賈藝凡

（軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院 北京 100850）

1 引言

空氣中的爆炸可分為物理爆炸、化學(xué)爆炸等，其中TNT炸藥爆炸屬于化學(xué)爆炸，當(dāng)TNT在空氣中爆炸時(shí)，炸藥在極短的時(shí)間內(nèi)瞬間將全部的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為爆炸能量，爆炸產(chǎn)生的產(chǎn)物轉(zhuǎn)為高溫、高壓狀態(tài)的爆轟產(chǎn)物，會(huì)迅速擠壓周圍的氣體，形成壓力巨大的沖擊波。沖擊波在空氣中的傳播是指數(shù)衰減的，沖擊波峰值壓力是隨著距離的增大而減小的，而且衰減速度極快，因此距離越遠(yuǎn)，傷害越低；距離越近，傷害越高。炸藥起爆時(shí)周圍的沖擊波超壓可以達(dá)到幾十兆帕，因此爆炸源周圍的建筑物和物體都會(huì)因受到?jīng)_擊波的作用而產(chǎn)生一定程度的破壞，有的爆炸事件能夠摧毀整座建筑結(jié)構(gòu)，有的則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵構(gòu)件的失效或者引起砌體填充墻、門窗等非受力構(gòu)件的破壞。與此同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)在爆炸引起的碎片、地面振動(dòng)以及火災(zāi)等次生災(zāi)害作用下，亦有可能發(fā)生顯著的局部破壞，以及因局部破壞引起的連續(xù)倒塌。嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)驗(yàn)殛P(guān)鍵性的構(gòu)件被毀壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去承載能力，不能保持平衡，加劇了災(zāi)害程度。最重要的一點(diǎn)是沖擊波對(duì)人身安全所造成的傷害是致命的，爆炸過(guò)程中沖擊波會(huì)毀壞周圍的物體，所產(chǎn)生的碎片對(duì)人身的傷害足以致命。因此，研究和分析如何提高建筑防爆抗爆能力，是我們急需解決的一大課題。

2 常規(guī)抗爆措施的研究現(xiàn)狀

在建筑結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的抗爆措施研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究了采用高強(qiáng)建筑材料如高強(qiáng)纖維混凝土、鋼筋高強(qiáng)纖維混凝土等提高建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗爆性能的可行性；同時(shí)，研究了采用外表面粘鋼板、碳纖維材料、玻璃纖維材料等不同的加固方法對(duì)于提高鋼筋混凝土板、鋼筋混凝土柱以及砌體磚墻抗爆性能的有效性[1]；Schenker等[2]以及Hanssen等[3]分別對(duì)受到泡沫鋁材料保護(hù)以及沒(méi)有保護(hù)措施的鋼筋混凝土薄板承受爆炸沖擊的變形及破壞形態(tài)，進(jìn)行了詳細(xì)的原型現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證了泡沫鋁材料消波作用的有效性。國(guó)內(nèi)學(xué)者還研究了普通防爆墻、水體防爆墻以及在結(jié)構(gòu)上附加阻尼器等措施對(duì)降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)、提高結(jié)構(gòu)抗爆性能的作用[4]。

在建筑結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗爆措施研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要進(jìn)行了兩方面的研究：一方面重點(diǎn)研究了爆炸荷載作用下防爆門可能的破壞過(guò)程，對(duì)各種不同工況下防爆門的技術(shù)性能進(jìn)行評(píng)估[5]；另一方面，對(duì)爆炸荷載作用下門窗玻璃及玻璃幕墻的破壞進(jìn)行了分析，提出了通過(guò)結(jié)構(gòu)可靠性分析計(jì)算爆炸荷載作用下門窗玻璃破壞以及產(chǎn)生安全災(zāi)害的可能性[6]，給出了玻璃幕墻抵抗爆炸沖擊波設(shè)計(jì)的途徑，建立了沖擊波荷載的計(jì)算原則[7]。

總體上看，目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究工作涉及范圍很廣，研究?jī)?nèi)容很多，但仍存在一些問(wèn)題。為了盡可能減少意外爆炸造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，在考慮提高結(jié)構(gòu)抗爆性能的同時(shí)也要改變結(jié)構(gòu)的易碎、低抗彎強(qiáng)度、低應(yīng)變能吸收等缺點(diǎn)，有效包覆爆炸荷載下砌體產(chǎn)生的高速碎片，降低室內(nèi)人員傷亡。

