钢丝网高强混凝土抗爆性能试验研究

袁建虎，唐建，吕振坚，安立周

(解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京210007)

0 引言

混凝土是防护工程中应用最广泛的材料之一，但混凝土材料脆性大、易开裂、抗冲击性差。在一些承受高速冲击或爆炸的工程中，普通钢筋混凝土已不能满足要求，为改善性能，钢纤维混凝土(SFRC)在军事工程中的应用研究备受关注［1－8］;另外，高掺量钢纤维混凝土(SIFCON)由于其阻裂、增韧、抗冲击等明显优点，也是较好的防护抗爆材料［9－10］，但要在防护工程中大面积地推广使用SFRC 和SIFCON，仍面临制备技术通用性、工程造价、设计理论与施工技术等方面的诸多问题［11］。前期的系列理论和试验研究已经表明，本文所研究的钢丝网混凝土经参数优化后具有优异的静动态力学和抗侵彻性能，是一种较为理想的工程防护材料［12－14］。为加强钢丝网混凝土在工程防护领域的应用研究，本文试验比较了钢丝网混凝土(含钢量2.15%)和钢纤维混凝土(含钢量3%、5%)的抗爆性能。

1 试验方案

结合前期研究成果，抗爆性能试验时，钢丝网选用密度7.8 ×103kg/m3，拉伸强度1 050 MPa 的高碳钢丝编织而成，经优化的结构参数:钢丝直径φs=0.5 mm，钢网网格边长l=3 mm，钢丝网布设层间距5 mm，试件体积含钢量Vf=2.15%;钢纤维选用S－4端钩型钢纤维，公称长度40 mm，长径比80，抗拉强度1 050 MPa，试件体积含钢量Vf为3%、5%.试件数量和规格如表1所示。基体材料配比如表2所示，基体材料抗压强度约为100 MPa.

表1 抗爆性能试件Tab.1 Test samples of anti－explosion performance experiment

表2 基体材料配比Tab.2 Proportion of the matrix concrete’s componentskg

2 试验方法

1)挖掘2 m×2 m、深1.5 m 的坑，填沙，试件无约束平放于坑内沙面上。

2)采用集团装药的形式，TNT 药块捆扎后直接放置在试件表面中心位置，如图1所示，炸药的长边沿靶板试件对角线放置，TNT 炸药的捆扎形式及起爆点的设置均相同，药块使用触发电雷管起爆。

图1 炸药起爆位置示意图Fig.1 Starting point of explosion

3)爆炸后，现场观测记录试件的整体和局部破坏情况(爆坑形状、大小和裂缝的开展情况等)。

3 结果与分析

3.1 试验结果

在装药0.6 kg 接触爆炸情况下，同材料试件的重复性试验，均表现出了较好的破坏相似性，具体情况为:试件S－1、S－2 破损严重，主体呈粉碎性破坏，仅留有试件边缘几个大块，且较为分散，无法看出试件的原貌，破坏情况参如图2(a)所示。试件C3(C3－1、C3－2)正面形成近似圆形漏斗坑，漏斗坑直径约170 mm，深约42 mm，其他位置未见明显损伤，具体情况如图2(b)所示;试件背面形成直径约360 mm、凸起高度约20 mm 的鼓包，同时伴有较多的发散状径向裂纹，其中较为明显的约有10 条，如图2(c)所示。在试件W2－1 和W2－2 正面均形成外环直径约380 mm、深度约10 mm，内环直径约165 mm、深度约51 mm 的台阶状漏斗坑，并且在中心内经165 mm 范围内的钢丝网呈粉碎状破坏，直径165 mm 以外、380 mm 以内的表面素砼保护层粉碎性破坏，暴露出第1 层钢丝网，但钢丝网表现出较好的完整性，第1层与第2 层钢丝网之间的素砼部分碎裂，但没有脱落;在距离四周边约50 mm 范围内有贯穿裂纹带，试件中心500 mm 范围内(钢丝网增强的有效区域)无明显裂纹，敲开表层“素砼”后，一层钢丝网以下没有发现明显的损坏;除此之外，其他位置基本保持完好，四角对角线方向有细微的裂纹趋势，无环向裂纹，四周在边界效应破碎带和中心爆炸坑之间有少量平行于周边的裂纹，径向裂纹极少，如图2(d)所示;试件背面形成直径约340 mm、凸起高度约16 mm的鼓包，同时伴有“十”字形裂纹，除局部素层外，基本无脱落，没有形成震塌漏斗坑，如图2(e)所示。

