張 銳，黃微波，呂 平，孫鵬飛，方志強(qiáng)，王榮珍

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

爆炸沖擊荷載作用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，將不可避免地對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、周圍人員和財(cái)產(chǎn)造成重大損失，已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-2]，涂層防護(hù)是當(dāng)前解決該結(jié)構(gòu)安全隱患的有效措施之一。聚脲涂層因其強(qiáng)度高、韌性高，且具有成本低、施工便捷等特點(diǎn)，在抗爆防護(hù)等軍用防護(hù)領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[2-3]。

1996年美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室（air force research laboratory，AFRL）首次從21種彈性體材料中優(yōu)選出聚脲作為抗沖擊性能最佳的涂層防護(hù)材料[4-5]，之后聚脲在爆炸與沖擊防護(hù)領(lǐng)域的研究迅速開(kāi)展。Mott等[6]采用高速熱成像技術(shù)對(duì)變形過(guò)程中聚脲的瞬時(shí)溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)聚脲在爆炸防護(hù)過(guò)程中表現(xiàn)出的特殊的黏彈性是由于高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和較大的內(nèi)摩擦導(dǎo)致的。這種黏彈性使聚脲在能量耗散的過(guò)程中伴隨著溫度的上升，這反過(guò)來(lái)影響了聚脲的力學(xué)性能[6-7]。Fallon等[8]通過(guò)模擬和沖擊試驗(yàn)對(duì)有無(wú)涂層防護(hù)混凝土試樣的抗沖擊性能進(jìn)行研究，其中氣槍彈丸的沖擊速度設(shè)定在45～150 m·s-1之間，該研究發(fā)現(xiàn)聚脲涂層明顯減少了混凝土的沖擊破壞，并且發(fā)現(xiàn)涂層有分散沖擊破壞的作用。Sonoda等[9]研究發(fā)現(xiàn)：聚脲防護(hù)涂層對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)低應(yīng)變率和中應(yīng)變率下的首次沖擊加載的防護(hù)作用較??；然而，在反復(fù)沖擊下，聚脲對(duì)提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊性是十分顯著的，極大抑制了結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和剛度損失。Song等[10]使用研磨玻璃纖維作為增強(qiáng)纖維，將其與預(yù)聚物混合，并與固化劑一起噴涂在混凝土梁的表面，以形成玻璃纖維增強(qiáng)聚脲涂層（glass-fiber-reinforced polyurea，GFRPU）；該研究發(fā)現(xiàn)，GFRPU加固涂層可以防止混凝土的瞬時(shí)剝落和脫落，并在結(jié)構(gòu)破壞后仍維持了一定的抗剪能力。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了一系列的研究工作。1995年，黃微波團(tuán)隊(duì)對(duì)噴涂聚脲彈性體技術(shù)進(jìn)行了前期探索，并于1999年將噴涂聚脲技術(shù)成功投入商業(yè)應(yīng)用[2,11]。Cui等[12]通過(guò)高速拉伸和穿刺試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚脲的應(yīng)變率敏感性，認(rèn)為聚脲的應(yīng)變率敏感性是由于聚脲分子結(jié)構(gòu)中極性鏈段的緊密排列造成的，這一特點(diǎn)促進(jìn)了氫鍵的形成和材料結(jié)晶的增加。Sun等[13]認(rèn)為聚脲變形過(guò)程也伴隨著氫鍵的斷裂和重組，分子間的氫鍵狀態(tài)在動(dòng)態(tài)硬化和強(qiáng)化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在金屬結(jié)構(gòu)防護(hù)方面：李鵬等[14]對(duì)聚脲罐體結(jié)構(gòu)抗沖擊防護(hù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)聚脲涂層對(duì)運(yùn)輸儲(chǔ)罐具有良好的耐沖擊防護(hù)效果，聚脲防護(hù)試樣比無(wú)涂層試樣最大變形位移減少了18.3 mm。宋彬等[15]通過(guò)數(shù)值模擬和爆炸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚脲作為防爆罐夾層材料，可以提高結(jié)構(gòu)的可靠性，且沖擊波在聚脲夾層中的衰減幅度大于橡膠夾層。張鵬等[16]通過(guò)破片侵徹試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚脲能夠有效提高結(jié)構(gòu)的抗破片侵徹性能，且迎彈面防護(hù)效果最優(yōu)。在土木工程結(jié)構(gòu)防護(hù)方面：王軍國(guó)等[17-18]發(fā)現(xiàn)噴涂聚脲可以將砌體墻的極限抗爆性提高4.5～11.0倍。趙啟明等[19]結(jié)合鋼板與聚脲的特點(diǎn)，采用聚脲鋼板復(fù)合層對(duì)鋼筋混凝土板進(jìn)行加固，發(fā)現(xiàn)在等加固層厚度條件下，聚脲鋼板復(fù)合層的抗爆減振效果優(yōu)于純聚脲加固層。Lyu等[20]通過(guò)試驗(yàn)及仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，聚脲防護(hù)的鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下能夠保持良好的完整性和穩(wěn)定性，認(rèn)為這一效果是迎爆面涂層和背爆面涂層協(xié)同實(shí)現(xiàn)的。

