聚异氰氨酸脂噁唑烷弹性涂层钢筋混凝土板抗震塌机理

2022-02-28杨建超汪剑辉王幸王晓峰

科学技术与工程 2022年4期

杨建超，汪剑辉，王幸，王晓峰

(军事科学国防工程研究院，洛阳 471023)

常规武器在接触爆炸作用下，将产生持续时间很短而峰值很高的脉冲荷载，该类荷载同工程结构耦合并在结构内传播时，到达结构自由表面会反射形成拉伸波并引起背面层裂，基于各种机制的损伤演化等综合效应最终会导致震塌[1]。提高工程结构的抗震塌能力始终备受防护工程界重视，但是对于钢筋混凝土结构而言由于混凝土固有的脆性特性(抗拉强度低、韧性差)和爆炸冲击波在结构自由面反射所产生的拉伸效应，使得其抗震塌能力大大减弱。

为有效改善钢筋混凝土防护结构的抗爆/防震塌性能，中外学者对混凝土结构及其组合结构在爆炸荷载作用下的动态响应、震塌机理及破坏过程开展了大量研究。杨建超等[2]通过接触爆炸研究了钢筋混凝土板震塌碎片特性，对碎片的初始速度、质量大小和毁伤特性等均进行了分析。李秀地等[3]通过应力波在层状介质中的传播规律，分析了混凝土-钢板的抗层裂机理。柳景春等[4-5]对内衬钢板混凝土组合结构的抗震塌性能进行了研究并建立了混凝土-钢板组合结构局部效应分析的层状波动计算模型。袁林等[6]通过数值仿真研究了接触爆炸作用下钢筋混凝土板的层裂(震塌)机理。Adhikar等[7]研究了近场爆炸作用下应变硬化水泥基复合材料钢筋混凝土板的抗爆机理。Meng等[8]通过对比试验研究了爆炸荷载作用下钢筋网增强聚合物混凝土板的破坏机理。陈万祥等[9]通过导爆索模拟冲击波均布荷载的试验方法研究了高强钢筋加强混凝土板的抗爆性能。龚顺风等[10]通过数值仿真研究了钢筋混凝土板局部震塌的动态演变过程。蔡路军等[11]开展了爆炸荷载下钢筋混凝土梁的应变与损伤试验研究，试验结果为工程结构设计提供了参考依据。

近年来，以聚脲为代表的弹性涂覆材料应用于工程结构以提高抗爆/防震塌能力受到众多学者关注。翟文等[12]运用数值仿真和试验研究的方法，对聚脲-钢板夹层结构的抗爆性能进行了研究，表明聚脲弹性体能够抑制结构大变形，防止破片产生。戴平仁[13]通过数值仿真研究表明聚脲作为夹层的抗爆性能优于喷涂于结构的正面、背面或双面。冯加和等[14]从力学性能、防护结构应用研究、吸能机理3个方面分析了聚脲弹性体在爆炸防护中的研究进展，并从分子微观结构方面分析了抗爆机理。黄微波等[15]通过对聚脲弹性体的研究成果和实际应用情况分析，指出在工程结构背面喷涂聚脲弹性体能够显著提高抗爆性能和吸能效率。上述相关研究虽取得一定成果，但也存在宏观描述多，机理分析少等问题。依据试验结果，从爆炸冲击波在双层介质内的传播特征角度，分析聚异氰氨酸酯噁唑烷(polyisocyanate oxazodone，POZD)弹性涂层钢筋混凝土板抗震塌机理，试图揭示抗爆/防震塌的动力学原理，为防护工程设计提供参考依据。

1 POZD材料简介

POZD是以聚脲的化学基本组成为基础，利用异氰酸酯基团与环氧树脂的催化反应，生产出的一种聚合物高分子材料，其化学成分、分子组成和制备方法等相关信息可参见文献[16]。

POZD材料具有高强度、高韧性、高延展率等性能，同时具备耐酸碱腐蚀、耐低温、抗老化，防水、防火、阻燃、环保无异味等优点。该材料常温下为流塑状态，罐装或者桶装运输，采用专业设备喷涂法施工后暴露空气中24 h即可达到自身强度的100%。材料力学性能如表1所示。

表1 POZD材料力学性能

2 试验设计

2.1 试验模型

设计了两类试验模型，5种靶板。第一类为钢筋混凝土板，无任何涂层的裸板，也是基板，编号P0；第二类为POZD涂层钢筋混凝土板，在基体板的背爆面喷涂POZD涂层，厚度分别为4、6、8、12 mm，编号为P1～P4。

基板厚度150 mm，平面尺寸2 000 mm×2 000 mm,HRB400钢筋Φ14 mm@200 mm×200 mm双层布置，钢筋保护层15 mm，混凝土强度等级C40，28 d抗压强度为41.2 MPa。模型示意如图1、图2所示。

