防爆墙材料与结构研究进展

2021-11-20陈沫衡张典堂

工程爆破 2021年5期

陈沫衡，张典堂，钱坤，徐阳

(1.江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡 214122；2.江南大学纺织服装学院，江苏无锡 214122)

爆炸是指大量能量在有限体积和极短时间内快速释放或急骤转化的现象，这种能量转化将对周围的介质起到强烈的作用，以致造成被作用物体产生严重变形和破坏[1]。防爆墙就是用于抵抗爆炸所形成的冲击波和破片等所造成的危害。防爆墙除了应用于军事防护外，在油气开采与储存等易燃易爆的场所以及反恐等领域都具有巨大的应用市场[2]。

在爆炸的过程中，气体产物以球状不断向外膨胀并以超声速的速度压缩周围的空气，使得空气的压力、密度骤增，形成很强的冲击波，当冲击波作用于防爆墙墙体时，冲击波在墙体内部会产生反射拉伸波，由于大多数的固体材料的抗拉能力远小于抗压能力，导致固体材料分层或剥落，以致破坏原来的结构状态[3-4]。除冲击波外，炸药爆炸还会将炸药的能量转化为破片的动能，使破片以很高的速度向外飞散，造成墙体的局部破坏。因此防爆墙不仅要防冲击波对墙体的整体作用，还应具备抵抗破片点冲击的能力。

1 传统防爆墙材料和结构

由战争演变出的防爆墙，主要形式是沙袋式防爆墙，后来随着应用场合和需求的变化，围栏式防爆墙、钢筋混凝土防爆墙、水体防爆墙等也渐渐发展起来。

1.1 沙袋式防爆墙

沙袋式防爆墙(见图1)最大特点就是结构简单、取材方便，可以根据不同的保护对象对墙体的结构进行更改，在战争防护中有着广泛的应用。为了达到快速拼装的目标，美军创新设计了一种快速拼装式防爆墙(见图1b、图1c)，其内部使用聚丙烯无纺布，外部用镀锌钢的网状格子链接，在使用时将折叠的材料展开，就地取用沙土、石块等材料，用工程车辆进行填装，大大提高了作业效率。

图1 沙袋式防爆墙Fig.1 Sandbag explosion-proof wall

1.2 钢筋混凝土防爆墙

沙袋式防爆墙外皮一旦发生破坏、沙土流失，防爆效果将大打折扣。但是以钢筋混凝土结构为代表的刚性防爆墙(见图2)不同，在受到爆炸冲击时，由于它的刚度、强度、质量和体积较大，因此墙体基本不会被破坏且变形小。冲击波在墙上经历了反射和绕流后，大大减少了墙后被保护物体所受到的冲击压力。

图2 钢筋混凝土防爆墙Fig.2 Reinforced concrete explosion-proof wall

1.3 水体防爆墙

水体防爆墙(见图3)具有原料易获取、成本低、辅助材料便于储存运输等特点，且在被冲击破坏后二次毁伤较小，也可以预防火灾等次生危害。

图3 水体防爆墙Fig.3 Water body explosion-proof wall

水体在防爆过程中会伴随着水、空气和爆炸产物之间的能量交换、相态转化等问题。文献[5]指出，水体墙在接触到冲击波和爆炸产物时会在短时间内被粉碎，大部分的水体颗粒随冲击波传播的方向飞散，在此过程中耗散了能量；还有小部分的水体由于爆炸波的高温而变成了水雾，水雾随即与压缩后的高温空气混合进行了能量交换变为水蒸气，从而降低了压缩空气的温度和压力，同时也抑制了爆炸冲击波的进一步传播[6]。

2 新型防爆材料和结构

传统防爆墙因其体积大、不易拆卸，且防爆效果不佳，不适用于应对突发事件的快速响应。现代形势下，随着应急防护需求的不断提升和材料科学的不断发展，新型高性能纤维和新型结构不断被应用在防爆领域中，使得防爆墙在提高抗爆性能的同时，实现墙体的轻量化与安装快速化。

2.1 新型材料

随着科技的发展，各种新型材料层出不穷，新型材料以其轻质化、高模量、耐腐蚀性好等优点，在不同的防爆墙中充当着加强结构、削波吸能、降低墙体损伤等作用。

2.1.1 高性能纤维材料

高性能纤维有着高强、高模、耐热、耐腐蚀等优点。纤维增强混凝土(FRC)具有优异的强度和变形特性，在防爆、抗震、抗冲击等安全防护工程领域有良好的应用前景。学者们已对多种FRC材料在常温条件下的动态力学性能开展了研究[7-8]，结果表明，以纤维为增强体混入混凝土中，不仅可以提高混凝土的抗冲击荷载作用能力，还可以使混凝土脆性显著的特点大为改善，从而扩展了其在安全防护领域的应用范围，为工程防护领域在抗震、防爆、抗冲击等方向的理论研究和技术创新带来现实意义。

