超高性能水泥基復(fù)合材料的抗爆炸性能*

戎志丹,孫 偉,張云升,張文華

（1.江蘇省土木工程材料重點實驗室,江蘇南京 211189;

2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 211189）

1 引 言

隨著人類文明的進步,雖然和平與發(fā)展是兩大主流,然而全球范圍內(nèi)的恐怖事件不斷,嚴重破壞了有關(guān)國家和地區(qū)的穩(wěn)定。當(dāng)今不斷涌現(xiàn)出的現(xiàn)代化高技術(shù)武器對現(xiàn)有防護工程構(gòu)成了嚴重的威脅,特別是各種高精度、高效能、高速鉆地彈的出現(xiàn),對現(xiàn)有工程防護能力與水平提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。因此研制抗侵徹、抗爆炸能力強,便于應(yīng)用的新型防護工程材料,是防護工作的當(dāng)務(wù)之急[1-6]。

常規(guī)武器對防護結(jié)構(gòu)的破壞大多發(fā)生在結(jié)構(gòu)彈著點附近的局部范圍,在迎爆面產(chǎn)生沖擊或爆炸漏斗坑,在背爆面產(chǎn)生震塌漏斗坑,嚴重者可能產(chǎn)生貫穿破壞。結(jié)構(gòu)震塌破壞是由于爆炸荷載產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中傳播至結(jié)構(gòu)背爆面時,產(chǎn)生強拉伸波,造成結(jié)構(gòu)背爆面混凝土崩塌和層裂,形成大小不同的混凝土碎塊,對人員和設(shè)備造成傷害。

目前的防護工程材料多為普通強度（C30～C50）等級的混凝土或者普通纖維增強混凝土,抗爆炸能力較弱,研究強度等級高、抗動態(tài)性能好的新型水泥基復(fù)合材料的抗爆炸、抗震塌性能正成為防護工程材料研究的熱點。超高性能水泥基復(fù)合材料作為一種超高強、高韌性、高耐久、體積穩(wěn)定性良好的新型水泥基復(fù)合材料,在軍事工程中將具有廣泛的應(yīng)用前景[7-9]。

本文中通過礦物摻和料、化學(xué)外加劑、鋼纖維及多元復(fù)合技術(shù)的有效利用,促進混凝土材料組成與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,各組分間優(yōu)勢疊加與成分互補,并且摻加最大粒徑為10 mm的玄武巖石子,制備出不同強度等級鋼纖維增強超高性能水泥基復(fù)合材料。實驗結(jié)果表明,制備的超高性能水泥基復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗爆炸和抗震塌性能。

2 材料制備及實驗方法

2.1 原材料

水泥:P·Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥;超細粉煤灰:南京熱電廠超細粉煤灰,比表面積400 m2/kg;硅灰:埃肯公司生產(chǎn)的微硅粉,比表面積22 000 m2/kg;磨細礦渣:南京江南水泥粉磨公司生產(chǎn)的磨細礦渣微粉,比表面積600 m2/kg;細集料:最大粒徑5 mm的普通黃砂,細度模數(shù) 2.67,連續(xù)級配;粗集料:最大粒徑分別為15、10 mm的玄武巖石子,連續(xù)級配,壓碎值3.3%;高效減水劑:聚羧酸型高效減水劑,固含量40%,減水率大于40%;鋼纖維:超細鋼纖維,圓截面,表面鍍銅,直徑0.175 mm,長 13 mm,彈性模量210 GPa,抗拉強度1.8 GPa。

UHPCC的配合比如表1所示,表中C100采用的是最大粒徑15 mm的石子,CF150采用的是最大粒徑10 mm的石子,φf為纖維體積分數(shù)。

表1 UHPCC的配合比Table 1 Composition of UHPCC

2.2 試樣制備

UHPCC的制備采用濕拌工藝,即成型過程中先將原材料（超細混合材、水泥、砂和石子）干拌均勻,然后在攪拌過程中將混合均勻的水和外加劑緩慢地倒入攪拌機內(nèi),濕拌3～5 min。當(dāng)混合料進入粘流狀態(tài)后,均勻地撒入鋼纖維,繼續(xù)攪拌 3～5 min。之后將攪拌好的鋼纖維混凝土加入鋼箍模具中,與平面成約30°夾角的方向插入振動器,振搗至表面泛漿時表明已振搗密實。

