POZD 涂層方形鋼筋混凝土板抗接觸爆炸試驗(yàn)研究*

汪 維，楊建超，汪劍輝，高偉亮，王 幸

（1. 寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315211；2. 軍事科學(xué)院國防工程研究院，河南 洛陽 471023）

隨著近幾年來一系列恐怖襲擊事件和高科技局部戰(zhàn)爭的發(fā)生，重要經(jīng)濟(jì)軍事設(shè)施和普通民用建筑結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)防給工程界和學(xué)術(shù)界提出了迫切的要求和挑戰(zhàn)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的力學(xué)性能成為當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選，但是由于混凝土抗拉強(qiáng)度較低，在遭到接觸爆炸時(shí)易發(fā)生背面震塌破壞。如何提高建筑防爆抗爆能力，是當(dāng)前急需解決的一大課題[1]。

目前，有兩種主要方法可以提高工程結(jié)構(gòu)的抗震塌能力。一種是在混凝土中添加鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維等纖維材料，這些纖維材料通過混合并分布在混凝土中并與水泥砂漿混合有效粘結(jié)，從而產(chǎn)生增強(qiáng)，增韌和阻裂效應(yīng)。另一種是在混凝土結(jié)構(gòu)背爆面增加抗震塌層，如內(nèi)板鋼板、內(nèi)掛鋼絲網(wǎng)、內(nèi)貼纖維（碳纖維，玻璃纖維等）布、設(shè)置架空層等，通過阻止和約束混凝土碎片來起到抗震塌作用。如王明洋等[2-3]對(duì)鋼纖維鋼筋混凝土（steel fiber reinforced concrete，SFRC）進(jìn)行了抗爆/震塌及工程應(yīng)用研究。陳萬祥等[4]對(duì)碳纖維(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)加固鋼筋混凝土梁開展了抗爆性能試驗(yàn)研究，研究了CFRP 粘貼層數(shù)、配筋率、爆炸荷載大小等因素對(duì)裂縫開展、破壞形式、應(yīng)變和撓度的影響。柳景春等[5-6]對(duì)內(nèi)襯鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗震塌性能進(jìn)行了研究，并建立了混凝土-鋼板組合結(jié)構(gòu)局部效應(yīng)分析的層狀波動(dòng)計(jì)算模型。李志成等[7]對(duì)碳纖維布加固混凝土開展了試驗(yàn)研究，證明碳纖維布可以較好地防止混凝土震塌。韓國建等[8]對(duì)雙向余弦三維波紋鋼板-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)抗震塌性能開展了研究。袁建虎等[9]通過實(shí)爆試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋼絲網(wǎng)高強(qiáng)混凝土優(yōu)良的抗震塌性能。陳萬祥等[10]和侯小偉等[11]對(duì)高強(qiáng)鋼筋加強(qiáng)混凝土板開展了抗爆性能和接觸爆炸作用下試驗(yàn)研究和分析。董新龍等[12]對(duì)混凝土和鋼纖維增強(qiáng)混凝土板在爆炸載荷作用下的響應(yīng)及震塌破壞開展了實(shí)驗(yàn)研究。范新等[13]對(duì)鋼纖維噴射混凝土支護(hù)開展了抗常規(guī)爆炸震塌能力研究，量化地說明鋼纖維噴射混凝土支護(hù)抗爆炸震塌的能力。Lan 等[14]對(duì)不同裝藥量及爆高下74 組不同鋼筋混凝土板進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了其破壞模式。Huff[15]對(duì)房頂鋼筋混凝土雙向板在爆炸載荷下的破壞模式進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。Ohkubo 等[16]和Wu 等[17]對(duì)表面纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土板的抗爆性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示了鋼筋混凝土板在接觸爆炸作用下的失效模式，并利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)證。上述抗震塌加固措施適合新建或擴(kuò)建工程，對(duì)于已建工程的加固、升級(jí)改造等實(shí)施較為困難。敷設(shè)鋼板或內(nèi)掛鋼絲網(wǎng)對(duì)錨固技術(shù)要求較高，否則抗震塌效果不理想。對(duì)處于地下環(huán)境較為潮濕的軍事工程而言，鋼板或鋼絲網(wǎng)等材料極易銹蝕，不僅影響使用壽命還增加維護(hù)保養(yǎng)成本。

