張銳 梁龍強 馬明亮 黃微波，* 葉小軍

(1.青島理工大學(xué) 山東青島266033)(2.青島沙木新材料有限公司 山東青島266113)(3.南昌大學(xué)先進制造學(xué)院 江西南昌330031)

涂層技術(shù)是提高結(jié)構(gòu)抗爆能力的有效手段[1-4]，而噴涂聚脲彈性體(SPUA)技術(shù)因其涂層具有優(yōu)良的防護性、粘彈耗能等得天獨厚的特性引起廣泛關(guān)注[3，5-6]。 土木工程結(jié)構(gòu)中混凝土占比較大，在建筑結(jié)構(gòu)遭受外部爆炸的情況下，爆炸及爆轟產(chǎn)物將嚴重影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部人員生命及財產(chǎn)安全。 由于聚脲特殊的力學(xué)性能特點以及合成條件，其在結(jié)構(gòu)加固方面有很強的適用性[7-8]。

青島理工大學(xué)功能材料研究所基于爆炸荷載作用特點，自主設(shè)計研發(fā)Qtech T26 抗爆型噴涂聚脲(T26 聚脲)。 在前期研究中，呂平等[9-10]對防護基材的附著性能進行研究，并對T26 聚脲的熱穩(wěn)定性能、硬段和軟段的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)進行研究，發(fā)現(xiàn)T26 聚脲的熱穩(wěn)定性較好，且具有明顯的微相分離特征。 張銳等[11-12]通過動態(tài)熱機械性能分析，發(fā)現(xiàn)T26 聚脲具有較寬的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，氫鍵化程度高，同時具有一定的阻尼性能。 之后分別對T26聚脲防護鋼筋混凝土板(RC 板)進行1.4 kg TNT 非接觸爆炸試驗[13]、1.4 kg TNT 接觸爆炸試驗[9]以及10 kg TNT 接觸爆炸試驗[12]，在T26 聚脲防護下，均實現(xiàn)了零破片的防護目標。 本研究在此基礎(chǔ)上，通過ANSYS/LS-DYNA 軟件對T26 聚脲防護RC 板進行接觸爆炸數(shù)值模擬，分析爆炸荷載作用下有無T26 聚脲防護對RC 板整體損傷的影響，設(shè)計炸藥藥量為10 kg TNT，通過爆炸試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比，以優(yōu)化模型，為工程應(yīng)用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要材料

T26 聚脲為A、B 組分反應(yīng)制成，其中A 組分是由二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI-50，萬華化學(xué)集團股份有限公司)等原料合成的端NCO 基預(yù)聚物；B組分主要為含有端氨基聚醚(D2000，淄博正大聚氨酯有限公司)、二乙基甲苯二胺(DETDA，東營海瑞寶新材料有限公司)和阻尼協(xié)同助劑(自制)等原料的混合物。

1.2 Qtech T26 抗爆型聚脲防護RC 板制備

爆炸試驗中RC 板的尺寸為1.5 m×1.5 m×0.3 m，混凝土強度等級為C40。 噴涂前需噴涂環(huán)氧改性聚氨酯底漆以增強涂層附著力，噴涂T26 聚脲時，采用之字形噴涂，保證涂層均勻，防護涂層厚度為10 mm，噴涂完成后試樣如圖1 所示[12]。

圖1 T26 聚脲防護RC 板

1.3 爆炸試驗

采用10 kg TNT 接觸爆炸的加載方式對T26 聚脲的抗爆防護性能進行試驗，試驗布置如圖2 所示。

圖2 試驗布置示意圖

采用兩端簡支支撐，下方預(yù)留深度為50 cm 的變形空間，通過對比有無T26 聚脲防護RC 板的宏觀變形直接判斷T26 聚脲的抗爆防護性能。

2 數(shù)值模擬計算模型

2.1 結(jié)構(gòu)幾何模型

為全面研究爆炸荷載作用下T26 聚脲防護RC板的動態(tài)響應(yīng)和能量變化，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對爆炸試驗進行模擬計算，T26 聚脲防護RC板有限元模型如圖3 所示。

圖3 T26 聚脲防護RC 板有限元模型

數(shù)值仿真模型單位制采用“cm-μs-g-Mbar”，炸藥、混凝土、T26 聚脲、空氣網(wǎng)格采用Solid163 單元，鋼筋采用Beam 單元建模。 T26 聚脲防護RC 板模型由混凝土板、鋼筋和聚脲涂層3 部分組成，與爆炸試驗相同，模型與試驗靶板尺寸相同。 炸藥與空氣采用流固耦合算法，空氣設(shè)置非反射邊界。

2.2 材料模型

數(shù)值模擬中TNT 炸藥的材料模型選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，狀態(tài)方程采用*EOS_JWL 以定義爆轟產(chǎn)物壓力、相對體積和體積內(nèi)能之間的關(guān)系；混凝土材料模型采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE，此模型適用于承受大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓的混凝土材料；鋼筋模型直徑為8 mm，布筋間距為5 cm，材料模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。

