袁建虎，唐建，呂振堅，安立周

(解放軍理工大學 工程兵工程學院，江蘇 南京210007)

0 引言

混凝土是防護工程中應用最廣泛的材料之一，但混凝土材料脆性大、易開裂、抗沖擊性差。在一些承受高速沖擊或爆炸的工程中，普通鋼筋混凝土已不能滿足要求，為改善性能，鋼纖維混凝土(SFRC)在軍事工程中的應用研究備受關(guān)注［1－8］;另外，高摻量鋼纖維混凝土(SIFCON)由于其阻裂、增韌、抗沖擊等明顯優(yōu)點，也是較好的防護抗爆材料［9－10］，但要在防護工程中大面積地推廣使用SFRC 和SIFCON，仍面臨制備技術(shù)通用性、工程造價、設計理論與施工技術(shù)等方面的諸多問題［11］。前期的系列理論和試驗研究已經(jīng)表明，本文所研究的鋼絲網(wǎng)混凝土經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后具有優(yōu)異的靜動態(tài)力學和抗侵徹性能，是一種較為理想的工程防護材料［12－14］。為加強鋼絲網(wǎng)混凝土在工程防護領域的應用研究，本文試驗比較了鋼絲網(wǎng)混凝土(含鋼量2.15%)和鋼纖維混凝土(含鋼量3%、5%)的抗爆性能。

1 試驗方案

結(jié)合前期研究成果，抗爆性能試驗時，鋼絲網(wǎng)選用密度7.8 ×103kg/m3，拉伸強度1 050 MPa 的高碳鋼絲編織而成，經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù):鋼絲直徑φs=0.5 mm，鋼網(wǎng)網(wǎng)格邊長l=3 mm，鋼絲網(wǎng)布設層間距5 mm，試件體積含鋼量Vf=2.15%;鋼纖維選用S－4端鉤型鋼纖維，公稱長度40 mm，長徑比80，抗拉強度1 050 MPa，試件體積含鋼量Vf為3%、5%.試件數(shù)量和規(guī)格如表1所示?；w材料配比如表2所示，基體材料抗壓強度約為100 MPa.

表1 抗爆性能試件Tab.1 Test samples of anti－explosion performance experiment

表2 基體材料配比Tab.2 Proportion of the matrix concrete’s componentskg

2 試驗方法

1)挖掘2 m×2 m、深1.5 m 的坑，填沙，試件無約束平放于坑內(nèi)沙面上。

2)采用集團裝藥的形式，TNT 藥塊捆扎后直接放置在試件表面中心位置，如圖1所示，炸藥的長邊沿靶板試件對角線放置，TNT 炸藥的捆扎形式及起爆點的設置均相同，藥塊使用觸發(fā)電雷管起爆。

圖1 炸藥起爆位置示意圖Fig.1 Starting point of explosion

3)爆炸后，現(xiàn)場觀測記錄試件的整體和局部破壞情況(爆坑形狀、大小和裂縫的開展情況等)。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

在裝藥0.6 kg 接觸爆炸情況下，同材料試件的重復性試驗，均表現(xiàn)出了較好的破壞相似性，具體情況為:試件S－1、S－2 破損嚴重，主體呈粉碎性破壞，僅留有試件邊緣幾個大塊，且較為分散，無法看出試件的原貌，破壞情況參如圖2(a)所示。試件C3(C3－1、C3－2)正面形成近似圓形漏斗坑，漏斗坑直徑約170 mm，深約42 mm，其他位置未見明顯損傷，具體情況如圖2(b)所示;試件背面形成直徑約360 mm、凸起高度約20 mm 的鼓包，同時伴有較多的發(fā)散狀徑向裂紋，其中較為明顯的約有10 條，如圖2(c)所示。在試件W2－1 和W2－2 正面均形成外環(huán)直徑約380 mm、深度約10 mm，內(nèi)環(huán)直徑約165 mm、深度約51 mm 的臺階狀漏斗坑，并且在中心內(nèi)經(jīng)165 mm 范圍內(nèi)的鋼絲網(wǎng)呈粉碎狀破壞，直徑165 mm 以外、380 mm 以內(nèi)的表面素砼保護層粉碎性破壞，暴露出第1 層鋼絲網(wǎng)，但鋼絲網(wǎng)表現(xiàn)出較好的完整性，第1層與第2 層鋼絲網(wǎng)之間的素砼部分碎裂，但沒有脫落;在距離四周邊約50 mm 范圍內(nèi)有貫穿裂紋帶，試件中心500 mm 范圍內(nèi)(鋼絲網(wǎng)增強的有效區(qū)域)無明顯裂紋，敲開表層“素砼”后，一層鋼絲網(wǎng)以下沒有發(fā)現(xiàn)明顯的損壞;除此之外，其他位置基本保持完好，四角對角線方向有細微的裂紋趨勢，無環(huán)向裂紋，四周在邊界效應破碎帶和中心爆炸坑之間有少量平行于周邊的裂紋，徑向裂紋極少，如圖2(d)所示;試件背面形成直徑約340 mm、凸起高度約16 mm的鼓包，同時伴有“十”字形裂紋，除局部素層外，基本無脫落，沒有形成震塌漏斗坑，如圖2(e)所示。

