防爆墻材料與結(jié)構(gòu)研究進展

陳沫衡，張典堂，錢 坤，徐 陽

(1.江南大學生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.江南大學紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122)

爆炸是指大量能量在有限體積和極短時間內(nèi)快速釋放或急驟轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，這種能量轉(zhuǎn)化將對周圍的介質(zhì)起到強烈的作用，以致造成被作用物體產(chǎn)生嚴重變形和破壞[1]。防爆墻就是用于抵抗爆炸所形成的沖擊波和破片等所造成的危害。防爆墻除了應用于軍事防護外，在油氣開采與儲存等易燃易爆的場所以及反恐等領(lǐng)域都具有巨大的應用市場[2]。

在爆炸的過程中，氣體產(chǎn)物以球狀不斷向外膨脹并以超聲速的速度壓縮周圍的空氣，使得空氣的壓力、密度驟增，形成很強的沖擊波，當沖擊波作用于防爆墻墻體時，沖擊波在墻體內(nèi)部會產(chǎn)生反射拉伸波，由于大多數(shù)的固體材料的抗拉能力遠小于抗壓能力，導致固體材料分層或剝落，以致破壞原來的結(jié)構(gòu)狀態(tài)[3-4]。除沖擊波外，炸藥爆炸還會將炸藥的能量轉(zhuǎn)化為破片的動能，使破片以很高的速度向外飛散，造成墻體的局部破壞。因此防爆墻不僅要防沖擊波對墻體的整體作用，還應具備抵抗破片點沖擊的能力。

1 傳統(tǒng)防爆墻材料和結(jié)構(gòu)

由戰(zhàn)爭演變出的防爆墻，主要形式是沙袋式防爆墻，后來隨著應用場合和需求的變化，圍欄式防爆墻、鋼筋混凝土防爆墻、水體防爆墻等也漸漸發(fā)展起來。

1.1 沙袋式防爆墻

沙袋式防爆墻(見圖1)最大特點就是結(jié)構(gòu)簡單、取材方便，可以根據(jù)不同的保護對象對墻體的結(jié)構(gòu)進行更改，在戰(zhàn)爭防護中有著廣泛的應用。為了達到快速拼裝的目標，美軍創(chuàng)新設計了一種快速拼裝式防爆墻(見圖1b、圖1c)，其內(nèi)部使用聚丙烯無紡布，外部用鍍鋅鋼的網(wǎng)狀格子鏈接，在使用時將折疊的材料展開，就地取用沙土、石塊等材料，用工程車輛進行填裝，大大提高了作業(yè)效率。

圖1 沙袋式防爆墻Fig.1 Sandbag explosion-proof wall

1.2 鋼筋混凝土防爆墻

沙袋式防爆墻外皮一旦發(fā)生破壞、沙土流失，防爆效果將大打折扣。但是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為代表的剛性防爆墻(見圖2)不同，在受到爆炸沖擊時，由于它的剛度、強度、質(zhì)量和體積較大，因此墻體基本不會被破壞且變形小。沖擊波在墻上經(jīng)歷了反射和繞流后，大大減少了墻后被保護物體所受到的沖擊壓力。

圖2 鋼筋混凝土防爆墻Fig.2 Reinforced concrete explosion-proof wall

1.3 水體防爆墻

水體防爆墻(見圖3)具有原料易獲取、成本低、輔助材料便于儲存運輸?shù)忍攸c，且在被沖擊破壞后二次毀傷較小，也可以預防火災等次生危害。

圖3 水體防爆墻Fig.3 Water body explosion-proof wall

水體在防爆過程中會伴隨著水、空氣和爆炸產(chǎn)物之間的能量交換、相態(tài)轉(zhuǎn)化等問題。文獻[5]指出，水體墻在接觸到?jīng)_擊波和爆炸產(chǎn)物時會在短時間內(nèi)被粉碎，大部分的水體顆粒隨沖擊波傳播的方向飛散，在此過程中耗散了能量；還有小部分的水體由于爆炸波的高溫而變成了水霧，水霧隨即與壓縮后的高溫空氣混合進行了能量交換變?yōu)樗魵?，從而降低了壓縮空氣的溫度和壓力，同時也抑制了爆炸沖擊波的進一步傳播[6]。

2 新型防爆材料和結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)防爆墻因其體積大、不易拆卸，且防爆效果不佳，不適用于應對突發(fā)事件的快速響應?，F(xiàn)代形勢下，隨著應急防護需求的不斷提升和材料科學的不斷發(fā)展，新型高性能纖維和新型結(jié)構(gòu)不斷被應用在防爆領(lǐng)域中，使得防爆墻在提高抗爆性能的同時，實現(xiàn)墻體的輕量化與安裝快速化。

