接觸爆炸作用下抗爆型噴涂聚脲防護鋼筋混凝土板爆炸試驗和數值模擬*

張銳 梁龍強 馬明亮 黃微波，* 葉小軍

(1.青島理工大學 山東青島266033)(2.青島沙木新材料有限公司 山東青島266113)(3.南昌大學先進制造學院 江西南昌330031)

涂層技術是提高結構抗爆能力的有效手段[1-4]，而噴涂聚脲彈性體(SPUA)技術因其涂層具有優良的防護性、粘彈耗能等得天獨厚的特性引起廣泛關注[3，5-6]。 土木工程結構中混凝土占比較大，在建筑結構遭受外部爆炸的情況下，爆炸及爆轟產物將嚴重影響結構內部人員生命及財產安全。 由于聚脲特殊的力學性能特點以及合成條件，其在結構加固方面有很強的適用性[7-8]。

青島理工大學功能材料研究所基于爆炸荷載作用特點，自主設計研發Qtech T26 抗爆型噴涂聚脲(T26 聚脲)。 在前期研究中，呂平等[9-10]對防護基材的附著性能進行研究，并對T26 聚脲的熱穩定性能、硬段和軟段的玻璃化轉變溫度(Tg)進行研究，發現T26 聚脲的熱穩定性較好，且具有明顯的微相分離特征。 張銳等[11-12]通過動態熱機械性能分析，發現T26 聚脲具有較寬的玻璃化轉變區，氫鍵化程度高，同時具有一定的阻尼性能。 之后分別對T26聚脲防護鋼筋混凝土板(RC 板)進行1.4 kg TNT 非接觸爆炸試驗[13]、1.4 kg TNT 接觸爆炸試驗[9]以及10 kg TNT 接觸爆炸試驗[12]，在T26 聚脲防護下，均實現了零破片的防護目標。 本研究在此基礎上，通過ANSYS/LS-DYNA 軟件對T26 聚脲防護RC 板進行接觸爆炸數值模擬，分析爆炸荷載作用下有無T26 聚脲防護對RC 板整體損傷的影響，設計炸藥藥量為10 kg TNT，通過爆炸試驗與數值模擬結果對比，以優化模型，為工程應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要材料

T26 聚脲為A、B 組分反應制成，其中A 組分是由二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI-50，萬華化學集團股份有限公司)等原料合成的端NCO 基預聚物；B組分主要為含有端氨基聚醚(D2000，淄博正大聚氨酯有限公司)、二乙基甲苯二胺(DETDA，東營海瑞寶新材料有限公司)和阻尼協同助劑(自制)等原料的混合物。

1.2 Qtech T26 抗爆型聚脲防護RC 板制備

爆炸試驗中RC 板的尺寸為1.5 m×1.5 m×0.3 m，混凝土強度等級為C40。 噴涂前需噴涂環氧改性聚氨酯底漆以增強涂層附著力，噴涂T26 聚脲時，采用之字形噴涂，保證涂層均勻，防護涂層厚度為10 mm，噴涂完成后試樣如圖1 所示[12]。

圖1 T26 聚脲防護RC 板

1.3 爆炸試驗

采用10 kg TNT 接觸爆炸的加載方式對T26 聚脲的抗爆防護性能進行試驗，試驗布置如圖2 所示。

圖2 試驗布置示意圖

采用兩端簡支支撐，下方預留深度為50 cm 的變形空間，通過對比有無T26 聚脲防護RC 板的宏觀變形直接判斷T26 聚脲的抗爆防護性能。

2 數值模擬計算模型

2.1 結構幾何模型

為全面研究爆炸荷載作用下T26 聚脲防護RC板的動態響應和能量變化，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對爆炸試驗進行模擬計算，T26 聚脲防護RC板有限元模型如圖3 所示。

圖3 T26 聚脲防護RC 板有限元模型

數值仿真模型單位制采用“cm-μs-g-Mbar”，炸藥、混凝土、T26 聚脲、空氣網格采用Solid163 單元，鋼筋采用Beam 單元建模。 T26 聚脲防護RC 板模型由混凝土板、鋼筋和聚脲涂層3 部分組成，與爆炸試驗相同，模型與試驗靶板尺寸相同。 炸藥與空氣采用流固耦合算法，空氣設置非反射邊界。

