超高性能水泥基复合材料的抗爆炸性能*

戎志丹,孙 伟,张云升,张文华

（1.江苏省土木工程材料重点实验室,江苏南京 211189;

2.东南大学材料科学与工程学院,江苏南京 211189）

1 引 言

随着人类文明的进步,虽然和平与发展是两大主流,然而全球范围内的恐怖事件不断,严重破坏了有关国家和地区的稳定。当今不断涌现出的现代化高技术武器对现有防护工程构成了严重的威胁,特别是各种高精度、高效能、高速钻地弹的出现,对现有工程防护能力与水平提出了严峻的挑战。因此研制抗侵彻、抗爆炸能力强,便于应用的新型防护工程材料,是防护工作的当务之急[1-6]。

常规武器对防护结构的破坏大多发生在结构弹着点附近的局部范围,在迎爆面产生冲击或爆炸漏斗坑,在背爆面产生震塌漏斗坑,严重者可能产生贯穿破坏。结构震塌破坏是由于爆炸荷载产生的压缩应力波在结构中传播至结构背爆面时,产生强拉伸波,造成结构背爆面混凝土崩塌和层裂,形成大小不同的混凝土碎块,对人员和设备造成伤害。

目前的防护工程材料多为普通强度（C30～C50）等级的混凝土或者普通纤维增强混凝土,抗爆炸能力较弱,研究强度等级高、抗动态性能好的新型水泥基复合材料的抗爆炸、抗震塌性能正成为防护工程材料研究的热点。超高性能水泥基复合材料作为一种超高强、高韧性、高耐久、体积稳定性良好的新型水泥基复合材料,在军事工程中将具有广泛的应用前景[7-9]。

本文中通过矿物掺和料、化学外加剂、钢纤维及多元复合技术的有效利用,促进混凝土材料组成与结构的优化,各组分间优势叠加与成分互补,并且掺加最大粒径为10 mm的玄武岩石子,制备出不同强度等级钢纤维增强超高性能水泥基复合材料。实验结果表明,制备的超高性能水泥基复合材料具有优异的抗爆炸和抗震塌性能。

2 材料制备及实验方法

2.1 原材料

水泥:P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥;超细粉煤灰:南京热电厂超细粉煤灰,比表面积400 m2/kg;硅灰:埃肯公司生产的微硅粉,比表面积22 000 m2/kg;磨细矿渣:南京江南水泥粉磨公司生产的磨细矿渣微粉,比表面积600 m2/kg;细集料:最大粒径5 mm的普通黄砂,细度模数 2.67,连续级配;粗集料:最大粒径分别为15、10 mm的玄武岩石子,连续级配,压碎值3.3%;高效减水剂:聚羧酸型高效减水剂,固含量40%,减水率大于40%;钢纤维:超细钢纤维,圆截面,表面镀铜,直径0.175 mm,长 13 mm,弹性模量210 GPa,抗拉强度1.8 GPa。

UHPCC的配合比如表1所示,表中C100采用的是最大粒径15 mm的石子,CF150采用的是最大粒径10 mm的石子,φf为纤维体积分数。

表1 UHPCC的配合比Table 1 Composition of UHPCC

2.2 试样制备

UHPCC的制备采用湿拌工艺,即成型过程中先将原材料（超细混合材、水泥、砂和石子）干拌均匀,然后在搅拌过程中将混合均匀的水和外加剂缓慢地倒入搅拌机内,湿拌3～5 min。当混合料进入粘流状态后,均匀地撒入钢纤维,继续搅拌 3～5 min。之后将搅拌好的钢纤维混凝土加入钢箍模具中,与平面成约30°夹角的方向插入振动器,振捣至表面泛浆时表明已振捣密实。

爆炸实验中的靶体采用圆柱形靶体,不配置钢筋,靶体直径1 000 mm,高 400 mm,外用 5 mm 厚钢箍约束,如图1所示,采用2种 TNT当量,分别为 1.6、2.0 kg。

图1 钢纤维混凝土靶体Fig.1 Steel fiber reinforced concrete target

2.3 实验方案

本次实验采用的炸药为TNT,爆炸方式为接触式爆炸,将TNT炸药块置于靶板上表面顶部中心,全部药量均为有效装药,采用集团装药形式,由制式TNT块叠置并捆扎而成,用瞬发电雷管起爆。为了研究不同TNT当量及靶体的放置方式对其抗爆炸性能的影响,采用以下3组实验方式:

第1组,不同等级混凝土靶体1个,靶体直接放置在地面上,选择1.6 kg当量的TNT进行实验;

第2组,不同等级混凝土靶体1个,靶体底部临空,选择2.0 kg当量的TNT进行实验;

