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

（軍事科學院國防工程研究院，北京 100036）

0 引言

三硝基甲苯（TNT）在空氣中爆炸時，在極短的時間內瞬間將全部的化學能轉化為爆炸能量，形成壓力巨大的沖擊波。爆炸源周圍的建筑物和物體都會因受到沖擊波的作用而遭受一定程度的破壞。在爆炸引起的碎片、地面振動以及火災等次生災害作用下，建筑結構易發生顯著的局部破壞，甚至因局部破壞引起的連續倒塌、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生成，具有優異的機械性能[1-2]、高彈性模量[3]、高拉伸強度（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]以國外相關試驗為基礎，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態響應和破壞模式。國內學者還研究了普通防爆墻、水體防爆墻以及在結構上附加阻尼器等措施對降低結構響應、提高結構抗爆性能的作用[10-12]。而對于聚脲彈性體增強砌體墻抗爆性能試驗鮮有研究。

本文利用課題組自制的改性聚脲彈性體加固設置的磚墻和混凝土砌塊墻，對不同加固厚度聚脲彈性體的不同砌體墻分別進行爆炸試驗，研究分析在不同厚度和加固方式時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

建筑結構中常用的填充部分有磚墻、混凝土砌塊墻，按照結構受力不同分為承重墻和非承重墻。爆炸荷載導致墻體產生的破壞部分的拋射以及高速碎片是造成室內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新科技術開發中心江陽咨詢部制作（見圖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完工，所有墻體同期同條件下養護28 d。

圖1 磚墻和混凝土砌塊墻

1.2 試驗設置及加載

本組試驗對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，噴涂聚脲彈性體時嚴格按照JGJT200—2010《噴涂聚脲防水工程技術規程》噴涂施工工藝流程進行，保證噴涂聚脲彈性體涂層的質量。

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

聚脲彈性體噴涂混凝土砌塊墻進行單面噴涂加固，噴涂厚度分別為4、6 mm，試驗采用柱狀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圖2。

圖2 聚脲彈性體噴涂磚墻和混凝土砌塊墻

2 試驗結果及分析

2.3 磚墻

對未噴涂聚脲彈性體及噴涂厚度分別為3、5、8 mm的磚墻進行爆炸試驗，試驗前后的對比結果如圖3所示。

圖3 試驗前后磚墻對比

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

由圖3（c）、（d）可知，噴涂聚脲彈性體厚度為3 mm的磚墻在當量2.16 kg，爆距10.5 cm的TNT炸藥作用下，墻體中心區域出現錯位裂縫，加固層出現破裂，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的磚墻在當量2.24 kg，爆距10.5 cm的TNT炸藥作用下，墻體中心區域水平位移21 cm，加固層無明顯破裂現象。相較于聚脲彈性體厚度3 mm磚墻，墻體背爆面出現拉伸應變程度增大，導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的磚墻在當量2.06 kg，爆距10.5 cm的TNT炸藥作用下，墻體中心區域出現明顯裂縫，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增強。

對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，墻體背爆面僅產生裂縫，表面完整且相對平滑，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凹曲變形響應，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完整，無破壞和碎片拋擲，有輕微凹曲變形，說明中間區域為強動力荷載作用下的塑形區域，塑形區域的邊界在板變形的過程中是變化的。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、背爆面對卸載波的影響量值無法定量分析，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墻體結構的破壞。

2.3 混凝土砌塊墻

對未噴涂聚脲彈性體及噴涂厚度分別為4、6 mm的混凝土砌塊墻進行爆炸試驗，試驗前后的對比結果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 未噴涂聚脲彈性體試驗前后混凝土砌塊墻對比

圖5 噴涂4 mm聚脲彈性體試驗前后混凝土砌塊墻對比

圖6 噴涂6 mm聚脲彈性體試驗前后混凝土砌塊墻對比

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。

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，加固層無破裂、拉伸破壞現象，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裂墻體倒塌，但砌塊并未出現飛濺現象。

未噴涂聚脲彈性體混凝土砌塊墻在爆炸荷載作用下出現瓦解和拋撒，墻體破壞部分拋撒到背爆面地面范圍內，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，墻體無凹曲變形出現；噴涂6 mm的混凝土砌塊墻在爆炸沖擊荷載作用下，中心區域出現斷裂、錯位裂縫，由于聚脲彈性體的附著力較強，將墻體砌塊撕裂后倒塌。

國外研究人員將聚脲彈性體增強結構抗爆性能的機理歸于沖擊阻抗匹配、沖擊波彌散、破裂模式轉換、應變分散4個方面[13]。在爆炸荷載作用下，墻體響應前期階段主要是迎爆面沖擊阻抗匹配、沖擊波彌散，在墻體動態響應過程中聚脲彈性體發生應變過程，導致墻體應變分散，最終導致加固墻體破壞模式轉換。

3 結 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完整，無破壞和碎片拋擲，有輕微凹曲變形，可考慮應用于實際工程中。

（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。