超高性能混凝土臨空板接觸爆炸破壞效應實驗研究*

魏久淇，李 磊，王世合，張春曉，曹少華，高 杰

（1. 軍事科學院國防工程研究院工程防護研究所，河南 洛陽 471023；2. 軍事科學院國防工程研究院工程防護研究所河南省特種防護材料重點實驗室，河南 洛陽 471023；3. 河南東駿建材科技有限公司，河南 信陽 464200）

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）是一種新型水泥基復合材料[1]，具有超高強度、超高韌性和超高耐久性等，在高層建筑、跨海大橋、核反應堆安全殼及成層式防護結構中的應用越來越廣泛。近年來，對UHPC 的制備理論、制備技術和靜動態(tài)力學特性已展開了多方面的研究[2-12]，取得了較大進步。而爆恐襲擊、局部軍事沖突和突發(fā)性爆炸事件的頻繁發(fā)生，使爆炸荷載下混凝土結構破壞效應研究越來越重要。

對非UHPC 板的接觸爆炸局部破壞效應，已進行了一些研究。張想柏等[13]利用實驗和數(shù)值模擬，再現(xiàn)了鋼筋混凝土板的爆炸成坑、爆炸震塌、爆炸貫穿和爆炸沖切等4 種典型接觸爆炸的局部破壞特征，并利用量綱分析方法，建立了新的震塌厚度計算公式，確定了震塌破壞系數(shù)及破壞等級，強調(diào)了震塌厚度與裝藥量和材料強度之間的關系；王明洋等[14]基于單自由度，提出一種鋼板-鋼纖維混凝土接觸爆炸作用下的極限分析方法，并驗證了該方法的實用性及可靠性；胡金生等[15]對比研究了鋼纖維增強混凝土、聚丙烯纖維混凝土和C40 鋼筋混凝土的局部破壞效應，發(fā)現(xiàn)鋼纖維增強混凝土的壓縮系數(shù)最小，聚丙烯纖維混凝土次之，C40 鋼筋混凝土最大，靶板支撐方式對靶板抗局部破壞效應有一定的影響，砂土墊層有利于減小靶板的破壞效應；岳松林等[16]基于鋼塑性模型，將介質(zhì)接觸爆炸問題轉化為初始沖擊體撞擊周圍介質(zhì)問題，利用質(zhì)量守恒、邊界和不可壓縮等3 個條件，提出了臨界震塌厚度和貫穿厚度的新計算公式，揭示了傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的物理本質(zhì)。這些研究成果有助于認識UHPC 接觸爆炸作用下的局部破壞特征。Li 等[17]對比研究了普通混凝土和UHPC 接觸爆炸下的破壞效應，通過對剝落碎片和爆坑尺寸的定量分析，發(fā)現(xiàn)UHPC 的抗爆性能更強。葛濤等[18]進行了超高性能混凝土抗爆性能的實驗研究，發(fā)現(xiàn)鋼纖維體積分數(shù)5%的超高性能混凝土的壓縮系數(shù)約為0.042 m/kg1/3、抗爆能力約為C30 鋼筋混凝土的3 倍，但未考慮藥心距對壓縮系數(shù)的影響。戎志丹等[19]進行了超高性能混凝土抗接觸重復爆炸能力的實驗研究，發(fā)現(xiàn)：強度越高，超高性能混凝土的抗爆性能越好，壓縮系數(shù)越?。话畜w背面支撐方式對超高性能混凝土的壓縮系數(shù)有一定影響，相比臨空，置地方式的壓縮系數(shù)較小；超高性能混凝土的抗重復爆炸性能較好，相同藥量下第2 次接觸爆炸坑深僅比第1 次增加約79%。Wu 等[20]進行了聚能炸藥射流對UHPC、普通混凝土、45 鋼及UHPC-45 鋼復合材料的局部破壞效應的實驗和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)：在相同條件下，聚能炸藥射流的穿孔深度從小到大依次為UHPC-45 鋼復合材料、45 鋼、UHPC 和普通混凝土；而在相同總質(zhì)量下，UHPC 對聚能炸藥的抵抗能力最強。目前，受制于經(jīng)費和場地等，UHPC 板接觸爆炸局部破壞效應研究還不充分，尤其是相關爆炸臨界震塌的研究。