T26 聚脲涂層厚度為10 mm，材料模型采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLATICITY， 模型考慮了材料的應(yīng)變率效應(yīng)，模型中聚脲力學(xué)性能參數(shù)采用實驗所得T26 聚脲力學(xué)性能，見表1。

表1 聚脲的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

3 結(jié)果與討論

3.1 T26 聚脲防護RC 板宏觀損傷

采用10 kg TNT 接觸爆炸的方式對無防護RC板和T26 聚脲防護RC 板進行爆炸試驗，爆炸后試樣宏觀變形如圖4 所示。

圖4 有無T26 聚脲防護RC 板爆炸宏觀損傷

由圖4 可見，爆炸荷載使無防護RC 板發(fā)生明顯的沖切破壞。 這是由于背爆面一側(cè)布置有雙層鋼筋，鋼筋受沖切力影響出現(xiàn)較大的彎曲變形，這與胡玉峰等[14]的研究結(jié)果相一致。 但由于RC 板的厚度較大，RC 板在損傷細節(jié)上有一定差異。 迎爆面混凝土保護層在爆炸后貫穿洞邊緣位置有明顯粉碎區(qū)域，且受沖擊波作用有小幅度隆起；背爆面盡管發(fā)生沖切破壞，但由于鋼筋、骨料以及砂漿之間應(yīng)力波拉伸作用，背爆面沖切塊完整性較低，且在破壞邊緣處的拉剪破壞使無防護RC 板產(chǎn)生了大量破片。 從承載能力來看，無防護RC 板已完全喪失承載能力，炸藥下方迎爆面一側(cè)鋼筋完全斷裂，背爆面一側(cè)鋼筋發(fā)生嚴重彎曲變形(見圖4(b))。

相比于無防護RC 板，T26 聚脲防護RC 板的完整性較好，迎爆面T26 聚脲涂層在高溫與荷載的耦合作用下發(fā)生撕裂破壞。 由于T26 聚脲的阻尼、弛豫以及高斷裂伸長率，背爆面T26 聚脲涂層完整，僅隨混凝土的沖切過程發(fā)生大變形，無任何破片飛出，實現(xiàn)了零破片的防護目標。 需要注意的是，由于T26 聚脲對沖擊波的卸載和反射，相比于無防護RC板，T26 聚脲防護RC 板的內(nèi)部砂漿和骨料分離更為明顯，但在背爆面涂層的內(nèi)表面粘附有相對完整的混凝土保護層，進一步證明了對于大藥量爆炸荷載作用下，RC 板的破壞形式以沖切破壞為主。

3.2 涂層微觀損傷

文獻[11]中已對T26 聚脲防護RC 板的迎爆面和背爆面T26 聚脲破壞以及變形的典型區(qū)域進行討論和研究，本節(jié)將對防護涂層與RC 板基材界面和背爆面大變形區(qū)域涂層的微觀損傷進行進一步研究，采用SEM 對取樣涂層進行分析，迎爆面涂層與RC 板基材脫離界面如圖5 所示。

圖5 T26 聚脲與RC 板界面損傷

由圖5(a)可見，迎爆面涂層與RC 板界面位置雖然發(fā)生脫離，但涂層內(nèi)表面仍附著有混凝土砂漿。對迎爆面T26 聚脲撕裂位置和附著區(qū)域進行取樣，并通過SEM 觀察可以發(fā)現(xiàn)，撕裂斷口位置聚脲無明顯撕裂痕跡，主要為熔融狀聚合物，這是由于高溫與荷載耦合作用導(dǎo)致，與文獻[13]中討論的迎爆面核心區(qū)域損傷相似。 此外，從T26 聚脲涂層內(nèi)側(cè)可以發(fā)現(xiàn)分布均勻的氣泡，這是由于噴涂工藝導(dǎo)致的。在圖5(b)右側(cè)可以明顯發(fā)現(xiàn)涂層附著的保護層混凝土，由于混凝土受高溫影響較小，混凝土裂紋明顯。 微觀界面損傷進一步確認了T26 聚脲與混凝土界面之間的附著性能滿足防護需求。

根據(jù)文獻[11]中對背爆面拉伸大變形區(qū)域的分析，進一步對拉伸大變形區(qū)域起始位置取樣并進行SEM 分析，結(jié)果見圖6。

圖6 背爆面拉伸變形區(qū)域微觀損傷

由圖6 可見，大變形區(qū)域起始位置也出現(xiàn)了明顯的銀紋現(xiàn)象，且銀紋已開始向內(nèi)部深入并形成可見的裂紋。 與3.1 小節(jié)中宏觀變形對應(yīng)的沖切損傷相一致，大變形起始位置為沖切損傷的邊緣位置，在發(fā)生沖切變形的瞬間，邊緣區(qū)域的T26 聚脲變形速率快，從而受到應(yīng)變率效應(yīng)作用，發(fā)生局部脆性開裂。 將裂紋邊緣局部放大可以發(fā)現(xiàn)，裂紋邊緣位置也產(chǎn)生數(shù)條平行與裂紋的細小銀紋，阻尼協(xié)同作用阻止了銀紋繼續(xù)擴展為裂紋。