为了提高混凝土的抗爆裂性能，在传统钢筋混凝土中掺加长碳纤维。在现场爆炸试验中，通过对比传统钢筋混凝土板(RC)和长碳纤维混凝土板(LCFRC)的损伤程度，发现长碳纤维混凝土板表面损伤轻、材料损失率低，证明加入长碳纤维能明显提高混凝土的抗冲击性能[9]。在探究混凝土中掺入玄武岩纤维的抗冲击性能过程中，采用U形试件及自制落锤冲击装置对4种不同掺量的玄武岩纤维混凝土(BFRC)进行冲击测试，发现BFRC的抗冲击性能在设计比例范围内与玄武岩纤维含量成正相关；任韦波等[10]利用霍普金森杆对不同温度作用后的BFRC进行了冲击加载实验，发现在较高加载速率和温度下，玄武岩纤维在混凝土内形成的“微加筋”系统可以有效收缩和约束混凝土由于高温而产生的裂缝，提高其冲击韧性和动态拉伸强度。

增强钢筋混凝土结构的另一种方式就是采用纤维增强复合材料(FRP)贴片，FRP是一种由同向排列的长丝与树脂等结合的聚合物。常用的种类有芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)等。由于FRP质地轻薄，虽然不足以吸收和消耗冲击波的能量，但是可以作为钢筋混凝土结构的加固材料，在减轻重量的同时充分发挥各自的强度。钢筋、混凝土和FRP的材料参数如表1所示[11-14]。可以看出FRP的密度约为Q235号钢的1/5，这就为防爆墙的轻质高强提供了可能。FRP的模量虽然没有钢板大，但是FRP通过紧紧覆盖在墙体表面，为墙体提供了足够的约束，提高了板的整体刚度，同时又避免了钢板加固的界面黏结不牢、易锈蚀等问题。

表1 钢板、混凝土和FRP的材料参数

为了验证FRP的抗爆加固效果，Jacques等[15]对外部粘贴FRP的RC载荷结构进行了60次模拟爆炸，结果表明，在防止复合材料与混凝土基材脱粘的前提下，外部粘结的FRP可以提高钢筋混凝土结构的抗爆性能[11,15]。戚雪剑[11]对FRP的加固方式和加固层数给出了建议。Ahmed等[16]研究了爆炸作用下FRP夹芯板的有效性，重点对FRP面板的吸收能量和峰值变形进行了分析，结果表明该种面板使能量耗散提高了111%，变形水平降低了7%，具有出色的抗爆性能。但轻薄的FRP结构单独作用不足以吸收消耗冲击波，与其他材料的板材结合才能够更好地发挥不同材料的优势[17]。

2.1.2 多孔材料

在传统的工程材料中，人们通常认为孔洞是一种结构缺陷，因为它极容易引起材料的裂纹，从而使材料在后续的使用中产生物理及力学性能不佳的现象。但是当材料的孔隙率增大到一定程度后，就形成了一种新的门类，即多孔材料，也可称之为泡沫材料。泡沫材料在防爆领域有着广泛的应用，原因有三。首先，所有结构都可以通过内部应力、弹性变形、塑性弯曲、断裂等来吸收与消散能量，泡沫材料自身阻尼较大，耗能能力更强；其次，泡沫材料吸能是各向同性的，因此在受到冲击时可以在多个方向同时吸收能量，因此能起到很好的隔爆、消压、吸能的作用；最后，泡沫质量轻，有利于防爆墙的整体减重。

金属泡沫是一种采用发泡、烧结等生产工艺制作的含有大量孔洞的金属基材料[18]，它既保留了金属具有一定的强度，且在压缩的过程中具有较长的平台区[19]，同时也具有类似于泡沫塑料的高阻尼性能(见表2)，其阻尼能力比致密块体高出3～10倍[20]，较大的阻尼更利于冲击波的耗散和衰减。金属泡沫材料在爆炸防护领域的应用是当前国内外学术研究的热点。

