超高性能混凝土抗侵徹及抗爆炸性能研究

賴建中，過旭佳，朱耀勇

（南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094）

如何提高防護工程抗侵徹和抗爆炸能力是目前亟待解決的問題.鄧國強等進行了巖石的重復侵徹試驗，重復侵徹深度存在一個極限值[1].左魁等研究了二次爆炸條件下巖石的破壞效應，二次爆炸所形成的爆坑深度與破碎區(qū)范圍卻分別是一次性爆炸的2倍和1.66倍[2].戎志丹等研究表明隨著鋼纖維摻量的增加以及靶體強度等級的提高，混凝土的爆炸損傷程度降低，抗第二次爆炸破壞的能力增強[3].付躍升等根據(jù)損傷理論建立了鋼筋混凝土在內(nèi)爆炸作用下的特征尺寸模型，并通過相關試驗證實了這一模型的準確性[4].焦楚杰等利用ANSYS/LS-DYNA軟件對鋼纖維混凝土抗爆試驗進行了計算機模擬，模擬結果很好的體現(xiàn)了混凝土板在爆炸作用下的受力破壞特征[5].超高性能混凝土（Ultra-high PerformanceConcrete—UHPC）是一種超高強度（抗壓強度達200MPa）、高韌性、高耐久性的新型水泥基復合材料，采用超高性能混凝土的防護工程結構，具有顯著的抗侵徹、抗沖擊和抗爆炸能力[6-8].本文制備出了超高性能混凝土并研究了其抗侵徹和抗爆炸性能.

1 試驗方法

超高性能混凝土靶體配合比示如表1，原材料包括：P II52.5硅酸鹽水泥；最大粒徑2.5mm的黃砂；比表面積22 000m2/kg的硅灰；比表面積大于1 000m2/kg的礦渣微粉；減水率≥40%的聚羧酸高效減水劑；最大粒徑為16mm的玄武巖粗骨料；長度13mm、直徑0.2mm、抗拉強度大于1 800 MPa的鍍銅鋼纖維；長度20mm、直徑17 m的玄武巖纖維.

表1 UHPC靶體配合比Tab.1 M ix proportionsof UHPC

混凝土靶體為直徑300 mm、高300 mm的圓柱體，靶體外邊界用厚度為1.6mm的鋼板進行加固.侵徹試驗裝置示如圖1，包括發(fā)射槍、錫箔靶、計時儀、高速攝影機、靶材、背擋板，彈體為標準14.5mm子彈.爆炸試驗靶體如圖2所示，靶體中心預制 38mm×150mm的圓柱孔，內(nèi)置炸藥為直徑37mm的圓柱形TNT炸藥，炸藥埋深50mm，放藥量為25g.

圖1 侵徹試驗示意圖Fig.1 Thedeviceof penetration experiments

圖2 混凝土抗爆試驗靶體Fig.2 he concrete target forexplosion test

2 試驗結果及分析

2.1 混凝土靶體的侵徹破壞形態(tài)和侵徹深度

不同靶材的第1次侵徹破壞特征見表2，靶體正面破壞形態(tài)見圖3.在彈丸速度大致相同的情況下混凝土基體靶材M 2直接被擊碎，其它摻入纖維的靶材正面破壞程度較小，有少許剝落，背面沒有任何損傷情況，彈頭嵌入靶材中.這是由于纖維的加入使得靶材具有阻裂作用，因此與混凝土基體相比其抗侵徹性能有較大提高.此外不含玄武巖粗骨料的靶體在成型過程中產(chǎn)生微裂縫的尺寸和數(shù)量都比含有粗骨料試件有較大的降低，在受力過程中裂縫的擴展能吸收更多的能量，因此不含粗骨料的靶體破壞程度較含粗骨料的靶體要小.