圖2 0.6 kg 裝藥對試件的破壞情況Fig.2 Destroying effects of 0.6 kg TNT blocks

在裝藥1.8 kg 接觸爆炸情況下，2 個相同試件破壞表現(xiàn)出了較好的相似性，具體情況為:試件W1－3、W1－4 正面形成臺階狀坑，外圈直徑約530 mm范圍內(nèi)表層素砼飛離，深約15 mm，內(nèi)圈粉碎脫離成坑，漏斗坑中心直徑約430 mm，深約68 mm，第1 層鋼絲網(wǎng)完好，但下層基材破碎，具體情況如圖3(a)所示;試件背面表層素砼震塌，呈現(xiàn)圓形擴散狀裂紋趨勢，表層素砼剝離直徑約300 mm，中心破碎但未脫落，如圖3(b)所示;試件C1－1、C1－2 正面形成漏斗坑，直徑約408 mm，深度約50 mm，整體顯現(xiàn)少量擴散性裂紋，具體情況參見圖3(c);試件背面無震塌塊，從中心向外有少量對角方向輻射裂紋，無明顯隆起變形，如圖3(d)所示;試件C2－1、C2－2 正面形成的漏斗坑直徑約452 mm，深度約63 mm，呈現(xiàn)少量擴散性裂紋，具體情況如圖3(e)所示;試件背面無震塌塊，從中心向外有對角方向輻射裂紋，微小隆起，凸起范圍直徑約220 mm，如圖3(f)所示。

3.2 結(jié)果分析

總的來說，在接觸爆炸試驗中，爆炸對混凝土試件的正、反面均產(chǎn)生了以徑向和環(huán)向裂縫、混凝土保護層與鋼絲網(wǎng)脫離等為特征的局部破壞作用;同時試件產(chǎn)生了板中線的縱向裂縫、板剖面的層狀分離和板的拱曲等為特征的整體破壞，具體破壞效果可整理如表3所示。

表3 爆炸漏斗坑的直徑和深度Tab.3 Diameter and depth of the funneled hole

3.2.1 靶件抗爆性能分析

比較破壞效果可知，鋼絲網(wǎng)和鋼纖維2 種增強方式，均可以有效提高“素砼”的抗爆性能。在同樣的外部條件及爆炸荷載條件下，鋼絲網(wǎng)砼試件和鋼纖維砼試件有著極為相似的破壞特征，具體表現(xiàn)為:0.6 kg 裝藥條件下的C3 試件和W2 試件破壞效果極為接近，迎爆面W2 試件成坑直徑(165 mm)略小于C3 試件(170 mm)，W2 試件成坑深度(51 mm)卻略大于C3 試件(42 mm);1.8 kg 裝藥條件下的W1試件、C1 和C2 試件破壞效果也極為接近，迎爆面W1 試件成坑直徑(430 mm)略大于C1 試件(408 mm)，卻小于C2 試件(452 mm)，W1 試件成坑深度(68 mm)大于C1 試件(50 mm)和C2 試件(63 mm)。

圖3 1.8 kg 裝藥對試件的破壞情況Fig.3 Destroying effects of 1.8 kg TNT blocks

考慮W2 試件和W1 試件制作時表面預留了10 mm 左右的“素砼”保護層，而試驗證實“素砼”在爆炸荷載下極易破損，為此，去除W2 試件和W1 試件表面層厚度后，W2 試件比C3 試件成坑直徑減小約3%，二者成坑深度基本相當;W1 試件比C1 試件成坑直徑增大約7.5%，成坑深度增大約13.7%;W1 試件比C2 試件成坑直徑減小約4.7%，成坑深度減小約7.8%.