爆炸實驗中的靶體采用圓柱形靶體,不配置鋼筋,靶體直徑1 000 mm,高 400 mm,外用 5 mm 厚鋼箍約束,如圖1所示,采用2種 TNT當(dāng)量,分別為 1.6、2.0 kg。

圖1 鋼纖維混凝土靶體Fig.1 Steel fiber reinforced concrete target

2.3 實驗方案

本次實驗采用的炸藥為TNT,爆炸方式為接觸式爆炸,將TNT炸藥塊置于靶板上表面頂部中心,全部藥量均為有效裝藥,采用集團裝藥形式,由制式TNT塊疊置并捆扎而成,用瞬發(fā)電雷管起爆。為了研究不同TNT當(dāng)量及靶體的放置方式對其抗爆炸性能的影響,采用以下3組實驗方式:

第1組,不同等級混凝土靶體1個,靶體直接放置在地面上,選擇1.6 kg當(dāng)量的TNT進行實驗;

第2組,不同等級混凝土靶體1個,靶體底部臨空,選擇2.0 kg當(dāng)量的TNT進行實驗;

第3組,不同等級混凝土靶體1個,靶體直接放置在地面上,選擇2.0 kg當(dāng)量的TNT進行實驗。

其中,1.6、2.0 kg的TNT炸藥的尺寸分別是:邊長10 cm的立方體和長12.5 cm、寬10 cm、高10 cm的長方體。

3 爆炸實驗及結(jié)果

3.1 實驗結(jié)果

實驗在南京某靶場進行,實驗場四面環(huán)山,場面開闊,有利于進行爆炸實驗。爆炸實驗結(jié)果如表2所示,表中Q為TNT當(dāng)量,D、h分別為迎爆面漏斗坑的直徑和深度。

從表2中可以看出:（1）在其他條件相同的情況下,隨著裝藥量的提高,靶體表面的破壞情況趨于嚴重,迎爆面爆炸漏斗坑直徑和深度隨裝藥量的提高而略有擴大;（2）在裝藥量相同的情況下,底部臨空的靶體的破壞情況要嚴重得多;（3）迎爆面的破壞情況隨著靶體強度等級的提高而減弱。

表2 高與超高性能水泥基復(fù)合材料的爆炸實驗結(jié)果Table 2 The explosive test results of UHPCCs

圖2 UHPCC迎爆面破壞情況Fig.2 The front damage on different specimens

3.2 靶體破壞形態(tài)

3.2.1 迎爆面破壞情況

爆炸實驗中,因靶體的自由面效應(yīng)和炸藥高速爆炸引起的剪切及擠壓作用,在靶體表面的裝藥點附近會形成一個漏斗狀的爆坑。實驗中一些靶體迎爆面的爆炸坑及破壞情況如圖2所示。

圖3 UHPCC材料背爆面破壞情況Fig.3 The back damage on different specimens

從圖2和表2中可以看出,靶體表面迎爆坑呈漏斗狀,表面裂紋以徑向裂紋為主,并有少量的環(huán)向裂紋。相同條件下素混凝土（C100）的破壞情況最嚴重,由爆炸產(chǎn)生的碎塊明顯多于其他材料,迎爆面的裂紋不論從數(shù)量還是裂紋寬度上來說都大于其他強度等級的材料。同時可以看出,靶體底部臨空的情況對抗爆炸、抗震塌不利,其中C100-2材料表面爆炸產(chǎn)生的裂縫最大可達8 mm,而其他靶體表面的裂紋最大在2 mm左右。這充分說明了在同樣裝藥量的爆炸條件下,鋼纖維增強的超高性能水泥基復(fù)合材料比未摻鋼纖維的普通高強混凝土靶體抗爆炸抗震塌能力強得多。