隨后對靶體進行了第2次的侵徹試驗，第2次入射點與第1次保持一致，靶材破壞特征見表3.通過第2次侵徹試驗可以發(fā)現(xiàn)，大部分試件迎彈面出現(xiàn)大面積的剝落，侵徹深度也逐漸增大，M 2SF3、M 2SF3BF1、GM 2SF3的侵徹深度分別比第一次增加了32.24%、51.85%、22.95%，彈頭依然嵌入靶材中并未貫穿.所有靶體中只有M 2SF3BF1靶體背面依然完好.

2.2 靶體的爆炸破壞結果及分析

抗爆試驗后靶體迎爆面出現(xiàn)了比較規(guī)則的漏斗坑，為了準確的比較其毀傷效果，采用漏斗尺寸大小來表示，具體爆炸測試數(shù)據(jù)見表4.

表4中數(shù)據(jù)記錄了內(nèi)爆炸作用下混凝土靶體的破壞參數(shù)，這些參數(shù)客觀上表征了混凝土的破壞情況.未加纖維的混凝土靶體M 2的抗爆炸能力很弱，靶體的破壞情況很嚴重，靶體破碎成較大的塊狀物.這種結果是由超高性能混凝土基體本身是脆性材料這一性質(zhì)決定的.M 2沒有摻加任何纖維增強體和增韌材料，材料自身的抗拉強度低，在爆炸載荷作用下，靶體內(nèi)部產(chǎn)生的強應力波會對靶體產(chǎn)生一個巨大的壓迫和剪切作用，使其迅速的均勻裂解.

表2 第1次侵徹靶材破壞情況Tab.2 Materails damage of the targets subjected to the firstpenetration

圖3 第1次侵徹靶體正面破壞形態(tài)Fig.3 Damageon the frontof the targetssubjected to the firstpenetration

各靶體的放藥量和放藥深度相同，而且爆炸作用后都出現(xiàn)了規(guī)則的漏斗坑，通過測量漏斗坑的尺寸，可以很好地表征3種材料的抗內(nèi)爆炸性能.數(shù)據(jù)表明，GM 2SF3靶體漏斗坑尺寸最小，然而該靶體卻出現(xiàn)了貫穿性大裂縫，迎爆面大裂縫也是最多的.這是由于粗骨料只是增加了靶體的抗壓強度，而對混凝土的抗拉和抗剪切強度貢獻較小.同時粗骨料造成了靶體內(nèi)部不均，這種不均帶來的靶體內(nèi)部應力集中是影響其抗內(nèi)爆炸能力的一個重要因素.M 2SF3BF1靶體相較 M 2SF3靶體漏斗坑尺寸小，而且靶體外部保持較好狀態(tài)，這是由于加入玄武巖纖維對提升混凝土靶體的抗拉和抗彎強度有積極作用，并且由于混雜纖維的協(xié)同效應，M 2SF3BF1靶體的抗壓強度較高.混凝土抗內(nèi)爆炸能力與靶體本身材料的組成和結構有關，抗內(nèi)爆炸性能優(yōu)異的混凝土不僅要求具有較強的抗壓強度，還必須有較優(yōu)異的抗拉和抗剪切強度.

表3 第2次侵徹靶材破壞情況Tab.3 Materails damage of the targets subjected to the second penetration

表4 混凝土靶體爆炸試驗結果Tab.4 The explosion test resultsof concrete targets

不同靶體的破壞情況和漏斗坑狀況如圖4所示.纖維增強的超高性能混凝土都形成了比較規(guī)則的漏斗爆坑.這是由于炸藥埋深較淺，沖擊波的能量容易被空氣耗散，部分反射波和透射波轉換成地震波，流固耦合作用比第1組減小了很多，因而混凝土結構受到的應力特別是剪切應力和拉應力也相應減弱.