第3组,不同等级混凝土靶体1个,靶体直接放置在地面上,选择2.0 kg当量的TNT进行实验。

其中,1.6、2.0 kg的TNT炸药的尺寸分别是:边长10 cm的立方体和长12.5 cm、宽10 cm、高10 cm的长方体。

3 爆炸实验及结果

3.1 实验结果

实验在南京某靶场进行,实验场四面环山,场面开阔,有利于进行爆炸实验。爆炸实验结果如表2所示,表中Q为TNT当量,D、h分别为迎爆面漏斗坑的直径和深度。

从表2中可以看出:（1）在其他条件相同的情况下,随着装药量的提高,靶体表面的破坏情况趋于严重,迎爆面爆炸漏斗坑直径和深度随装药量的提高而略有扩大;（2）在装药量相同的情况下,底部临空的靶体的破坏情况要严重得多;（3）迎爆面的破坏情况随着靶体强度等级的提高而减弱。

表2 高与超高性能水泥基复合材料的爆炸实验结果Table 2 The explosive test results of UHPCCs

图2 UHPCC迎爆面破坏情况Fig.2 The front damage on different specimens

3.2 靶体破坏形态

3.2.1 迎爆面破坏情况

爆炸实验中,因靶体的自由面效应和炸药高速爆炸引起的剪切及挤压作用,在靶体表面的装药点附近会形成一个漏斗状的爆坑。实验中一些靶体迎爆面的爆炸坑及破坏情况如图2所示。

图3 UHPCC材料背爆面破坏情况Fig.3 The back damage on different specimens

从图2和表2中可以看出,靶体表面迎爆坑呈漏斗状,表面裂纹以径向裂纹为主,并有少量的环向裂纹。相同条件下素混凝土（C100）的破坏情况最严重,由爆炸产生的碎块明显多于其他材料,迎爆面的裂纹不论从数量还是裂纹宽度上来说都大于其他强度等级的材料。同时可以看出,靶体底部临空的情况对抗爆炸、抗震塌不利,其中C100-2材料表面爆炸产生的裂缝最大可达8 mm,而其他靶体表面的裂纹最大在2 mm左右。这充分说明了在同样装药量的爆炸条件下,钢纤维增强的超高性能水泥基复合材料比未掺钢纤维的普通高强混凝土靶体抗爆炸抗震塌能力强得多。

实验还表明,随着纤维掺量的提高和靶体材料强度等级的提高,其抗爆炸与抗震塌能力会相应增强,而从迎爆面的裂缝数量和宽度方面还是可以看出掺与不掺钢纤维水泥基复合材料的明显区别:在爆炸过程中,由于爆炸震动、挤压错位、爆炸波在混凝土内部的孔隙和骨料界面反射成拉伸波等因素而在混凝土靶体上半部分形成拉应力,此时,钢纤维就起到了抗拉作用,所以UHPCC靶体迎爆面裂缝少且窄,而且随着纤维掺量和材料强度等级的提高,裂缝数量减少,宽度变窄。

此外,从UHPCC爆炸脱离块体看出,裂缝延伸路线是纤维分布较少的区域,大部分纤维被拨出而非拨断,使得大量的能量被消耗在钢纤维的拔出过程中,缓解了材料发生脆性破坏的趋势,使得纤维的增强增韧效果得到充分发挥,另一方面,由于钢纤维同基体材料之间的高粘结作用,也能更好地提高UHPCC抗爆抗震塌能力。

3.2.2 被爆面破坏情况

为了研究UHPCC材料的抗震塌性能,实验中记录了全部靶体的背爆面破坏情况,如图3所示。另外,还测量了全部靶体背面破坏情况的主要裂纹分布情况,如表2所示。

从图3中可以看出:（1）靶体平放在地面上不容易发生震塌破坏,而如果靶体临空,则很容易出现震塌现象;（2）钢纤维对超高性能水泥基复合材料抗震塌性能的提高具有显著优势,在相同爆炸条件下,未掺纤维的C100靶体背爆面的破坏要比其他材料靶体的破坏情况严重得多;（3）随着纤维掺量的提高及靶体强度等级的提高,靶体背爆面破坏情况由略微隆起且有微裂纹向趋于平整的现象转变,裂纹数量和尺寸也不断减少。

UHPCC最显著的优势在于具有优异的抗震塌特性。爆炸应力波在靶体中的衰减很快,但是爆炸波传至靶底,剩下的爆炸波强度仍然有几十兆帕,压缩波在混凝土靶底发生全反射,尽管应力波继续衰减,但拉伸波的波峰强度也有十几兆帕至几十兆帕,UHPCC的作用就是抵抗了这个强度范围内的拉伸应力。因此,普通高强混凝土震塌现象明显,背爆面发生大面积脱落,而同装药量下的UHPCC却无震塌发生,只有少许裂纹。这主要是因为UHPCC材料具有较高的抗拉强度,因此从抗爆炸抗震塌的角度来考虑,充分发挥钢纤维的抗拉作用比单纯提高混凝土基体强度等级更重要,而 UHPCC这种优异的抗震塌效果正是防护工程所必需的。