3 聚脲材料抗爆耐沖擊性能研究

近些年，聚脲作為減緩爆炸沖擊材料已被廣泛研究，是一種彈性嵌段共聚物，由異氰酸酯和氨的反應(yīng)生成，具有優(yōu)異的機(jī)械性能、高彈性模量、高拉伸強(qiáng)度（12～45 MPa）、高延展性和良好的抗沖擊性[8]。自21世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)陸、海、空軍逐漸將聚脲用作船舶、飛機(jī)、裝甲車輛和防御工事的防護(hù)涂層。

3.1 純聚脲材料的抗爆性能研究

Raman等[9]進(jìn)行了關(guān)于混凝土-聚脲復(fù)合材料作為混凝土結(jié)構(gòu)抗爆加固材料的應(yīng)用研究，聚脲涂層和未涂層混凝土板用3種不同的裝藥重量（0.1、0.5和5 kg）銨梯炸藥在不同的間隔距離進(jìn)行爆炸測(cè)試，研究了混凝土板的裂紋擴(kuò)展，離面位移和失效模式。此外，一些學(xué)者使用LSDYNA[9]有限元分析程序進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，聚脲涂層對(duì)結(jié)構(gòu)單元抗爆能力是有積極作用的。此外，學(xué)者們更多使用聚脲涂層作為減緩沖擊載荷的有效機(jī)制[10-12]，聚脲材料在防護(hù)結(jié)構(gòu)中作為減輕爆炸沖擊的組成部分顯示出巨大的潛力。在結(jié)構(gòu)表面噴涂高強(qiáng)度、高拉伸性能的聚合物，能有效包裹爆炸沖擊波作用下產(chǎn)生的高速碎片，有效縮短爆炸的危險(xiǎn)距離，減少室內(nèi)人員的傷亡。

Chen等[13]發(fā)現(xiàn)背面有一定厚度聚脲的鋼板涂層可以吸收能量并更好地防止散裂碎片。Gan等[14]模擬了涂有聚脲的鋼板在水下爆炸載荷下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)聚脲涂層可以將鋼板的抗爆性能提高20%。Ackland等[15]研究了在鋼-聚脲復(fù)合板上進(jìn)行的爆炸實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究，結(jié)果表明聚脲涂層對(duì)鋼板變形有一定的影響。與聚脲復(fù)合鋼板相比，純鋼板在離面位移方面表現(xiàn)更好。在相同的爆炸載荷下，聚脲涂層厚度增加時(shí)變形鋼板變形也會(huì)加劇。聚脲涂層未起作用的原因被認(rèn)為是在爆炸發(fā)生時(shí)聚脲涂層與金屬層剝離，這應(yīng)該是少有的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究表明了聚脲應(yīng)用的負(fù)面結(jié)果。Ackland等[16]和Samiee等[17]發(fā)現(xiàn)，鋼板背面涂覆聚脲時(shí)具有更好的抗沖擊性和相對(duì)少的變形。當(dāng)聚脲涂層在鋼板的迎爆面上時(shí)，聚脲會(huì)在爆炸產(chǎn)物的高溫下熔化[18]，由此聚脲的力學(xué)性能無(wú)法充分利用。此外，由于聚脲的波阻抗遠(yuǎn)小于鋼板的波阻抗，涂在結(jié)構(gòu)表面上的聚脲將對(duì)爆炸初始沖擊載荷產(chǎn)生放大效應(yīng)[19]。因此，聚脲通常作為防護(hù)涂層涂覆在結(jié)構(gòu)的背爆面上。

3.2 聚脲材料抗沖擊性能機(jī)理研究

Roland等[20]通過(guò)分析聚脲材料的介電譜圖以及彈體侵徹聚脲彈性體噴涂鋼板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚脲彈性體抗沖擊的主要機(jī)理是從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變至玻璃態(tài)的相變過(guò)程，研究指出能量吸收的程度與實(shí)驗(yàn)溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度密切相關(guān)。Grujicic等[21]采用數(shù)值模擬的方法，基于上述能量吸收的機(jī)理驗(yàn)證了高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制是由應(yīng)變率引起的。結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變率較低時(shí)，聚脲材料表現(xiàn)出高彈態(tài)；當(dāng)應(yīng)變率與聚脲材料分子鏈震動(dòng)頻率相同時(shí)，將進(jìn)入高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，并且在此期間聚脲材料會(huì)吸收大量的能量；當(dāng)應(yīng)變率繼續(xù)增加，聚脲材料完全轉(zhuǎn)變成玻璃態(tài)。聚脲材料的力學(xué)性能在爆炸荷載條件下與實(shí)驗(yàn)溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫差密切相關(guān)，當(dāng)溫差較小時(shí)（實(shí)驗(yàn)溫度仍高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度），在相變過(guò)程中聚脲材料表現(xiàn)為玻璃態(tài)；當(dāng)溫差較大時(shí)，聚脲材料表現(xiàn)出普通彈性體的高延展性和韌性，即高彈態(tài)?？梢钥闯?，在爆炸荷載下聚脲材料的力學(xué)性能與本身的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)溫度密切相關(guān)。也有研究者指出聚脲材料能提高抗沖擊性能和能量吸收的潛在機(jī)理在于沖擊波阻抗不匹配、沖擊波彌散、破壞模式的轉(zhuǎn)變以及應(yīng)變移位等。