但是，目前國(guó)內(nèi)抗爆防護(hù)聚脲大多直接采用商業(yè)化防水、防腐聚脲，甚至是聚氨酯、聚氨酯脲等材料，材料的硬段軟段比例、力學(xué)強(qiáng)度等很難滿足實(shí)際抗爆防護(hù)的要求，在爆炸荷載作用過(guò)程中多發(fā)生放射性開(kāi)裂、脆性斷裂等現(xiàn)象，抗爆性能不理想。

為此，本文在傳統(tǒng)聚脲研究基礎(chǔ)上，通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)Qtech T26抗爆型聚脲（以下簡(jiǎn)稱T26聚脲）。本文探討T26聚脲涂層破壞規(guī)律與機(jī)制，采用熱分析法研究T26聚脲的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能；基于Williams-Landel-Ferry方程（以下簡(jiǎn)稱WLF方程），擬合計(jì)算該材料在高頻段的損耗模量、儲(chǔ)能模量和損耗因子；采用接觸爆炸試驗(yàn)，研究T26聚脲防護(hù)鋼筋混凝土板的破壞模式和破壞特征，分析斷裂機(jī)制。

1 材 料

1.1 Qtech T26抗爆型聚脲

1.1.1 配制原理

T26聚脲為青島理工大學(xué)功能材料研究所根據(jù)抗爆防護(hù)領(lǐng)域?qū)垭宸雷o(hù)性能的要求自主設(shè)計(jì)研發(fā)[20]，其配制原理是針對(duì)荷載特性及時(shí)溫等效原理（timetemperature superposition，TTS原理），合理設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化聚脲硬段、軟段等配比，協(xié)同模量、能量損耗、塑性、韌性和弛豫等特性，抑制爆炸荷載作用產(chǎn)生的大變形，降低破片率，實(shí)現(xiàn)零破片目標(biāo)；在變形過(guò)程中充分消耗爆炸能量，并在沖擊荷載與高溫耦合作用下表現(xiàn)出較高的力學(xué)穩(wěn)定性，從而達(dá)到爆炸防護(hù)目的。

聚脲及其組分的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。聚脲是由A、B組分反應(yīng)生成的聚脲彈性體。其中，A組分是由二苯甲烷-4,4′-二異氰酸酯（methylene diphenyl diisocyanate，MDI）合成的末端為異氰酸酯基的預(yù)聚物，B組分為含有Jeffamine@ D2000的端氨基聚醚和含有二乙基甲苯二胺（diethyl methyl benzene diamine，DETDA）的胺類擴(kuò)鏈劑。

圖1 聚脲及其組分的分子結(jié)構(gòu)Fig. 1 Illustration of the molecular structure of polyurea and precursors

1.1.2 試樣制備及力學(xué)性能

采用PHX-40聚脲噴涂設(shè)備、AP-2噴槍進(jìn)行噴涂制備，A、B組分反應(yīng)體積比為1∶1，預(yù)熱設(shè)備使材料反應(yīng)溫度在65 ℃，噴涂壓力控制在17.23 MPa。噴涂后試樣放于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境（溫度（23±2） ℃，相對(duì)濕度（60±15）%）養(yǎng)護(hù)7 d，此時(shí)材料強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，按照硫化橡膠和熱塑性彈性體的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法，即ASTM D412標(biāo)準(zhǔn)[21]，采用MZ-4000D1力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、邵氏硬度計(jì)，對(duì)材料的基本性能進(jìn)行表征，T26聚脲力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 T26聚脲力學(xué)性能參數(shù)Tab. 1 Mechanical property parameters of Qtech T26 polyurea

材料基本力學(xué)性能表明，T26聚脲在保持較高伸長(zhǎng)率的同時(shí)，其抗拉強(qiáng)度也相對(duì)較高，在準(zhǔn)靜態(tài)下，材料表現(xiàn)為一種高彈高韌材料；撕裂強(qiáng)度表明，T26聚脲具有很好的抗應(yīng)力集中性能，且噴涂形成的聚脲材料相對(duì)致密。從微觀角度分析，T26聚脲是一種微相分離的嵌段共聚物，材料中硬段與軟段交聯(lián)緊密，且材料中硬段相較于軟段含量少，從而保證材料在受到應(yīng)力集中作用時(shí)不會(huì)由于局部缺陷而快速失效。