本文中，針對C120、C150 和C180 等3 種強度的UHPC 臨空板，開展24 炮次的接觸爆炸實驗，定量分析不同藥量時典型配筋與不配筋試驗板的局部破壞特征，給出各種條件下UHPC 板的爆炸臨界震塌系數(shù)、壓縮系數(shù)和成坑系數(shù)，分析強度、配筋等對UHPC 抗爆性能的影響，合理解釋UHPC 試驗板的爆炸臨界震塌系數(shù)不一定隨強度等級的提高而降低的現(xiàn)象，擬為該材料的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 材料

實驗中UHPC 板均為自行配制澆筑，有C120、C150 和C180 等3 種強度等級，鋼纖維體積分數(shù)分別為2%、3%和5%?？紤]典型配筋與不配筋的情況，C120 和C150 靶板有配筋和不配筋的，C180 靶板不配筋，共5 類板，每類板有4～5 個試件。靶板長、寬均為1.5 m，板厚為0.3 m。配筋時鋼筋雙層雙向配置，采用 ? 12 mm 的HRB400 鋼筋，網(wǎng)格尺寸為200 mm×200 mm，此時體積配筋率為0.75%，截面配筋率為0.38%。兩層鋼筋間采用梅花拉筋，拉筋為 ? 6 mm 的HRB400 鋼筋，鋼筋的混凝土保護層厚度為25 mm。澆筑過程中，同時制備了UHPC 試塊，并進行力學性能參數(shù)測試，見表1。

表1 UHPC 板的參數(shù)Table 1 Parameters of the UHPC slabs

1.2 方法

臨空板接觸爆炸實驗裝置如圖1 所示。試件直接放置在支撐圈梁上形成四邊支撐的臨空板，支撐圈梁截面尺寸為200 mm×200 mm，外表面為厚5 mm 的鋼板，內(nèi)部用C50 混凝土密實填充，支撐圈梁放置在厚240 mm 的磚墻上，磚墻的一個側面預留寬80 cm 的觀察口。集團裝藥位置在試件表面中心，炸藥為TNT 藥塊，每塊質(zhì)量為0.2 kg，尺寸為100 mm×50 mm×25 mm，如需要0.1 kg 藥量時將TNT 藥塊用銅鋸切為兩半。采用電雷管起爆，電雷管盡量放置在裝藥中心位置。重點考察UHPC 臨空板的臨界震塌現(xiàn)象，初步藥量為1.6～3.2 kg。用裂縫測寬儀和游標卡尺測量爆炸破壞的裂縫寬度。

圖1 實驗裝置Fig. 1 The experimental setup

2 結果與分析

2.1 局部破壞概況

集團裝藥爆炸瞬間產(chǎn)生了高溫高壓爆轟波沖擊介質(zhì)，介質(zhì)的迎爆面（正面）形成漏斗坑，隨著藥量的增加，介質(zhì)的背爆面（背面）產(chǎn)生震塌坑，甚至可能發(fā)生貫穿破壞。圖2 為UHPC 臨空板接觸爆炸的典型局部破壞特征。正面局部破壞效應特征主要為成坑，背面局部破壞效應主要包含裂紋隆起、臨界震塌和震塌，背面呈現(xiàn)多條由中心向四周的放射性裂縫，中心附近具有明顯的隆起，說明UHPC 靶板局部破壞宏觀形態(tài)與鋼纖維混凝土板基本一致。正面爆坑及背面震塌塊破壞面凹凸不平，部分碎塊呈現(xiàn)了碎而不掉，破壞面上的纖維大多撥出而非拔斷，形狀不是很規(guī)則，為了更好地反映實際破壞效果，正面爆坑直徑取最大和最小的平均值，定義背面隆起高度為剩余撓度，各組試件局部破壞情況見表2。

表2 試件的破壞狀況Table 2 Damage states of the slabs

表2（續(xù)）Table 2 (Continued)