2.2 材料模型

數值模擬中TNT 炸藥的材料模型選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，狀態方程采用*EOS_JWL 以定義爆轟產物壓力、相對體積和體積內能之間的關系；混凝土材料模型采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE，此模型適用于承受大應變、高應變率和高壓的混凝土材料；鋼筋模型直徑為8 mm，布筋間距為5 cm，材料模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。

T26 聚脲涂層厚度為10 mm，材料模型采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLATICITY， 模型考慮了材料的應變率效應，模型中聚脲力學性能參數采用實驗所得T26 聚脲力學性能，見表1。

表1 聚脲的力學性能數據

3 結果與討論

3.1 T26 聚脲防護RC 板宏觀損傷

采用10 kg TNT 接觸爆炸的方式對無防護RC板和T26 聚脲防護RC 板進行爆炸試驗，爆炸后試樣宏觀變形如圖4 所示。

圖4 有無T26 聚脲防護RC 板爆炸宏觀損傷

由圖4 可見，爆炸荷載使無防護RC 板發生明顯的沖切破壞。 這是由于背爆面一側布置有雙層鋼筋，鋼筋受沖切力影響出現較大的彎曲變形，這與胡玉峰等[14]的研究結果相一致。 但由于RC 板的厚度較大，RC 板在損傷細節上有一定差異。 迎爆面混凝土保護層在爆炸后貫穿洞邊緣位置有明顯粉碎區域，且受沖擊波作用有小幅度隆起；背爆面盡管發生沖切破壞，但由于鋼筋、骨料以及砂漿之間應力波拉伸作用，背爆面沖切塊完整性較低，且在破壞邊緣處的拉剪破壞使無防護RC 板產生了大量破片。 從承載能力來看，無防護RC 板已完全喪失承載能力，炸藥下方迎爆面一側鋼筋完全斷裂，背爆面一側鋼筋發生嚴重彎曲變形(見圖4(b))。

相比于無防護RC 板，T26 聚脲防護RC 板的完整性較好，迎爆面T26 聚脲涂層在高溫與荷載的耦合作用下發生撕裂破壞。 由于T26 聚脲的阻尼、弛豫以及高斷裂伸長率，背爆面T26 聚脲涂層完整，僅隨混凝土的沖切過程發生大變形，無任何破片飛出，實現了零破片的防護目標。 需要注意的是，由于T26 聚脲對沖擊波的卸載和反射，相比于無防護RC板，T26 聚脲防護RC 板的內部砂漿和骨料分離更為明顯，但在背爆面涂層的內表面粘附有相對完整的混凝土保護層，進一步證明了對于大藥量爆炸荷載作用下，RC 板的破壞形式以沖切破壞為主。

3.2 涂層微觀損傷

文獻[11]中已對T26 聚脲防護RC 板的迎爆面和背爆面T26 聚脲破壞以及變形的典型區域進行討論和研究，本節將對防護涂層與RC 板基材界面和背爆面大變形區域涂層的微觀損傷進行進一步研究，采用SEM 對取樣涂層進行分析，迎爆面涂層與RC 板基材脫離界面如圖5 所示。

圖5 T26 聚脲與RC 板界面損傷

由圖5(a)可見，迎爆面涂層與RC 板界面位置雖然發生脫離，但涂層內表面仍附著有混凝土砂漿。對迎爆面T26 聚脲撕裂位置和附著區域進行取樣，并通過SEM 觀察可以發現，撕裂斷口位置聚脲無明顯撕裂痕跡，主要為熔融狀聚合物，這是由于高溫與荷載耦合作用導致，與文獻[13]中討論的迎爆面核心區域損傷相似。 此外，從T26 聚脲涂層內側可以發現分布均勻的氣泡，這是由于噴涂工藝導致的。在圖5(b)右側可以明顯發現涂層附著的保護層混凝土，由于混凝土受高溫影響較小，混凝土裂紋明顯。 微觀界面損傷進一步確認了T26 聚脲與混凝土界面之間的附著性能滿足防護需求。

根據文獻[11]中對背爆面拉伸大變形區域的分析，進一步對拉伸大變形區域起始位置取樣并進行SEM 分析，結果見圖6。

圖6 背爆面拉伸變形區域微觀損傷

由圖6 可見，大變形區域起始位置也出現了明顯的銀紋現象，且銀紋已開始向內部深入并形成可見的裂紋。 與3.1 小節中宏觀變形對應的沖切損傷相一致，大變形起始位置為沖切損傷的邊緣位置，在發生沖切變形的瞬間，邊緣區域的T26 聚脲變形速率快，從而受到應變率效應作用，發生局部脆性開裂。 將裂紋邊緣局部放大可以發現，裂紋邊緣位置也產生數條平行與裂紋的細小銀紋，阻尼協同作用阻止了銀紋繼續擴展為裂紋。