表2 泡沫铝、Zn-Al合金和Al块的阻尼

为研究泡沫铝的破坏形态和特点，夏志成等[21]对3种厚度的钢-泡沫铝夹芯板进行5种不同当量的TNT爆炸试验，分析得出泡沫铝通过局部压缩和整体弯曲来吸收能量。Taha等[22]对比了在两层混凝土内部添加空气层或泡沫铝层对减轻墙体损伤的效果。结果表明，添加空气层的爆炸波因在两壁之间不断反射而放大冲击效果，添加泡沫铝层的爆炸波因能量被吸收而减轻了冲击效果，并且增大泡沫铝芯层的厚度可以提高整体的抗爆性能[21-22]。随着功能梯度材料的发展，梯度材料夹芯结构的力学研究也备受学者们的关注。例如，杨丽君等[23]通过数值模拟对梯度泡沫夹芯板的抗爆性能进行了分析，结果显示相较于质量相同的均质夹芯板，梯度泡沫夹芯板在抗爆性能上有显著提升，并以面板比吸能最大和背板中心最大变形量为2个目标函数，对各层泡沫铝参数进行了进一步优化。高海莹等[24]则通过户外爆炸试验对不同密度分布的泡沫铝夹芯板的动态响应及破坏模式进行了研究，并通过有限元模拟分析得出，当泡沫铝的密度由上到下递减时，钢筋混凝土板的减爆效果最好。

聚氨酯泡沫材料是一种轻质、多孔且易成型的介质材料，因其良好的隔爆性能以及优廉的价格，早在90年代末就已在国防和军事等领域被广泛应用[25]，其与金属板结合具有良好的抗爆性能。

近年来，许多学者都对包括聚氨酯泡沫在内的新型材料的抗爆性能做了对比，例如，张文宽等[26]通过ANSYS/LS-DYNA对普通钢筋混凝土墙和钢板-聚氨酯泡沫夹芯板的抗爆性能进行数值模拟分析，结果显示钢板-聚氨酯泡沫夹芯板在相同爆炸载荷下的动态响应均小于普通钢筋混凝土墙，抗爆性能最大可以提升31.2%。张建亮等[27]则对比了钢板夹-混凝土夹芯板、钢板-聚氨酯夹芯板和钢板-泡沫铝夹芯板3种形式的防爆墙的抗爆效果，指出3种墙均有良好的防护作用，吸能效果按钢板夹混凝土、钢板夹聚氨酯、钢板夹泡沫铝的顺序递增。在朱福林等[28]的研究结果中，隔爆板的吸能顺序按泡沫铝、酚醛树脂、聚氨酯泡沫的顺序递增。上述两个研究结果出现泡沫铝和聚氨酯泡沫吸能效果不一致的现象，造成这种现象的主要原因是二者工况不同，并且在朱福林的研究中隔爆板没有铝防护层。除了不同材料之间的吸能性对比，还有学者将两种材料结合来增加吸能效果。张勇等[29]将开孔泡沫铝中填充聚氨酯泡沫，研究混凝土板-聚氨酯泡沫铝夹芯板的抗冲击性能，试验结果表明，聚氨酯泡沫铝在适用的冲击范围内可以有效发挥其变形吸能的能力。

2.1.3 表面喷涂材料

聚脲弹性体(简称聚脲)是一种新兴安全防护材料，当它喷涂在迎爆面时，主要依靠弹性变形吸收能量，并且可以有效缓解破片所产生的应力集中现象，能够提高墙体的局部剪切能力[30]；当喷涂在背爆面时，聚脲则通过断裂来消耗更多的冲击波能量，并且保护结构使其破坏程度最小[31]。聚脲的吸能原理是它在动载荷作用下会发生相变，由橡胶态转化为玻璃态，因而可以很好地吸收能量[32]。在安全防护领域，已有了关于聚脲应用于官兵作战护具、军用车辆、军事工事等方面的研究[33]，因其具有巨大的应用前景，受到了越来越多国内外学者的关注。

王殿玺等[34]和赵鹏铎等[35]分别采用有限元模拟和试验的方式对聚脲涂覆不同位置的钢板进行爆炸载荷作用下的动态响应分析，结果显示聚脲的抗爆效果与结构形式和涂覆位置有关，背面涂覆的效果优于正面涂覆，在相同钢板厚度条件下涂覆聚脲能够提升抗爆性能，但是在相同面密度条件下涂层越厚，钢板变形越大。戴平仁等[36]不仅对聚脲喷涂面板进行了研究，还研究了聚脲填充蜂窝夹层对抗爆性能的影响，结果显示，填充聚脲后的蜂窝在受冲击时变形明显但无坍塌断裂现象，整体夹芯板的吸能能力远高于聚脲喷涂面板的吸能能力。

