背爆面破損面積49 cm×58 cm，圖6（b）中可見(jiàn)鋼筋混凝土構(gòu)件破損主要為混凝土的破裂飛濺，鋼筋出現(xiàn)彎曲但未斷裂，對(duì)比爆距5 cm的鋼筋混凝土構(gòu)件（圖3），爆炸沖擊波荷載的衰減構(gòu)件破損面積有所減小。

圖6 未噴涂聚脲彈性體鋼筋混凝土（爆距10 cm）

如圖7所示，鋼筋混凝土構(gòu)件背爆面噴涂3 mm的聚脲彈性體在TNT炸藥爆距為10 cm的作用下，迎爆面破損面積23 cm×23 cm，背爆面破損面積40 cm×50 cm，相較于爆距為5 cm同工況的構(gòu)件（圖6），背爆面破損面積有所減小，證明聚脲彈性體對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的抗爆效果。

圖7 涂層厚度3 mm的鋼筋混凝土（爆距10 cm）

圖8 涂層厚度內(nèi)外3 mm的鋼筋混凝土（爆距10 cm）

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，噴涂聚脲彈性體對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的保護(hù)效果要比未噴涂構(gòu)件的效果好，未噴涂聚脲彈性體的鋼筋混凝土板的迎爆面和背爆面都出現(xiàn)了震塌破壞，迎爆面的混凝土由于受到劇烈的爆轟壓力，出現(xiàn)了爆坑，背爆面由于受到爆轟產(chǎn)生的負(fù)壓，出現(xiàn)受拉破壞現(xiàn)象，但由于炸藥當(dāng)量較小，混凝土板沒(méi)有被炸穿；噴涂聚脲彈性體的鋼筋混凝土構(gòu)件在爆炸沖擊荷載作用下，混凝土碎塊被包裹在涂層中，而為噴涂構(gòu)件的混凝土碎塊飛濺，并且混凝土中的鋼筋裸露且出現(xiàn)變形，內(nèi)部的混凝土出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂甚至剝落。

表2 鋼筋混凝土爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著聚脲彈性體的厚度增加，鋼筋混凝土構(gòu)件迎爆面和背爆面破口尺寸變小，未噴涂構(gòu)件破口面積明顯大于噴涂聚脲彈性體構(gòu)件的面積。其中，迎爆面和背爆面均噴涂聚脲彈性體的鋼筋混凝土構(gòu)件，爆距為5 cm時(shí)，構(gòu)件的背爆面涂層出現(xiàn)拉伸應(yīng)變且有破裂，混凝土碎塊被全部包裹；爆距為10 cm時(shí)，構(gòu)件背爆面涂層光滑、平整，混凝土未發(fā)生脫離或粉碎現(xiàn)象?？諝鉀_擊波對(duì)結(jié)構(gòu)的作用主要有兩種，分為沖擊波超壓和沖擊波動(dòng)壓作用[13]?？諝饨橘|(zhì)中的爆炸產(chǎn)生極高壓力區(qū)域，即產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓鄰近空氣、從爆心向外傳播、向外擴(kuò)展的壓縮空氣層，稱為波陣面。這種來(lái)源于氣體壓縮的壓力又稱為沖擊波超壓；沖擊波導(dǎo)致空氣介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓力，即為沖擊波動(dòng)壓。聚脲彈性體對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件迎爆面可以降低沖擊波超壓對(duì)墻體的作用，而對(duì)構(gòu)件背爆面可以降低沖擊波動(dòng)壓對(duì)墻體的水平推力作用，減少墻體的凹曲變形量。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)聚脲彈性體加固鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了不同工況的爆炸實(shí)驗(yàn)，探索聚脲彈性體厚度對(duì)墻體的抗爆性能影響。聚脲彈性體能有效減弱鋼筋混凝土背爆面碎片的產(chǎn)生。雙面加固聚脲彈性體的鋼筋混凝土構(gòu)件，其迎爆面能降低沖擊波超壓對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，背爆面加固可降低卸載波對(duì)結(jié)構(gòu)破壞，迎爆面和背爆面增強(qiáng)墻體抗剪、抗彎能力，減弱墻體凹曲變形程度。