超高性能钢纤维混凝土抗二次接触爆炸性能研究

戎志丹，孙 伟，张云升，佘 伟

(1.江苏省土木工程材料重点试验室，江苏南京211189;2.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京211189)

目前的防护工程材料以普通强度等级(C30—C50)的混凝土或者普通纤维增强混凝土居多，其抗爆炸能力较弱，而超高性能钢纤维增强混凝土(Ultra-High Perforinance Steel Fiber Reinforced Conerete，UHPSFRC)以其优异的力学性能及抗毁伤性能在防护工程领域得到广泛的应用，也成为防护工程材料研究的热点［1－3］.

精确制导的钻地武器完全能够实现定点的重复打击，在初次受到钻地弹的冲击、爆炸作用后，即使防护工程未被破坏，其混凝土的形态很可能发生明显变化，防护工程的下部结构在爆炸波作用下也可能产生一定程度的损伤甚至局部破坏，因而防护工程结构怎样具有抗重复打击能力是一个值得重视的问题.

针对以上问题，笔者通过多元复合技术成功制备出了两种强度等级超高性能钢纤维混凝土靶体，开展了野外爆炸试验研究，试验采用的装药量分别为1.6 kg和2.0 kg，靶体采用了两种放置方式(直接放于地面上以及靶体底部临空)，分别对其进行了一次和二次抗接触爆炸试验.试验结果表明，所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.

1 材料制备及试验方法

1.1 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2 000 m2/kg;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:最大粒径为5 mm的普通黄砂，细度模数2.67，连续级配;粗集料:最大粒径为 10 mm的玄武岩石子，连续级配，压碎值3.3%;外加剂: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，长度 13 mm，弹性模量210 GPa，抗拉强度1 800 MPa.超高性能钢纤维混凝土(UHPSFRC)的配合比见表1.

表1 UHPSFRC的配合比

1.2 试验方案

本次试验共制作了2组(每组3块)共6块靶体.靶体采用圆柱形，不配置钢筋，直径取1 000 mm、厚度取400 mm，四周用5 mm厚钢板约束.

采用的炸药为TNT，爆炸方式采用接触式爆炸，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，设计了以下3种工况:第1种工况(第1组)，1.6 kg TNT集团装药接触靶体爆炸，靶体背面临空;第2种工况(第2组)，2.0 kg TNT集团装药接触靶体爆炸，靶体背面临空;第3种工况(第3组)，2.0 kg TNT集团装药接触靶体爆炸，靶体置地.设计3种工况主要为了考察靶体背面不同支撑对震塌系数的影响.

2 爆炸试验及结果

2.1 抗一次爆炸试验结果

试验在南京某靶场进行，该试验场四面环山，场面开阔，利于进行爆炸试验.爆炸试验的数据汇总见表2.

表2 超高性能钢纤维混凝土的爆炸试验结果

由表2可以看出，在装药量及靶体放置方式相同的情况下，随着钢纤维掺量及靶体强度等级的提高，靶体迎爆面爆炸漏斗坑深度减小，背爆面的破坏情况趋缓，而迎爆面爆炸漏斗坑直径变化不大;对同一种强度等级的靶体而言，在装药量相同的情况下，底部临空靶体的破坏情况要比底部置地的靶体严重得多.

2.2 抗二次爆炸试验结果

为研究超高性能钢纤维混凝土靶体抗弹药重复爆炸破坏能力，对破坏后的CF150－1，CF200－2，CF200－3 3块靶体分别进行了二次接触爆炸试验，靶体均采用置地的方式，炸药用量为2.0 kg，置于第一次爆坑中心.CF150－1，CF200－2，CF200－3靶体第二次接触爆炸前后的破坏情况如图1所示.

图1 各系列UHPSFRC材料二次爆炸前后破坏情况

从图1可以看出，CF150－1靶体在二次爆炸后 外箍钢板裂开，形成环向裂缝，靶体碎裂，最大裂宽50 mm;CF200－2靶体在二次爆炸后外箍钢板裂开，形成环形裂缝，最大裂宽20 mm，但整体保持完整;CF200－3靶体在二次爆炸后产生二次爆炸漏斗坑(直径47 cm，深度11.8 cm)，迎爆面有10条裂纹，最大裂宽5 mm，靶体整体性保持极好，仅表面的裂缝增多、增宽.

对比CF150－1和CF200－2靶体，这两种靶体第一次爆炸的放置方式都是临空(CF200－2采用2.0 kg TNT，CF150 －1 采用1.6 kg TNT)，从靶体第二次爆炸的破坏情况来看，CF200－2的破坏明显轻于CF150－1的靶体;同样对比CF200－2和CF200－3靶体，由于这两个靶体第一次爆炸TNT当量都为2.0 kg(CF200－2为临空方式)，从靶体第二次爆炸的破坏情况来看，CF200－3的破坏也明显轻于CF200－2的靶体.基于以上两点可以得出:随着靶体强度等级的提高以及第一次爆炸对靶体产生损失破坏程度的减小，靶体抵抗第二次爆炸破坏的能力得到提高.