2.2 新型结构

传统固体防爆墙的损坏不仅会导致其功能丧失，还会产生导致碎片危害的二次碎片。因此，防爆墙通常需要设计得非常坚固，具有可接受的体积和质量，以高刚度和韧性来抵抗预期的爆炸载荷。这一要求除了通过改变材料，还可以通过改变防爆墙的结构来实现。

2.2.1 复合结构

应力波在不同的介质交界面上会产生透射和反射现象，在不同的介质中应力波的峰值会发生改变，波形也会弥散。若将多种介质“软”“硬”相间搭配，可降低透射应力波的强度，从而起到削弱冲击波的效果[37]。按照芯层种类的不同，夹层复合结构大致可以分泡沫夹层、点阵夹层、蜂窝夹层等(见图4)。通过面板的抗拉、抗弯能力与芯板的抗横向剪切能力来使复合结构的抗爆性能充分被利用。

图4 夹层复合结构Fig.4 Sandwich composite structure

夏志成等[21]通过对爆炸试验的分析发现，钢板-泡沫铝夹芯板的吸能作用通过整体弯曲和局部压缩变形来实现，并提出增强面板与芯板之间的连接、遏制层间滑移是提高组合板抗爆性能急需解决的问题。马洋洋等[38]通过ANSYS/LS-DYNA分析得出铺层顺序对不同种多层复合材料的抗爆性能影响不大，但是不同材料的厚度分配对冲击波能量的吸收有着较大的差异。对于夹芯板的结构变形，杨丽君等[23]重点研究了夹芯板的曲率半径和芯体密度的排布对抗爆性能的影响，结果显示在研究范围内，随着曲率半径的增大，夹芯板的面比吸能也单调增大；芯体密度呈大小交替分布时夹芯板的综合抗爆性能最优。

2.2.2 异形结构

现阶段，由于生产工艺的复杂性和危险性日渐增强，生产生活中对防爆墙的抗爆性能提出了更高的要求，同时防爆墙的形式也有了更新的发展。通过对防爆墙结构形式以及冲击波对不同形状迎爆面的传播形式研究，引进新理论来应对不断变化的爆炸破坏形式，以适应时代的要求。

马云玲等[39]通过对直墙、弧形防爆墙和折线形防爆墙(见图5)的抗冲击能力进行了研究，结果显示弧形防爆墙能够削弱爆炸冲击波超压峰值，抗爆效果最佳，但是对于弧形防爆墙的具体参数未做深入研究。杨丽君等[23]得出夹芯板的面比吸能随着泡沫铝曲率半径的增大而增大的结论。庄立阳[2]立足国内对迎爆面研究不足的现状，在墙体为刚性的条件下，分析了5种不同弧度墙体对墙后超压的消减能力，并对比了素混凝土和钢筋混凝土的破坏形式，为复杂墙体的配筋模式提供了理论研究基础。

图5 3种异形结构防爆墙Fig.5 Three types of special-shaped explosion-proof walls

Zong等[40]、Hao等[41]、Jin等[42]等基于爆炸波与障碍物的相互作用会产生波反射、衍射和干扰以减少波能量的想法，设计了一种由结构柱组成的护栏型爆炸墙(见图6)，并通过数值模拟研究了其在减轻爆炸载荷方面的有效性。将围栏式防爆墙和钢筋混凝土防爆墙的超压峰值、超压时间和冲量与自由场的参数进行比较，发现如果布置得当，围栏式防爆墙的抗爆性能与钢筋混凝土墙相同甚至更好。该种防爆墙在降低了墙体体积的基础上，还避免了实体墙的次生碎片危害。

图6 护栏型防爆墙Fig.6 Fence type explosion-proof wall

于文静等[43]、王珂等[44]、师吉浩等[45]均对海洋平台波纹板防爆墙做了研究。于文静等[43]通过三角形爆炸载荷模拟冲击波作用，分析了材料应变率对数值模拟的影响，对墙体受爆炸冲击波的破坏过程做了详细研究，波纹结构如图7所示。王珂等[44]将油气爆炸冲击力等效为TNT的威力，采用数值模拟的方法对3种截面高度不同的波纹状钢板结构进行了分析，波纹钢板通过吸能变形的方式使冲击波消减，从而保护甲板防止其损坏。研究同时证明了波纹状钢板材料在抵抗冲击波时有良好的作用。师吉浩等[45]采用非线性有限元分析方法，分析了3种截面为梯形的防爆墙在冲量载荷、动力载荷和准静态载荷下的损伤机理，并基于破坏模式建立了任意尺寸该种防爆墙的P-I曲线经验预测公式，为工程人员的初始抗爆设计提供参考。