2.1 新型材料

隨著科技的發(fā)展，各種新型材料層出不窮，新型材料以其輕質(zhì)化、高模量、耐腐蝕性好等優(yōu)點，在不同的防爆墻中充當著加強結(jié)構(gòu)、削波吸能、降低墻體損傷等作用。

2.1.1 高性能纖維材料

高性能纖維有著高強、高模、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點。纖維增強混凝土(FRC)具有優(yōu)異的強度和變形特性，在防爆、抗震、抗沖擊等安全防護工程領(lǐng)域有良好的應用前景。學者們已對多種FRC材料在常溫條件下的動態(tài)力學性能開展了研究[7-8]，結(jié)果表明，以纖維為增強體混入混凝土中，不僅可以提高混凝土的抗沖擊荷載作用能力，還可以使混凝土脆性顯著的特點大為改善，從而擴展了其在安全防護領(lǐng)域的應用范圍，為工程防護領(lǐng)域在抗震、防爆、抗沖擊等方向的理論研究和技術(shù)創(chuàng)新帶來現(xiàn)實意義。

為了提高混凝土的抗爆裂性能，在傳統(tǒng)鋼筋混凝土中摻加長碳纖維。在現(xiàn)場爆炸試驗中，通過對比傳統(tǒng)鋼筋混凝土板(RC)和長碳纖維混凝土板(LCFRC)的損傷程度，發(fā)現(xiàn)長碳纖維混凝土板表面損傷輕、材料損失率低，證明加入長碳纖維能明顯提高混凝土的抗沖擊性能[9]。在探究混凝土中摻入玄武巖纖維的抗沖擊性能過程中，采用U形試件及自制落錘沖擊裝置對4種不同摻量的玄武巖纖維混凝土(BFRC)進行沖擊測試，發(fā)現(xiàn)BFRC的抗沖擊性能在設計比例范圍內(nèi)與玄武巖纖維含量成正相關(guān)；任韋波等[10]利用霍普金森桿對不同溫度作用后的BFRC進行了沖擊加載實驗，發(fā)現(xiàn)在較高加載速率和溫度下，玄武巖纖維在混凝土內(nèi)形成的“微加筋”系統(tǒng)可以有效收縮和約束混凝土由于高溫而產(chǎn)生的裂縫，提高其沖擊韌性和動態(tài)拉伸強度。

增強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的另一種方式就是采用纖維增強復合材料(FRP)貼片，F(xiàn)RP是一種由同向排列的長絲與樹脂等結(jié)合的聚合物。常用的種類有芳綸纖維增強復合材料(AFRP)、碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)等。由于FRP質(zhì)地輕薄，雖然不足以吸收和消耗沖擊波的能量，但是可以作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固材料，在減輕重量的同時充分發(fā)揮各自的強度。鋼筋、混凝土和FRP的材料參數(shù)如表1所示[11-14]?？梢钥闯鯢RP的密度約為Q235號鋼的1/5，這就為防爆墻的輕質(zhì)高強提供了可能。FRP的模量雖然沒有鋼板大，但是FRP通過緊緊覆蓋在墻體表面，為墻體提供了足夠的約束，提高了板的整體剛度，同時又避免了鋼板加固的界面黏結(jié)不牢、易銹蝕等問題。

表1 鋼板、混凝土和FRP的材料參數(shù)

為了驗證FRP的抗爆加固效果，Jacques等[15]對外部粘貼FRP的RC載荷結(jié)構(gòu)進行了60次模擬爆炸，結(jié)果表明，在防止復合材料與混凝土基材脫粘的前提下，外部粘結(jié)的FRP可以提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗爆性能[11,15]。戚雪劍[11]對FRP的加固方式和加固層數(shù)給出了建議。Ahmed等[16]研究了爆炸作用下FRP夾芯板的有效性，重點對FRP面板的吸收能量和峰值變形進行了分析，結(jié)果表明該種面板使能量耗散提高了111%，變形水平降低了7%，具有出色的抗爆性能。但輕薄的FRP結(jié)構(gòu)單獨作用不足以吸收消耗沖擊波，與其他材料的板材結(jié)合才能夠更好地發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢[17]。