本文中對(duì)POZD 涂層方形鋼筋混凝土板進(jìn)行接觸爆炸試驗(yàn)，通過11 次獨(dú)立的爆炸試驗(yàn)，分析了不同POZD 涂層厚度對(duì)抗爆性能的影響，觀測了鋼筋混凝土板在不同裝藥量和不同POZD 涂層厚度條件下的破壞模式和破壞特征，為鋼筋混凝土板的抗爆炸研究與設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)結(jié)果，也為后續(xù)的POZD 涂層鋼筋混凝土板毀傷判據(jù)建立提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 POZD 材料

POZD 材料是在聚脲彈性體等高分子材料研發(fā)的基礎(chǔ)上，利用異氰酸酯基團(tuán)與環(huán)氧樹脂的催化反應(yīng)，研發(fā)出的一種聚合物高分子材料，全稱為聚異氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料（polyisocyanate oxazodone，POZD）。該種材料為大分子結(jié)構(gòu)，分子鏈間相互纏繞及氫鍵作用，使得其彈性、強(qiáng)度及整體性能明顯提高，并且由于聚異氰胺酸噁唑烷酮的生成，使得該材料的韌性、抗爆性能大大提升。

聚脲彈性體（polyurea elastomer）是聚氨酯群中的一種，它是由異氰酸酯(A) 與氨基化合物組分(R)混合反應(yīng)生成的一種彈性涂層。所用原料主要有三大類，即端氨基聚醚、異氰酸酯以及擴(kuò)鏈劑。在聚脲噴涂（spray polyurea，SPUA）技術(shù)中，將異氰酸酯與聚醚多元醇反應(yīng)生成的半預(yù)聚體定義為A 料；將端氨基聚醚、液體胺類擴(kuò)鏈劑和其他助劑的組成定義為R 料。噴涂施工時(shí)，一定比例的A、R 料在專用噴槍內(nèi)快速混合噴出時(shí)，反應(yīng)活性極高的兩種組分液體在高壓驅(qū)動(dòng)下相互對(duì)沖，經(jīng)槍體混合室湍流混合，通過噴槍后霧化再次均勻混合，在極短適用期內(nèi)噴涂在基面上，形成整體的聚脲彈性體涂層。

POZD 新材料是以聚脲為基礎(chǔ)的新材料，保留了聚脲的優(yōu)點(diǎn)，利用異氰酸酯基團(tuán)與環(huán)氧樹脂的催化反應(yīng)，研發(fā)出的一種聚合物高分子材料。POZD 材料同聚脲的主要區(qū)別為：POZD 材料從分子組成方面設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，通過特殊原料來增加材料的拉伸性能和撕裂性能，噴涂技術(shù)延續(xù)聚脲噴涂技術(shù)，二者的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有巨大差異，如圖1 所示，利用噁唑烷來增加材料撕裂性能；利用納米填料對(duì)噴涂POZD 材料材料進(jìn)行改性，使POZD 材料拉伸強(qiáng)度、伸長率和粘結(jié)強(qiáng)度等性能遠(yuǎn)高于聚脲。

圖1 聚脲及POZD 材料的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Stereoscopic network structure of polyuria and POZD materials

POZD 材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高延展率等性能，同時(shí)具備耐酸堿腐蝕、耐低溫、抗老化，防水、防火、阻燃、環(huán)保無異味等優(yōu)點(diǎn)。該材料常溫下為流塑狀態(tài)，罐裝或者桶裝運(yùn)輸，采用專業(yè)設(shè)備噴涂法施工后暴露空氣中24 h 即可達(dá)到自身強(qiáng)度的100%。POZD 材料力學(xué)性能如文獻(xiàn)[18]所示。

