聚脲彈性體噴涂不同砌體墻的抗爆性能研究

賈藝凡，陶西貴

（軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，北京 100036）

0 引言

三硝基甲苯（TNT）在空氣中爆炸時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)瞬間將全部的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為爆炸能量，形成壓力巨大的沖擊波。爆炸源周?chē)慕ㄖ锖臀矬w都會(huì)因受到?jīng)_擊波的作用而遭受一定程度的破壞。在爆炸引起的碎片、地面振動(dòng)以及火災(zāi)等次生災(zāi)害作用下，建筑結(jié)構(gòu)易發(fā)生顯著的局部破壞，甚至因局部破壞引起的連續(xù)倒塌、造成人員傷亡。因此，研究和分析如何提高建筑防爆抗爆能力，是急需解決的一大課題。

近些年，聚脲作為減緩爆炸沖擊材料已被廣泛研究，聚脲是一種彈性嵌段共聚物，由異氰酸酯和氨反應(yīng)生成，具有優(yōu)異的機(jī)械性能[1-2]、高彈性模量[3]、高拉伸強(qiáng)度（12~45 MPa）[4]、高延展性[5]和良好的抗沖擊性[6-7]。甘云丹等[8]和黃華等[9]以國(guó)外相關(guān)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用LS-DYNA軟件分析爆炸荷載作用下聚脲加固空心混凝土磚砌體墻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和破壞模式。國(guó)內(nèi)學(xué)者還研究了普通防爆墻、水體防爆墻以及在結(jié)構(gòu)上附加阻尼器等措施對(duì)降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)、提高結(jié)構(gòu)抗爆性能的作用[10-12]。而對(duì)于聚脲彈性體增強(qiáng)砌體墻抗爆性能試驗(yàn)鮮有研究。

本文利用課題組自制的改性聚脲彈性體加固設(shè)置的磚墻和混凝土砌塊墻，對(duì)不同加固厚度聚脲彈性體的不同砌體墻分別進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，研究分析在不同厚度和加固方式時(shí)聚脲彈性體加固墻體的破壞模式和抗爆效果。

1 聚脲彈性體噴涂不同砌體墻抗爆性能研究

建筑結(jié)構(gòu)中常用的填充部分有磚墻、混凝土砌塊墻，按照結(jié)構(gòu)受力不同分為承重墻和非承重墻。爆炸荷載導(dǎo)致墻體產(chǎn)生的破壞部分的拋射以及高速碎片是造成室內(nèi)人員傷亡的主要原因。

1.1 磚墻和混凝土砌塊墻試件

磚墻和混凝土砌塊墻由太原市尖草坪區(qū)新科技術(shù)開(kāi)發(fā)中心江陽(yáng)咨詢(xún)部制作（見(jiàn)圖1），磚塊尺寸為24 cm×115 cm×53 cm，加氣混凝土砌塊尺寸為60 cm×24 cm×24 cm，墻體尺寸為250 cm×310 cm×24 cm（寬×高×厚），磚墻采用一順一丁式砌筑，混凝土砌塊墻采用加氣混凝土砌塊施工工藝砌筑，單墻砌筑盡量在短期內(nèi)完工，所有墻體同期同條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

圖1 磚墻和混凝土砌塊墻

1.2 試驗(yàn)設(shè)置及加載

本組試驗(yàn)對(duì)比不同噴涂厚度條件下墻體在爆炸荷載作用下的破壞模式，噴涂聚脲彈性體時(shí)嚴(yán)格按照J(rèn)GJT200—2010《噴涂聚脲防水工程技術(shù)規(guī)程》噴涂施工工藝流程進(jìn)行，保證噴涂聚脲彈性體涂層的質(zhì)量。

聚脲彈性體噴涂磚墻進(jìn)行單面噴涂加固，噴涂厚度分別為3、5、8 mm，試驗(yàn)采用柱狀TNT爆炸獲取沖擊波荷載。

聚脲彈性體噴涂混凝土砌塊墻進(jìn)行單面噴涂加固，噴涂厚度分別為4、6 mm，試驗(yàn)采用柱狀TNT爆炸獲取沖擊波荷載。

聚脲彈性體噴涂磚墻和混凝土砌塊墻見(jiàn)圖2。

圖2 聚脲彈性體噴涂磚墻和混凝土砌塊墻

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3 磚墻

對(duì)未噴涂聚脲彈性體及噴涂厚度分別為3、5、8 mm的磚墻進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，試驗(yàn)前后的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)前后磚墻對(duì)比

由圖3（a）、（b）可知，未噴涂聚脲彈性體磚墻在當(dāng)量2.17 kg，爆距10.5 cm的TNT炸藥爆炸荷載作用下，墻體出現(xiàn)瓦解和飛散，破壞部分飛濺到墻體背爆面地面半徑8 m的范圍內(nèi)。

由圖3（c）、（d）可知，噴涂聚脲彈性體厚度為3 mm的磚墻在當(dāng)量2.16 kg，爆距10.5 cm的TNT炸藥作用下，墻體中心區(qū)域出現(xiàn)錯(cuò)位裂縫，加固層出現(xiàn)破裂，水平位移12 cm。墻體有輕微凹曲變形，但相較于未噴涂聚脲彈性體磚墻，墻體完整且未倒塌。

由圖3（e）、（f）可知，噴涂聚脲彈性體厚度為5 mm的磚墻在當(dāng)量2.24 kg，爆距10.5 cm的TNT炸藥作用下，墻體中心區(qū)域水平位移21 cm，加固層無(wú)明顯破裂現(xiàn)象。相較于聚脲彈性體厚度3 mm磚墻，墻體背爆面出現(xiàn)拉伸應(yīng)變程度增大，導(dǎo)致墻體中心位移增加。