圖2 UHPC 板的典型局部破壞Fig. 2 Typical local damage of the UHPC slabs

2.2 正面局部破壞狀況分析

接觸爆炸時，UHPC 臨空板正面的爆坑直徑d和深度h有經(jīng)驗公式[15]：

式中：C為TNT 裝藥量；e為裝藥中心至靶板表面的距離；Cr為實際裝藥量；m為填塞因數(shù)，在表面接觸爆炸下，m=1；Ka為壓縮系數(shù)，k為成坑系數(shù)，均為反映介質(zhì)抗爆炸性能的系數(shù)，兩個系數(shù)越小介質(zhì)的抗爆性能越強。裝藥形狀態(tài)勢影響因數(shù) η 為考慮了非球形或立方體形裝藥對接觸爆炸破壞威力的影響后確定的經(jīng)驗因數(shù)。根據(jù)文獻[21]：裝藥形狀為標準球形或立方體時，η=1；裝藥形狀為棱柱體或圓柱體（長度與邊長（直徑）的比為λ）時，當裝藥垂直于靶板表面時，λ 越大η 越小，當裝藥平行于靶板表面時，λ 越大η 越大，λ=1 時η=1，λ=2 時η=1.25，其中按照線性插值取值。當藥量為1.6 kg 時，裝藥正好形成一個邊長100 mm 的立方體，以此為基準，在裝藥的一個側面增加藥塊，形成類似棱柱體，開展不同藥量的實驗。如Cr= 1.6 kg 時η=1，Cr=2.4 kg時η=1.125，Cr=3.2 kg 時η=1.25。實驗中，e均為5 mm。

用式(1)～(2)對表2 中UHPC 臨空板正面爆坑實驗數(shù)據(jù)進行擬合，結果如圖3～4 所示，其中所有擬合直線的相關系數(shù)均大于0.995。相同藥量下，UHPC 板的正面破壞程度隨材料強度的提升而減輕；隨著UHPC 板強度的提高，UHPC板的壓縮系數(shù)Ka和成坑系數(shù)k減小，抗爆性能增強；典型配筋與不配筋對UHPC 板的壓縮系數(shù)Ka和成坑系數(shù)k基本沒有影響。其原因分析為：(1) UHPC 中本身摻有鋼纖維，能阻止裂縫形成、發(fā)展，基體混凝土不會產(chǎn)生嚴重開裂，且實驗中裝藥量不大，正面破壞程度較輕，鋼筋的作用難以發(fā)揮；(2) 配置的鋼筋網(wǎng)格尺寸較大（200 mm×200 mm），且裝藥中心投影點位于兩根鋼筋中間（見圖1），而爆坑直徑一般為300～400 mm，深度不超過100 mm，通常觀察不到配筋試件爆坑中的鋼筋露出，所以鋼筋的作用還未體現(xiàn)。由文獻[21-22]和本文實驗結果可得表3，可知超高性能混凝土的k和Ka遠小于C40 鋼筋混凝土和C100 鋼纖維混凝土的，UHPC 的抗爆性能更強。

圖3 壓縮系數(shù)的擬合結果Fig. 3 Fitting results of the compressibility coefficients

圖4 成坑系數(shù)的擬合結果Fig. 4 Fitting results of the crater coefficients

表3 靶板正面的爆坑參數(shù)Table 3 The front face anti-explosion parameters of the slabs

2.3 背面局部破壞狀況分析

接觸爆炸時，UHPC 臨空板的臨界震塌系數(shù)有經(jīng)驗公式[23-24]：

式中：Kz0為臨界震塌系數(shù)，H為靶板厚度，C0為臨界震塌時的TNT 藥量。接觸爆炸實驗中，當試驗板背爆面出現(xiàn)碎塊脫落的臨界震塌現(xiàn)象時，對應的震塌系數(shù)即為臨界震塌系數(shù)。參照文獻[23]中鋼纖維混凝土的爆炸臨界震塌系數(shù)0.32 m/kg1/3，設UHPC 的爆炸臨界震塌系數(shù)為0.3 m/kg1/3，此時對應的藥量為1.6 kg，觀察此裝藥量下UHPC 臨空板的破壞特征，逐漸增加或減少藥量，逼近UHPC 臨界震塌破壞時對應的藥量，從而確定UHPC 的爆炸臨界震塌系數(shù)取值范圍。

