超高性能混凝土臨空板接觸爆炸破壞效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究*

魏久淇，李 磊，王世合，張春曉，曹少華，高 杰

（1. 軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院工程防護(hù)研究所，河南 洛陽(yáng) 471023；2. 軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院工程防護(hù)研究所河南省特種防護(hù)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471023；3. 河南東駿建材科技有限公司，河南 信陽(yáng) 464200）

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）是一種新型水泥基復(fù)合材料[1]，具有超高強(qiáng)度、超高韌性和超高耐久性等，在高層建筑、跨海大橋、核反應(yīng)堆安全殼及成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。近年來(lái)，對(duì)UHPC 的制備理論、制備技術(shù)和靜動(dòng)態(tài)力學(xué)特性已展開(kāi)了多方面的研究[2-12]，取得了較大進(jìn)步。而爆恐襲擊、局部軍事沖突和突發(fā)性爆炸事件的頻繁發(fā)生，使爆炸荷載下混凝土結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)研究越來(lái)越重要。

對(duì)非UHPC 板的接觸爆炸局部破壞效應(yīng)，已進(jìn)行了一些研究。張想柏等[13]利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，再現(xiàn)了鋼筋混凝土板的爆炸成坑、爆炸震塌、爆炸貫穿和爆炸沖切等4 種典型接觸爆炸的局部破壞特征，并利用量綱分析方法，建立了新的震塌厚度計(jì)算公式，確定了震塌破壞系數(shù)及破壞等級(jí)，強(qiáng)調(diào)了震塌厚度與裝藥量和材料強(qiáng)度之間的關(guān)系；王明洋等[14]基于單自由度，提出一種鋼板-鋼纖維混凝土接觸爆炸作用下的極限分析方法，并驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性及可靠性；胡金生等[15]對(duì)比研究了鋼纖維增強(qiáng)混凝土、聚丙烯纖維混凝土和C40 鋼筋混凝土的局部破壞效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)鋼纖維增強(qiáng)混凝土的壓縮系數(shù)最小，聚丙烯纖維混凝土次之，C40 鋼筋混凝土最大，靶板支撐方式對(duì)靶板抗局部破壞效應(yīng)有一定的影響，砂土墊層有利于減小靶板的破壞效應(yīng)；岳松林等[16]基于鋼塑性模型，將介質(zhì)接觸爆炸問(wèn)題轉(zhuǎn)化為初始沖擊體撞擊周?chē)橘|(zhì)問(wèn)題，利用質(zhì)量守恒、邊界和不可壓縮等3 個(gè)條件，提出了臨界震塌厚度和貫穿厚度的新計(jì)算公式，揭示了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式的物理本質(zhì)。這些研究成果有助于認(rèn)識(shí)UHPC 接觸爆炸作用下的局部破壞特征。Li 等[17]對(duì)比研究了普通混凝土和UHPC 接觸爆炸下的破壞效應(yīng)，通過(guò)對(duì)剝落碎片和爆坑尺寸的定量分析，發(fā)現(xiàn)UHPC 的抗爆性能更強(qiáng)。葛濤等[18]進(jìn)行了超高性能混凝土抗爆性能的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)5%的超高性能混凝土的壓縮系數(shù)約為0.042 m/kg1/3、抗爆能力約為C30 鋼筋混凝土的3 倍，但未考慮藥心距對(duì)壓縮系數(shù)的影響。戎志丹等[19]進(jìn)行了超高性能混凝土抗接觸重復(fù)爆炸能力的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)度越高，超高性能混凝土的抗爆性能越好，壓縮系數(shù)越小；靶體背面支撐方式對(duì)超高性能混凝土的壓縮系數(shù)有一定影響，相比臨空，置地方式的壓縮系數(shù)較小；超高性能混凝土的抗重復(fù)爆炸性能較好，相同藥量下第2 次接觸爆炸坑深僅比第1 次增加約79%。Wu 等[20]進(jìn)行了聚能炸藥射流對(duì)UHPC、普通混凝土、45 鋼及UHPC-45 鋼復(fù)合材料的局部破壞效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)：在相同條件下，聚能炸藥射流的穿孔深度從小到大依次為UHPC-45 鋼復(fù)合材料、45 鋼、UHPC 和普通混凝土；而在相同總質(zhì)量下，UHPC 對(duì)聚能炸藥的抵抗能力最強(qiáng)。目前，受制于經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地等，UHPC 板接觸爆炸局部破壞效應(yīng)研究還不充分，尤其是相關(guān)爆炸臨界震塌的研究。