T26聚脲真應(yīng)力真應(yīng)變曲線如圖2所示。圖2中，3張照片從左到右依次反映了真應(yīng)變?yōu)?.1、1.2～1.6、1.7的試樣變形過(guò)程。由圖2可知：T26聚脲的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線與金屬材料相似，但不同于金屬材料，T26聚脲沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，在彈性階段結(jié)束后，平滑進(jìn)入塑性階段，但彈性階段和塑性階段的曲線變化明顯；彈性階段的曲線近似直線且彈性階段的應(yīng)變遠(yuǎn)小于塑性階段，材料的主要變形為塑性階段的大變形。值得注意的是，拉伸試樣在被完全破壞后，試樣斷裂的瞬間，試樣會(huì)迅速恢復(fù)部分形變，之后試樣變形區(qū)域會(huì)逐漸向未變形狀態(tài)恢復(fù)，但過(guò)程相對(duì)緩慢，這表明材料在發(fā)生變形后，材料仍具有一定的彈性，在受到破壞后，剩余的彈性可以使材料的變形逐漸減小。

圖2 Qtech T26聚脲真應(yīng)力真應(yīng)變曲線Fig. 2 True stress-strain curve of Qtech T26 polyurea

1.2 基材與聚脲鋼筋混凝土板試樣制備

選取鋼筋混凝土板為基材，尺寸規(guī)格為1 500 mm×1 500 mm×300 mm，鋼筋混凝土板采用雙層配筋，選用C40混凝土，混凝土板保護(hù)層厚度為15 mm，試樣示意圖如圖3所示。

圖3 鋼筋混凝土板配筋示意圖Fig. 3 Schematic diagram of reinforced reinforced concrete slab

鋼筋混凝土板在澆筑養(yǎng)護(hù)過(guò)程中會(huì)因振搗不均出現(xiàn)針眼和孔洞，針眼和孔洞會(huì)在噴涂聚脲涂層過(guò)程中產(chǎn)生氣泡，破壞涂層整體性；混凝土邊角在搬運(yùn)過(guò)程中極易受應(yīng)力集中作用，發(fā)生開(kāi)裂等缺陷，嚴(yán)重影響聚脲涂層在混凝土表面附著力，降低材料的防護(hù)性能。因此，在試樣噴涂前，需使用同等強(qiáng)度的水泥加入到底漆中，拌合均勻后，用以修補(bǔ)混凝土表面缺陷；修補(bǔ)完成后打磨試樣表面，以清除表面附著砂漿，提高表面粗糙度，并使用氣槍清除表面粉塵。

圖4為聚脲防護(hù)鋼筋混凝土板的制備過(guò)程。

圖4 聚脲防護(hù)鋼筋混凝土板的制備Fig. 4 Preparation of polyurea protected reinforced concrete slab

清理修補(bǔ)完成后，在混凝土表面涂刷底漆（圖4（a）），待底漆表干后即可噴涂。在鋼筋混凝土板表面噴涂10 mm T26聚脲涂層，采用逐層噴涂的方式，噴涂完成后試樣需養(yǎng)護(hù)7 d，T26聚脲防護(hù)試樣如圖4（b）所示。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)

T26聚脲的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能分析（dynamic mechanical analysis，DMA）采用DMA-Q800動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀，形變模式選用雙懸臂彎曲模式，溫度范圍為-90～90 ℃，升溫速率為3 ℃/min，實(shí)驗(yàn)選定頻率為1、5、10、50和100 Hz。

2.2 爆炸試驗(yàn)

采用接觸爆炸的方式對(duì)T26聚脲的抗爆性能進(jìn)行驗(yàn)證，爆炸試驗(yàn)中TNT藥量為10 kg，試樣布置如圖5所示。試樣采用兩端簡(jiǎn)直支撐的方式，下方預(yù)挖50 cm土坑以預(yù)留變形空間，炸藥采用電雷管引爆，通過(guò)觀察試樣破壞情況來(lái)判斷T26聚脲的抗爆防護(hù)性能。

圖5 爆炸試驗(yàn)試樣布置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of testing arrangement

2.3 掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)

采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對(duì)試樣進(jìn)行斷裂機(jī)制研究，實(shí)驗(yàn)采用JSM-500F掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，對(duì)選取試樣進(jìn)行噴金處理，使用導(dǎo)電膠固定樣品從而獲得導(dǎo)電薄層。

3 結(jié)果與討論

3.1 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能

T26聚脲在1、5、10、50和100 Hz頻率下的DMA曲線如圖6所示，其中，圖6（a）為損耗模量E"和溫度T關(guān)系圖，圖6（b）為儲(chǔ)能模量E'和溫度T關(guān)系圖。

