聚異氰氨酸脂噁唑烷彈性涂層鋼筋混凝土板抗震塌機理

楊建超，汪劍輝，王幸，王曉峰

(軍事科學國防工程研究院，洛陽 471023)

常規武器在接觸爆炸作用下，將產生持續時間很短而峰值很高的脈沖荷載，該類荷載同工程結構耦合并在結構內傳播時，到達結構自由表面會反射形成拉伸波并引起背面層裂，基于各種機制的損傷演化等綜合效應最終會導致震塌[1]。提高工程結構的抗震塌能力始終備受防護工程界重視，但是對于鋼筋混凝土結構而言由于混凝土固有的脆性特性(抗拉強度低、韌性差)和爆炸沖擊波在結構自由面反射所產生的拉伸效應，使得其抗震塌能力大大減弱。

為有效改善鋼筋混凝土防護結構的抗爆/防震塌性能，中外學者對混凝土結構及其組合結構在爆炸荷載作用下的動態響應、震塌機理及破壞過程開展了大量研究。楊建超等[2]通過接觸爆炸研究了鋼筋混凝土板震塌碎片特性，對碎片的初始速度、質量大小和毀傷特性等均進行了分析。李秀地等[3]通過應力波在層狀介質中的傳播規律，分析了混凝土-鋼板的抗層裂機理。柳景春等[4-5]對內襯鋼板混凝土組合結構的抗震塌性能進行了研究并建立了混凝土-鋼板組合結構局部效應分析的層狀波動計算模型。袁林等[6]通過數值仿真研究了接觸爆炸作用下鋼筋混凝土板的層裂(震塌)機理。Adhikar等[7]研究了近場爆炸作用下應變硬化水泥基復合材料鋼筋混凝土板的抗爆機理。Meng等[8]通過對比試驗研究了爆炸荷載作用下鋼筋網增強聚合物混凝土板的破壞機理。陳萬祥等[9]通過導爆索模擬沖擊波均布荷載的試驗方法研究了高強鋼筋加強混凝土板的抗爆性能。龔順風等[10]通過數值仿真研究了鋼筋混凝土板局部震塌的動態演變過程。蔡路軍等[11]開展了爆炸荷載下鋼筋混凝土梁的應變與損傷試驗研究，試驗結果為工程結構設計提供了參考依據。

近年來，以聚脲為代表的彈性涂覆材料應用于工程結構以提高抗爆/防震塌能力受到眾多學者關注。翟文等[12]運用數值仿真和試驗研究的方法，對聚脲-鋼板夾層結構的抗爆性能進行了研究，表明聚脲彈性體能夠抑制結構大變形，防止破片產生。戴平仁[13]通過數值仿真研究表明聚脲作為夾層的抗爆性能優于噴涂于結構的正面、背面或雙面。馮加和等[14]從力學性能、防護結構應用研究、吸能機理3個方面分析了聚脲彈性體在爆炸防護中的研究進展，并從分子微觀結構方面分析了抗爆機理。黃微波等[15]通過對聚脲彈性體的研究成果和實際應用情況分析，指出在工程結構背面噴涂聚脲彈性體能夠顯著提高抗爆性能和吸能效率。上述相關研究雖取得一定成果，但也存在宏觀描述多，機理分析少等問題。依據試驗結果，從爆炸沖擊波在雙層介質內的傳播特征角度，分析聚異氰氨酸酯噁唑烷(polyisocyanate oxazodone，POZD)彈性涂層鋼筋混凝土板抗震塌機理，試圖揭示抗爆/防震塌的動力學原理，為防護工程設計提供參考依據。

1 POZD材料簡介

POZD是以聚脲的化學基本組成為基礎，利用異氰酸酯基團與環氧樹脂的催化反應，生產出的一種聚合物高分子材料，其化學成分、分子組成和制備方法等相關信息可參見文獻[16]。

POZD材料具有高強度、高韌性、高延展率等性能，同時具備耐酸堿腐蝕、耐低溫、抗老化，防水、防火、阻燃、環保無異味等優點。該材料常溫下為流塑狀態，罐裝或者桶裝運輸，采用專業設備噴涂法施工后暴露空氣中24 h即可達到自身強度的100%。材料力學性能如表1所示。

表1 POZD材料力學性能

2 試驗設計

2.1 試驗模型

設計了兩類試驗模型，5種靶板。第一類為鋼筋混凝土板，無任何涂層的裸板，也是基板，編號P0；第二類為POZD涂層鋼筋混凝土板，在基體板的背爆面噴涂POZD涂層，厚度分別為4、6、8、12 mm，編號為P1～P4。

基板厚度150 mm，平面尺寸2 000 mm×2 000 mm,HRB400鋼筋Φ14 mm@200 mm×200 mm雙層布置，鋼筋保護層15 mm，混凝土強度等級C40，28 d抗壓強度為41.2 MPa。模型示意如圖1、圖2所示。

圖1 基體板平面圖

圖2 基體板剖面及POZD涂層示意圖

2.2 試驗結果

共開展6炮次，結果如表2所示，部分模型試驗照片如圖3～圖8所示。

表2 試驗參數及結果

圖3 模型P0試驗結果(400 g TNT)

圖4 模型P1-1試驗結果(400 g TNT)

圖5 模型P1-2試驗結果(600 g TNT)

圖6 模型P2試驗結果(1 800 g TNT)

圖7 模型P3試驗結果(2 000 g TNT)

圖8 模型P4試驗結果(3 000 g TNT)

