聚脲彈性體噴涂鋼筋混凝土構件抗爆性能研究

賈藝凡，陶西貴，張時豪，周文濤

（1軍事科學院國防工程研究院 北京 100036）

（2 1510工程指揮部 北京 100036）

（3 91697部隊 山東 青島 266000）

1 引言

TNT在空氣中爆炸時，炸藥在極短的時間內瞬間將全部的化學能轉化為爆炸能量，形成壓力巨大的沖擊波。爆炸源周圍的建筑物和物體都會因受到沖擊波的作用而產生一定程度的破壞，在爆炸引起的碎片、地面振動以及火災等次生災害作用下，建筑結構易發生顯著的局部破壞，甚至因局部破壞引起的連續倒塌、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生成，具有優異的機械性能[1-2]，高彈性模量[3]、高拉伸強度（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行爆炸測試，研究了混凝土板的裂紋擴展，離面位移和失效模式。此外，學者們更多使用聚脲涂層作為減緩沖擊載荷的有效機制[9-11]，聚脲材料在防護結構中作為減輕爆炸沖擊的組成部分顯示出巨大的潛力。在結構表面噴涂高強度、高拉伸性能的聚合物，能有效包裹爆炸沖擊波作用下產生的高速碎片，有效縮短爆炸的危險距離，減少室內人員的傷亡。

本文利用改性的聚脲彈性體加固設置鋼筋混凝土構件，并對不同加固厚度聚脲彈性體的構件分別進行爆炸實驗，研究分析在不同厚度和加固方式時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件實驗設置

鋼筋混凝土采用模塊內口凈空尺寸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。混凝土標號C40，鋼筋凈保護層15 mm，混凝土實測強度，折合150 mm立方體抗壓強度58.0 MPa，如圖1所示。

圖1 模塊結構設計圖

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。

實驗中，為保證墻體表面爆炸荷載作用過程的一致性和對稱性，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背爆面中心處位移是判斷、對比單墻體試件在爆炸荷載作用下動態響應的重要參數，如表1、圖2所示。

表1 鋼筋混凝土構件爆炸實驗參數

圖2 聚脲彈性體噴涂鋼筋混凝土

3 爆炸實驗結果與分析

對未噴涂聚脲彈性體及噴涂厚度分別為3 mm和內外3 mm的鋼筋混凝土進行爆炸實驗，由于鋼筋混凝土自身具有較好的抗爆炸沖擊性能，所使用的構件是經過前期爆炸實驗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，通過對比不同厚度聚脲彈性體的鋼筋混凝土爆炸實驗進行對比分析，實驗前后的對比結果見圖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件在TNT炸藥爆距為5 cm時，在爆炸沖擊波作用下，構件迎爆面和背爆面均出現較為嚴重的破損，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）中可見鋼筋混凝土構件破損主要為混凝土的破裂飛濺，鋼筋出現彎曲但未斷裂。

如圖4所示，鋼筋混凝土構件背爆面噴涂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件（圖3），背爆面破損面積有所減小，且鋼筋未出現彎曲，說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件（圖3、4），構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件在TNT炸藥爆距為10 cm時，在爆炸沖擊波作用下，構件迎爆面和背爆面均出現較為嚴重的破損，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）中可見鋼筋混凝土構件破損主要為混凝土的破裂飛濺，鋼筋出現彎曲但未斷裂，對比爆距5 cm的鋼筋混凝土構件（圖3），爆炸沖擊波荷載的衰減構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同工況的構件（圖6），背爆面破損面積有所減小，證明聚脲彈性體對鋼筋混凝土構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 涂層厚度內外3 mm的鋼筋混凝土（爆距10 cm）

從實驗結果可以看出，噴涂聚脲彈性體對鋼筋混凝土構件的保護效果要比未噴涂構件的效果好，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，出現了爆坑，背爆面由于受到爆轟產生的負壓，出現受拉破壞現象，但由于炸藥當量較小，混凝土板沒有被炸穿；噴涂聚脲彈性體的鋼筋混凝土構件在爆炸沖擊荷載作用下，混凝土碎塊被包裹在涂層中，而為噴涂構件的混凝土碎塊飛濺，并且混凝土中的鋼筋裸露且出現變形，內部的混凝土出現不同程度的開裂甚至剝落。

表2 鋼筋混凝土爆炸實驗結果

隨著聚脲彈性體的厚度增加，鋼筋混凝土構件迎爆面和背爆面破口尺寸變小，未噴涂構件破口面積明顯大于噴涂聚脲彈性體構件的面積。其中，迎爆面和背爆面均噴涂聚脲彈性體的鋼筋混凝土構件，爆距為5 cm時，構件的背爆面涂層出現拉伸應變且有破裂，混凝土碎塊被全部包裹；爆距為10 cm時，構件背爆面涂層光滑、平整，混凝土未發生脫離或粉碎現象。空氣沖擊波對結構的作用主要有兩種，分為沖擊波超壓和沖擊波動壓作用[13]。空氣介質中的爆炸產生極高壓力區域，即產生強烈擠壓鄰近空氣、從爆心向外傳播、向外擴展的壓縮空氣層，稱為波陣面。這種來源于氣體壓縮的壓力又稱為沖擊波超壓；沖擊波導致空氣介質運動而產生的壓力，即為沖擊波動壓。聚脲彈性體對鋼筋混凝土構件迎爆面可以降低沖擊波超壓對墻體的作用，而對構件背爆面可以降低沖擊波動壓對墻體的水平推力作用，減少墻體的凹曲變形量。

4 結論

本文通過對聚脲彈性體加固鋼筋混凝土構件進行了不同工況的爆炸實驗，探索聚脲彈性體厚度對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生。雙面加固聚脲彈性體的鋼筋混凝土構件，其迎爆面能降低沖擊波超壓對結構的破壞，背爆面加固可降低卸載波對結構破壞，迎爆面和背爆面增強墻體抗剪、抗彎能力，減弱墻體凹曲變形程度。