超高性能鋼纖維混凝土抗二次接觸爆炸性能研究

戎志丹，孫 偉，張?jiān)粕?偉

(1.江蘇省土木工程材料重點(diǎn)試驗(yàn)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)

目前的防護(hù)工程材料以普通強(qiáng)度等級(C30—C50)的混凝土或者普通纖維增強(qiáng)混凝土居多，其抗爆炸能力較弱，而超高性能鋼纖維增強(qiáng)混凝土(Ultra-High Perforinance Steel Fiber Reinforced Conerete，UHPSFRC)以其優(yōu)異的力學(xué)性能及抗毀傷性能在防護(hù)工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，也成為防護(hù)工程材料研究的熱點(diǎn)［1－3］.

精確制導(dǎo)的鉆地武器完全能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)的重復(fù)打擊，在初次受到鉆地彈的沖擊、爆炸作用后，即使防護(hù)工程未被破壞，其混凝土的形態(tài)很可能發(fā)生明顯變化，防護(hù)工程的下部結(jié)構(gòu)在爆炸波作用下也可能產(chǎn)生一定程度的損傷甚至局部破壞，因而防護(hù)工程結(jié)構(gòu)怎樣具有抗重復(fù)打擊能力是一個值得重視的問題.

針對以上問題，筆者通過多元復(fù)合技術(shù)成功制備出了兩種強(qiáng)度等級超高性能鋼纖維混凝土靶體，開展了野外爆炸試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用的裝藥量分別為1.6 kg和2.0 kg，靶體采用了兩種放置方式(直接放于地面上以及靶體底部臨空)，分別對其進(jìn)行了一次和二次抗接觸爆炸試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，所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.

1 材料制備及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥:P·Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥;超細(xì)粉煤灰:南京熱電廠超細(xì)粉煤灰，比表面積400 m2/kg;硅灰:?？瞎旧a(chǎn)的微硅粉，比表面積2 000 m2/kg;礦渣:南京江南水泥粉磨公司生產(chǎn)的磨細(xì)礦渣微粉，比表面積600 m2/kg;細(xì)集料:最大粒徑為5 mm的普通黃砂，細(xì)度模數(shù)2.67，連續(xù)級配;粗集料:最大粒徑為 10 mm的玄武巖石子，連續(xù)級配，壓碎值3.3%;外加劑:聚羧酸型高效減水劑，固含量40%，減水率大于40%;鋼纖維:超細(xì)鋼纖維，圓截面，表面鍍銅，直徑 0.175 mm，長度 13 mm，彈性模量210 GPa，抗拉強(qiáng)度1 800 MPa.超高性能鋼纖維混凝土(UHPSFRC)的配合比見表1.

表1 UHPSFRC的配合比

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共制作了2組(每組3塊)共6塊靶體.靶體采用圓柱形，不配置鋼筋，直徑取1 000 mm、厚度取400 mm，四周用5 mm厚鋼板約束.

采用的炸藥為TNT，爆炸方式采用接觸式爆炸，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(tuán)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，設(shè)計(jì)了以下3種工況:第1種工況(第1組)，1.6 kg TNT集團(tuán)裝藥接觸靶體爆炸，靶體背面臨空;第2種工況(第2組)，2.0 kg TNT集團(tuán)裝藥接觸靶體爆炸，靶體背面臨空;第3種工況(第3組)，2.0 kg TNT集團(tuán)裝藥接觸靶體爆炸，靶體置地.設(shè)計(jì)3種工況主要為了考察靶體背面不同支撐對震塌系數(shù)的影響.

2 爆炸試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 抗一次爆炸試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)在南京某靶場進(jìn)行，該試驗(yàn)場四面環(huán)山，場面開闊，利于進(jìn)行爆炸試驗(yàn).爆炸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)匯總見表2.

