超高性能混凝土抗侵彻及抗爆炸性能研究

赖建中，过旭佳，朱耀勇

（南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094）

如何提高防护工程抗侵彻和抗爆炸能力是目前亟待解决的问题.邓国强等进行了岩石的重复侵彻试验，重复侵彻深度存在一个极限值[1].左魁等研究了二次爆炸条件下岩石的破坏效应，二次爆炸所形成的爆坑深度与破碎区范围却分别是一次性爆炸的2倍和1.66倍[2].戎志丹等研究表明随着钢纤维掺量的增加以及靶体强度等级的提高，混凝土的爆炸损伤程度降低，抗第二次爆炸破坏的能力增强[3].付跃升等根据损伤理论建立了钢筋混凝土在内爆炸作用下的特征尺寸模型，并通过相关试验证实了这一模型的准确性[4].焦楚杰等利用ANSYS/LS-DYNA软件对钢纤维混凝土抗爆试验进行了计算机模拟，模拟结果很好的体现了混凝土板在爆炸作用下的受力破坏特征[5].超高性能混凝土（Ultra-high PerformanceConcrete—UHPC）是一种超高强度（抗压强度达200MPa）、高韧性、高耐久性的新型水泥基复合材料，采用超高性能混凝土的防护工程结构，具有显著的抗侵彻、抗冲击和抗爆炸能力[6-8].本文制备出了超高性能混凝土并研究了其抗侵彻和抗爆炸性能.

1 试验方法

超高性能混凝土靶体配合比示如表1，原材料包括：P II52.5硅酸盐水泥；最大粒径2.5mm的黄砂；比表面积22 000m2/kg的硅灰；比表面积大于1 000m2/kg的矿渣微粉；减水率≥40%的聚羧酸高效减水剂；最大粒径为16mm的玄武岩粗骨料；长度13mm、直径0.2mm、抗拉强度大于1 800 MPa的镀铜钢纤维；长度20mm、直径17 m的玄武岩纤维.

表1 UHPC靶体配合比Tab.1 M ix proportionsof UHPC

混凝土靶体为直径300 mm、高300 mm的圆柱体，靶体外边界用厚度为1.6mm的钢板进行加固.侵彻试验装置示如图1，包括发射枪、锡箔靶、计时仪、高速摄影机、靶材、背挡板，弹体为标准14.5mm子弹.爆炸试验靶体如图2所示，靶体中心预制 38mm×150mm的圆柱孔，内置炸药为直径37mm的圆柱形TNT炸药，炸药埋深50mm，放药量为25g.

图1 侵彻试验示意图Fig.1 Thedeviceof penetration experiments

图2 混凝土抗爆试验靶体Fig.2 he concrete target forexplosion test

2 试验结果及分析

2.1 混凝土靶体的侵彻破坏形态和侵彻深度

不同靶材的第1次侵彻破坏特征见表2，靶体正面破坏形态见图3.在弹丸速度大致相同的情况下混凝土基体靶材M 2直接被击碎，其它掺入纤维的靶材正面破坏程度较小，有少许剥落，背面没有任何损伤情况，弹头嵌入靶材中.这是由于纤维的加入使得靶材具有阻裂作用，因此与混凝土基体相比其抗侵彻性能有较大提高.此外不含玄武岩粗骨料的靶体在成型过程中产生微裂缝的尺寸和数量都比含有粗骨料试件有较大的降低，在受力过程中裂缝的扩展能吸收更多的能量，因此不含粗骨料的靶体破坏程度较含粗骨料的靶体要小.

随后对靶体进行了第2次的侵彻试验，第2次入射点与第1次保持一致，靶材破坏特征见表3.通过第2次侵彻试验可以发现，大部分试件迎弹面出现大面积的剥落，侵彻深度也逐渐增大，M 2SF3、M 2SF3BF1、GM 2SF3的侵彻深度分别比第一次增加了32.24%、51.85%、22.95%，弹头依然嵌入靶材中并未贯穿.所有靶体中只有M 2SF3BF1靶体背面依然完好.

2.2 靶体的爆炸破坏结果及分析

抗爆试验后靶体迎爆面出现了比较规则的漏斗坑，为了准确的比较其毁伤效果，采用漏斗尺寸大小来表示，具体爆炸测试数据见表4.

表4中数据记录了内爆炸作用下混凝土靶体的破坏参数，这些参数客观上表征了混凝土的破坏情况.未加纤维的混凝土靶体M 2的抗爆炸能力很弱，靶体的破坏情况很严重，靶体破碎成较大的块状物.这种结果是由超高性能混凝土基体本身是脆性材料这一性质决定的.M 2没有掺加任何纤维增强体和增韧材料，材料自身的抗拉强度低，在爆炸载荷作用下，靶体内部产生的强应力波会对靶体产生一个巨大的压迫和剪切作用，使其迅速的均匀裂解.