圖6 T26聚脲在不同頻率下的DMA曲線Fig. 6 DMA curves of T26 polyurea at different frequencies

可將T26聚脲的E"和T、E'和T關(guān)系圖分為3個(gè)區(qū)域，即玻璃態(tài)區(qū)域、玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域以及高彈態(tài)區(qū)域，各區(qū)域溫度范圍分別為-70～-40 ℃、-40～10 ℃和10～90 ℃。在-70～-40 ℃范圍內(nèi)，聚合物處于玻璃態(tài)，在頻率一定時(shí)，E"隨溫度的升高而呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，E'隨之緩慢降低，聚合物分子鏈處于凍結(jié)狀態(tài)，隨溫度升高，軟段的相對(duì)運(yùn)動(dòng)逐漸變大，分子鏈呈現(xiàn)一個(gè)“解凍”的趨勢(shì)，從而使分子間相對(duì)滑移逐漸增大，E"逐漸升高。當(dāng)聚合物進(jìn)入玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)（-40～10 ℃），E"達(dá)到一個(gè)峰值而后開(kāi)始下降，此時(shí)E'下降速度加快，這是由聚合物中與軟段相連的分子鏈的節(jié)段運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致；由于T26聚脲中軟段的相對(duì)分子質(zhì)量大且含量較多，使得分子鏈長(zhǎng)度增加、分子間作用力減小，從而提高了軟段分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力，因此T26聚脲的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)溫度范圍明顯大于其他種類的聚合物。當(dāng)材料進(jìn)入高彈態(tài)區(qū)域（10～90 ℃），此時(shí)聚脲的E"和E'增長(zhǎng)趨于平緩，達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

E'-30℃和E'70℃分別為溫度30 ℃和70 ℃下的儲(chǔ)能模量，E'-30℃/E'70℃可用于表征聚合物溫度敏感性及微相分離程度[22]，聚合物在各實(shí)驗(yàn)頻率下E'-30℃、E'70℃及其比值如表2所示。

表2 各實(shí)驗(yàn)頻率不同溫度下的儲(chǔ)能模量Tab. 2 Storage modulus at different temperatures of each frequency

觀察表2可以發(fā)現(xiàn)：T26聚脲的E'-30℃/E'70℃較大，表明聚合物溫度敏感性較高，軟段含量相比于硬段較多，聚合物微相分離程度低；隨著頻率的增加，這一比值也逐漸增大，表明聚合物模量受頻率影響明顯；由TTS原理可知，聚合物的頻率與溫度存在函數(shù)關(guān)系，不同頻率下E'-30℃/E'70℃的變化表明聚合物受頻率影響明顯，在動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能方面印證了此前諸多研究人員發(fā)現(xiàn)的聚脲應(yīng)變率敏感性[23-24]。

根據(jù)T26聚脲的E"和E'計(jì)算得到聚合物的損耗因子（tan δ）隨溫度（T）變化，如圖7所示，隨著T升高，tan δ先升高后降低然后趨近于平緩，其中，tanδ最大值稱為阻尼峰值（tanδmax），其對(duì)應(yīng)溫度為聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。聚合物各實(shí)驗(yàn)頻率的tan δmax和Tg如表3所示，tan δmax隨頻率f的增大而升高，Tg也隨之升高，比較tan δmax和Tg可發(fā)現(xiàn)聚合物動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能受頻率影響較大。

圖7 不同頻率下?lián)p耗因子隨溫度的變化曲線Fig. 7 Variation of loss factor with temperature at different frequencies

表3 各頻率阻尼峰值及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tab. 3 Peak loss factor of each frequency and peak temperature

在爆炸條件下，壓力時(shí)程曲線的作用時(shí)間在2～6 ms之間，對(duì)應(yīng)頻率為150～500 Hz[25]，因此，對(duì)聚脲的熱機(jī)械性能進(jìn)行研究時(shí)，需要對(duì)高頻段的損耗模量和儲(chǔ)能模量進(jìn)行擬合計(jì)算。通過(guò)WLF方程對(duì)T26聚脲各頻率對(duì)應(yīng)的E"、E'進(jìn)行擬合計(jì)算，得到聚脲在20 ℃各頻率的E"和E'主曲線（圖8（a）），并計(jì)算聚合物各頻率的tanδ主曲線（圖8（b））。

觀察圖8中E"、E'和tanδ主曲線可以發(fā)現(xiàn)：隨著頻率的增大，T26聚脲的E"和E'先快速上升而后逐漸趨于穩(wěn)定；在150～500 Hz時(shí)，聚合物E"和E'均處于上升階段，聚合物tanδ在0.21～0.23之間，且隨頻率增加而增大，此時(shí)材料可以有效實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，充分發(fā)揮吸能性能。

圖8 T26聚脲損耗模量和儲(chǔ)能模量主曲線及損耗因子主曲線Fig. 8 Master curves of T26 polyurea loss modulus, storage modulus and loss factor

當(dāng)爆炸距離減小至接觸爆炸時(shí)，荷載的作用頻率（應(yīng)變率）將遠(yuǎn)高于非接觸爆炸，結(jié)構(gòu)所受荷載作用頻率也將提高，此時(shí)，對(duì)聚合物在更高頻段的E"、E'和tanδ的主曲線進(jìn)行分析。