2 試驗(yàn)方法

結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用情況，進(jìn)行150 mm 厚鋼筋混凝土板噴涂POZD 涂層的接觸抗爆試驗(yàn)，鋼筋混凝土板厚度150 mm，平面尺寸2 000 mm×2 000 mm，HRB400 鋼筋 ? 14@200 mm×200 mm 雙層布置，鋼筋保護(hù)層15 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，28 d 抗壓強(qiáng)度為41.2 MPa。模型示意如圖2 所示。為了對(duì)比分析不同POZD 涂層厚度對(duì)接觸抗爆性能的影響，對(duì)鋼筋混凝土板背爆面噴涂厚度分別為4、6、8、10 和12 mm POZD 材料，模型編號(hào)為P1～P5。作為對(duì)照，模型編號(hào)P0 為鋼筋混凝土裸板。

圖2 混凝土板配筋及內(nèi)襯材料示意圖（單位：mm）Fig. 2 Schematic of reinforcement and lining of concrete slab (unit in mm)

該試驗(yàn)主要通過一定當(dāng)量TNT炸藥以接觸爆的形式實(shí)施爆炸，對(duì)比驗(yàn)證不同POZD噴涂厚度鋼筋混凝土板模型的抗震塌性能。試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖3所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭糜阡撝浦渭苌希瓜路郊芸找阅M有限厚板臨空狀態(tài)。TNT炸藥放在鋼筋混凝土板上表面實(shí)施接觸爆炸，通過透明膠帶粘接并綁扎牢固形成集團(tuán)藥放置在鋼筋混凝土板上表面中心處（如圖3所示），由電雷管引爆，通過觀察板底面破壞狀況來判斷POZD材料的抗爆性能。

圖3 試驗(yàn)布置Fig.3 Testing arrangement

3 試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果

對(duì)11塊鋼筋混凝土板進(jìn)行不同工況下的測試，具體試驗(yàn)安排如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Table 1 Test parameters and results

由試驗(yàn)結(jié)果可知，150 mm 厚鋼筋混凝土裸板P0-1在400 g TNT藥量接觸爆炸作用下就可產(chǎn)生震塌破壞，板背面出現(xiàn)混凝土剝離，碎片飛濺等損壞現(xiàn)象。震塌面積為550 mm×530 mm 且?guī)缀踟灤鐖D4所示。

當(dāng)在板P1背面（背爆面）噴涂4 mm 厚POZD材料后，TNT藥量增加到600 g 時(shí)，雖然基體混凝土板出現(xiàn)損壞，爆炸后鋼筋混凝土基體板出現(xiàn)了沖切破壞（如圖5所示），但由于POZD材料的約束作用，板背面未出現(xiàn)震塌、貫穿或者混凝土碎片飛散等現(xiàn)象，POZD材料未出現(xiàn)破損，鼓起高度為70 mm。當(dāng)裝藥量增加到1 000 g 后，POZD涂層均無任何破損，僅在一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)圓錐狀鼓起現(xiàn)象，鼓起高度為90 mm，該鼓起為爆炸沖擊波作用下POZD涂層從基體板脫離并出現(xiàn)較大塑性變形所致。

當(dāng)POZD涂層厚度分別增大到6 mm （P2-1）、8 mm （P3-2）、10 mm （P4-1）、12 mm （P5-1）時(shí)，TNT藥量增加至1800、2200、2400、3000 g 時(shí)，仍然沒有出現(xiàn)破損現(xiàn)象，但鼓起高度和鼓起面積逐步增大，高度最大達(dá)到150 mm，鼓起直徑達(dá)1150 mm（如圖6～9所示）。該試驗(yàn)結(jié)果表明，POZD材料噴涂于鋼筋混凝土板背面（背爆面）之后，能夠大幅度提高其抗爆能力，并隨著噴涂厚度的增大抗爆能力相應(yīng)提高，且不產(chǎn)生碎片，不泄漏沖擊波，可以有效保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部人員和設(shè)備的安全。