基體混凝土靶M 2的破壞最為嚴重，爆炸后變成了一堆塊狀物，原因在于基體混凝土沒有摻加任何增強纖維或者粗骨料，其本身屬于脆性材料，無法承受住爆炸超壓對其施加的巨大壓、拉和剪切作用.纖維增強混凝土材料的靜態(tài)抗壓強度都能達到200MPa以上，3組纖維增強混凝土靶體都能形成完整的漏斗爆坑.從測試數(shù)據(jù)上來看，GM 2SF3靶體的漏斗坑體積最小，M 2SF3BF1次之，MSF3最大.然而這并不能完全代表它們的抗內(nèi)爆炸能力大小順序，因為GM 2SF3靶體出現(xiàn)了較大的貫穿裂縫，而且靶體周身出現(xiàn)巨大的撕裂變形，這顯示出該靶體的抗內(nèi)爆炸能力不如其他纖維增強靶體.

靶體M 2SF3BF1是在靶體M 2SF3的基礎上加入一定配比的玄武巖纖維，玄武巖纖維是無機纖維，具有很高的彈性模量.根據(jù)纖維的混雜效應理論，玄武巖纖維與鋼纖維混雜優(yōu)化了混凝土內(nèi)部結構，提高了混凝土的抗彎和抗剪切強度，靜態(tài)力學試驗也已經(jīng)證實了這一點.靶體GM 2SF3是在靶體M 2SF3基礎上加入一定比例的玄武巖粗骨料，然而粗骨料的加入只是提高了抗壓強度，對提高爆炸時混凝土的斷裂能貢獻較小.加之粗骨料在成型時易導致混凝土結構內(nèi)部結構不均勻，從而出現(xiàn)應力集中的問題.這就是摻加粗骨料的靶體在爆炸試驗中易被撕裂的原因.綜上分析可知，本試驗設計中M 2SF3BF1靶體抗內(nèi)爆炸性能最優(yōu).

3 結論

1）通過在混凝土中摻入鋼纖維及玄武巖骨料可以提高其抗侵徹性能，使得材料能連續(xù)抵抗2次彈丸沖擊，這是由于纖維對能量的吸附，以及骨料對彈體的偏轉作用.

2）鋼纖維和玄武巖纖維混雜的混凝土在經(jīng)過2次高速彈丸侵徹后仍保持較完整的形狀，抗侵徹性能優(yōu)異.摻入玄武巖骨料的混凝土第二次侵徹深度有所降低，但含粗骨料的混凝土在侵徹作用下開裂情況較不含粗骨料的混凝土嚴重.

3）在爆炸靶體設計時，需要考慮靶體材料的綜合力學性能，在提高材料抗壓強度的同時，也要提升材料的抗拉和抗剪切性能.玄武巖纖維與鋼纖維混雜產(chǎn)生了顯著的協(xié)同效應，增強增韌和阻裂效果明顯，使得靶體材料具有較強的抗爆炸性能.

[1]鄧國強，楊秀敏.鉆地彈重復打擊效應現(xiàn)場試驗研究 [J].防護工程，2012，34（5）：1-5.

[2]左魁，張繼春，王啟睿，等.重復爆炸條件下巖石介質(zhì)破壞效應試驗研究 [J].巖石力學與工程學報，2008，27：2675-2680.

[3]戎志丹，孫偉，張云升，等.超高性能鋼纖維混凝土抗二次接觸爆炸性能研究 [J].華北水利水電學院學報，2012，33（6）：1-4.

[4]付躍升，張慶明.鋼筋混凝土中爆破漏斗特征尺寸研究 [J].北京理工大學學報，2006，26（9）：761-764.

[5]焦楚杰，孫偉，高培正，等.鋼纖維混凝土抗爆炸數(shù)值模擬 [J].混凝土，2005（7）：43-47.

[6]M illard SG，Molyneaux TC K.Dynamic enhancementof blast-resistantultra high performance fibre-reinforced concreteunder flexural and shear loading[J].International Journalof ImpactEngineering，2010，37（4）：405-413.

[7]Katrin Habel，PaulGauvreau.Responseof ultra-high performance fiber reinforced concrete（UHPFRC）to impactand static loading[J].Cement and Concrete Composites，2008，30（10）：938-946.

[8]Jianzhong Lai，Wei Sun.Dynam ic behaviour and visco-elastic damagemodel of ultra-high performance cementitious composite[J].Cementand Concrete Research，2009，39（11）：1044-1051.