對(duì)于E"和E'，在高應(yīng)變率荷載作用下，當(dāng)溫度保持不變，根據(jù)TTS原理，E'、E"都將顯著提高，此時(shí)材料趨于玻璃態(tài)，材料內(nèi)部軟段和硬段之間由于相對(duì)位移而吸收的能量增多，可以將爆炸沖擊產(chǎn)生的機(jī)械能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉拥膬?nèi)能予以消耗，從而達(dá)到吸能的效果，且由于高應(yīng)變率荷載的作用，材料的模量也隨之提高，力學(xué)強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)；從tanδ來(lái)看，當(dāng)高應(yīng)變率荷載作用時(shí)，tanδ曲線呈現(xiàn)出上升而后小幅度下降的趨勢(shì)；在當(dāng)外界荷載頻率大于1 000 Hz時(shí)，T26聚脲tanδ保持在0.24以上，并逐漸趨于平穩(wěn)，T26聚脲的吸能效果進(jìn)一步提升。但這一結(jié)論有一定的局限性，由于爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫會(huì)使得迎爆面中心區(qū)涂層迅速發(fā)生熱分解，因此該結(jié)論無(wú)法適用于接觸爆炸作用下的迎爆面防護(hù)涂層。

3.2 抗爆性能

采用質(zhì)量為10 kg的TNT藥柱進(jìn)行接觸爆炸試驗(yàn)，研究T26聚脲涂層鋼筋混凝土板和無(wú)涂層防護(hù)鋼筋混凝土板抗爆性能。爆炸后試樣變形如圖9所示，其中，圖9（a）～（c）為無(wú)涂層防護(hù)試樣，圖9（d）～（f）為T26聚脲涂層防護(hù)試樣。

分析無(wú)防護(hù)鋼筋混凝土板爆炸試驗(yàn)變形情況，10 kg的TNT爆炸荷載對(duì)無(wú)防護(hù)鋼筋混凝土板造成了貫穿式破壞，混凝土板幾乎震塌。迎爆面形成一個(gè)直徑約為73 cm的近圓的貫穿洞（圖9（a）），兩層鋼筋全部斷裂，以迎爆面貫穿洞為中心，產(chǎn)生放射形短裂縫；試樣背爆面保護(hù)層混凝土脫落大半（圖9（b）），產(chǎn)生大量破片，背爆面鋼筋受沖擊波作用發(fā)生大變形，鋼筋部分?jǐn)嗔?，背爆面混凝土產(chǎn)生大量放射形裂縫，并發(fā)展至混凝土板邊界，最大裂縫寬度為9 mm；從試樣簡(jiǎn)支支撐側(cè)面觀察，側(cè)面中心區(qū)域產(chǎn)生由下而上的裂縫（圖9（c）），最大裂縫貫穿整個(gè)鋼筋混凝土板側(cè)面；對(duì)于試樣破壞中心處，貫穿洞及內(nèi)部混凝土的砂漿和骨料基本脫離，鋼筋與混凝土也發(fā)生完全脫離，鋼筋混凝土板喪失承載能力。

圖9 無(wú)防護(hù)及T26聚脲防護(hù)鋼筋混凝土板爆炸后變形Fig. 9 Peformation of uncoated and T26 polyurea coated concrete specimen after blast test

進(jìn)一步分析T26聚脲防護(hù)試樣爆炸后情況（圖9（d）～（f）），同等當(dāng)量爆炸荷載作用下，防護(hù)試樣并未發(fā)生貫穿式破壞，整體相對(duì)完整；爆炸使迎爆面防護(hù)涂層形成一個(gè)直徑約為42 cm的近圓缺口，缺口處無(wú)涂層殘留，同時(shí)在圓形周圍產(chǎn)生3條由撕裂破壞產(chǎn)生的裂縫，裂縫及缺口處出現(xiàn)聚合物熔融現(xiàn)象；迎爆面圓形缺口處混凝土板出現(xiàn)爆炸坑，但并未貫穿試樣（圖9（d）），爆炸作用中心區(qū)域鋼筋部分?jǐn)嗔眩籘26聚脲防護(hù)試樣背爆面（圖9（e））與無(wú)防護(hù)試樣背爆面（圖9（b））對(duì)比明顯，背爆面涂層發(fā)生大變形，但涂層未發(fā)生宏觀可見(jiàn)開(kāi)裂，無(wú)破片飛出，試樣背爆面破片率為零；從側(cè)面（圖9（f））可以看出，試樣未出現(xiàn)較大彎曲變形，由于側(cè)面受涂層包覆，無(wú)法觀察到試樣內(nèi)部裂縫情況。

對(duì)防護(hù)試樣背爆面變形逐點(diǎn)測(cè)量，得到試樣背爆面的截面圖如圖10所示，并根據(jù)變形將背爆面分為1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)。從圖10可以發(fā)現(xiàn)，背爆面中心區(qū)是結(jié)構(gòu)撓度最大區(qū)域，并以爆炸中心區(qū)域向兩側(cè)逐漸遞減，涂層垂直于鋼筋混凝土板方向最大變形為36 cm。

