EPS緩沖材料衰減水下爆炸能量的實(shí)驗研究

李志敏，汪旭光，汪 泉，劉文震

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.北京礦冶研究總院,北京102628；4. 安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)，是高效吸能材料，在爆破工程安全防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視。在水下爆破環(huán)境，水介質(zhì)傳播爆炸能量相較于空氣介質(zhì)強(qiáng)度高很多，又因為EPS材料具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低、耐腐蝕、耐低溫、價廉質(zhì)優(yōu)等特性，所以分析EPS緩沖材料衰減炸藥水下爆炸能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。水下爆炸防護(hù)方法研究很多，倪小軍等[1]分析了泡沫鋁殼對水下爆炸沖擊波衰減的影響，賈虎等[2-3]分析了空氣隔層及爆炸氣泡幕對水中沖擊波的衰減特性，袁英杰等[4]研究了爆炸載荷下泡沫混凝土的減振性能，汪泉等[5]分析了有機(jī)玻璃-空氣層結(jié)構(gòu)對爆炸水池水下爆炸地基振動的影響，汪玉等[6]分析了泡沫芯層夾層結(jié)構(gòu)水下爆炸沖擊特性，萬松林等[7]分析了塑料泡沫抗沖覆蓋層深水爆炸響應(yīng)，艾冬杰等[8]研究了泡沫鋁夾芯板結(jié)構(gòu)水下爆炸載荷作用下的失效機(jī)理與吸能特性,金澤宇[9]研究了抗沖覆蓋層水下爆炸近場和遠(yuǎn)場的計算方法。以上研究均以緩沖介質(zhì)在具體結(jié)構(gòu)中緩沖水下爆炸能量，而直接分析緩沖介質(zhì)本身衰減水下爆炸能量的研究尚未見到。

本研究在爆炸水池中起爆有EPS緩沖材料包裹的8號工業(yè)導(dǎo)爆管雷管，采用壓力傳感器測量水下固定爆心距處爆炸沖擊波參數(shù)，采用振動傳感器測量實(shí)驗水池近地面固定點(diǎn)處振動，分析包裹雷管的EPS材料密度和包裹半徑對水下爆炸能量的衰減作用，以期為水下爆炸工程安全防護(hù)提供參考。

1 實(shí)驗部分

實(shí)驗水池半徑5.5 m，高3.6 m。使用8號工業(yè)雷管作為爆源，在雷管中心入水深度為2.4 m處引爆。為研究EPS緩沖材料對水下爆炸能量的衰減作用，采用EPS材料對雷管進(jìn)行柱形包裹，雷管軸線與柱體軸線重合。緩沖柱體高60 mm，上下為圓形木質(zhì)夾板，表面為塑料薄膜，EPS材料均勻、密實(shí)地充滿柱體。雷管與緩沖柱體的開口處用膠密封，使得雷管不會脫落以及緩沖柱體內(nèi)不會進(jìn)水。變換EPS材料粒徑大小和緩沖柱體半徑，進(jìn)行多組對比實(shí)驗，分組編號，如表1所示。

表1 實(shí)驗分組

采用ICP型水下爆炸壓力傳感器測量爆炸沖擊波，在距離爆心0.3、0.5 m設(shè)置2個測點(diǎn)。采用NUBOX-6016型爆破振動測試儀測量水池近地面振動，振動傳感器距離水池外表面1 m(見圖1～圖2)。

圖1 實(shí)驗裝置及測試系統(tǒng)

圖2 水中沖擊波測試和地面振動測試

2 結(jié)果與討論

2.1 水下爆炸沖擊波能和氣泡脈動能

炸藥在水下爆炸后，會在水中產(chǎn)生大于水中音速的沖擊波和氣泡的脈動波。利用置于水下的爆炸壓力傳感裝置，就可以測試出沖擊波和氣泡的脈動波隨時間而產(chǎn)生的變化歷程，通過電纜線傳輸信號到放大、采集裝置，通過計算機(jī)系統(tǒng)的處理，形成波形圖，就能夠得到?jīng)_擊波能和氣泡能等參數(shù)。

水下壓力測點(diǎn)測得的沖擊波超壓和比沖擊波能隨EPS緩沖柱體半徑變化如圖3、圖4所示。由圖可見：相對于無緩沖材料包裹的雷管水下爆炸(R=0 mm)，有EPS材料包裹的雷管水下爆炸(R>0 mm)沖擊波超壓和比沖擊波能明顯減小。而且隨緩沖柱體半徑R梯度增加(梯度間隔為40 mm)，沖擊波超壓和比沖擊波能一致遞減明顯。

圖3 極值超壓隨緩沖柱體半徑變化

圖4 比沖擊波能隨緩沖柱體半徑變化

下面分別從緩沖柱體半徑、裝填密度以及壓力測點(diǎn)位置三方面分析EPS緩沖材料對水下爆炸能量的衰減作用。

1)EPS材料緩沖柱體半徑增加，在EPS材料密度不變條件下，壓力測點(diǎn)極值超壓和比沖擊波能均減小，相對于無EPS材料緩沖，衰減率如表2所示。

表2 緩沖柱體半徑增加引起爆炸能量衰減百分比

2)EPS材料密度增加(粒徑減小)，EPS材料緩沖柱體半徑不變，壓力測點(diǎn)極值超壓和比沖擊波能均減小，衰減情況如表3所示。由表可知：EPS材料密度增加相同，緩沖柱體半徑越大，壓力測點(diǎn)極值超壓和比沖擊波能衰減程度越高。