2.1.2 多孔材料

在傳統(tǒng)的工程材料中，人們通常認為孔洞是一種結(jié)構(gòu)缺陷，因為它極容易引起材料的裂紋，從而使材料在后續(xù)的使用中產(chǎn)生物理及力學性能不佳的現(xiàn)象。但是當材料的孔隙率增大到一定程度后，就形成了一種新的門類，即多孔材料，也可稱之為泡沫材料。泡沫材料在防爆領(lǐng)域有著廣泛的應用，原因有三。首先，所有結(jié)構(gòu)都可以通過內(nèi)部應力、彈性變形、塑性彎曲、斷裂等來吸收與消散能量，泡沫材料自身阻尼較大，耗能能力更強；其次，泡沫材料吸能是各向同性的，因此在受到?jīng)_擊時可以在多個方向同時吸收能量，因此能起到很好的隔爆、消壓、吸能的作用；最后，泡沫質(zhì)量輕，有利于防爆墻的整體減重。

金屬泡沫是一種采用發(fā)泡、燒結(jié)等生產(chǎn)工藝制作的含有大量孔洞的金屬基材料[18]，它既保留了金屬具有一定的強度，且在壓縮的過程中具有較長的平臺區(qū)[19]，同時也具有類似于泡沫塑料的高阻尼性能(見表2)，其阻尼能力比致密塊體高出3～10倍[20]，較大的阻尼更利于沖擊波的耗散和衰減。金屬泡沫材料在爆炸防護領(lǐng)域的應用是當前國內(nèi)外學術(shù)研究的熱點。

表2 泡沫鋁、Zn-Al合金和Al塊的阻尼

為研究泡沫鋁的破壞形態(tài)和特點，夏志成等[21]對3種厚度的鋼-泡沫鋁夾芯板進行5種不同當量的TNT爆炸試驗，分析得出泡沫鋁通過局部壓縮和整體彎曲來吸收能量。Taha等[22]對比了在兩層混凝土內(nèi)部添加空氣層或泡沫鋁層對減輕墻體損傷的效果。結(jié)果表明，添加空氣層的爆炸波因在兩壁之間不斷反射而放大沖擊效果，添加泡沫鋁層的爆炸波因能量被吸收而減輕了沖擊效果，并且增大泡沫鋁芯層的厚度可以提高整體的抗爆性能[21-22]。隨著功能梯度材料的發(fā)展，梯度材料夾芯結(jié)構(gòu)的力學研究也備受學者們的關(guān)注。例如，楊麗君等[23]通過數(shù)值模擬對梯度泡沫夾芯板的抗爆性能進行了分析，結(jié)果顯示相較于質(zhì)量相同的均質(zhì)夾芯板，梯度泡沫夾芯板在抗爆性能上有顯著提升，并以面板比吸能最大和背板中心最大變形量為2個目標函數(shù)，對各層泡沫鋁參數(shù)進行了進一步優(yōu)化。高?，摰萚24]則通過戶外爆炸試驗對不同密度分布的泡沫鋁夾芯板的動態(tài)響應及破壞模式進行了研究，并通過有限元模擬分析得出，當泡沫鋁的密度由上到下遞減時，鋼筋混凝土板的減爆效果最好。

聚氨酯泡沫材料是一種輕質(zhì)、多孔且易成型的介質(zhì)材料，因其良好的隔爆性能以及優(yōu)廉的價格，早在90年代末就已在國防和軍事等領(lǐng)域被廣泛應用[25]，其與金屬板結(jié)合具有良好的抗爆性能。

近年來，許多學者都對包括聚氨酯泡沫在內(nèi)的新型材料的抗爆性能做了對比，例如，張文寬等[26]通過ANSYS/LS-DYNA對普通鋼筋混凝土墻和鋼板-聚氨酯泡沫夾芯板的抗爆性能進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示鋼板-聚氨酯泡沫夾芯板在相同爆炸載荷下的動態(tài)響應均小于普通鋼筋混凝土墻，抗爆性能最大可以提升31.2%。張建亮等[27]則對比了鋼板夾-混凝土夾芯板、鋼板-聚氨酯夾芯板和鋼板-泡沫鋁夾芯板3種形式的防爆墻的抗爆效果，指出3種墻均有良好的防護作用，吸能效果按鋼板夾混凝土、鋼板夾聚氨酯、鋼板夾泡沫鋁的順序遞增。在朱福林等[28]的研究結(jié)果中，隔爆板的吸能順序按泡沫鋁、酚醛樹脂、聚氨酯泡沫的順序遞增。上述兩個研究結(jié)果出現(xiàn)泡沫鋁和聚氨酯泡沫吸能效果不一致的現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的主要原因是二者工況不同，并且在朱福林的研究中隔爆板沒有鋁防護層。除了不同材料之間的吸能性對比，還有學者將兩種材料結(jié)合來增加吸能效果。張勇等[29]將開孔泡沫鋁中填充聚氨酯泡沫，研究混凝土板-聚氨酯泡沫鋁夾芯板的抗沖擊性能，試驗結(jié)果表明，聚氨酯泡沫鋁在適用的沖擊范圍內(nèi)可以有效發(fā)揮其變形吸能的能力。

