鋼絲網(wǎng)高強(qiáng)混凝土抗爆性能試驗(yàn)研究

袁建虎，唐建，呂振堅(jiān)，安立周

(解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京210007)

0 引言

混凝土是防護(hù)工程中應(yīng)用最廣泛的材料之一，但混凝土材料脆性大、易開(kāi)裂、抗沖擊性差。在一些承受高速?zèng)_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(yīng)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(diǎn)，也是較好的防護(hù)抗爆材料［9－10］，但要在防護(hù)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(jià)、設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)等方面的諸多問(wèn)題［11］。前期的系列理論和試驗(yàn)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(dòng)態(tài)力學(xué)和抗侵徹性能，是一種較為理想的工程防護(hù)材料［12－14］。為加強(qiáng)鋼絲網(wǎng)混凝土在工程防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，本文試驗(yàn)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(yàn)方案

結(jié)合前期研究成果，抗爆性能試驗(yàn)時(shí)，鋼絲網(wǎng)選用密度7.8 ×103kg/m3，拉伸強(qiáng)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(zhǎng)l=3 mm，鋼絲網(wǎng)布設(shè)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(zhǎng)度40 mm，長(zhǎng)徑比80，抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)方法

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

2)采用集團(tuán)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(zhǎng)邊沿靶板試件對(duì)角線放置，TNT 炸藥的捆扎形式及起爆點(diǎn)的設(shè)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(chǎng)觀測(cè)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(kāi)展情況等)。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

在裝藥0.6 kg 接觸爆炸情況下，同材料試件的重復(fù)性試驗(yàn)，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(yán)重，主體呈粉碎性破壞，僅留有試件邊緣幾個(gè)大塊，且較為分散，無(wú)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(jiàn)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(shí)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(tái)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(hù)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(méi)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(qiáng)的有效區(qū)域)無(wú)明顯裂紋，敲開(kāi)表層“素砼”后，一層鋼絲網(wǎng)以下沒(méi)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(duì)角線方向有細(xì)微的裂紋趨勢(shì)，無(wú)環(huán)向裂紋，四周在邊界效應(yīng)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(shí)伴有“十”字形裂紋，除局部素層外，基本無(wú)脫落，沒(méi)有形成震塌漏斗坑，如圖2(e)所示。

圖2 0.6 kg 裝藥對(duì)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(gè)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(tái)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(kuò)散狀裂紋趨勢(shì)，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(kuò)散性裂紋，具體情況參見(jiàn)圖3(c);試件背面無(wú)震塌塊，從中心向外有少量對(duì)角方向輻射裂紋，無(wú)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(kuò)散性裂紋，具體情況如圖3(e)所示;試件背面無(wú)震塌塊，從中心向外有對(duì)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(lái)說(shuō)，在接觸爆炸試驗(yàn)中，爆炸對(duì)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(hù)層與鋼絲網(wǎng)脫離等為特征的局部破壞作用;同時(shí)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(qiáng)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(duì)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(shí)表面預(yù)留了10 mm 左右的“素砼”保護(hù)層，而試驗(yàn)證實(shí)“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(dāng);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(xiàn)［13］結(jié)果顯示:在半穿甲彈(長(zhǎng)456.4 mm，直徑57 mm，攻角0°)對(duì)鋼纖維混凝土和鋼絲網(wǎng)混凝土試件的打擊試驗(yàn)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(wú)明顯裂紋。

對(duì)比抗爆性能試驗(yàn)結(jié)果，考慮侵徹試驗(yàn)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(shì)，但相比較而言，其優(yōu)勢(shì)比不上抗侵徹性能方面的優(yōu)勢(shì)那么明顯。

3.2.2 爆炸漏斗坑參數(shù)計(jì)算

接觸爆炸時(shí)，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(diǎn)、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(qiáng)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(yàn)中所用炸藥類型、裝藥大小、方式和位置以及起爆點(diǎn)均相同，靶件下介質(zhì)也相同，為此，在爆炸漏斗坑參數(shù)計(jì)算時(shí)，對(duì)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(jì)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(yàn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出k 和ka如表4所示。

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

由計(jì)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(dāng)，也即說(shuō)明二者抗爆性能基本相當(dāng)。

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(shuō)，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(qiáng)度基本一致，故所采用的增強(qiáng)材及增強(qiáng)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(duì)于特定的材料而言，其數(shù)值應(yīng)是確定的，為此，借助本文試驗(yàn)，以及同批次其它試件試驗(yàn)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(xiàn)［16］經(jīng)過(guò)理論和試驗(yàn)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(hù)時(shí)間和天氣等原因，同時(shí)考慮某些試件測(cè)量值有一定偏差，由此可以看出本次試驗(yàn)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(dāng)使用鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)混凝土，進(jìn)行防護(hù)工程的抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)(鋼絲直徑0.5 mm、網(wǎng)格邊長(zhǎng)3 mm 的編織鋼絲網(wǎng)，按照5 mm 層間距排列，基材標(biāo)號(hào)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(qiáng)混凝土均可有效提高混凝土復(fù)合材料的抗爆性能。對(duì)比鋼纖維增強(qiáng)混凝土，鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)混凝土雖然含鋼量相對(duì)較低，卻可表現(xiàn)出相對(duì)優(yōu)異的抗爆性能。

2)試驗(yàn)裝藥量對(duì)構(gòu)件的抗爆性能有一定的影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得較為經(jīng)濟(jì)的防護(hù)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(qiáng)混凝土進(jìn)行防護(hù)工程的抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮防護(hù)工程表面形成爆炸漏斗坑，整體結(jié)構(gòu)沒(méi)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.