由表2，靶板的破壞情況都處于爆炸成坑和爆炸震塌破壞類型之間，裝藥量越大破壞越嚴重。配筋對震塌破壞臨界值的影響較小，但對板的整體變形有一定的減輕作用，減小了板的剩余撓度和裂縫寬度，對降低板的整體動態(tài)響應起到一定的積極作用。

對于爆炸震塌臨界狀態(tài)，可由表2 中數(shù)據(jù)得出取值范圍如下：C120 無配筋試件在TNT 藥量不大于1.8 kg 接觸爆炸時屬于爆炸成坑破壞類型，在TNT 藥量不小于1.9 kg 接觸爆炸時屬于爆炸震塌破壞類型，因此爆炸震塌臨界破壞情況對應的TNT 藥量為1.8～1.9 kg，由式(1)，可得爆炸臨界震塌系數(shù)Kz0為0.278～0.285 m/kg1/3。同樣，可得C120 配筋靶板、C150 靶板、C150 配筋靶板和C180 靶板的爆炸臨界震塌系數(shù)，見表4。

由表4，C120、C150 和C180 強度UHPC 的爆炸臨界震塌系數(shù)為0.238～0.285 m/kg1/3，C150 超高性能混凝土的爆炸臨界震塌系數(shù)最小，不超過0.251 m/kg1/3，而C120 和C180 超高性能混凝土的爆炸臨界震塌系數(shù)相近，不超過0.285 m/kg1/3。強度更高的C180 超高性能混凝土抗爆炸震塌性能并不是最好的，其原因很難由材料強度等級解釋，經(jīng)分析認為：C180 鋼纖維體積分數(shù)（5%）較高，在制作大尺寸試件時出現(xiàn)輕微的纖維結團現(xiàn)象，因此用振動棒進行了較長時間的振搗，振搗時振動棒大部分處于水平方向，使試件內(nèi)纖維分布方向更多地偏向于水平分布，這對測量力學性能的小試塊影響不大，但對于抗爆大尺寸試件，豎直方向的纖維分布更少，該方向的抗拉強度就會降低，使其抵抗豎直方向反射拉伸波的能力減弱，抗爆炸震塌性能有所下降。在制作纖維含量較高（體積分數(shù)不小于5%）的大尺寸UHPC 構件時，應特別關注由纖維分布的方向性帶來的材料力學性能的各向異性，以及由材料各向異性引起的結構力學性能的變化。

表4 UHPC 靶板的臨界震塌系數(shù)Table 4 Critical collapse factors of the UHPC slabs

3 結 論

針對C120、C150 和C180 等3 種混凝土強度等級共24 塊UHPC 臨空板開展了接觸爆炸局部的破壞效應實驗，分析了不同藥量下的局部破壞特征，考慮了不配筋和配筋兩種情況對破壞效應的影響，給出了各種條件下UHPC 的臨界震塌系數(shù)、壓縮系數(shù)和成坑系數(shù)，分析了強度和配筋情況等因素對3 個系數(shù)的影響。主要結論如下。

（1）隨著混凝土強度等級的提高，UHPC 的爆炸成坑系數(shù)k和壓縮系數(shù)Ka越小，靶板正面抗爆炸性能越強；相比C40 鋼筋混凝土和C100 鋼纖維混凝土，UHPC 的成坑系數(shù)k和壓縮系數(shù)Ka大幅減小，抗接觸爆性能增強。

（2）配筋率較小時，配筋對UHPC 靶板正面爆坑及爆炸臨界震塌系數(shù)影響較小，但對板的整體變形起一定的減輕作用，可減小板的剩余撓度、裂縫寬度和裂縫數(shù)量。

（3）制備的C150 靶板的爆炸臨界震塌系數(shù)最小，不超過0.251 m/kg1/3，C120 和C180 靶板的爆炸臨界震塌系數(shù)相近，不大于0.285 m/kg1/3；在制作纖維含量較高（體積分數(shù)不小于5%）的大尺寸UHPC 構件時，應特別關注由纖維分布的方向性引起的材料各向異性和結構力學性能的變化。