3.3 模擬結(jié)果及分析

通過有限元模擬得到爆炸載荷下有無T26 聚脲防護RC 板的損傷圖，如圖7 所示。

圖7 有無T26 聚脲防護RC 板損傷圖

從圖7(a)和(c)可以發(fā)現(xiàn)，在爆炸荷載作用下，有無T26 聚脲防護RC 板迎爆面均產(chǎn)生爆炸坑，其中無防護RC 板的最大直徑為76.18 cm，T26 聚脲防護RC 板的最大直徑為37.36 cm。 而爆炸試驗中無防護RC 板和T26 聚脲防護RC 板的最大直徑分別為73 cm 和42 cm，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗吻合較好，可以合理模擬結(jié)構(gòu)的損傷情況。 從損傷圖可以發(fā)現(xiàn)，爆炸荷載使試樣迎爆面發(fā)生了明顯的開裂，T26聚脲有效抑制了迎爆面的損傷發(fā)展。 從背爆面來看，無防護RC 板由于背爆面有簡支支撐，支撐位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，RC 板跨中彎曲開裂明顯，且整體損傷呈放射狀發(fā)展。 相比于無防護RC板，T26 聚脲防護RC 板在背爆面的損傷發(fā)展被明顯抑制，裂縫長度以及數(shù)量明顯下降。

迎爆面中心位置有限元模擬與爆炸試驗對比結(jié)果見圖8。

圖8 T26 聚脲防護RC 板迎爆面損傷試驗與模擬對比

由圖8 可以發(fā)現(xiàn)，爆炸產(chǎn)生的高溫、荷載以及沖擊波對迎爆面防護涂層產(chǎn)生極大影響。 高溫使T26聚脲發(fā)生熱軟化從而發(fā)生撕裂破壞，而沖擊波作用在迎爆面時，由于T26 聚脲與混凝土之間的阻抗失配，沖擊波在界面產(chǎn)生的拉伸波使涂層發(fā)生脫離并且使其發(fā)生撕裂破壞，因此對于迎爆面涂層防護，涂層對混凝土之間的附著性能十分重要。

為進一步分析T26 聚脲在爆炸過程中的防護性能，通過有限元模擬得到有無T26 聚脲防護RC 板加速度時程曲線見圖9。

圖9 有無T26 聚脲防護RC 板加速度時程曲線

由圖9 可知，有無T26 聚脲防護RC 板的加速時程曲線的變化規(guī)律基本相似，T26 聚脲防護RC板在0.3 ms 時加速度幅值趨于平緩，而無防護RC板在0.5 ms 后趨于平緩。 從加速度幅值來看，相較于無防護RC 板，T26 聚脲防護RC 板加速度幅值下降42.8%，表明T26 聚脲涂層的阻尼耗能行為可以有效地衰減爆炸沖擊能量。

綜合以上研究可知，T26 聚脲對RC 板有很好的抗爆防護性能，通過對大當量爆炸的沖切變形抑制、防護涂層包覆破片以及能量衰減的方式，實現(xiàn)了對10 kg TNT 接觸爆炸零破片的防護效果，且爆炸后RC 板仍具有一定力學(xué)性能，對重要基礎(chǔ)設(shè)施及結(jié)構(gòu)的抗爆防護具有重要工程應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

(1) 在大藥量接觸爆炸荷載作用時，RC 板的破壞形式以沖切破壞為主，沖切邊緣區(qū)域會產(chǎn)生大量破片，T26 聚脲防護RC 板背爆面涂層在沖切邊緣區(qū)域涂層的拉伸變形過程中未發(fā)生斷裂，實現(xiàn)了零破片的防護目標。

(2) 從微觀損傷來看，T26 聚脲與RC 板界面附著較好，可以抵抗界面拉伸波的作用，滿足爆炸防護中對附著性能的要求。

(3) 背爆面大變形的起始位置為RC 板沖切變形的邊緣區(qū)域，會發(fā)生由材料應(yīng)變率效應(yīng)產(chǎn)生的脆性開裂，并出現(xiàn)銀紋現(xiàn)象。

(4) 通過對比爆炸實驗與有限元模擬結(jié)果，驗證了數(shù)值模型的可靠性，有限元模擬結(jié)果表明，T26聚脲可以抑制RC 板裂縫的發(fā)展，衰減爆炸沖擊能量，提高了RC 板的抗爆性能。

(5) T26 聚脲以柔克剛的阻尼協(xié)同作用是實現(xiàn)零破片的關(guān)鍵。 只提升強度，而忽視斷裂伸長率、撕裂強度及損耗因子的協(xié)同提升，都是不可取的。