CF200－3二次接触爆炸前、后爆坑开口尺寸分别为40，47 cm;坑深分别为 6.6，11.8 cm.可见，二次接触爆炸后，爆坑开口尺寸增大约18%，坑深增大约79%.

3 结果分析

炸药在爆炸瞬间，由化学反应变成和炸药体积大小相同的高温高压气体(称为爆轰产物)，其高压达2×104MPa，温度高达3 350℃.这样的高温高压气体作用于周围介质时，介质将受到巨大的冲击，产生很大的变形速度，使介质迅速向外膨胀、破碎、飞散.爆轰后，直接与装药接触的介质受到强烈的冲击压缩，介质结构完全破坏.介质受瞬时高压作用的结果是形成一个空腔，这个范围称为压缩范围，压缩范围的半径称为压缩半径，记为ra.

试验和量纲分析理论均表明，球形集团装药对介质材料的压缩半径ra与装药质量的三次方根成正比［4］.当装药埋于地表面以下一定深度爆炸时，由于泄放于空气中的爆炸能量减少，爆炸效果将增加，即压缩半径ra增大;埋置愈深，则压缩半径愈大;但埋深达到一定程度后，已处于完全封闭的爆炸状态，此时再没有爆炸能量泄入空气中，这种封闭爆炸状态时的最小埋深称为完全填塞深度.装药埋深在等于或大于完全填塞深度时爆炸，都可以视为在无限介质中爆炸.

试验表明，对单层介质而言，压缩半径ra可用下式计算［4］:

式中:m为填塞系数，用来表示填塞条件不同时引起的爆炸效果的差异;ka为介质材料的压缩系数;C为常规武器弹丸等效TNT装药量，kg.

根据式(1)可变形得到介质材料的压缩系数ka的计算公式，即

根据式(2)及表2中试验测得的爆坑尺寸，可计算得到试验靶体对应的压缩系数，见表3.

表3 压缩系数计算结果

从表3可以看出，靶体背面支撑方式不同对试验测得的压缩系数有影响，靶体临空时测得的压缩系数比靶体置于地面时测得的压缩系数平均大12%左右.

由表3的结果对比分析来看，由于靶体本身个体之间的差异及试验情况的不同，所得的结果有一定的误差，存在一定的离散性，故取3组靶体平均值作为靶体材料的压缩系数，即对于工程设计，建议超高性能钢纤维混凝土(有粗骨料)CF150的压缩系数取为0.112，超高性能钢纤维混凝土(无粗骨料)取为0.096，且CF200抗二次爆炸压缩系数降低到80%左右.

4 结语

采用大掺量工业废渣取代水泥，并优选材料组分，成功制备出CF150和CF200两种超高性能钢纤维混凝土，并对其进行了抗一次和抗二次接触爆炸试验，对不同靶体进行了测试分析，得出如下结论.

1)在装药量及放置方式相同的情况下，随着钢纤维掺量的提高及靶体强度等级的提高，靶体迎爆面爆炸漏斗坑深度减小，背爆面的破坏情况趋缓，而爆炸漏斗坑直径则变化不大，对同一种强度等级的靶体而言，在装药量相同的情况下，底部临空的靶体的破坏情况要比底部置地的靶体严重得多.

2)随着靶体强度等级的提高以及第一次爆炸对靶体产生损伤破坏程度的减小，靶体抵抗第二次爆炸破坏的能力得到提高，二次接触爆炸之后，CF200靶体的爆坑开口尺寸增大约18%，坑深增大约79%.

3)对于工程设计，建议超高性能钢纤维混凝土(有粗骨料)CF150的压缩系数取为0.112，超高性能钢纤维混凝土(无粗骨料)CF200取为0.096，CF200抗二次爆炸压缩系数要降低到80%左右.

［1］王德荣，戴明，李杰，等.钢纤维超高强活性混凝土(RPC)遮弹板接触爆炸破坏作用［J］.爆炸与冲击，2008，28(1):67 －74.

［2］ Luo X，Sun W，Chan S Y N.Characteristics of high-performance steel fiber-reinforced concrete subject to high velocity impact［J］.Cement and Concrete Research，2000，30(6):907－914.

［3］ Teng T L，Chu Y A，Chang F A，et al.Development and validation of numerical model of steel fiber reinforced concrete for high-velocity impact［J］.Computational Materials Science，2008，42(1):90 －99.

［4］解放军总参兵种部.国防工程设计规范［S］.出版地、出版社不详，1976.