圖10 涂層防護(hù)試樣截面圖Fig. 10 Cutaway view of coated specimen

采用ImageJ軟件對(duì)有無(wú)防護(hù)試樣表面損傷區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。T26聚脲防護(hù)的鋼筋混凝土板的損傷面積大幅度下降，迎爆面損傷減少62%；T26聚脲防護(hù)試樣的迎爆面爆炸中心區(qū)域產(chǎn)生的混凝土破片被涂層阻隔在內(nèi)部，迎爆面破片減小；無(wú)防護(hù)試樣背爆面由于爆炸荷載以及爆炸引起的壓縮應(yīng)力波在背爆面發(fā)生反射的共同作用，背爆面損傷面積相較于迎爆面增加141.85%；T26聚脲防護(hù)試樣由于涂層包覆，無(wú)法精準(zhǔn)計(jì)算背爆面損傷面積。背爆面由于涂層的完整包覆，無(wú)任何破片飛出，破片傷害大幅度下降。

表4 有無(wú)防護(hù)試樣損傷面積Tab. 4 Damage area of coated and uncoated specimen

撕開(kāi)迎爆面防護(hù)涂層后，可以觀察到防護(hù)涂層與混凝土黏結(jié)界面（圖11），防護(hù)涂層和混凝土界面黏附著混凝土表面砂漿及細(xì)骨料；對(duì)于背爆面，通過(guò)敲擊凸起涂層，可發(fā)現(xiàn)試樣變形頂端仍附著混凝土，T26聚脲與混凝土未脫離。這一現(xiàn)象表明，T26聚脲與混凝土界面之間在表面處理之后附著力較好，盡管經(jīng)歷了爆炸產(chǎn)生的拉伸波的破壞，涂層與混凝土間仍有良好的附著性。

圖11 防護(hù)涂層與混凝土黏結(jié)界面Fig. 11 Contact interface between coating and concrete

在接觸爆炸作用下，爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高溫會(huì)直接作用在迎爆面涂層表面，此時(shí)涂層表面受高溫作用已呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，在這一狀態(tài)下，表面涂層完全喪失力學(xué)性能，下部涂層的力學(xué)強(qiáng)度下降；核心區(qū)域表面涂層破壞后，未受到高溫作用的涂層繼續(xù)對(duì)混凝土進(jìn)行防護(hù)，此時(shí)，受高溫和沖擊作用耦合破壞，聚脲將通過(guò)小幅度的變形吸收外界能量。當(dāng)沖擊波即將與混凝土層接觸時(shí)，沖擊波表現(xiàn)為兩種模式：一是，通過(guò)混凝土向下傳遞，引發(fā)混凝土反射卸載，使下層混凝土發(fā)生崩塌，表現(xiàn)為砂漿和骨料的分離、混凝土層裂以及爆炸中心區(qū)和邊緣的沖切破壞。二是，在聚脲和混凝土之間作用，對(duì)于迎爆面，沖擊波使迎爆面涂層與混凝土分離，并使涂層沿破壞缺陷處發(fā)生撕裂破壞；當(dāng)沖擊波達(dá)到背爆面時(shí)，由于聚脲的波阻抗小于混凝土，在混凝土和涂層之間產(chǎn)生一個(gè)拉伸波，當(dāng)拉伸波大于附著力時(shí)，涂層將完全脫離混凝土表面，而T26聚脲與混凝土之間并未脫離，滿足了防護(hù)要求。

從能量吸收的角度來(lái)講，當(dāng)爆炸荷載作用在防護(hù)試樣時(shí)，試樣發(fā)生彎曲破壞，且背爆面發(fā)生變形較大的彎曲與拉伸破壞，防護(hù)涂層彎曲的本質(zhì)是防護(hù)涂層的彎曲變形與拉伸變形。由于T26聚脲在高應(yīng)變率荷載作用時(shí)具有較高的損耗模量和損耗因子，在拉伸和彎曲過(guò)程中，分子間產(chǎn)生相對(duì)位移，硬段與軟段摩擦吸能，在這一過(guò)程中迅速將外界的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。從變形來(lái)講，T26聚脲具有較高的彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率，且受聚合物應(yīng)變率敏感性的影響，彈性模量將進(jìn)一步提高，防護(hù)涂層在發(fā)生大變形的同時(shí)，利用自身彈性抑制爆炸荷載引發(fā)的變形，從而減小變形量，由于T26聚脲的撕裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較高，在這一過(guò)程中，避免了由于應(yīng)力集中和局部缺陷導(dǎo)致的撕裂破壞，且能有效地將爆炸產(chǎn)生的破片全部約束在涂層內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)零破片的防護(hù)目標(biāo)。