文獻［13］結(jié)果顯示:在半穿甲彈(長456.4 mm，直徑57 mm，攻角0°)對鋼纖維混凝土和鋼絲網(wǎng)混凝土試件的打擊試驗中，含鋼量Vf=2.15%的鋼纖維混凝土試件被擊碎;Vf=5%的鋼纖維混凝土試件侵徹深度為380 mm，試件有多處明顯裂紋;而Vf=2.15%的多層密排鋼絲網(wǎng)混凝土試件的侵徹深度只有330 mm，且試件無明顯裂紋。

對比抗爆性能試驗結(jié)果，考慮侵徹試驗的含鋼量，在抗爆性能方面鋼絲網(wǎng)混凝土比鋼纖維混凝土略有優(yōu)勢，但相比較而言，其優(yōu)勢比不上抗侵徹性能方面的優(yōu)勢那么明顯。

3.2.2 爆炸漏斗坑參數(shù)計算

接觸爆炸時，爆炸漏斗坑大小一方面受炸藥起爆方式以及炸藥本身(如裝藥形狀、布藥方式、起爆點、密度、爆轟波速等)特性影響;另一方面，爆炸荷載與靶件之間的相互作用，不能孤立處理，靶件的性質(zhì)(如厚度、強度、密度等)將影響荷載的作用效果，從而影響爆炸漏斗坑的尺寸［4－5，8－9］。本次試驗中所用炸藥類型、裝藥大小、方式和位置以及起爆點均相同，靶件下介質(zhì)也相同，為此，在爆炸漏斗坑參數(shù)計算時，對于爆炸漏斗坑只存在靶件自身特性造成的差異。

通常，接觸爆炸所產(chǎn)生的漏斗坑直徑D 和深度(即壓縮破壞半徑da)可用(1)～(2)式計算:

式中:m 為裝藥量(kg);k、ka均為反映介質(zhì)抗爆性能的參數(shù)。利用試驗的數(shù)據(jù)，計算出k 和ka如表4所示。

表4 爆炸漏斗坑參數(shù)計算Tab.4 Calculation of the funneled hole’s parameters

由計算值可知，在裝藥量較小的情況下(如0.6 kg裝藥條件下)，2.15%含鋼量的鋼絲網(wǎng)混凝土試件的k 和ka與5%含鋼量的鋼纖維砼基本相當，也即說明二者抗爆性能基本相當。

在較大藥量情況下(如1.8 kg 裝藥條件下)，2.15%含鋼量的鋼絲網(wǎng)混凝土試件的k 和ka介于3%含鋼量的鋼纖維砼和5%含鋼量的鋼纖維砼之間，也即是說，2.15%含鋼量的鋼絲網(wǎng)砼抗爆性能優(yōu)于3%含鋼量的鋼纖維砼，卻遜于5%含鋼量的鋼纖維砼。由于靶件基體材料強度基本一致，故所采用的增強材及增強方式是決定k 和ka的主要因素。

由于k 和ka均為反映介質(zhì)抗爆性能的參數(shù)，對于特定的材料而言，其數(shù)值應是確定的，為此，借助本文試驗，以及同批次其它試件試驗獲得的數(shù)據(jù)，整理后如表5～6 所示。

表5 鋼纖維砼k 和ka 平均值Tab.5 k and ka of steel fiber reinforced concrete

表6 鋼絲網(wǎng)砼k 和ka 平均值Tab.6 k and ka of steel－wire－net reinforced concrete

文獻［16］經(jīng)過理論和試驗比較所給出鋼纖維混凝土(5%體積含量)的ka值推薦值為0.041，這與表5中算出的數(shù)值較為接近，考慮試件制作工藝、養(yǎng)護時間和天氣等原因，同時考慮某些試件測量值有一定偏差，由此可以看出本次試驗獲得的數(shù)據(jù)具有一定的普遍性，為此，依據(jù)表6獲得的平均值，可確定當使用鋼絲網(wǎng)增強混凝土，進行防護工程的抗爆結(jié)構(gòu)設計時(鋼絲直徑0.5 mm、網(wǎng)格邊長3 mm 的編織鋼絲網(wǎng)，按照5 mm 層間距排列，基材標號TC100)，其爆炸漏斗坑深度，即壓縮破壞半徑

式中:m 為裝藥質(zhì)量(kg);ka為反映介質(zhì)抗爆性能的參數(shù)，取值為0.054.

4 結(jié)論

1)使用鋼絲網(wǎng)或鋼纖維增強混凝土均可有效提高混凝土復合材料的抗爆性能。對比鋼纖維增強混凝土，鋼絲網(wǎng)增強混凝土雖然含鋼量相對較低，卻可表現(xiàn)出相對優(yōu)異的抗爆性能。

2)試驗裝藥量對構(gòu)件的抗爆性能有一定的影響，實際應用時，可通過優(yōu)化設計，獲得較為經(jīng)濟的防護層構(gòu)件尺寸和厚度，以消除打擊藥量的這一影響。

3)利用鋼絲網(wǎng)高強混凝土進行防護工程的抗爆結(jié)構(gòu)設計時，考慮防護工程表面形成爆炸漏斗坑，整體結(jié)構(gòu)沒有破壞，則其爆炸漏斗坑深度，即壓縮破壞半徑其中，ka取值為0.054.

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