References)

［1］ Willimson G R.Fort hood fiber－concrete overlay［C］∥Fibre－reinforced Cement and Concrete，RILEM Symposium 1975.London:The Construction Press Ltd，1975:453－459.

［2］ Ausi M A，Salih S A.Strength and behavior of steel fiber reinforced concrete slabs subjected to impact loading［C］∥4th RILEM International Symposium on Fiber Reinforced Cement and Concrete.London:E ＆ FN Spon，1992:629－642.

［3］ Lok T S，Xiao J R.Steel－fiber－reinforced concrete panels exposed to air blast loading proceedings of the institution of civil engineers［J］.Structures and Buildings，1999，134(9):319－331.

［4］ 王明洋，張勝民，國(guó)勝兵.接觸爆炸作用下鋼板－鋼纖維混凝土遮彈層設(shè)計(jì)方法(Ⅰ)［J］.爆炸與沖擊，2002，22(1):40－45.WANG Ming－yang，ZHANG Sheng－min，GUO Sheng－bing.Design method of steel fiber concrete shelter plate under contact detonation (Ⅰ)［J］.Explosion and Shock Waves，2002，22(1):40－45.(in Chinese)

［5］ 王明洋，錢七虎，趙躍堂.接觸爆炸作用下鋼板－鋼纖維混凝土遮彈層設(shè)計(jì)方(Ⅱ)［J］.爆炸與沖擊，2002，22(2):163－168.WANG Ming－yang，QIAN Qi－h(huán)u，ZHAO Yue－tang.Design method of steel fiber concrete shelter plate under contact detonation(Ⅱ)［J］.Explosion and Shock Waves，2002，22(2):163－168.(in Chinese)

［6］ 沈貴松，劉瑞朝，蔡燦柳.高含量高強(qiáng)鋼纖維混凝土在防護(hù)工程中的應(yīng)用研究［C］∥中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)防護(hù)工程分會(huì)第8次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.中國(guó):三亞，2003:704－707.SHEN Gui－song，LIU Rui－chao，CAI Can－liu.Application study of steel fiber reinforced high strength concrete with high volume fraction in defense works［C］∥Proceedings of 8th Annual Academic Meeting of Defense Engineering Association of China Civil Engineering Society.Sanya，China:China Civil Engineering Society，2003:704－707.(in Chinese)

［7］ 張仲林，許金余，朱篤美.爆炸荷載作用下鋼纖維混凝土梁的動(dòng)力響應(yīng)分析［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，5(5):92－94.ZHANG Zhong－lin，XU Jin－yu，ZHU Du－mei.Dynamic response of steel fiber concrete beam under explosive load［J］.Journal of Air Force Engineering University:Natural Science Edition，2004，5(5):92－94.(in Chinese)

［8］ 胡金生，楊秀敏，周早生.接觸爆炸對(duì)底部有土墊層纖維混凝土板破壞效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.爆炸與沖擊，2005，25(2):157－162.HU Jin－sheng，YANG Xiu－min，ZHOU Zao－sheng.Experimental investigation on contact explosion damage effect to fiber reinforced concrete slab with soil bedding［J］.Explosion and Shock Waves，2005，25(2):157－162.(in Chinese)

［9］ 焦楚杰.高與超高性能鋼纖維砼抗沖擊與抗爆研究［D］.南京:東南大學(xué)，2004.JIAO Chu－jie.Study on behaviour of HPSFRC and UHPSFRC subjected to impact and blast ［D］.Nanjing:Southeast University，2004.(in Chinese)

［10］ 焦楚杰，孫偉.鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗爆炸研究［J］.工程力學(xué)，2008，25(3):158－166.JIAO Chu－jie，SUN Wei.Study on steel fiber reinforced high strength concrete subject to blast loading［J］.Engineering Mechanics，2008，25(3):158－166.(in Chinese)

［11］ 焦楚杰，孫偉，高培正，等.鋼纖維高強(qiáng)混凝土在抗爆工程中的應(yīng)用研究［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(5):167－172.JIAO Chu－jie，SUN Wei，GAO Pei－zheng，et al.Application of SFRHSC in blast－resistant engineering［J］.Journal of Chongqing Jianzhu University，2007，29(5):167－172.(in Chinese)

［12］ 張宏梅.鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)特種混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究［D］.南京:解放軍理工大學(xué)，2004.ZHANG Hong－mei.Study on mechanical performances of a special concert reinforced with steel wire nets［D］.Nanjing:PLA University of Science and Technology，2004.(in Chinese)

［13］ 肖燕妮.鋼絲網(wǎng)RPC 抗侵徹性能試驗(yàn)研究及其數(shù)值模擬［D］.南京:解放軍理工大學(xué)，2008.XIAO Yan－ni.Experimental research and numerical simulation of anti－penetration performance of steel wire net RPC［D］.Nanjing:PLA University of Science and Technology，2008.(in Chinese)

［14］ 王耀華，肖燕妮，畢亞軍，等.鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)活性粉末混凝土抗侵徹特性［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，9(1):57－61.WANG Yao－h(huán)ua，XIAO Yan－ni，BI Ya－jun，et al.Anti－penetration performance of reactive powder concrete reinforced with steelwire－net［J］.Journal of PLA University of Science and Technology:Natural Science Edition，2008，9(1):57－61.(in Chinese)