2.1.3 表面噴涂材料

聚脲彈性體(簡稱聚脲)是一種新興安全防護材料，當它噴涂在迎爆面時，主要依靠彈性變形吸收能量，并且可以有效緩解破片所產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象，能夠提高墻體的局部剪切能力[30]；當噴涂在背爆面時，聚脲則通過斷裂來消耗更多的沖擊波能量，并且保護結(jié)構(gòu)使其破壞程度最小[31]。聚脲的吸能原理是它在動載荷作用下會發(fā)生相變，由橡膠態(tài)轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)，因而可以很好地吸收能量[32]。在安全防護領(lǐng)域，已有了關(guān)于聚脲應用于官兵作戰(zhàn)護具、軍用車輛、軍事工事等方面的研究[33]，因其具有巨大的應用前景，受到了越來越多國內(nèi)外學者的關(guān)注。

王殿璽等[34]和趙鵬鐸等[35]分別采用有限元模擬和試驗的方式對聚脲涂覆不同位置的鋼板進行爆炸載荷作用下的動態(tài)響應分析，結(jié)果顯示聚脲的抗爆效果與結(jié)構(gòu)形式和涂覆位置有關(guān)，背面涂覆的效果優(yōu)于正面涂覆，在相同鋼板厚度條件下涂覆聚脲能夠提升抗爆性能，但是在相同面密度條件下涂層越厚，鋼板變形越大。戴平仁等[36]不僅對聚脲噴涂面板進行了研究，還研究了聚脲填充蜂窩夾層對抗爆性能的影響，結(jié)果顯示，填充聚脲后的蜂窩在受沖擊時變形明顯但無坍塌斷裂現(xiàn)象，整體夾芯板的吸能能力遠高于聚脲噴涂面板的吸能能力。

2.2 新型結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)固體防爆墻的損壞不僅會導致其功能喪失，還會產(chǎn)生導致碎片危害的二次碎片。因此，防爆墻通常需要設計得非常堅固，具有可接受的體積和質(zhì)量，以高剛度和韌性來抵抗預期的爆炸載荷。這一要求除了通過改變材料，還可以通過改變防爆墻的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

2.2.1 復合結(jié)構(gòu)

應力波在不同的介質(zhì)交界面上會產(chǎn)生透射和反射現(xiàn)象，在不同的介質(zhì)中應力波的峰值會發(fā)生改變，波形也會彌散。若將多種介質(zhì)“軟”“硬”相間搭配，可降低透射應力波的強度，從而起到削弱沖擊波的效果[37]。按照芯層種類的不同，夾層復合結(jié)構(gòu)大致可以分泡沫夾層、點陣夾層、蜂窩夾層等(見圖4)。通過面板的抗拉、抗彎能力與芯板的抗橫向剪切能力來使復合結(jié)構(gòu)的抗爆性能充分被利用。

圖4 夾層復合結(jié)構(gòu)Fig.4 Sandwich composite structure

夏志成等[21]通過對爆炸試驗的分析發(fā)現(xiàn)，鋼板-泡沫鋁夾芯板的吸能作用通過整體彎曲和局部壓縮變形來實現(xiàn)，并提出增強面板與芯板之間的連接、遏制層間滑移是提高組合板抗爆性能急需解決的問題。馬洋洋等[38]通過ANSYS/LS-DYNA分析得出鋪層順序?qū)Σ煌N多層復合材料的抗爆性能影響不大，但是不同材料的厚度分配對沖擊波能量的吸收有著較大的差異。對于夾芯板的結(jié)構(gòu)變形，楊麗君等[23]重點研究了夾芯板的曲率半徑和芯體密度的排布對抗爆性能的影響，結(jié)果顯示在研究范圍內(nèi)，隨著曲率半徑的增大，夾芯板的面比吸能也單調(diào)增大；芯體密度呈大小交替分布時夾芯板的綜合抗爆性能最優(yōu)。