由圖3（g）、（h）可知，噴涂聚脲彈性體厚度為8 mm的磚墻在當(dāng)量2.06 kg，爆距10.5 cm的TNT炸藥作用下，墻體中心區(qū)域出現(xiàn)明顯裂縫，水平位移33 cm，加固層明顯破裂。相較于其他聚脲彈性體厚度的磚墻，墻體背爆面凹曲變形響應(yīng)增強(qiáng)。

對(duì)比未噴涂聚脲彈性體磚墻，噴涂了聚脲彈性體的磚墻抗爆性能明顯提高，磚墻墻體未整體倒塌，墻體背爆面僅產(chǎn)生裂縫，表面完整且相對(duì)平滑，聚脲彈性體的包覆可有效減弱因爆炸沖擊波荷載而出現(xiàn)磚體飛濺碎片，減緩二次毀傷。

噴涂不同厚度聚脲彈性體的磚墻，在爆炸荷載作用下出現(xiàn)凹曲變形響應(yīng)，但聚脲彈性體有效降低墻體中心的位移量。隨著聚脲彈性體噴涂厚度的增加，磚墻墻體的中心位移越大。聚脲彈性體能有效約束磚墻墻體的位移，減弱墻體的凹曲變形。

磚墻墻體背爆面噴涂3 mm厚度的聚脲彈性體，在爆炸荷載作用下保持相對(duì)完整，無(wú)破壞和碎片拋擲，有輕微凹曲變形，說(shuō)明中間區(qū)域?yàn)閺?qiáng)動(dòng)力荷載作用下的塑形區(qū)域，塑形區(qū)域的邊界在板變形的過(guò)程中是變化的。而在涂聚脲彈性體的磚墻在爆炸荷載作用下中心區(qū)域的裂縫幾乎重合，入射爆炸荷載影響的具體量值、背爆面對(duì)卸載波的影響量值無(wú)法定量分析，但可以證明，磚墻背爆面噴涂聚脲彈性體顯著降低了爆炸荷載對(duì)墻體結(jié)構(gòu)的破壞。

2.3 混凝土砌塊墻

對(duì)未噴涂聚脲彈性體及噴涂厚度分別為4、6 mm的混凝土砌塊墻進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，試驗(yàn)前后的對(duì)比結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 未噴涂聚脲彈性體試驗(yàn)前后混凝土砌塊墻對(duì)比

圖5 噴涂4 mm聚脲彈性體試驗(yàn)前后混凝土砌塊墻對(duì)比

圖6 噴涂6 mm聚脲彈性體試驗(yàn)前后混凝土砌塊墻對(duì)比

由圖4可知，未噴涂聚脲彈性體混凝土砌塊墻在TNT炸藥爆炸荷載作用下，墻體出現(xiàn)瓦解和飛散，破壞部分飛濺到墻體背爆面地面半徑16.3 m的范圍內(nèi)。

由圖5可知，噴涂聚脲彈性體厚度為4 mm的混凝土砌塊墻在當(dāng)量1.2 kg，爆距20.5 cm的TNT炸藥作用下，墻體背爆面平滑、完整，加固層無(wú)破裂、拉伸破壞現(xiàn)象，迎爆面部分砌塊表面破碎。相較于未噴涂聚脲彈性體混凝土砌塊墻，墻體完整且未倒塌。

由圖6可知，噴涂聚脲彈性體厚度為6 mm的混凝土砌塊墻在當(dāng)量1.25 kg，爆距10.5 cm的TNT炸藥作用下，墻體在爆炸荷載作用下加固層中間開(kāi)裂墻體倒塌，但砌塊并未出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象。

未噴涂聚脲彈性體混凝土砌塊墻在爆炸荷載作用下出現(xiàn)瓦解和拋撒，墻體破壞部分拋撒到背爆面地面范圍內(nèi)，而噴涂聚脲彈性體的混凝土砌塊墻得到有效包裹，即使墻體受到破損后倒塌，也明顯減弱墻體背爆面碎片的產(chǎn)生，約束墻體的凹曲變形和破壞。噴涂了4 mm厚度的聚脲彈性體混凝土砌塊墻抗爆性能明顯提高，墻體無(wú)凹曲變形出現(xiàn)；噴涂6 mm的混凝土砌塊墻在爆炸沖擊荷載作用下，中心區(qū)域出現(xiàn)斷裂、錯(cuò)位裂縫，由于聚脲彈性體的附著力較強(qiáng)，將墻體砌塊撕裂后倒塌。

國(guó)外研究人員將聚脲彈性體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗爆性能的機(jī)理歸于沖擊阻抗匹配、沖擊波彌散、破裂模式轉(zhuǎn)換、應(yīng)變分散4個(gè)方面[13]。在爆炸荷載作用下，墻體響應(yīng)前期階段主要是迎爆面沖擊阻抗匹配、沖擊波彌散，在墻體動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中聚脲彈性體發(fā)生應(yīng)變過(guò)程，導(dǎo)致墻體應(yīng)變分散，最終導(dǎo)致加固墻體破壞模式轉(zhuǎn)換。

3 結(jié) 論

（1）磚墻墻體背爆面噴涂3 mm厚度的聚脲彈性體，在爆炸荷載作用下保持相對(duì)完整，無(wú)破壞和碎片拋擲，有輕微凹曲變形，可考慮應(yīng)用于實(shí)際工程中。

（2）混凝土砌塊墻背爆面噴涂4 mm厚度的聚脲彈性體，表現(xiàn)出良好的抗爆性能。

（3）聚脲彈性體能有效減弱墻體背爆面碎片的產(chǎn)生，降低砌體墻在爆炸荷載作用下的變形和位移，提高了砌體墻的抗爆能力。