3.3 聚脲與纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展

一般來(lái)說(shuō)，聚脲的力學(xué)性能取決于它的組成成分，是一種幾近不可壓縮和無(wú)限制的材料。聚脲的彈性響應(yīng)近似看作是體積變形，而高于玻璃化溫度的剪切是其粘彈性和柔性的作用[22]。通常，聚脲涂層越厚越能有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性[23]，但由于成本原因，通過(guò)增加聚脲涂層的厚度來(lái)增加結(jié)構(gòu)的抗沖擊性是不切實(shí)際的。

聚脲的延展性高于加固結(jié)構(gòu)，而彈性模量遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)的彈性模量。研究人員考慮使用具有高彈性模量和高強(qiáng)度性能的纖維材料與聚脲，形成具有能量吸收能力的復(fù)合材料。Johnson等[24]發(fā)現(xiàn)芳綸纖維與聚脲復(fù)合噴涂在混凝土砌墻上，對(duì)比爆炸荷載、靜態(tài)面荷載作用下實(shí)驗(yàn)，聚脲彈性體提高結(jié)構(gòu)剛度和抗彎曲能力，芳綸纖維能有效幫助聚脲彈性體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的性能；動(dòng)態(tài)加載下，高強(qiáng)度芳綸纖維提高墻體穩(wěn)定性，降低背爆面因沖擊波而產(chǎn)生的飛射碎片。Carey等[25]發(fā)現(xiàn)，聚脲作為涂層材料與一定體積分?jǐn)?shù)的短切玻璃纖維混合，不僅可以防止爆炸碎片的擴(kuò)散，還可以提高結(jié)構(gòu)的抗剪切能力。Nantasetphong等[26]將各種體積分?jǐn)?shù)的研磨玻璃添加到聚脲基體中以形成聚脲-研磨玻璃復(fù)合材料。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析測(cè)試表明，隨著研磨玻璃體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的儲(chǔ)能和損耗模量顯著增加。

聚脲能提高混凝土的韌性，降低剛度，提高混凝土的抗彎強(qiáng)度。Ha等[27]在碳纖維布背面噴涂一層聚脲，形成聚脲-碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)。在距硝酸銨燃料油炸藥一定距離進(jìn)行爆炸測(cè)試，聚脲-碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合鋼筋混凝土板的損傷面積小于普通鋼筋混凝土板和聚脲增強(qiáng)鋼筋混凝土板。與編織纖維布相比，編織纖維網(wǎng)具有低成本和輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)[28]。此外，纖維網(wǎng)可以作為聚脲基體中的“軟鋼筋”，具有與復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋相同的增強(qiáng)機(jī)制[29]，將編織玻璃纖維網(wǎng)等距埋入聚脲基體中，噴涂在鋼板上，結(jié)果表明降低復(fù)合鋼板整體變形的主要原因是編織玻璃纖維網(wǎng)對(duì)聚脲基體具有增強(qiáng)效果。

4 抗爆防護(hù)材料的研究展望

綜上所述，加入一定量纖維的聚脲基體可顯著提高其抗沖擊性。目前，碳纖維，玻璃纖維和玄武巖纖維是工程中常用的纖維材料。連續(xù)玄武巖纖維具有良好的耐低溫耐高溫性能（-269～700 ℃），化學(xué)穩(wěn)定性（耐輻照、耐久性、耐酸性、耐燒蝕、耐水解、耐核輻射等），拉伸強(qiáng)度相當(dāng)于T300碳纖維，價(jià)格是碳纖維的1/8或1/6，力學(xué)性能比普通玻璃纖維普遍高出15%～20%，低的導(dǎo)熱系數(shù)、高的吸音系數(shù)（0.90～0.99）和高出玻璃纖維一個(gè)數(shù)量級(jí)的體積電阻率。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，可以選擇玄武巖纖維作為增強(qiáng)纖維材料與聚脲基體復(fù)合研究，深入詳細(xì)地解釋該復(fù)合材料的抗爆極限、動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程、施工標(biāo)準(zhǔn)、材料改性等問(wèn)題，這對(duì)于發(fā)展我國(guó)自主研發(fā)抗爆防護(hù)材料及應(yīng)用推廣噴涂聚脲材料具有更多價(jià)值。