由試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀鏆麪顟B(tài)可知，TNT藥量為600～2400 g 時(shí)，基體板凝土出現(xiàn)沖剪破壞，鋼筋下彎未出現(xiàn)斷裂；藥量增加到3000 g 及以上時(shí)板內(nèi)?14 mm 鋼筋出現(xiàn)斷裂，表明爆炸沖擊波較為猛烈。

圖4 模型P0-1試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of model P0-1

圖5 模型P1-1試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of model P1-1

圖6 模型P2-1試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of model P2-1

圖7 模型P3-1試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of model P3-1

圖8 模型P5-1試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of model P5-1

TNT炸藥為2 000 g 時(shí)，P2-2模型POZD涂層出現(xiàn)直徑為55 mm 的圓形孔破損，如圖10所示。除模型正下方有少量混凝土碎屑外，大部分混凝土碎片仍被包裹。TNT 炸藥增加到3600 g 時(shí)，P5-2模型POZD涂層出現(xiàn)直徑為113 mm 的圓形孔洞破損并伴有一定撕裂，通過觀察迎爆面鋼筋斷裂狀態(tài)（圖11（a）），該撕裂為鋼筋斷裂下彎并刺破POZD涂層所導(dǎo)致。當(dāng)強(qiáng)沖擊荷載足夠大，致使POZD涂層破損時(shí)，僅在圓錐狀鼓起的錐頂出現(xiàn)破損且破損面積遠(yuǎn)小于混凝土板的震塌面積，POZD涂層仍能夠約束混凝土使其不產(chǎn)生震塌碎片。

圖9 模型P4-1背爆面Fig.9 Rear side of model P4-1

圖10 模型P2-2背爆面Fig.10 Rear side of model P2-2

圖11 模型P5-2試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Test results of model P5-2

上述系列試驗(yàn)表明，POZD材料具備較好的抗爆性能，這種抗爆能力是通過材料的大變形、高塑性特性，卸載了強(qiáng)沖擊波，約束了混凝土碎片，而不是通過增加板的強(qiáng)度而提高抗爆能力。

4 破壞結(jié)果分析

4.1 破壞模式及機(jī)理分析

由于爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波均在板的迎爆面產(chǎn)生開坑，并傳播至板的背爆面形成強(qiáng)拉伸波，造成背爆面混凝土的層裂和崩塌。目前鋼筋混凝土板在接觸爆炸作用下的破壞模式通常分為以下3類：正面開坑、底部層裂、爆炸貫穿和爆炸沖切[16,19]。

接觸爆炸作用下，鋼筋混凝土板產(chǎn)生震塌的主要原因?yàn)楸óa(chǎn)生的應(yīng)力波反射卸載引起的斷裂，抑制或減弱拉伸沖擊波的強(qiáng)度，可以起到很好的防震塌效果。當(dāng)鋼筋混凝土板背爆面噴涂一定厚度POZD涂層后，由于涂層的波阻抗小于混凝土（ρPOZDcPOZD＜ρconcretecconcrete），因此爆炸沖擊波經(jīng)混凝土板透射入POZD涂層后，應(yīng)力波和介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)速度均小于初始值，相當(dāng)于減弱了沖擊波強(qiáng)度。同時(shí)，POZD涂層具備較大的延展率和塑性變形能力，在高應(yīng)變率的強(qiáng)動(dòng)載作用下，仍然能夠保持大變形、高塑性特性，通過自身的大變形，延長了爆炸荷載的作用時(shí)間和耗散時(shí)間，吸收了沖擊波能量，約束了混凝土碎片，起到了較好的防震塌效果。

底部噴涂POZD涂層的鋼筋混凝土板在近距離或接觸爆炸下的動(dòng)力響應(yīng)是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，其受力行為與破壞程度不僅與爆炸荷載峰值、爆炸荷載波長、爆炸荷載波形以及材料的臨界抗拉強(qiáng)度有關(guān)，而且更主要的是與涂層厚度及涂層粘結(jié)力有關(guān)。涂層越厚，其延滯時(shí)間越長，鋼筋混凝土板就越能減少剝落的次數(shù)，防層裂崩塌效果就越好；涂層越薄，其延滯時(shí)間越短，防層裂崩塌效果就越不明顯。同樣，如果涂層與混凝土粘結(jié)力不夠，在爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板中的涂層來不及發(fā)生變形以吸收能量就有可能被震落，從而失去POZD涂層的加固作用。