图2 0.6 kg 装药对试件的破坏情况Fig.2 Destroying effects of 0.6 kg TNT blocks

在装药1.8 kg 接触爆炸情况下，2 个相同试件破坏表现出了较好的相似性，具体情况为:试件W1－3、W1－4 正面形成台阶状坑，外圈直径约530 mm范围内表层素砼飞离，深约15 mm，内圈粉碎脱离成坑，漏斗坑中心直径约430 mm，深约68 mm，第1 层钢丝网完好，但下层基材破碎，具体情况如图3(a)所示;试件背面表层素砼震塌，呈现圆形扩散状裂纹趋势，表层素砼剥离直径约300 mm，中心破碎但未脱落，如图3(b)所示;试件C1－1、C1－2 正面形成漏斗坑，直径约408 mm，深度约50 mm，整体显现少量扩散性裂纹，具体情况参见图3(c);试件背面无震塌块，从中心向外有少量对角方向辐射裂纹，无明显隆起变形，如图3(d)所示;试件C2－1、C2－2 正面形成的漏斗坑直径约452 mm，深度约63 mm，呈现少量扩散性裂纹，具体情况如图3(e)所示;试件背面无震塌块，从中心向外有对角方向辐射裂纹，微小隆起，凸起范围直径约220 mm，如图3(f)所示。

3.2 结果分析

总的来说，在接触爆炸试验中，爆炸对混凝土试件的正、反面均产生了以径向和环向裂缝、混凝土保护层与钢丝网脱离等为特征的局部破坏作用;同时试件产生了板中线的纵向裂缝、板剖面的层状分离和板的拱曲等为特征的整体破坏，具体破坏效果可整理如表3所示。

表3 爆炸漏斗坑的直径和深度Tab.3 Diameter and depth of the funneled hole

3.2.1 靶件抗爆性能分析

比较破坏效果可知，钢丝网和钢纤维2 种增强方式，均可以有效提高“素砼”的抗爆性能。在同样的外部条件及爆炸荷载条件下，钢丝网砼试件和钢纤维砼试件有着极为相似的破坏特征，具体表现为:0.6 kg 装药条件下的C3 试件和W2 试件破坏效果极为接近，迎爆面W2 试件成坑直径(165 mm)略小于C3 试件(170 mm)，W2 试件成坑深度(51 mm)却略大于C3 试件(42 mm);1.8 kg 装药条件下的W1试件、C1 和C2 试件破坏效果也极为接近，迎爆面W1 试件成坑直径(430 mm)略大于C1 试件(408 mm)，却小于C2 试件(452 mm)，W1 试件成坑深度(68 mm)大于C1 试件(50 mm)和C2 试件(63 mm)。

图3 1.8 kg 装药对试件的破坏情况Fig.3 Destroying effects of 1.8 kg TNT blocks

考虑W2 试件和W1 试件制作时表面预留了10 mm 左右的“素砼”保护层，而试验证实“素砼”在爆炸荷载下极易破损，为此，去除W2 试件和W1 试件表面层厚度后，W2 试件比C3 试件成坑直径减小约3%，二者成坑深度基本相当;W1 试件比C1 试件成坑直径增大约7.5%，成坑深度增大约13.7%;W1 试件比C2 试件成坑直径减小约4.7%，成坑深度减小约7.8%.

文献［13］结果显示:在半穿甲弹(长456.4 mm，直径57 mm，攻角0°)对钢纤维混凝土和钢丝网混凝土试件的打击试验中，含钢量Vf=2.15%的钢纤维混凝土试件被击碎;Vf=5%的钢纤维混凝土试件侵彻深度为380 mm，试件有多处明显裂纹;而Vf=2.15%的多层密排钢丝网混凝土试件的侵彻深度只有330 mm，且试件无明显裂纹。