3.3 微觀斷裂機(jī)制

為了探究T26聚脲的斷裂機(jī)制，分別對(duì)爆炸后試樣迎爆面、背爆面表面涂層取樣，其中，迎爆面涂層選取迎爆面破壞斷面、爆炸中心區(qū)域和邊緣區(qū)域進(jìn)行取樣，背爆面根據(jù)試樣截面圖（圖10）分區(qū)域取樣，迎爆面和背爆面的T26聚脲涂層典型損傷微觀形貌分別如圖12和13所示。

圖12 迎爆面涂層典型損傷微觀形貌Fig. 12 Typical fracture micro-morphology of front view

圖12（a）為涂層斷面微觀形貌，12（b）、（c）為爆炸核心區(qū)涂層表面微觀形貌；12（d）、（e）為爆炸邊緣區(qū)域涂層表面微觀形貌。由圖12可知，對(duì)于迎爆面防護(hù)涂層，涂層斷面處（圖12（a））平面區(qū)域光澤度較差且邊界無(wú)光澤，整個(gè)斷口處附著大量的近似球形的顆粒，在第3.2節(jié)抗爆性能分析中提到，接觸爆炸會(huì)使迎爆面涂層受到高溫與沖擊荷載的耦合作用，斷面形貌是耦合作用在微觀的直接表現(xiàn)。由于斷面邊緣的涂層較薄，沖擊荷載產(chǎn)生的破壞斷面很容易受高溫熔融，從而失去明顯棱角并附著少量熔融顆粒。從微觀斷面還可發(fā)現(xiàn)，噴涂工藝在涂層中產(chǎn)生了一定量的氣泡，氣泡直徑在20～40 μm之間（圖12（a）），減少氣泡是下一階段T26聚脲涂層研究的方向之一。

迎爆面核心區(qū)涂層在宏觀上存在明顯的顆粒附著，且顆粒存在著方向性，將核心區(qū)放大后（圖12（b）、（c））可以發(fā)現(xiàn)，這些附著顆粒的微觀表現(xiàn)為絮狀熔融物，部分區(qū)域有拉絲現(xiàn)象，這一現(xiàn)象是由于熔融產(chǎn)物被高速移動(dòng)產(chǎn)生的，值得注意的是，在核心區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)T26聚脲涂層出現(xiàn)裂縫，表明在迎爆面的破壞以壓縮和剪切破壞為主。由圖12（e）可見(jiàn)，迎爆面邊緣的微觀形貌相較于核心區(qū)對(duì)比十分明顯，邊緣區(qū)域的微觀形貌平整也無(wú)裂痕產(chǎn)生，表面存在一定量的附著物，附著顆粒較大，這些是由大尺寸熱熔物附著形成，并形成完整粗糙區(qū)域。

圖13（a）為1區(qū)表面微觀形貌，13（b）為1區(qū)裂縫局部放大，13（c）、（d）為2區(qū)表面微觀形貌，13（e）為3區(qū)表面微觀形貌。由圖13可知：背爆面涂層由于未受到高溫作用，其微觀形貌與迎爆面完全不同，從整體來(lái)看，背爆面涂層表面光滑平整，沒(méi)有任何絮狀產(chǎn)物，且表面破壞形貌不明顯。從局部來(lái)看，背爆面1區(qū)（圖13（a））作為縱向位移最大區(qū)域，這一區(qū)域應(yīng)存在大量微裂縫，但是微觀形貌結(jié)果與變形預(yù)測(cè)完全相反，背爆面1區(qū)的涂層完整，只存在極少的微裂縫，其中，主裂縫長(zhǎng)度為92 μm，裂縫最大寬度為4 μm，裂縫深度為2～3 μm。將該裂縫放大觀察（圖13（c）），裂縫右端有3處擴(kuò)展裂縫，且從形貌分析，這個(gè)裂縫為明顯的脆性破壞裂縫，裂縫邊緣破壞明顯，擴(kuò)展裂縫深度在1～2 μm，這一現(xiàn)象表明，當(dāng)爆炸荷載作用到背爆面時(shí)，其作用頻率仍保持較高狀態(tài)，使材料發(fā)生脆性破壞。背爆面2區(qū)（圖13（c）、（d））為背爆面圖層的裂縫密集區(qū)，這一區(qū)域存在大量裂縫，且裂縫互相平行，只有極少數(shù)裂縫由于本身缺陷會(huì)出現(xiàn)相交現(xiàn)象，而在缺陷區(qū)域，裂縫多會(huì)沿缺陷區(qū)域放射性發(fā)展；不同于1區(qū)裂縫，2區(qū)裂縫細(xì)小而密集，以裂縫組的形式存在，涂層變形以垂直于裂縫方向的單軸拉伸變形為主，變形均勻，且2區(qū)中未出現(xiàn)脆性裂縫，表明荷載作用頻率相對(duì)較低。3區(qū)的表面微觀形貌最為平滑（圖13（e）），且未見(jiàn)裂縫和變形。