表2 超高性能鋼纖維混凝土的爆炸試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，在裝藥量及靶體放置方式相同的情況下，隨著鋼纖維摻量及靶體強(qiáng)度等級的提高，靶體迎爆面爆炸漏斗坑深度減小，背爆面的破壞情況趨緩，而迎爆面爆炸漏斗坑直徑變化不大;對同一種強(qiáng)度等級的靶體而言，在裝藥量相同的情況下，底部臨空靶體的破壞情況要比底部置地的靶體嚴(yán)重得多.

2.2 抗二次爆炸試驗(yàn)結(jié)果

為研究超高性能鋼纖維混凝土靶體抗彈藥重復(fù)爆炸破壞能力，對破壞后的CF150－1，CF200－2，CF200－3 3塊靶體分別進(jìn)行了二次接觸爆炸試驗(yàn)，靶體均采用置地的方式，炸藥用量為2.0 kg，置于第一次爆坑中心.CF150－1，CF200－2，CF200－3靶體第二次接觸爆炸前后的破壞情況如圖1所示.

圖1 各系列UHPSFRC材料二次爆炸前后破壞情況

從圖1可以看出，CF150－1靶體在二次爆炸后 外箍鋼板裂開，形成環(huán)向裂縫，靶體碎裂，最大裂寬50 mm;CF200－2靶體在二次爆炸后外箍鋼板裂開，形成環(huán)形裂縫，最大裂寬20 mm，但整體保持完整;CF200－3靶體在二次爆炸后產(chǎn)生二次爆炸漏斗坑(直徑47 cm，深度11.8 cm)，迎爆面有10條裂紋，最大裂寬5 mm，靶體整體性保持極好，僅表面的裂縫增多、增寬.

對比CF150－1和CF200－2靶體，這兩種靶體第一次爆炸的放置方式都是臨空(CF200－2采用2.0 kg TNT，CF150 －1 采用1.6 kg TNT)，從靶體第二次爆炸的破壞情況來看，CF200－2的破壞明顯輕于CF150－1的靶體;同樣對比CF200－2和CF200－3靶體，由于這兩個靶體第一次爆炸TNT當(dāng)量都為2.0 kg(CF200－2為臨空方式)，從靶體第二次爆炸的破壞情況來看，CF200－3的破壞也明顯輕于CF200－2的靶體.基于以上兩點(diǎn)可以得出:隨著靶體強(qiáng)度等級的提高以及第一次爆炸對靶體產(chǎn)生損失破壞程度的減小，靶體抵抗第二次爆炸破壞的能力得到提高.

CF200－3二次接觸爆炸前、后爆坑開口尺寸分別為40，47 cm;坑深分別為 6.6，11.8 cm.可見，二次接觸爆炸后，爆坑開口尺寸增大約18%，坑深增大約79%.

3 結(jié)果分析

炸藥在爆炸瞬間，由化學(xué)反應(yīng)變成和炸藥體積大小相同的高溫高壓氣體(稱為爆轟產(chǎn)物)，其高壓達(dá)2×104MPa，溫度高達(dá)3 350℃.這樣的高溫高壓氣體作用于周圍介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)將受到巨大的沖擊，產(chǎn)生很大的變形速度，使介質(zhì)迅速向外膨脹、破碎、飛散.爆轟后，直接與裝藥接觸的介質(zhì)受到強(qiáng)烈的沖擊壓縮，介質(zhì)結(jié)構(gòu)完全破壞.介質(zhì)受瞬時(shí)高壓作用的結(jié)果是形成一個空腔，這個范圍稱為壓縮范圍，壓縮范圍的半徑稱為壓縮半徑，記為ra.

試驗(yàn)和量綱分析理論均表明，球形集團(tuán)裝藥對介質(zhì)材料的壓縮半徑ra與裝藥質(zhì)量的三次方根成正比［4］.當(dāng)裝藥埋于地表面以下一定深度爆炸時(shí)，由于泄放于空氣中的爆炸能量減少，爆炸效果將增加，即壓縮半徑ra增大;埋置愈深，則壓縮半徑愈大;但埋深達(dá)到一定程度后，已處于完全封閉的爆炸狀態(tài)，此時(shí)再沒有爆炸能量泄入空氣中，這種封閉爆炸狀態(tài)時(shí)的最小埋深稱為完全填塞深度.裝藥埋深在等于或大于完全填塞深度時(shí)爆炸，都可以視為在無限介質(zhì)中爆炸.