对比抗爆性能试验结果，考虑侵彻试验的含钢量，在抗爆性能方面钢丝网混凝土比钢纤维混凝土略有优势，但相比较而言，其优势比不上抗侵彻性能方面的优势那么明显。

3.2.2 爆炸漏斗坑参数计算

接触爆炸时，爆炸漏斗坑大小一方面受炸药起爆方式以及炸药本身(如装药形状、布药方式、起爆点、密度、爆轰波速等)特性影响;另一方面，爆炸荷载与靶件之间的相互作用，不能孤立处理，靶件的性质(如厚度、强度、密度等)将影响荷载的作用效果，从而影响爆炸漏斗坑的尺寸［4－5，8－9］。本次试验中所用炸药类型、装药大小、方式和位置以及起爆点均相同，靶件下介质也相同，为此，在爆炸漏斗坑参数计算时，对于爆炸漏斗坑只存在靶件自身特性造成的差异。

通常，接触爆炸所产生的漏斗坑直径D 和深度(即压缩破坏半径da)可用(1)～(2)式计算:

式中:m 为装药量(kg);k、ka均为反映介质抗爆性能的参数。利用试验的数据，计算出k 和ka如表4所示。

表4 爆炸漏斗坑参数计算Tab.4 Calculation of the funneled hole’s parameters

由计算值可知，在装药量较小的情况下(如0.6 kg装药条件下)，2.15%含钢量的钢丝网混凝土试件的k 和ka与5%含钢量的钢纤维砼基本相当，也即说明二者抗爆性能基本相当。

在较大药量情况下(如1.8 kg 装药条件下)，2.15%含钢量的钢丝网混凝土试件的k 和ka介于3%含钢量的钢纤维砼和5%含钢量的钢纤维砼之间，也即是说，2.15%含钢量的钢丝网砼抗爆性能优于3%含钢量的钢纤维砼，却逊于5%含钢量的钢纤维砼。由于靶件基体材料强度基本一致，故所采用的增强材及增强方式是决定k 和ka的主要因素。

由于k 和ka均为反映介质抗爆性能的参数，对于特定的材料而言，其数值应是确定的，为此，借助本文试验，以及同批次其它试件试验获得的数据，整理后如表5～6 所示。

表5 钢纤维砼k 和ka 平均值Tab.5 k and ka of steel fiber reinforced concrete

表6 钢丝网砼k 和ka 平均值Tab.6 k and ka of steel－wire－net reinforced concrete

文献［16］经过理论和试验比较所给出钢纤维混凝土(5%体积含量)的ka值推荐值为0.041，这与表5中算出的数值较为接近，考虑试件制作工艺、养护时间和天气等原因，同时考虑某些试件测量值有一定偏差，由此可以看出本次试验获得的数据具有一定的普遍性，为此，依据表6获得的平均值，可确定当使用钢丝网增强混凝土，进行防护工程的抗爆结构设计时(钢丝直径0.5 mm、网格边长3 mm 的编织钢丝网，按照5 mm 层间距排列，基材标号TC100)，其爆炸漏斗坑深度，即压缩破坏半径

式中:m 为装药质量(kg);ka为反映介质抗爆性能的参数，取值为0.054.

4 结论

1)使用钢丝网或钢纤维增强混凝土均可有效提高混凝土复合材料的抗爆性能。对比钢纤维增强混凝土，钢丝网增强混凝土虽然含钢量相对较低，却可表现出相对优异的抗爆性能。

2)试验装药量对构件的抗爆性能有一定的影响，实际应用时，可通过优化设计，获得较为经济的防护层构件尺寸和厚度，以消除打击药量的这一影响。

3)利用钢丝网高强混凝土进行防护工程的抗爆结构设计时，考虑防护工程表面形成爆炸漏斗坑，整体结构没有破坏，则其爆炸漏斗坑深度，即压缩破坏半径其中，ka取值为0.054.

References)

［1］ Willimson G R.Fort hood fiber－concrete overlay［C］∥Fibre－reinforced Cement and Concrete，RILEM Symposium 1975.London:The Construction Press Ltd，1975:453－459.

［2］ Ausi M A，Salih S A.Strength and behavior of steel fiber reinforced concrete slabs subjected to impact loading［C］∥4th RILEM International Symposium on Fiber Reinforced Cement and Concrete.London:E ＆ FN Spon，1992:629－642.

［3］ Lok T S，Xiao J R.Steel－fiber－reinforced concrete panels exposed to air blast loading proceedings of the institution of civil engineers［J］.Structures and Buildings，1999，134(9):319－331.