圖13 背爆面涂層典型損傷微觀形貌Fig. 13 Typical fracture micro-morphology of back view

以上試驗(yàn)表明：T26聚脲在接觸爆炸下的斷裂機(jī)制主要分為4部分，即高溫力學(xué)性能失效機(jī)制、高溫與沖擊荷載耦合斷裂機(jī)制、高速荷載脆性斷裂機(jī)制和拉伸斷裂機(jī)制。對(duì)于迎爆面涂層，高溫力學(xué)性能失效機(jī)制是目前聚合物防護(hù)材料受接觸爆炸作用共同的缺陷，爆炸產(chǎn)生的瞬間高溫將使表面涂層發(fā)生熱分解并部分進(jìn)入熔融狀態(tài)，防護(hù)涂層完全喪失力學(xué)性能；高溫與沖擊荷載耦合斷裂機(jī)制是對(duì)迎爆面涂層破壞最嚴(yán)重的機(jī)制，通過(guò)爆炸荷載的直接作用以及迎爆面涂層和混凝土之間的拉伸波撕裂防護(hù)涂層，嚴(yán)重影響了迎爆面涂層的吸能效率。對(duì)于背爆面涂層，其主要破壞機(jī)制是聚脲的拉伸斷裂，且并非均勻的拉伸變形，背爆面涂層最大變形區(qū)域?yàn)榭v向變形區(qū)域外側(cè)的圓環(huán)區(qū)，這部分區(qū)域主要以拉伸破壞為主，這一現(xiàn)象表明外側(cè)圓環(huán)區(qū)是涂層最大的吸能區(qū)域，通過(guò)拉伸和彎曲變形吸收了大量的能量。背爆面產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有兩方面：一方面，爆炸中心區(qū)邊界與周圍混凝土發(fā)生脆性破壞，涂層防護(hù)內(nèi)部混凝土受爆炸沖擊作用發(fā)生爆炸沖切，沖切產(chǎn)生的裂縫處防護(hù)涂層發(fā)生拉伸變形，從而產(chǎn)生環(huán)形區(qū)域的平行裂紋；另一方面，結(jié)構(gòu)中心區(qū)域受沖擊荷載作用，在發(fā)生爆炸沖擊時(shí)，中心區(qū)域涂層所受變形應(yīng)變率最高，背爆面涂層在其缺陷位置產(chǎn)生脆性微裂縫，或者稱之為高頻荷載下的銀紋現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)時(shí)溫等效原理，T26聚脲在高應(yīng)變率荷載作用下等效于低溫狀態(tài)，儲(chǔ)能模量和損耗模量都處于上升階段，可以高效地將外界的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能消耗。不同頻率下材料的E'-30℃/E'70℃變化表明T26聚脲受頻率影響明顯，在熱機(jī)械性能方面印證了聚脲的應(yīng)變率敏感性。基于擬合主曲線，當(dāng)外界荷載頻率在150～500 Hz時(shí)， T26聚脲的損耗因子在0.21～0.23之間，且隨頻率增加而增大；當(dāng)外界荷載頻率大于1 000 Hz時(shí)，T26聚脲的損耗因子高于0.24，具有很好的吸能性能。

2）質(zhì)量為10 kg 的TNT接觸爆炸試驗(yàn)結(jié)果表明，噴涂10 mm T26聚脲涂層的鋼筋混凝土板可以承受10 kg TNT接觸爆炸破壞，相較于無(wú)防護(hù)鋼筋混凝土板，涂層防護(hù)試樣迎爆面損傷面積減小62%，背爆面無(wú)任何破片產(chǎn)生，且迎爆面、背爆面涂層均未出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，T26聚脲對(duì)實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)爆炸防護(hù)，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

3）通過(guò)微觀斷裂機(jī)制研究，防護(hù)涂層在接觸爆炸下斷裂機(jī)制分為高溫力學(xué)性能失效機(jī)制、高溫與沖擊荷載耦合斷裂機(jī)制、高速荷載脆性斷裂機(jī)制和拉伸斷裂機(jī)制，T26聚脲在高速荷載脆性斷裂機(jī)制和拉伸斷裂機(jī)制中性能優(yōu)異，對(duì)高應(yīng)變率荷載有很好的防護(hù)性能。

4）在爆炸荷載作用下，T26聚脲在背爆面的變形表現(xiàn)為縱向變形區(qū)域外側(cè)圓環(huán)區(qū)的拉伸變形和背爆面中心區(qū)域的脆性破壞，且變形以圓環(huán)區(qū)涂層的拉伸破壞為主。背爆面中心區(qū)域變形較小，在爆炸荷載作用過(guò)程中承受高應(yīng)變率荷載，出現(xiàn)少量脆性微裂紋，即高頻荷載下的銀紋現(xiàn)象。