2.2.2 異形結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，由于生產(chǎn)工藝的復雜性和危險性日漸增強，生產(chǎn)生活中對防爆墻的抗爆性能提出了更高的要求，同時防爆墻的形式也有了更新的發(fā)展。通過對防爆墻結(jié)構(gòu)形式以及沖擊波對不同形狀迎爆面的傳播形式研究，引進新理論來應對不斷變化的爆炸破壞形式，以適應時代的要求。

馬云玲等[39]通過對直墻、弧形防爆墻和折線形防爆墻(見圖5)的抗沖擊能力進行了研究，結(jié)果顯示弧形防爆墻能夠削弱爆炸沖擊波超壓峰值，抗爆效果最佳，但是對于弧形防爆墻的具體參數(shù)未做深入研究。楊麗君等[23]得出夾芯板的面比吸能隨著泡沫鋁曲率半徑的增大而增大的結(jié)論。莊立陽[2]立足國內(nèi)對迎爆面研究不足的現(xiàn)狀，在墻體為剛性的條件下，分析了5種不同弧度墻體對墻后超壓的消減能力，并對比了素混凝土和鋼筋混凝土的破壞形式，為復雜墻體的配筋模式提供了理論研究基礎。

圖5 3種異形結(jié)構(gòu)防爆墻Fig.5 Three types of special-shaped explosion-proof walls

Zong等[40]、Hao等[41]、Jin等[42]等基于爆炸波與障礙物的相互作用會產(chǎn)生波反射、衍射和干擾以減少波能量的想法，設計了一種由結(jié)構(gòu)柱組成的護欄型爆炸墻(見圖6)，并通過數(shù)值模擬研究了其在減輕爆炸載荷方面的有效性。將圍欄式防爆墻和鋼筋混凝土防爆墻的超壓峰值、超壓時間和沖量與自由場的參數(shù)進行比較，發(fā)現(xiàn)如果布置得當，圍欄式防爆墻的抗爆性能與鋼筋混凝土墻相同甚至更好。該種防爆墻在降低了墻體體積的基礎上，還避免了實體墻的次生碎片危害。

圖6 護欄型防爆墻Fig.6 Fence type explosion-proof wall

于文靜等[43]、王珂等[44]、師吉浩等[45]均對海洋平臺波紋板防爆墻做了研究。于文靜等[43]通過三角形爆炸載荷模擬沖擊波作用，分析了材料應變率對數(shù)值模擬的影響，對墻體受爆炸沖擊波的破壞過程做了詳細研究，波紋結(jié)構(gòu)如圖7所示。王珂等[44]將油氣爆炸沖擊力等效為TNT的威力，采用數(shù)值模擬的方法對3種截面高度不同的波紋狀鋼板結(jié)構(gòu)進行了分析，波紋鋼板通過吸能變形的方式使沖擊波消減，從而保護甲板防止其損壞。研究同時證明了波紋狀鋼板材料在抵抗沖擊波時有良好的作用。師吉浩等[45]采用非線性有限元分析方法，分析了3種截面為梯形的防爆墻在沖量載荷、動力載荷和準靜態(tài)載荷下的損傷機理，并基于破壞模式建立了任意尺寸該種防爆墻的P-I曲線經(jīng)驗預測公式，為工程人員的初始抗爆設計提供參考。

圖7 海洋平臺波紋防爆墻及截面[43-44]Fig.7 Corrugated explosion-proof wall and cross section of offshore platform

3 結(jié)語

隨著社會應急事業(yè)的發(fā)展，重量大、搭建耗時久、防護性能不佳的傳統(tǒng)防爆墻已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代軍事、生產(chǎn)的需求，根據(jù)目前的研究進展，未來可從以下幾個方面進行深入研究，進一步優(yōu)化防爆墻的性能。

1)對于復合結(jié)構(gòu)的防爆墻，不同密度梯度的材料、不同種材料的界面黏結(jié)牢度還存在較大的問題，黏結(jié)不牢將會影響整個墻體的抗爆性能。

2)新型防爆墻朝著材料的輕質(zhì)化和多樣化方向發(fā)展，因此墻體實現(xiàn)輕質(zhì)化后整體的抗爆穩(wěn)定性與樁基的結(jié)構(gòu)設計是今后重點研究的內(nèi)容。

3)新型防爆墻墻體模塊化實現(xiàn)了防爆墻的快速搭建，優(yōu)化墻體模塊之間的連接方式與增強連接強度是提升防爆墻抗爆能力的關(guān)鍵點。