空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料的破壞與耗能的研究

倪小軍，沈兆武，蔣耀港，馬宏昊

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系，合肥 230026)

孔隙材料對(duì)沖擊波因具有耗散特性，已引起國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。其中，以泡沫材料研究和應(yīng)用最為廣泛。目前，通過開展實(shí)驗(yàn)、建立理論模型和數(shù)值模擬等途徑，研究了泡沫鋁的破壞與耗能特性[1～7]。Ashby等[1]圍繞多孔泡沫的制備、結(jié)構(gòu)表征、性能、模擬及應(yīng)用，對(duì)相關(guān)研究和發(fā)展進(jìn)行了論述，提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);田杰等[6]指出對(duì)于爆炸沖擊波的耗散作用，脆性泡沫要優(yōu)于韌性泡沫。對(duì)于水下環(huán)境，沈兆武等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究了泡沫鋁殼對(duì)水下爆炸沖擊波的耗散作用，并結(jié)合高速攝影研究了泡沫鋁殼的動(dòng)態(tài)破壞過程;李順波等[8]通過數(shù)值模擬研究了泡沫鋁和泡沫混凝土對(duì)水下爆炸沖擊波能量的吸收特性，模擬結(jié)果表明泡沫混凝土吸能特性優(yōu)于泡沫鋁。關(guān)于泡沫混凝土吸能特性，劉海燕等[9]利用Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了研究，認(rèn)為泡沫混凝土是通過孔隙閉合和壓實(shí)來達(dá)到吸能效果;

為了獲得制作工藝簡(jiǎn)單的孔隙材料。本文將市場(chǎng)上廉價(jià)且易于購買的水泥和空心玻璃微球，按一定的配比與水混合制成含有大量孔隙的空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料。并利用水下爆炸測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量了在爆炸沖擊波與復(fù)合材料相互作用后，透射入水中的沖擊波壓力波形，同時(shí)使用高速攝像機(jī)對(duì)水下爆炸情況進(jìn)行記錄，初步研究空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料對(duì)爆炸沖擊波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和耗散作用。

1 試樣制備和測(cè)試系統(tǒng)

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，空心玻璃微球選用秦皇島秦皇玻璃微珠有限公司的產(chǎn)品，其外徑為600 －1 200 μm.容重為 0.3 －0.45 g/cm3。制備試樣的模具高為11 cm，直徑為3.7 cm和4.6 cm的PVC管，管底用膠布密封。將水泥、空心玻璃微球和水按體積比1∶3∶1進(jìn)行混合，攪拌均勻后注入PVC圓柱模具，室溫固化，獲得空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料。為了保證空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料力學(xué)性能的穩(wěn)定性，對(duì)試樣進(jìn)行30天的養(yǎng)護(hù)。經(jīng)達(dá)到養(yǎng)護(hù)期后，將復(fù)合泡沫試樣從模具中取出，并于復(fù)合試樣的中心位置開裝藥孔。裝藥方式為柱狀裝藥，炸藥采用PETN，藥柱外形尺寸為 ?0.7 cm ×4 cm 和 ?0.7 cm ×6 cm，裝藥量 W 為0.5 g和 1 g，裝藥高度為 1.73 和 3.46 cm。具體試樣參數(shù)見表1。為了防止水對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)特性的影響，在試樣外表面加貼一層防水薄膜。經(jīng)防水處理后試樣見圖1。

表1 試樣的參數(shù)Tab.1 Parameter of the samples

圖1 試樣Fig.1 Samples

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在水下爆炸容器中進(jìn)行，容器為圓形鋼結(jié)構(gòu)，壁厚26 mm，高2.5 m，內(nèi)徑2 m。壓力測(cè)試儀器主要有美國PBC公司生產(chǎn)的W138A25長型電氣石水下沖擊波壓力傳感器(ICP)和482A22型恒流源，以及美國派克公司的DP07054型示波器;攝像儀器為德國Optronics公司CamRecord1000高速攝像機(jī)。實(shí)驗(yàn)裝置平面布置如圖2所示。試樣與壓力傳感器盡量保持在同一水深1.2m處，二者水平間距固定為0.5m;同時(shí)，將試樣放置在攝像機(jī)的最佳視場(chǎng)范圍內(nèi)，以保證最佳的成像效果。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中，水下壓力傳感器測(cè)得了距藥柱0.5 m測(cè)點(diǎn)處爆炸沖擊波的壓力波形，典型原始電壓與時(shí)間波形及其換算后的壓力與時(shí)間波形如圖3所示，測(cè)試結(jié)果見表2。為了便于對(duì)空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析和研究，利用高速攝影機(jī)對(duì)水中爆炸載荷作用下試樣動(dòng)態(tài)破壞過程進(jìn)行拍攝，拍攝幀數(shù)為2000幅/s。其中，試樣Ⅰ的拍攝結(jié)果見圖4，其中從左至右的拍攝時(shí)間:第一排為0、1.5(柱殼出現(xiàn)破碎分界面)、2、2.5、6、10 和 14.5 ms;第二排為 17.5(氣泡體積第一次達(dá)到最大)、22.5和53.5 ms(氣泡體積第一次達(dá)到最小);第三排為66.5(氣泡體積第二次達(dá)到最大)、74和85 ms(氣泡體積第二次達(dá)到最小)。

圖3 沖擊波波形圖Fig.3 Shock wave curves

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各試樣的沖擊波參數(shù)Tab.2 Shock wave parameter of the samples