［4］ 王明洋，张胜民，国胜兵.接触爆炸作用下钢板－钢纤维混凝土遮弹层设计方法(Ⅰ)［J］.爆炸与冲击，2002，22(1):40－45.WANG Ming－yang，ZHANG Sheng－min，GUO Sheng－bing.Design method of steel fiber concrete shelter plate under contact detonation (Ⅰ)［J］.Explosion and Shock Waves，2002，22(1):40－45.(in Chinese)

［5］ 王明洋，钱七虎，赵跃堂.接触爆炸作用下钢板－钢纤维混凝土遮弹层设计方(Ⅱ)［J］.爆炸与冲击，2002，22(2):163－168.WANG Ming－yang，QIAN Qi－hu，ZHAO Yue－tang.Design method of steel fiber concrete shelter plate under contact detonation(Ⅱ)［J］.Explosion and Shock Waves，2002，22(2):163－168.(in Chinese)

［6］ 沈贵松，刘瑞朝，蔡灿柳.高含量高强钢纤维混凝土在防护工程中的应用研究［C］∥中国土木工程学会防护工程分会第8次学术年会论文集.中国:三亚，2003:704－707.SHEN Gui－song，LIU Rui－chao，CAI Can－liu.Application study of steel fiber reinforced high strength concrete with high volume fraction in defense works［C］∥Proceedings of 8th Annual Academic Meeting of Defense Engineering Association of China Civil Engineering Society.Sanya，China:China Civil Engineering Society，2003:704－707.(in Chinese)

［7］ 张仲林，许金余，朱笃美.爆炸荷载作用下钢纤维混凝土梁的动力响应分析［J］.空军工程大学学报:自然科学版，2004，5(5):92－94.ZHANG Zhong－lin，XU Jin－yu，ZHU Du－mei.Dynamic response of steel fiber concrete beam under explosive load［J］.Journal of Air Force Engineering University:Natural Science Edition，2004，5(5):92－94.(in Chinese)

［8］ 胡金生，杨秀敏，周早生.接触爆炸对底部有土垫层纤维混凝土板破坏效应试验研究［J］.爆炸与冲击，2005，25(2):157－162.HU Jin－sheng，YANG Xiu－min，ZHOU Zao－sheng.Experimental investigation on contact explosion damage effect to fiber reinforced concrete slab with soil bedding［J］.Explosion and Shock Waves，2005，25(2):157－162.(in Chinese)

［9］ 焦楚杰.高与超高性能钢纤维砼抗冲击与抗爆研究［D］.南京:东南大学，2004.JIAO Chu－jie.Study on behaviour of HPSFRC and UHPSFRC subjected to impact and blast ［D］.Nanjing:Southeast University，2004.(in Chinese)

［10］ 焦楚杰，孙伟.钢纤维高强混凝土抗爆炸研究［J］.工程力学，2008，25(3):158－166.JIAO Chu－jie，SUN Wei.Study on steel fiber reinforced high strength concrete subject to blast loading［J］.Engineering Mechanics，2008，25(3):158－166.(in Chinese)

［11］ 焦楚杰，孙伟，高培正，等.钢纤维高强混凝土在抗爆工程中的应用研究［J］.重庆建筑大学学报，2007，29(5):167－172.JIAO Chu－jie，SUN Wei，GAO Pei－zheng，et al.Application of SFRHSC in blast－resistant engineering［J］.Journal of Chongqing Jianzhu University，2007，29(5):167－172.(in Chinese)

［12］ 张宏梅.钢丝网增强特种混凝土力学性能试验研究［D］.南京:解放军理工大学，2004.ZHANG Hong－mei.Study on mechanical performances of a special concert reinforced with steel wire nets［D］.Nanjing:PLA University of Science and Technology，2004.(in Chinese)

［13］ 肖燕妮.钢丝网RPC 抗侵彻性能试验研究及其数值模拟［D］.南京:解放军理工大学，2008.XIAO Yan－ni.Experimental research and numerical simulation of anti－penetration performance of steel wire net RPC［D］.Nanjing:PLA University of Science and Technology，2008.(in Chinese)

［14］ 王耀华，肖燕妮，毕亚军，等.钢丝网增强活性粉末混凝土抗侵彻特性［J］.解放军理工大学学报:自然科学版，2008，9(1):57－61.WANG Yao－hua，XIAO Yan－ni，BI Ya－jun，et al.Anti－penetration performance of reactive powder concrete reinforced with steelwire－net［J］.Journal of PLA University of Science and Technology:Natural Science Edition，2008，9(1):57－61.(in Chinese)