EPS缓冲材料衰减水下爆炸能量的实验研究

李志敏，汪旭光，汪 泉，刘文震

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001；3.北京矿冶研究总院,北京102628；4. 安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)，是高效吸能材料，在爆破工程安全防护领域的应用越来越受到重视。在水下爆破环境，水介质传播爆炸能量相较于空气介质强度高很多，又因为EPS材料具有质轻、导热系数小、吸水率低、耐腐蚀、耐低温、价廉质优等特性，所以分析EPS缓冲材料衰减炸药水下爆炸能具有重要的现实意义。水下爆炸防护方法研究很多，倪小军等[1]分析了泡沫铝壳对水下爆炸冲击波衰减的影响，贾虎等[2-3]分析了空气隔层及爆炸气泡幕对水中冲击波的衰减特性，袁英杰等[4]研究了爆炸载荷下泡沫混凝土的减振性能，汪泉等[5]分析了有机玻璃-空气层结构对爆炸水池水下爆炸地基振动的影响，汪玉等[6]分析了泡沫芯层夹层结构水下爆炸冲击特性，万松林等[7]分析了塑料泡沫抗冲覆盖层深水爆炸响应，艾冬杰等[8]研究了泡沫铝夹芯板结构水下爆炸载荷作用下的失效机理与吸能特性,金泽宇[9]研究了抗冲覆盖层水下爆炸近场和远场的计算方法。以上研究均以缓冲介质在具体结构中缓冲水下爆炸能量，而直接分析缓冲介质本身衰减水下爆炸能量的研究尚未见到。

本研究在爆炸水池中起爆有EPS缓冲材料包裹的8号工业导爆管雷管，采用压力传感器测量水下固定爆心距处爆炸冲击波参数，采用振动传感器测量实验水池近地面固定点处振动，分析包裹雷管的EPS材料密度和包裹半径对水下爆炸能量的衰减作用，以期为水下爆炸工程安全防护提供参考。

1 实验部分

实验水池半径5.5 m，高3.6 m。使用8号工业雷管作为爆源，在雷管中心入水深度为2.4 m处引爆。为研究EPS缓冲材料对水下爆炸能量的衰减作用，采用EPS材料对雷管进行柱形包裹，雷管轴线与柱体轴线重合。缓冲柱体高60 mm，上下为圆形木质夹板，表面为塑料薄膜，EPS材料均匀、密实地充满柱体。雷管与缓冲柱体的开口处用胶密封，使得雷管不会脱落以及缓冲柱体内不会进水。变换EPS材料粒径大小和缓冲柱体半径，进行多组对比实验，分组编号，如表1所示。

表1 实验分组

采用ICP型水下爆炸压力传感器测量爆炸冲击波，在距离爆心0.3、0.5 m设置2个测点。采用NUBOX-6016型爆破振动测试仪测量水池近地面振动，振动传感器距离水池外表面1 m(见图1～图2)。

图1 实验装置及测试系统

图2 水中冲击波测试和地面振动测试

2 结果与讨论

2.1 水下爆炸冲击波能和气泡脉动能

炸药在水下爆炸后，会在水中产生大于水中音速的冲击波和气泡的脉动波。利用置于水下的爆炸压力传感装置，就可以测试出冲击波和气泡的脉动波随时间而产生的变化历程，通过电缆线传输信号到放大、采集装置，通过计算机系统的处理，形成波形图，就能够得到冲击波能和气泡能等参数。

水下压力测点测得的冲击波超压和比冲击波能随EPS缓冲柱体半径变化如图3、图4所示。由图可见：相对于无缓冲材料包裹的雷管水下爆炸(R=0 mm)，有EPS材料包裹的雷管水下爆炸(R>0 mm)冲击波超压和比冲击波能明显减小。而且随缓冲柱体半径R梯度增加(梯度间隔为40 mm)，冲击波超压和比冲击波能一致递减明显。

图3 极值超压随缓冲柱体半径变化

图4 比冲击波能随缓冲柱体半径变化

下面分别从缓冲柱体半径、装填密度以及压力测点位置三方面分析EPS缓冲材料对水下爆炸能量的衰减作用。

1)EPS材料缓冲柱体半径增加，在EPS材料密度不变条件下，压力测点极值超压和比冲击波能均减小，相对于无EPS材料缓冲，衰减率如表2所示。

表2 缓冲柱体半径增加引起爆炸能量衰减百分比

2)EPS材料密度增加(粒径减小)，EPS材料缓冲柱体半径不变，压力测点极值超压和比冲击波能均减小，衰减情况如表3所示。由表可知：EPS材料密度增加相同，缓冲柱体半径越大，压力测点极值超压和比冲击波能衰减程度越高。