2.2 復(fù)合材料柱殼的破壞

試樣在爆炸過程中破壞特點(diǎn)可以通過圖4清楚地看到，在爆炸后1.5 ms時(shí)刻，爆炸沖擊波在裝藥位置形成了一個(gè)明顯的破碎分界面，分界面以上大部分中產(chǎn)生明顯的裂痕(只有端部基本保持完整)，分界面以下部分基本保持完整。對(duì)試樣殘片進(jìn)行回收，藥柱裝藥位置以上的試樣基本都被破碎，而裝藥位置以下的部分基本未被破壞，試樣殘片見圖5。分界面以上部分承受的爆炸沖擊作用在隨后的氣泡脈動(dòng)中得以加強(qiáng)和延續(xù)，使得該部分試樣的破壞作用十分充分。而破碎分界面以下部分，0.5 g藥柱爆炸產(chǎn)生的沖擊作用，沒有在試樣殘片中形成明顯的凹坑，但在靠近試樣底部處形成一個(gè)不完全的層裂面，而1 g藥柱爆炸產(chǎn)生的沖擊波，在試樣殘片中形成明顯的凹坑，并在靠近試樣底部處形成一個(gè)完整的層裂面。由此可見，同直徑的藥柱，隨著藥柱高度增加，藥柱軸向輸出能量也隨之增加?；谏鲜龇治隹芍?，在水中環(huán)境和內(nèi)爆炸加載條件下，被爆炸物的沿藥柱的傳爆方向的破壞類型，依次可分為前端的氣泡脈動(dòng)破壞為主、中部的爆炸沖擊作用為主和底部的應(yīng)力波產(chǎn)生的層裂破壞作用為主。

圖4 試樣水下爆炸破碎過程Fig.4 The crushing process of samples underwater explosion

圖5 試樣殘片F(xiàn)ig.5 Fragment of samples

2.3 復(fù)合材料對(duì)沖擊波耗散作用

炸藥的爆轟波傳播到藥柱與空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料試樣界面后，爆轟波轉(zhuǎn)化為沖擊波，并在復(fù)合材料中傳播，其中部分沖擊波經(jīng)復(fù)合材料－水界面透射入水中。水中沖擊波壓力峰值[10]可以按下式計(jì)算:

式中:W為炸藥的水中爆炸TNT當(dāng)量，kg;R為距藥柱中心的距離，m;l為藥柱裝藥長度，m。對(duì)于PETN炸藥的水中爆炸TNT當(dāng)量系數(shù)的換算關(guān)系[11]為:

式中:QTNT為PETN炸藥水中爆炸沖擊波參數(shù)的TNT當(dāng)量系數(shù);Eθ_PETN為 PETN炸藥水中爆炸的沖擊波能，MJ/kg;Eθ_TNT為TNT炸藥水中爆炸的沖擊波能，MJ/kg。炸藥的沖擊波能[12]的理論計(jì)算公式為:

式中:Eθ_理論為沖擊波能的理論計(jì)算值，MJ/kg;WTNT為某種炸藥空中爆炸TNT當(dāng)量，kg。本文PETN藥柱裝藥量為0.5 g和1 g，裝藥長度分別為1.73 cm 和3.46 cm，TNT 當(dāng)量系數(shù)為 1.29。聯(lián)立式(2)、(3)，可得PETN炸藥水中爆炸TNT當(dāng)量系數(shù)為1.004 3。由式(1)可計(jì)算距離0.5 g和1 g藥柱0.5 m處沖擊波壓力峰值分別為6.3 MPa和8.18 MPa。由表1可知，距離0.5 g和1 g藥柱0.5 m處的實(shí)測(cè)沖擊波平均峰值壓力為6.16 MPa和7.98 MPa。若以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)，則計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差僅為2.27%和2.5%，說明利用公式(1)計(jì)算藥柱水中爆炸沖擊波壓力是準(zhǔn)確的。

據(jù)式(1)，利用沖擊波壓力峰值實(shí)測(cè)值反演TNT藥量，乘以水中爆炸TNT當(dāng)量系數(shù)，換算成PETN的有效藥量Weffect，計(jì)算結(jié)果如表2所示.由表2中可知，裝藥量相同的條件下，隨著復(fù)合材料殼體厚度的增加，藥柱爆炸沖擊波傳入水中的能量減少;而殼體厚度相同的條件下，隨著藥量增加，傳入水中的能量也隨之增加。

3 結(jié)論

本文利用空心玻璃微球和水泥制備出了含有大量孔隙的復(fù)合材料，并設(shè)計(jì)了水下爆炸實(shí)驗(yàn)，對(duì)復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)和耗能特性進(jìn)行研究。通過高速攝影技術(shù)捕捉爆炸過程中試樣的變形，發(fā)現(xiàn)爆炸初始階段，爆炸沖擊波在裝藥位置形成了一個(gè)明顯的破碎分界面;圓柱殼體的破壞類型沿藥柱的傳爆方向，依次可分為前端的氣泡脈動(dòng)破壞為主、中部的爆炸沖擊膨脹壓縮破壞為主和底部的應(yīng)力波產(chǎn)生的拉伸破壞為主。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同厚度和裝藥量的試樣在水下爆炸過程中，透射入水中的沖擊波超壓。通過標(biāo)準(zhǔn)藥柱的實(shí)測(cè)值驗(yàn)證了所選沖擊波超壓經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性。并利用經(jīng)驗(yàn)公式反演了透射入水中的沖擊波能量占炸藥爆炸總能量的比例。雖然通過實(shí)驗(yàn)初步研究了空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料對(duì)爆炸沖擊波能量的耗散作用，得到了一些具有參考價(jià)值的結(jié)果，但鑒于空心玻璃微球－混凝復(fù)合材料的壓縮變形和脆性破壞模式的復(fù)雜性，其耗散沖擊波機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。

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