本文中，針對(duì)C120、C150 和C180 等3 種強(qiáng)度的UHPC 臨空板，開(kāi)展24 炮次的接觸爆炸實(shí)驗(yàn)，定量分析不同藥量時(shí)典型配筋與不配筋試驗(yàn)板的局部破壞特征，給出各種條件下UHPC 板的爆炸臨界震塌系數(shù)、壓縮系數(shù)和成坑系數(shù)，分析強(qiáng)度、配筋等對(duì)UHPC 抗爆性能的影響，合理解釋UHPC 試驗(yàn)板的爆炸臨界震塌系數(shù)不一定隨強(qiáng)度等級(jí)的提高而降低的現(xiàn)象，擬為該材料的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)中UHPC 板均為自行配制澆筑，有C120、C150 和C180 等3 種強(qiáng)度等級(jí)，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)分別為2%、3%和5%。考慮典型配筋與不配筋的情況，C120 和C150 靶板有配筋和不配筋的，C180 靶板不配筋，共5 類(lèi)板，每類(lèi)板有4～5 個(gè)試件。靶板長(zhǎng)、寬均為1.5 m，板厚為0.3 m。配筋時(shí)鋼筋雙層雙向配置，采用 ? 12 mm 的HRB400 鋼筋，網(wǎng)格尺寸為200 mm×200 mm，此時(shí)體積配筋率為0.75%，截面配筋率為0.38%。兩層鋼筋間采用梅花拉筋，拉筋為 ? 6 mm 的HRB400 鋼筋，鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度為25 mm。澆筑過(guò)程中，同時(shí)制備了UHPC 試塊，并進(jìn)行力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試，見(jiàn)表1。

表1 UHPC 板的參數(shù)Table 1 Parameters of the UHPC slabs

1.2 方法

臨空板接觸爆炸實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。試件直接放置在支撐圈梁上形成四邊支撐的臨空板，支撐圈梁截面尺寸為200 mm×200 mm，外表面為厚5 mm 的鋼板，內(nèi)部用C50 混凝土密實(shí)填充，支撐圈梁放置在厚240 mm 的磚墻上，磚墻的一個(gè)側(cè)面預(yù)留寬80 cm 的觀察口。集團(tuán)裝藥位置在試件表面中心，炸藥為T(mén)NT 藥塊，每塊質(zhì)量為0.2 kg，尺寸為100 mm×50 mm×25 mm，如需要0.1 kg 藥量時(shí)將TNT 藥塊用銅鋸切為兩半。采用電雷管起爆，電雷管盡量放置在裝藥中心位置。重點(diǎn)考察UHPC 臨空板的臨界震塌現(xiàn)象，初步藥量為1.6～3.2 kg。用裂縫測(cè)寬儀和游標(biāo)卡尺測(cè)量爆炸破壞的裂縫寬度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 The experimental setup

2 結(jié)果與分析

2.1 局部破壞概況

集團(tuán)裝藥爆炸瞬間產(chǎn)生了高溫高壓爆轟波沖擊介質(zhì)，介質(zhì)的迎爆面（正面）形成漏斗坑，隨著藥量的增加，介質(zhì)的背爆面（背面）產(chǎn)生震塌坑，甚至可能發(fā)生貫穿破壞。圖2 為UHPC 臨空板接觸爆炸的典型局部破壞特征。正面局部破壞效應(yīng)特征主要為成坑，背面局部破壞效應(yīng)主要包含裂紋隆起、臨界震塌和震塌，背面呈現(xiàn)多條由中心向四周的放射性裂縫，中心附近具有明顯的隆起，說(shuō)明UHPC 靶板局部破壞宏觀形態(tài)與鋼纖維混凝土板基本一致。正面爆坑及背面震塌塊破壞面凹凸不平，部分碎塊呈現(xiàn)了碎而不掉，破壞面上的纖維大多撥出而非拔斷，形狀不是很規(guī)則，為了更好地反映實(shí)際破壞效果，正面爆坑直徑取最大和最小的平均值，定義背面隆起高度為剩余撓度，各組試件局部破壞情況見(jiàn)表2。

表2 試件的破壞狀況Table 2 Damage states of the slabs

表2（續(xù)）Table 2 (Continued)