不同噴涂POZD涂層厚度的鋼筋混凝土板在接觸爆炸條件下產(chǎn)生不同的破壞模式和破壞機(jī)理。在爆炸荷載作用下，POZD涂層厚度的鋼筋混凝土板中可能會(huì)出現(xiàn)裂縫、剝落甚至多層剝落等，但這些最終都體現(xiàn)在POZD涂層的整體變形上。POZD涂層厚度的鋼筋混凝土板主要局部破壞模式可以分為：正面開坑、背面層裂和涂層鼓包、爆炸貫穿涂層大面積鼓包、爆炸沖切和涂層穿孔。當(dāng)POZD涂層變形不大時(shí)，即使混凝土內(nèi)發(fā)生裂縫、剝落，POZD涂層照樣能托住這些高速飛行的剝落塊而保持結(jié)構(gòu)的完整性；當(dāng)POZD涂層變形過大而失效時(shí)，也即POZD涂層已承受不了混凝土剝落塊的沖擊，這時(shí)結(jié)構(gòu)也就徹底毀壞而失去保護(hù)作用。另外，當(dāng)裝藥量增加到一定程度時(shí)候，試驗(yàn)已表明爆炸產(chǎn)生的沖擊作用足以使POZD涂層脫落失去防震塌作用。因此，爆炸荷載作用下POZD涂層混凝土板的破壞模式通常為板底部小部分POZD涂層鼓包、逐步增加到大面積鼓包脫落，直至當(dāng)POZD涂層變形超過容許值而發(fā)生撕裂破孔。

4.2 臨界破壞藥量分析

POZD涂層鼓包直徑、鼓包高度與裝藥量之間的關(guān)系如圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)在相同爆炸裝藥量條件下，隨著POZD涂層厚度的增大，鼓包區(qū)域直徑和鼓包高度逐漸變小。

圖12 POZD涂層變形大小與裝藥量之間的關(guān)系Fig.12 Relationship between deformation and thickness of POZD coating

POZD涂層臨界破壞裝藥量隨著涂層厚度增加逐漸增加，通過數(shù)據(jù)擬合，得到了臨界裝藥量W（kg）與POZD涂層厚度h1（mm）之間的關(guān)系如W=0.24h1+0.26。在本次試驗(yàn)中，12 mm POZD涂層的最大臨界破壞裝藥量為3.3 kg，擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)吻合較好。

圖13 POZD涂層厚度與臨界破壞的TNT藥量關(guān)系Fig.13 Relationship between coating thickness and TNT charge weight inducing critical failureof coating

5 結(jié)論

本文中通過接觸爆炸試驗(yàn)，對(duì)噴涂不同厚度POZD的方形鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的抗爆性能進(jìn)行了分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）POZD材料噴涂于鋼筋混凝土板背面（背爆面）之后，能夠大幅度提高其抗爆能力，并隨著噴涂厚度的增加抗爆能力相應(yīng)提高，且不產(chǎn)生碎片，不泄漏沖擊波，可以有效保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部人員和設(shè)備的安全。

（2）背爆面噴涂POZD涂層的鋼筋混凝土板主要破壞模式為正面開坑；背面破壞模式隨著炸藥量增加破壞模式為層裂和涂層鼓包、爆炸貫穿涂層大面積鼓包、爆炸沖切和涂層穿孔3種主要形式。

（3）相同爆炸裝藥量條件下，隨著POZD涂層厚度的增加，鼓包區(qū)域直徑和鼓包高度逐漸變小。POZD涂層厚度分別為4～12 mm 時(shí)，15 cm 厚鋼筋混凝土板的臨界裝藥量由1.2 kg 增加到3.3 kg，并且擬合了涂層厚度與臨界裝藥量的經(jīng)驗(yàn)公式，發(fā)現(xiàn)臨界抗爆藥量隨涂層厚度線性提高。