3.3 模擬結果及分析

通過有限元模擬得到爆炸載荷下有無T26 聚脲防護RC 板的損傷圖，如圖7 所示。

圖7 有無T26 聚脲防護RC 板損傷圖

從圖7(a)和(c)可以發現，在爆炸荷載作用下，有無T26 聚脲防護RC 板迎爆面均產生爆炸坑，其中無防護RC 板的最大直徑為76.18 cm，T26 聚脲防護RC 板的最大直徑為37.36 cm。 而爆炸試驗中無防護RC 板和T26 聚脲防護RC 板的最大直徑分別為73 cm 和42 cm，數值模擬結果與試驗吻合較好，可以合理模擬結構的損傷情況。 從損傷圖可以發現，爆炸荷載使試樣迎爆面發生了明顯的開裂，T26聚脲有效抑制了迎爆面的損傷發展。 從背爆面來看，無防護RC 板由于背爆面有簡支支撐，支撐位置出現了明顯的應力集中現象，RC 板跨中彎曲開裂明顯，且整體損傷呈放射狀發展。 相比于無防護RC板，T26 聚脲防護RC 板在背爆面的損傷發展被明顯抑制，裂縫長度以及數量明顯下降。

迎爆面中心位置有限元模擬與爆炸試驗對比結果見圖8。

圖8 T26 聚脲防護RC 板迎爆面損傷試驗與模擬對比

由圖8 可以發現，爆炸產生的高溫、荷載以及沖擊波對迎爆面防護涂層產生極大影響。 高溫使T26聚脲發生熱軟化從而發生撕裂破壞，而沖擊波作用在迎爆面時，由于T26 聚脲與混凝土之間的阻抗失配，沖擊波在界面產生的拉伸波使涂層發生脫離并且使其發生撕裂破壞，因此對于迎爆面涂層防護，涂層對混凝土之間的附著性能十分重要。

為進一步分析T26 聚脲在爆炸過程中的防護性能，通過有限元模擬得到有無T26 聚脲防護RC 板加速度時程曲線見圖9。

圖9 有無T26 聚脲防護RC 板加速度時程曲線

由圖9 可知，有無T26 聚脲防護RC 板的加速時程曲線的變化規律基本相似，T26 聚脲防護RC板在0.3 ms 時加速度幅值趨于平緩，而無防護RC板在0.5 ms 后趨于平緩。 從加速度幅值來看，相較于無防護RC 板，T26 聚脲防護RC 板加速度幅值下降42.8%，表明T26 聚脲涂層的阻尼耗能行為可以有效地衰減爆炸沖擊能量。

綜合以上研究可知，T26 聚脲對RC 板有很好的抗爆防護性能，通過對大當量爆炸的沖切變形抑制、防護涂層包覆破片以及能量衰減的方式，實現了對10 kg TNT 接觸爆炸零破片的防護效果，且爆炸后RC 板仍具有一定力學性能，對重要基礎設施及結構的抗爆防護具有重要工程應用價值。

4 結論

(1) 在大藥量接觸爆炸荷載作用時，RC 板的破壞形式以沖切破壞為主，沖切邊緣區域會產生大量破片，T26 聚脲防護RC 板背爆面涂層在沖切邊緣區域涂層的拉伸變形過程中未發生斷裂，實現了零破片的防護目標。

(2) 從微觀損傷來看，T26 聚脲與RC 板界面附著較好，可以抵抗界面拉伸波的作用，滿足爆炸防護中對附著性能的要求。

(3) 背爆面大變形的起始位置為RC 板沖切變形的邊緣區域，會發生由材料應變率效應產生的脆性開裂，并出現銀紋現象。

(4) 通過對比爆炸實驗與有限元模擬結果，驗證了數值模型的可靠性，有限元模擬結果表明，T26聚脲可以抑制RC 板裂縫的發展，衰減爆炸沖擊能量，提高了RC 板的抗爆性能。

(5) T26 聚脲以柔克剛的阻尼協同作用是實現零破片的關鍵。 只提升強度，而忽視斷裂伸長率、撕裂強度及損耗因子的協同提升，都是不可取的。