表3 EPS材料密度增加引起爆炸能量衰減百分比

3)EPS材料密度相同，緩沖柱體半徑相同，壓力測點(diǎn)的爆心距S越大，測得極值超壓和比沖擊波能越小，能量衰減率如表4所示。

表4 爆心距增加引起爆炸能量衰減百分比

由表2～表4有：①增加EPS緩沖柱體半徑對衰減水下爆炸能量作用大，衰減率γR、ηR相對于γρ、ηρ數(shù)值要大。②增加裝填EPS材料密度，可有效地衰減水下爆炸能量，衰減率γρ、ηρ隨EPS緩沖柱體半徑的增大而增大。③有EPS緩沖材料包裹炸藥的水下爆炸相對于無緩沖材料包裹炸藥的水下爆炸，測點(diǎn)爆心距S增加對水下爆炸能量的衰減作用并無明顯強(qiáng)化。如表4所示，R=0 mm時能量衰減率相較于R>0 mm情況并未明顯偏低，有的還略高。

綜合考慮EPS材料緩沖柱體半徑、裝填密度以及壓力測點(diǎn)位置三重因素對水下爆炸能量的衰減作用，設(shè)定EPS材料初始密度(本實(shí)驗為粒徑A族)、壓力測點(diǎn)初始位置(本實(shí)驗為S=0.3 m)，則相對壓力測點(diǎn)(本實(shí)驗為S=0.5 m)，在EPS材料增加后密度(本實(shí)驗為粒徑B族)，極值超壓和比沖擊波能可表示為

(1)

式中：p0為壓力測點(diǎn)S=0.3 m在雷管無EPS材料緩沖條件下爆炸所測沖擊波超壓；ES0為壓力測點(diǎn)S=0.3 m在雷管無EPS材料緩沖條件下爆炸所測比沖擊波能。

若EPS緩沖材料密度不變則γρ=0、ηρ=0，若測點(diǎn)位置不變則γS=0、ηS=0，式(1)可以表示所有極值超壓和比沖擊波能的實(shí)驗值。結(jié)合表2～表4得到：極值超壓衰減率在27.4%～89.8%之間，比沖擊波能衰減率在77.3%～99.8%之間。為將式(1)推廣到工程實(shí)踐，定義如下無量綱量：

(2)

(3)

(4)

(5)

實(shí)驗測得無EPS材料緩沖水下爆炸和R=40 mmEPS材料緩沖水下爆炸的氣泡脈動周期和比氣泡能如表5所示。炸藥在實(shí)驗設(shè)置的其他緩沖情況(R≥80 mm)下爆炸，壓力測點(diǎn)未測得水下爆炸氣泡脈動數(shù)據(jù)。

表5 氣泡脈動周期和比氣泡能

從測試結(jié)果看，EPS緩沖材料對水下爆炸氣泡能衰減作用顯著，炸藥在大于一定的EPS材料緩沖柱體半徑條件下爆炸，水下爆炸脈動波被弱化或消除。

2.2 水下爆炸引起水池周圍地面的振動

在EPS材料緩沖柱體半徑R=40 mm，粒徑大小為A族(3～5 mm，ρA=21.3 kg/m3)時，振動測點(diǎn)x(徑向)、y(環(huán)向)、z(垂直)3個方向的振動波形如圖5所示，顯然垂直于地面的z向振動速度最大。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[11]規(guī)定，以及實(shí)驗所測振動數(shù)據(jù)，選振動測點(diǎn)豎直方向振動速度進(jìn)行分析。

圖5 振動測點(diǎn)的波形(R=40 mm，A族粒徑)

炸藥在不同的緩沖柱體半徑包裹下爆炸引起振動測點(diǎn)豎直方向最大振動速度如圖6所示。從圖中可以看到：雷管在有EPS材料緩沖與無材料緩沖的水下爆炸相比，引起爆炸水池外振動測點(diǎn)的豎直方向最大振動速度明顯減小，衰減率在76.3%～90.7%，說明EPS材料衰減由于水下爆炸引起的水體周圍物體振動效果顯著。EPS材料緩沖柱體半徑是衰減振動的主要因素，EPS材料裝填密度增加(粒徑由A族變?yōu)锽族)，并未引起振動速度明顯衰減，圖6中同一緩沖柱體半徑處，兩粒徑族縱軸數(shù)值相差不大。

圖6 振動測點(diǎn)垂直方向最大振動速度

3 結(jié)論

1)雷管在水下爆炸，隨著包裹雷管的EPS緩沖柱體半徑梯度增大，壓力測點(diǎn)沖擊波超壓、比沖擊波能衰減率以及振動測點(diǎn)豎直方向振動速度衰減率都顯著增大；在緩沖柱體半徑R≥80 mm時，水下爆炸脈動波弱化或消失；增加EPS緩沖材料的密度，可有效衰減壓力測點(diǎn)爆炸能量，但對振動測點(diǎn)速度衰減影響較小；壓力測點(diǎn)爆心距增加，測得爆炸能量減小，但不因有EPS材料緩沖作用而衰減率明顯提升。

2)導(dǎo)出公式(1)可用于根據(jù)防設(shè)點(diǎn)的爆心距S和藥包半徑r來近似設(shè)計選擇EPS材料緩沖厚度R和密度ρ。