表2 第1次侵彻靶材破坏情况Tab.2 Materails damage of the targets subjected to the firstpenetration

图3 第1次侵彻靶体正面破坏形态Fig.3 Damageon the frontof the targetssubjected to the firstpenetration

各靶体的放药量和放药深度相同，而且爆炸作用后都出现了规则的漏斗坑，通过测量漏斗坑的尺寸，可以很好地表征3种材料的抗内爆炸性能.数据表明，GM 2SF3靶体漏斗坑尺寸最小，然而该靶体却出现了贯穿性大裂缝，迎爆面大裂缝也是最多的.这是由于粗骨料只是增加了靶体的抗压强度，而对混凝土的抗拉和抗剪切强度贡献较小.同时粗骨料造成了靶体内部不均，这种不均带来的靶体内部应力集中是影响其抗内爆炸能力的一个重要因素.M 2SF3BF1靶体相较 M 2SF3靶体漏斗坑尺寸小，而且靶体外部保持较好状态，这是由于加入玄武岩纤维对提升混凝土靶体的抗拉和抗弯强度有积极作用，并且由于混杂纤维的协同效应，M 2SF3BF1靶体的抗压强度较高.混凝土抗内爆炸能力与靶体本身材料的组成和结构有关，抗内爆炸性能优异的混凝土不仅要求具有较强的抗压强度，还必须有较优异的抗拉和抗剪切强度.

表3 第2次侵彻靶材破坏情况Tab.3 Materails damage of the targets subjected to the second penetration

表4 混凝土靶体爆炸试验结果Tab.4 The explosion test resultsof concrete targets

不同靶体的破坏情况和漏斗坑状况如图4所示.纤维增强的超高性能混凝土都形成了比较规则的漏斗爆坑.这是由于炸药埋深较浅，冲击波的能量容易被空气耗散，部分反射波和透射波转换成地震波，流固耦合作用比第1组减小了很多，因而混凝土结构受到的应力特别是剪切应力和拉应力也相应减弱.

基体混凝土靶M 2的破坏最为严重，爆炸后变成了一堆块状物，原因在于基体混凝土没有掺加任何增强纤维或者粗骨料，其本身属于脆性材料，无法承受住爆炸超压对其施加的巨大压、拉和剪切作用.纤维增强混凝土材料的静态抗压强度都能达到200MPa以上，3组纤维增强混凝土靶体都能形成完整的漏斗爆坑.从测试数据上来看，GM 2SF3靶体的漏斗坑体积最小，M 2SF3BF1次之，MSF3最大.然而这并不能完全代表它们的抗内爆炸能力大小顺序，因为GM 2SF3靶体出现了较大的贯穿裂缝，而且靶体周身出现巨大的撕裂变形，这显示出该靶体的抗内爆炸能力不如其他纤维增强靶体.

靶体M 2SF3BF1是在靶体M 2SF3的基础上加入一定配比的玄武岩纤维，玄武岩纤维是无机纤维，具有很高的弹性模量.根据纤维的混杂效应理论，玄武岩纤维与钢纤维混杂优化了混凝土内部结构，提高了混凝土的抗弯和抗剪切强度，静态力学试验也已经证实了这一点.靶体GM 2SF3是在靶体M 2SF3基础上加入一定比例的玄武岩粗骨料，然而粗骨料的加入只是提高了抗压强度，对提高爆炸时混凝土的断裂能贡献较小.加之粗骨料在成型时易导致混凝土结构内部结构不均匀，从而出现应力集中的问题.这就是掺加粗骨料的靶体在爆炸试验中易被撕裂的原因.综上分析可知，本试验设计中M 2SF3BF1靶体抗内爆炸性能最优.

3 结论

1）通过在混凝土中掺入钢纤维及玄武岩骨料可以提高其抗侵彻性能，使得材料能连续抵抗2次弹丸冲击，这是由于纤维对能量的吸附，以及骨料对弹体的偏转作用.

2）钢纤维和玄武岩纤维混杂的混凝土在经过2次高速弹丸侵彻后仍保持较完整的形状，抗侵彻性能优异.掺入玄武岩骨料的混凝土第二次侵彻深度有所降低，但含粗骨料的混凝土在侵彻作用下开裂情况较不含粗骨料的混凝土严重.

3）在爆炸靶体设计时，需要考虑靶体材料的综合力学性能，在提高材料抗压强度的同时，也要提升材料的抗拉和抗剪切性能.玄武岩纤维与钢纤维混杂产生了显著的协同效应，增强增韧和阻裂效果明显，使得靶体材料具有较强的抗爆炸性能.

[1]邓国强，杨秀敏.钻地弹重复打击效应现场试验研究 [J].防护工程，2012，34（5）：1-5.

[2]左魁，张继春，王启睿，等.重复爆炸条件下岩石介质破坏效应试验研究 [J].岩石力学与工程学报，2008，27：2675-2680.

[3]戎志丹，孙伟，张云升，等.超高性能钢纤维混凝土抗二次接触爆炸性能研究 [J].华北水利水电学院学报，2012，33（6）：1-4.

[4]付跃升，张庆明.钢筋混凝土中爆破漏斗特征尺寸研究 [J].北京理工大学学报，2006，26（9）：761-764.

[5]焦楚杰，孙伟，高培正，等.钢纤维混凝土抗爆炸数值模拟 [J].混凝土，2005（7）：43-47.

[6]M illard SG，Molyneaux TC K.Dynamic enhancementof blast-resistantultra high performance fibre-reinforced concreteunder flexural and shear loading[J].International Journalof ImpactEngineering，2010，37（4）：405-413.

[7]Katrin Habel，PaulGauvreau.Responseof ultra-high performance fiber reinforced concrete（UHPFRC）to impactand static loading[J].Cement and Concrete Composites，2008，30（10）：938-946.

[8]Jianzhong Lai，Wei Sun.Dynam ic behaviour and visco-elastic damagemodel of ultra-high performance cementitious composite[J].Cementand Concrete Research，2009，39（11）：1044-1051.