表3 EPS材料密度增加引起爆炸能量衰减百分比

3)EPS材料密度相同，缓冲柱体半径相同，压力测点的爆心距S越大，测得极值超压和比冲击波能越小，能量衰减率如表4所示。

表4 爆心距增加引起爆炸能量衰减百分比

由表2～表4有：①增加EPS缓冲柱体半径对衰减水下爆炸能量作用大，衰减率γR、ηR相对于γρ、ηρ数值要大。②增加装填EPS材料密度，可有效地衰减水下爆炸能量，衰减率γρ、ηρ随EPS缓冲柱体半径的增大而增大。③有EPS缓冲材料包裹炸药的水下爆炸相对于无缓冲材料包裹炸药的水下爆炸，测点爆心距S增加对水下爆炸能量的衰减作用并无明显强化。如表4所示，R=0 mm时能量衰减率相较于R>0 mm情况并未明显偏低，有的还略高。

综合考虑EPS材料缓冲柱体半径、装填密度以及压力测点位置三重因素对水下爆炸能量的衰减作用，设定EPS材料初始密度(本实验为粒径A族)、压力测点初始位置(本实验为S=0.3 m)，则相对压力测点(本实验为S=0.5 m)，在EPS材料增加后密度(本实验为粒径B族)，极值超压和比冲击波能可表示为

(1)

式中：p0为压力测点S=0.3 m在雷管无EPS材料缓冲条件下爆炸所测冲击波超压；ES0为压力测点S=0.3 m在雷管无EPS材料缓冲条件下爆炸所测比冲击波能。

若EPS缓冲材料密度不变则γρ=0、ηρ=0，若测点位置不变则γS=0、ηS=0，式(1)可以表示所有极值超压和比冲击波能的实验值。结合表2～表4得到：极值超压衰减率在27.4%～89.8%之间，比冲击波能衰减率在77.3%～99.8%之间。为将式(1)推广到工程实践，定义如下无量纲量：

(2)

(3)

(4)

(5)

实验测得无EPS材料缓冲水下爆炸和R=40 mmEPS材料缓冲水下爆炸的气泡脉动周期和比气泡能如表5所示。炸药在实验设置的其他缓冲情况(R≥80 mm)下爆炸，压力测点未测得水下爆炸气泡脉动数据。

表5 气泡脉动周期和比气泡能

从测试结果看，EPS缓冲材料对水下爆炸气泡能衰减作用显著，炸药在大于一定的EPS材料缓冲柱体半径条件下爆炸，水下爆炸脉动波被弱化或消除。

2.2 水下爆炸引起水池周围地面的振动

在EPS材料缓冲柱体半径R=40 mm，粒径大小为A族(3～5 mm，ρA=21.3 kg/m3)时，振动测点x(径向)、y(环向)、z(垂直)3个方向的振动波形如图5所示，显然垂直于地面的z向振动速度最大。根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[11]规定，以及实验所测振动数据，选振动测点竖直方向振动速度进行分析。

图5 振动测点的波形(R=40 mm，A族粒径)

炸药在不同的缓冲柱体半径包裹下爆炸引起振动测点竖直方向最大振动速度如图6所示。从图中可以看到：雷管在有EPS材料缓冲与无材料缓冲的水下爆炸相比，引起爆炸水池外振动测点的竖直方向最大振动速度明显减小，衰减率在76.3%～90.7%，说明EPS材料衰减由于水下爆炸引起的水体周围物体振动效果显著。EPS材料缓冲柱体半径是衰减振动的主要因素，EPS材料装填密度增加(粒径由A族变为B族)，并未引起振动速度明显衰减，图6中同一缓冲柱体半径处，两粒径族纵轴数值相差不大。

图6 振动测点垂直方向最大振动速度

3 结论

1)雷管在水下爆炸，随着包裹雷管的EPS缓冲柱体半径梯度增大，压力测点冲击波超压、比冲击波能衰减率以及振动测点竖直方向振动速度衰减率都显著增大；在缓冲柱体半径R≥80 mm时，水下爆炸脉动波弱化或消失；增加EPS缓冲材料的密度，可有效衰减压力测点爆炸能量，但对振动测点速度衰减影响较小；压力测点爆心距增加，测得爆炸能量减小，但不因有EPS材料缓冲作用而衰减率明显提升。

2)导出公式(1)可用于根据防设点的爆心距S和药包半径r来近似设计选择EPS材料缓冲厚度R和密度ρ。