圖2 UHPC 板的典型局部破壞Fig. 2 Typical local damage of the UHPC slabs

2.2 正面局部破壞狀況分析

接觸爆炸時(shí)，UHPC 臨空板正面的爆坑直徑d和深度h有經(jīng)驗(yàn)公式[15]：

式中：C為T(mén)NT 裝藥量；e為裝藥中心至靶板表面的距離；Cr為實(shí)際裝藥量；m為填塞因數(shù)，在表面接觸爆炸下，m=1；Ka為壓縮系數(shù)，k為成坑系數(shù)，均為反映介質(zhì)抗爆炸性能的系數(shù)，兩個(gè)系數(shù)越小介質(zhì)的抗爆性能越強(qiáng)。裝藥形狀態(tài)勢(shì)影響因數(shù) η 為考慮了非球形或立方體形裝藥對(duì)接觸爆炸破壞威力的影響后確定的經(jīng)驗(yàn)因數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[21]：裝藥形狀為標(biāo)準(zhǔn)球形或立方體時(shí)，η=1；裝藥形狀為棱柱體或圓柱體（長(zhǎng)度與邊長(zhǎng)（直徑）的比為λ）時(shí)，當(dāng)裝藥垂直于靶板表面時(shí)，λ 越大η 越小，當(dāng)裝藥平行于靶板表面時(shí)，λ 越大η 越大，λ=1 時(shí)η=1，λ=2 時(shí)η=1.25，其中按照線性插值取值。當(dāng)藥量為1.6 kg 時(shí)，裝藥正好形成一個(gè)邊長(zhǎng)100 mm 的立方體，以此為基準(zhǔn)，在裝藥的一個(gè)側(cè)面增加藥塊，形成類(lèi)似棱柱體，開(kāi)展不同藥量的實(shí)驗(yàn)。如Cr= 1.6 kg 時(shí)η=1，Cr=2.4 kg時(shí)η=1.125，Cr=3.2 kg 時(shí)η=1.25。實(shí)驗(yàn)中，e均為5 mm。

用式(1)～(2)對(duì)表2 中UHPC 臨空板正面爆坑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3～4 所示，其中所有擬合直線的相關(guān)系數(shù)均大于0.995。相同藥量下，UHPC 板的正面破壞程度隨材料強(qiáng)度的提升而減輕；隨著UHPC 板強(qiáng)度的提高，UHPC板的壓縮系數(shù)Ka和成坑系數(shù)k減小，抗爆性能增強(qiáng)；典型配筋與不配筋對(duì)UHPC 板的壓縮系數(shù)Ka和成坑系數(shù)k基本沒(méi)有影響。其原因分析為：(1) UHPC 中本身?yè)接袖摾w維，能阻止裂縫形成、發(fā)展，基體混凝土不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重開(kāi)裂，且實(shí)驗(yàn)中裝藥量不大，正面破壞程度較輕，鋼筋的作用難以發(fā)揮；(2) 配置的鋼筋網(wǎng)格尺寸較大（200 mm×200 mm），且裝藥中心投影點(diǎn)位于兩根鋼筋中間（見(jiàn)圖1），而爆坑直徑一般為300～400 mm，深度不超過(guò)100 mm，通常觀察不到配筋試件爆坑中的鋼筋露出，所以鋼筋的作用還未體現(xiàn)。由文獻(xiàn)[21-22]和本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得表3，可知超高性能混凝土的k和Ka遠(yuǎn)小于C40 鋼筋混凝土和C100 鋼纖維混凝土的，UHPC 的抗爆性能更強(qiáng)。

圖3 壓縮系數(shù)的擬合結(jié)果Fig. 3 Fitting results of the compressibility coefficients

圖4 成坑系數(shù)的擬合結(jié)果Fig. 4 Fitting results of the crater coefficients

表3 靶板正面的爆坑參數(shù)Table 3 The front face anti-explosion parameters of the slabs

2.3 背面局部破壞狀況分析

接觸爆炸時(shí)，UHPC 臨空板的臨界震塌系數(shù)有經(jīng)驗(yàn)公式[23-24]：

式中：Kz0為臨界震塌系數(shù)，H為靶板厚度，C0為臨界震塌時(shí)的TNT 藥量。接觸爆炸實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)試驗(yàn)板背爆面出現(xiàn)碎塊脫落的臨界震塌現(xiàn)象時(shí)，對(duì)應(yīng)的震塌系數(shù)即為臨界震塌系數(shù)。參照文獻(xiàn)[23]中鋼纖維混凝土的爆炸臨界震塌系數(shù)0.32 m/kg1/3，設(shè)UHPC 的爆炸臨界震塌系數(shù)為0.3 m/kg1/3，此時(shí)對(duì)應(yīng)的藥量為1.6 kg，觀察此裝藥量下UHPC 臨空板的破壞特征，逐漸增加或減少藥量，逼近UHPC 臨界震塌破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的藥量，從而確定UHPC 的爆炸臨界震塌系數(shù)取值范圍。