實驗還表明,隨著纖維摻量的提高和靶體材料強度等級的提高,其抗爆炸與抗震塌能力會相應(yīng)增強,而從迎爆面的裂縫數(shù)量和寬度方面還是可以看出摻與不摻鋼纖維水泥基復(fù)合材料的明顯區(qū)別:在爆炸過程中,由于爆炸震動、擠壓錯位、爆炸波在混凝土內(nèi)部的孔隙和骨料界面反射成拉伸波等因素而在混凝土靶體上半部分形成拉應(yīng)力,此時,鋼纖維就起到了抗拉作用,所以UHPCC靶體迎爆面裂縫少且窄,而且隨著纖維摻量和材料強度等級的提高,裂縫數(shù)量減少,寬度變窄。

此外,從UHPCC爆炸脫離塊體看出,裂縫延伸路線是纖維分布較少的區(qū)域,大部分纖維被撥出而非撥斷,使得大量的能量被消耗在鋼纖維的拔出過程中,緩解了材料發(fā)生脆性破壞的趨勢,使得纖維的增強增韌效果得到充分發(fā)揮,另一方面,由于鋼纖維同基體材料之間的高粘結(jié)作用,也能更好地提高UHPCC抗爆抗震塌能力。

3.2.2 被爆面破壞情況

為了研究UHPCC材料的抗震塌性能,實驗中記錄了全部靶體的背爆面破壞情況,如圖3所示。另外,還測量了全部靶體背面破壞情況的主要裂紋分布情況,如表2所示。

從圖3中可以看出:（1）靶體平放在地面上不容易發(fā)生震塌破壞,而如果靶體臨空,則很容易出現(xiàn)震塌現(xiàn)象;（2）鋼纖維對超高性能水泥基復(fù)合材料抗震塌性能的提高具有顯著優(yōu)勢,在相同爆炸條件下,未摻纖維的C100靶體背爆面的破壞要比其他材料靶體的破壞情況嚴重得多;（3）隨著纖維摻量的提高及靶體強度等級的提高,靶體背爆面破壞情況由略微隆起且有微裂紋向趨于平整的現(xiàn)象轉(zhuǎn)變,裂紋數(shù)量和尺寸也不斷減少。

UHPCC最顯著的優(yōu)勢在于具有優(yōu)異的抗震塌特性。爆炸應(yīng)力波在靶體中的衰減很快,但是爆炸波傳至靶底,剩下的爆炸波強度仍然有幾十兆帕,壓縮波在混凝土靶底發(fā)生全反射,盡管應(yīng)力波繼續(xù)衰減,但拉伸波的波峰強度也有十幾兆帕至幾十兆帕,UHPCC的作用就是抵抗了這個強度范圍內(nèi)的拉伸應(yīng)力。因此,普通高強混凝土震塌現(xiàn)象明顯,背爆面發(fā)生大面積脫落,而同裝藥量下的UHPCC卻無震塌發(fā)生,只有少許裂紋。這主要是因為UHPCC材料具有較高的抗拉強度,因此從抗爆炸抗震塌的角度來考慮,充分發(fā)揮鋼纖維的抗拉作用比單純提高混凝土基體強度等級更重要,而 UHPCC這種優(yōu)異的抗震塌效果正是防護工程所必需的。

從以上對不同爆炸條件下不同強度等級靶體的爆炸破壞效應(yīng)分析可以看出,隨著強度等級的提高以及纖維摻量的提高,超高性能水泥基復(fù)合材料體現(xiàn)出越來越優(yōu)異的抗侵徹、抗爆炸特性,這種變化規(guī)律的本質(zhì)應(yīng)當(dāng)歸因于鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料高強度、高韌性、高阻裂的特性。摻加纖維,尤其是高體積分數(shù)的鋼纖維同基體界面有較強的粘結(jié)作用,從根本上改變了傳統(tǒng)的普通混凝土脆性特征,對于高速動載產(chǎn)生了較強的抵抗能力。

4 爆炸實驗結(jié)果分析

爆炸漏斗坑是裝藥接觸爆炸時產(chǎn)生的高溫高壓的爆轟波直接作用于靶體造成的。爆炸漏斗坑的大小一方面受炸藥起爆及其特性（如裝藥形狀、密度、爆轟波速）的影響,另一方面受靶體性質(zhì)（如厚度、強度、密度、鋼纖維摻量等）及爆炸荷載與靶體相互作用的影響。