3 試驗結果分析

3.1 宏觀現象

鋼筋混凝土裸板(模型編號P0)在400 g TNT炸藥接觸爆作用下，背面出現震塌現象，震塌面積為550 mm×530 mm且幾乎貫穿，如圖3所示。板背爆面噴涂4 mm厚POZD涂層(模型編號P1)，TNT炸藥仍為400 g，爆炸后鋼筋混凝土板迎爆面破壞狀態同P0近似相同(圖4)，背爆面POZD涂層微鼓，鼓起高度約8 mm，TNT藥量增加到600g，爆炸后鋼筋混凝土基體板出現了貫穿破壞(圖5)，POZD涂層仍無任何破損，僅在一定區域內出現圓錐狀鼓起現象，鼓起高度為35 mm。當POZD涂層厚度增加為6、8、12 mm時，TNT藥量分別增加到1 800、2 000、3 000 g，涂層均無任何破壞，但鼓起高度和鼓起面積逐步增大，高度最大達到190 mm，鼓起直徑達1 100 mm，如圖6～圖8所示。

通過高速錄像拍攝發現，在爆炸荷載這種高應變率、強動載作用下，POZD涂層仍然具備較大的延展率、大變形和高塑性特性(圖9)，通過自身的大變形不僅吸收了沖擊波能量，還約束了混凝土碎片，起到了較好的防震塌效果。未見POZD涂層出現層裂現象。

圖9 起爆后不同時刻POZD變形狀況

3.2 應力波在POZD涂層鋼筋混凝土板中的傳播規律

為便于說明問題，將爆炸入射波簡化為一維彈性縱波垂直入射的情況進行分析。當入射波σI到達兩種介質的界面時，將分別向混凝土介質和POZD介質傳播反射波σR和透射波σT，如圖10所示。考慮初始階段，兩種介質在界面處始終保持接觸，則根據連續條件和牛頓第三定律，界面上兩側經反射、透射后的質點速度和應力應該相等，可表示為

圖10 應力波在混凝土與POZD界面上的反射和透射

(1)

式(1)中：vI為入射波波速，m/s；vR為反射波波速，m/s；vT為透射波波速m/s；σI為入射波應力，Pa；σR為反射波應力，Pa；σT為透射波應力，Pa。

根據波陣面動量守恒條件，可得界面兩側應力和質點速度的關系式為

(2)

(3)

式中：n為混凝土介質與POZD介質的波阻抗之比；F為反射系數；T為透射系數；ρ0為材料密度，kg/m3；C0為材料波速，m/s；(ρ0C0)1為混凝土波阻抗，平均值取7.2 MPa/m·s[17]；(ρ0C0)2為POZD材料的波阻抗，約0.326 MPa/m·s。可得n=22，F=-0.91，T=0.087，代入式(2)得出σT=0.087σI，可見透射到POZD介質內的應力峰值僅為入射峰值的8.7%，極大地減弱了涂層內的應力波能量，可以避免反射拉伸波使POZD材料產生層裂效應，故POZD的抗震塌能力大大提升。

3.3 POZD涂層膜體約束效應

將POZD涂層鋼筋混凝土板看作復合結構板，爆炸沖擊波經混凝土透射入POZD涂層的過程中，同時也在兩種介質界面處發生反射并形成拉伸波使混凝土介質內產生拉應力。無論入射沖擊波峰值是強還是弱，在復合結構板內產生反射拉伸波后，混凝土介質內的拉應力將始終遠大于POZD介質。POZD材料抗拉強度達25 MPa以上，普通混凝土的抗拉強度σc為2.5～5.0 MPa，POZD涂層與混凝土的黏接強度σc-pozd約為3.5 MPa，因此，當入射沖擊波峰值足夠大，產生的反射拉伸波強度足以使復合結構板發生層裂時，該層裂部位將在混凝土介質內或者兩種介質的界面處發生。此時，板背面將形成新的自由面，當入射沖擊波峰值足夠大、持續時間足夠長時，將使混凝土板發生多次層裂，并呈現震塌、貫穿和沖切等同混凝土裸板(無POZD涂層的鋼筋混凝土板)相同的破壞模式。根據層裂效應可知，對于混凝土裸板而言，震塌產生的混凝土碎片以一定的速度飛離，但板背面噴涂一定厚度POZD涂層后，震塌碎片將被約束、包裹使其無法飛散，從而起到約束增強效應。

根據圖4～圖8所示的試驗結果，由正面孔洞觀察，POZD涂層鼓包內為混凝土碎片，如圖11所示，表明POZD涂層能夠有效約束、包裹混凝土碎片使其無法飛散，起到膜體約束作用。

圖11 POZD涂層約束混凝土碎片示意圖

4 結論

通過對POZD涂層鋼筋混凝土板抗震塌性能試驗研究及機理分析，得出如下結論。

(1)未發現POZD涂層顯著增強鋼筋混凝土基體板自身的抗震塌性能。在接觸爆炸作用下，基體混凝土板仍呈現出與裸板近似相同的破壞模式和抗力。POZD涂層主要通過約束增強效應，將混凝土碎片約束、包裹使其無法飛散。

(2)在高應變率，強動載作用下，POZD涂層仍然能夠保持大變形、高塑性特性，通過自身的大變形，吸收了沖擊波能量，約束了混凝土碎片，使POZD涂層鋼筋混凝土復合板具備較好的抗震塌效果。

(3)高抗拉強度、高延展率、低波阻抗類彈性涂覆材料噴涂于鋼筋混凝土背爆面，可以極大地減少爆炸沖擊波從混凝土板內到涂層介質的透射率，相應地，在涂層自由面處也減小了反射拉伸波強度，避免對涂層介質造成層裂，利于涂層對鋼筋混凝土板的增強約束，利于復合結構板的抗爆/防震塌。