試驗(yàn)表明，對單層介質(zhì)而言，壓縮半徑ra可用下式計(jì)算［4］:

式中:m為填塞系數(shù)，用來表示填塞條件不同時(shí)引起的爆炸效果的差異;ka為介質(zhì)材料的壓縮系數(shù);C為常規(guī)武器彈丸等效TNT裝藥量，kg.

根據(jù)式(1)可變形得到介質(zhì)材料的壓縮系數(shù)ka的計(jì)算公式，即

根據(jù)式(2)及表2中試驗(yàn)測得的爆坑尺寸，可計(jì)算得到試驗(yàn)靶體對應(yīng)的壓縮系數(shù)，見表3.

表3 壓縮系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表3可以看出，靶體背面支撐方式不同對試驗(yàn)測得的壓縮系數(shù)有影響，靶體臨空時(shí)測得的壓縮系數(shù)比靶體置于地面時(shí)測得的壓縮系數(shù)平均大12%左右.

由表3的結(jié)果對比分析來看，由于靶體本身個體之間的差異及試驗(yàn)情況的不同，所得的結(jié)果有一定的誤差，存在一定的離散性，故取3組靶體平均值作為靶體材料的壓縮系數(shù)，即對于工程設(shè)計(jì)，建議超高性能鋼纖維混凝土(有粗骨料)CF150的壓縮系數(shù)取為0.112，超高性能鋼纖維混凝土(無粗骨料)取為0.096，且CF200抗二次爆炸壓縮系數(shù)降低到80%左右.

4 結(jié)語

采用大摻量工業(yè)廢渣取代水泥，并優(yōu)選材料組分，成功制備出CF150和CF200兩種超高性能鋼纖維混凝土，并對其進(jìn)行了抗一次和抗二次接觸爆炸試驗(yàn)，對不同靶體進(jìn)行了測試分析，得出如下結(jié)論.

1)在裝藥量及放置方式相同的情況下，隨著鋼纖維摻量的提高及靶體強(qiáng)度等級的提高，靶體迎爆面爆炸漏斗坑深度減小，背爆面的破壞情況趨緩，而爆炸漏斗坑直徑則變化不大，對同一種強(qiáng)度等級的靶體而言，在裝藥量相同的情況下，底部臨空的靶體的破壞情況要比底部置地的靶體嚴(yán)重得多.

2)隨著靶體強(qiáng)度等級的提高以及第一次爆炸對靶體產(chǎn)生損傷破壞程度的減小，靶體抵抗第二次爆炸破壞的能力得到提高，二次接觸爆炸之后，CF200靶體的爆坑開口尺寸增大約18%，坑深增大約79%.

3)對于工程設(shè)計(jì)，建議超高性能鋼纖維混凝土(有粗骨料)CF150的壓縮系數(shù)取為0.112，超高性能鋼纖維混凝土(無粗骨料)CF200取為0.096，CF200抗二次爆炸壓縮系數(shù)要降低到80%左右.

［1］王德榮，戴明，李杰，等.鋼纖維超高強(qiáng)活性混凝土(RPC)遮彈板接觸爆炸破壞作用［J］.爆炸與沖擊，2008，28(1):67 －74.

［2］ Luo X，Sun W，Chan S Y N.Characteristics of high-performance steel fiber-reinforced concrete subject to high velocity impact［J］.Cement and Concrete Research，2000，30(6):907－914.

［3］ Teng T L，Chu Y A，Chang F A，et al.Development and validation of numerical model of steel fiber reinforced concrete for high-velocity impact［J］.Computational Materials Science，2008，42(1):90 －99.

［4］解放軍總參兵種部.國防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.出版地、出版社不詳，1976.