在本次實驗中,所用炸藥類型、裝藥形狀和位置以及起爆點均相同,靶體材料的尺寸與厚度相對炸藥威力很大,不存在邊界效應(yīng),因此爆炸漏斗坑的大小主要由靶體自身的特性、放置方式以及裝藥量決定,而靶體特性主要由靶體強度及鋼纖維摻量決定。

接觸爆炸時混凝土的漏斗坑半徑r和深度h可由下式計算[10]

式中:W為裝藥量,kg;k、Ka為反映介質(zhì)抗爆炸性能參數(shù);e為裝藥高,m。

對比表3中的數(shù)據(jù)可以看出,同C100材料的k、Ka值相比,CF150和CF200的值明顯要小很多,說明鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料的抗爆炸破壞能力比普通高強素混凝土的強。對靶體材料底部臨空條件下的爆炸而言,其k、Ka值相對略有提高,說明了靶體臨空對抗爆炸性能不利,這是由于靶體直接放置在地面上（底部有土墊層）的情況與底部臨空的情況的爆炸局部破壞作用不同。一方面板底土墊層阻止了試件底部隆起、震塌以致脫落的趨勢,另一方面爆轟波大部分能量傳到土體中,減輕了爆轟對試件的局部破壞作用,使得靶體更不容易發(fā)生貫穿甚至震塌破壞。

表3 爆坑參數(shù)計算結(jié)果Table 3 Computation results of crater parameters

從表3中還可以看出,對C100素混凝土,靶體的放置方式對Ka的大小影響不大,因此本文中選其平均值0.147,對底部臨空的CF150和CF200靶體,選擇其Ka值分別為0.129和0.116,抗爆炸系數(shù)的這種變化正是鋼纖維的摻入起到了增強增韌作用的結(jié)果,如前文中分析的那樣,這本質(zhì)上與靶體材料的抗拉強度密切相關(guān)。

為此,同時測試了靶體材料的各項力學(xué)性能,如表4所示,表中ft、fc、E、ν分別為抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、泊松比。

表4 UHPCC材料的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of UHPCC

對不同材料的Ka值及抗拉強度的比值之間進行擬合,發(fā)現(xiàn)有如下關(guān)系

式中:Ka0為C100靶體材料的Ka值,本文中取0.147,ft0為C100靶體材料的抗拉強度,本文中取5.83 MPa,因此上式可轉(zhuǎn)化為

這驗證了經(jīng)驗公式（修正BRL）中[11-12]貫穿厚度與抗拉強度的平方根成反比的結(jié)論,因此可以通過式（3）的結(jié)果來預(yù)測靶體材料爆炸漏斗坑的深度,從而設(shè)計防護工程材料的結(jié)構(gòu)尺寸以防止震塌和貫穿現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié) 論

（1）在其他條件相同的情況下,隨著裝藥量的提高,靶體表面的破壞情況趨于嚴重,迎爆面爆炸漏斗坑直徑和深度隨著裝藥量的提高而略有擴大,在裝藥量相同的情況下,底部臨空的靶體的破壞情況要嚴重得多,靶體材料的破壞情況隨其強度等級的提高而有所減弱。

（2）鋼纖維的摻入能顯著提高材料的抗爆炸、抗震塌性能。普通高強的素混凝土（C100）靶體的破壞要比其他材料靶體的破壞情況嚴重得多,被爆面甚至發(fā)生震塌現(xiàn)象。而鋼纖維混凝土靶體由于鋼纖維的約束作用,靶體背爆面只有略微隆起或者趨于平整,裂紋數(shù)量和尺寸也不斷減少,這是由于超細鋼纖維對水泥基復(fù)合材料的增強、增韌、阻裂作用,從根本上改變了普通混凝土的脆性特征,使得材料具有較強的抗爆炸和抗震塌能力。

（3）通過對爆炸漏斗坑直徑和深度的分析發(fā)現(xiàn),其抗爆炸系數(shù)Ka與材料本身的抗拉強度的平方根成反比,并給出了靶體臨空狀態(tài)的Ka表達式,以預(yù)測超高性能水泥基復(fù)合材料的爆炸漏斗坑深度,以期為防護工程材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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