从以上对不同爆炸条件下不同强度等级靶体的爆炸破坏效应分析可以看出,随着强度等级的提高以及纤维掺量的提高,超高性能水泥基复合材料体现出越来越优异的抗侵彻、抗爆炸特性,这种变化规律的本质应当归因于钢纤维增强水泥基复合材料高强度、高韧性、高阻裂的特性。掺加纤维,尤其是高体积分数的钢纤维同基体界面有较强的粘结作用,从根本上改变了传统的普通混凝土脆性特征,对于高速动载产生了较强的抵抗能力。

4 爆炸实验结果分析

爆炸漏斗坑是装药接触爆炸时产生的高温高压的爆轰波直接作用于靶体造成的。爆炸漏斗坑的大小一方面受炸药起爆及其特性（如装药形状、密度、爆轰波速）的影响,另一方面受靶体性质（如厚度、强度、密度、钢纤维掺量等）及爆炸荷载与靶体相互作用的影响。

在本次实验中,所用炸药类型、装药形状和位置以及起爆点均相同,靶体材料的尺寸与厚度相对炸药威力很大,不存在边界效应,因此爆炸漏斗坑的大小主要由靶体自身的特性、放置方式以及装药量决定,而靶体特性主要由靶体强度及钢纤维掺量决定。

接触爆炸时混凝土的漏斗坑半径r和深度h可由下式计算[10]

式中:W为装药量,kg;k、Ka为反映介质抗爆炸性能参数;e为装药高,m。

对比表3中的数据可以看出,同C100材料的k、Ka值相比,CF150和CF200的值明显要小很多,说明钢纤维增强水泥基复合材料的抗爆炸破坏能力比普通高强素混凝土的强。对靶体材料底部临空条件下的爆炸而言,其k、Ka值相对略有提高,说明了靶体临空对抗爆炸性能不利,这是由于靶体直接放置在地面上（底部有土垫层）的情况与底部临空的情况的爆炸局部破坏作用不同。一方面板底土垫层阻止了试件底部隆起、震塌以致脱落的趋势,另一方面爆轰波大部分能量传到土体中,减轻了爆轰对试件的局部破坏作用,使得靶体更不容易发生贯穿甚至震塌破坏。

表3 爆坑参数计算结果Table 3 Computation results of crater parameters

从表3中还可以看出,对C100素混凝土,靶体的放置方式对Ka的大小影响不大,因此本文中选其平均值0.147,对底部临空的CF150和CF200靶体,选择其Ka值分别为0.129和0.116,抗爆炸系数的这种变化正是钢纤维的掺入起到了增强增韧作用的结果,如前文中分析的那样,这本质上与靶体材料的抗拉强度密切相关。

为此,同时测试了靶体材料的各项力学性能,如表4所示,表中ft、fc、E、ν分别为抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比。

表4 UHPCC材料的力学性能Table 4 Mechanical properties of UHPCC

对不同材料的Ka值及抗拉强度的比值之间进行拟合,发现有如下关系

式中:Ka0为C100靶体材料的Ka值,本文中取0.147,ft0为C100靶体材料的抗拉强度,本文中取5.83 MPa,因此上式可转化为

这验证了经验公式（修正BRL）中[11-12]贯穿厚度与抗拉强度的平方根成反比的结论,因此可以通过式（3）的结果来预测靶体材料爆炸漏斗坑的深度,从而设计防护工程材料的结构尺寸以防止震塌和贯穿现象的发生。

5 结 论

（1）在其他条件相同的情况下,随着装药量的提高,靶体表面的破坏情况趋于严重,迎爆面爆炸漏斗坑直径和深度随着装药量的提高而略有扩大,在装药量相同的情况下,底部临空的靶体的破坏情况要严重得多,靶体材料的破坏情况随其强度等级的提高而有所减弱。

（2）钢纤维的掺入能显著提高材料的抗爆炸、抗震塌性能。普通高强的素混凝土（C100）靶体的破坏要比其他材料靶体的破坏情况严重得多,被爆面甚至发生震塌现象。而钢纤维混凝土靶体由于钢纤维的约束作用,靶体背爆面只有略微隆起或者趋于平整,裂纹数量和尺寸也不断减少,这是由于超细钢纤维对水泥基复合材料的增强、增韧、阻裂作用,从根本上改变了普通混凝土的脆性特征,使得材料具有较强的抗爆炸和抗震塌能力。

（3）通过对爆炸漏斗坑直径和深度的分析发现,其抗爆炸系数Ka与材料本身的抗拉强度的平方根成反比,并给出了靶体临空状态的Ka表达式,以预测超高性能水泥基复合材料的爆炸漏斗坑深度,以期为防护工程材料的结构设计提供参考。

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