图1 基体板平面图

图2 基体板剖面及POZD涂层示意图

2.2 试验结果

共开展6炮次，结果如表2所示，部分模型试验照片如图3～图8所示。

表2 试验参数及结果

图3 模型P0试验结果(400 g TNT)

图4 模型P1-1试验结果(400 g TNT)

图5 模型P1-2试验结果(600 g TNT)

图6 模型P2试验结果(1 800 g TNT)

图7 模型P3试验结果(2 000 g TNT)

图8 模型P4试验结果(3 000 g TNT)

3 试验结果分析

3.1 宏观现象

钢筋混凝土裸板(模型编号P0)在400 g TNT炸药接触爆作用下，背面出现震塌现象，震塌面积为550 mm×530 mm且几乎贯穿，如图3所示。板背爆面喷涂4 mm厚POZD涂层(模型编号P1)，TNT炸药仍为400 g，爆炸后钢筋混凝土板迎爆面破坏状态同P0近似相同(图4)，背爆面POZD涂层微鼓，鼓起高度约8 mm，TNT药量增加到600g，爆炸后钢筋混凝土基体板出现了贯穿破坏(图5)，POZD涂层仍无任何破损，仅在一定区域内出现圆锥状鼓起现象，鼓起高度为35 mm。当POZD涂层厚度增加为6、8、12 mm时，TNT药量分别增加到1 800、2 000、3 000 g，涂层均无任何破坏，但鼓起高度和鼓起面积逐步增大，高度最大达到190 mm，鼓起直径达1 100 mm，如图6～图8所示。

通过高速录像拍摄发现，在爆炸荷载这种高应变率、强动载作用下，POZD涂层仍然具备较大的延展率、大变形和高塑性特性(图9)，通过自身的大变形不仅吸收了冲击波能量，还约束了混凝土碎片，起到了较好的防震塌效果。未见POZD涂层出现层裂现象。

图9 起爆后不同时刻POZD变形状况

3.2 应力波在POZD涂层钢筋混凝土板中的传播规律

为便于说明问题，将爆炸入射波简化为一维弹性纵波垂直入射的情况进行分析。当入射波σI到达两种介质的界面时，将分别向混凝土介质和POZD介质传播反射波σR和透射波σT，如图10所示。考虑初始阶段，两种介质在界面处始终保持接触，则根据连续条件和牛顿第三定律，界面上两侧经反射、透射后的质点速度和应力应该相等，可表示为

图10 应力波在混凝土与POZD界面上的反射和透射

(1)

式(1)中：vI为入射波波速，m/s；vR为反射波波速，m/s；vT为透射波波速m/s；σI为入射波应力，Pa；σR为反射波应力，Pa；σT为透射波应力，Pa。

根据波阵面动量守恒条件，可得界面两侧应力和质点速度的关系式为

(2)

(3)

式中：n为混凝土介质与POZD介质的波阻抗之比；F为反射系数；T为透射系数；ρ0为材料密度，kg/m3；C0为材料波速，m/s；(ρ0C0)1为混凝土波阻抗，平均值取7.2 MPa/m·s[17]；(ρ0C0)2为POZD材料的波阻抗，约0.326 MPa/m·s。可得n=22，F=-0.91，T=0.087，代入式(2)得出σT=0.087σI，可见透射到POZD介质内的应力峰值仅为入射峰值的8.7%，极大地减弱了涂层内的应力波能量，可以避免反射拉伸波使POZD材料产生层裂效应，故POZD的抗震塌能力大大提升。

3.3 POZD涂层膜体约束效应

将POZD涂层钢筋混凝土板看作复合结构板，爆炸冲击波经混凝土透射入POZD涂层的过程中，同时也在两种介质界面处发生反射并形成拉伸波使混凝土介质内产生拉应力。无论入射冲击波峰值是强还是弱，在复合结构板内产生反射拉伸波后，混凝土介质内的拉应力将始终远大于POZD介质。POZD材料抗拉强度达25 MPa以上，普通混凝土的抗拉强度σc为2.5～5.0 MPa，POZD涂层与混凝土的黏接强度σc-pozd约为3.5 MPa，因此，当入射冲击波峰值足够大，产生的反射拉伸波强度足以使复合结构板发生层裂时，该层裂部位将在混凝土介质内或者两种介质的界面处发生。此时，板背面将形成新的自由面，当入射冲击波峰值足够大、持续时间足够长时，将使混凝土板发生多次层裂，并呈现震塌、贯穿和冲切等同混凝土裸板(无POZD涂层的钢筋混凝土板)相同的破坏模式。根据层裂效应可知，对于混凝土裸板而言，震塌产生的混凝土碎片以一定的速度飞离，但板背面喷涂一定厚度POZD涂层后，震塌碎片将被约束、包裹使其无法飞散，从而起到约束增强效应。

根据图4～图8所示的试验结果，由正面孔洞观察，POZD涂层鼓包内为混凝土碎片，如图11所示，表明POZD涂层能够有效约束、包裹混凝土碎片使其无法飞散，起到膜体约束作用。