由表2，靶板的破壞情況都處于爆炸成坑和爆炸震塌破壞類(lèi)型之間，裝藥量越大破壞越嚴(yán)重。配筋對(duì)震塌破壞臨界值的影響較小，但對(duì)板的整體變形有一定的減輕作用，減小了板的剩余撓度和裂縫寬度，對(duì)降低板的整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)起到一定的積極作用。

對(duì)于爆炸震塌臨界狀態(tài)，可由表2 中數(shù)據(jù)得出取值范圍如下：C120 無(wú)配筋試件在TNT 藥量不大于1.8 kg 接觸爆炸時(shí)屬于爆炸成坑破壞類(lèi)型，在TNT 藥量不小于1.9 kg 接觸爆炸時(shí)屬于爆炸震塌破壞類(lèi)型，因此爆炸震塌臨界破壞情況對(duì)應(yīng)的TNT 藥量為1.8～1.9 kg，由式(1)，可得爆炸臨界震塌系數(shù)Kz0為0.278～0.285 m/kg1/3。同樣，可得C120 配筋靶板、C150 靶板、C150 配筋靶板和C180 靶板的爆炸臨界震塌系數(shù)，見(jiàn)表4。

由表4，C120、C150 和C180 強(qiáng)度UHPC 的爆炸臨界震塌系數(shù)為0.238～0.285 m/kg1/3，C150 超高性能混凝土的爆炸臨界震塌系數(shù)最小，不超過(guò)0.251 m/kg1/3，而C120 和C180 超高性能混凝土的爆炸臨界震塌系數(shù)相近，不超過(guò)0.285 m/kg1/3。強(qiáng)度更高的C180 超高性能混凝土抗爆炸震塌性能并不是最好的，其原因很難由材料強(qiáng)度等級(jí)解釋?zhuān)?jīng)分析認(rèn)為：C180 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)（5%）較高，在制作大尺寸試件時(shí)出現(xiàn)輕微的纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，因此用振動(dòng)棒進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的振搗，振搗時(shí)振動(dòng)棒大部分處于水平方向，使試件內(nèi)纖維分布方向更多地偏向于水平分布，這對(duì)測(cè)量力學(xué)性能的小試塊影響不大，但對(duì)于抗爆大尺寸試件，豎直方向的纖維分布更少，該方向的抗拉強(qiáng)度就會(huì)降低，使其抵抗豎直方向反射拉伸波的能力減弱，抗爆炸震塌性能有所下降。在制作纖維含量較高（體積分?jǐn)?shù)不小于5%）的大尺寸UHPC 構(gòu)件時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注由纖維分布的方向性帶來(lái)的材料力學(xué)性能的各向異性，以及由材料各向異性引起的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化。

表4 UHPC 靶板的臨界震塌系數(shù)Table 4 Critical collapse factors of the UHPC slabs

3 結(jié) 論

針對(duì)C120、C150 和C180 等3 種混凝土強(qiáng)度等級(jí)共24 塊UHPC 臨空板開(kāi)展了接觸爆炸局部的破壞效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，分析了不同藥量下的局部破壞特征，考慮了不配筋和配筋兩種情況對(duì)破壞效應(yīng)的影響，給出了各種條件下UHPC 的臨界震塌系數(shù)、壓縮系數(shù)和成坑系數(shù)，分析了強(qiáng)度和配筋情況等因素對(duì)3 個(gè)系數(shù)的影響。主要結(jié)論如下。

（1）隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，UHPC 的爆炸成坑系數(shù)k和壓縮系數(shù)Ka越小，靶板正面抗爆炸性能越強(qiáng)；相比C40 鋼筋混凝土和C100 鋼纖維混凝土，UHPC 的成坑系數(shù)k和壓縮系數(shù)Ka大幅減小，抗接觸爆性能增強(qiáng)。

（2）配筋率較小時(shí)，配筋對(duì)UHPC 靶板正面爆坑及爆炸臨界震塌系數(shù)影響較小，但對(duì)板的整體變形起一定的減輕作用，可減小板的剩余撓度、裂縫寬度和裂縫數(shù)量。

（3）制備的C150 靶板的爆炸臨界震塌系數(shù)最小，不超過(guò)0.251 m/kg1/3，C120 和C180 靶板的爆炸臨界震塌系數(shù)相近，不大于0.285 m/kg1/3；在制作纖維含量較高（體積分?jǐn)?shù)不小于5%）的大尺寸UHPC 構(gòu)件時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注由纖維分布的方向性引起的材料各向異性和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化。