聚脲弹性体喷涂钢筋混凝土构件抗爆性能研究

贾艺凡，陶西贵，张时豪，周文涛

（1军事科学院国防工程研究院 北京 100036）

（2 1510工程指挥部 北京 100036）

（3 91697部队 山东 青岛 266000）

1 引言

TNT在空气中爆炸时，炸药在极短的时间内瞬间将全部的化学能转化为爆炸能量，形成压力巨大的冲击波。爆炸源周围的建筑物和物体都会因受到冲击波的作用而产生一定程度的破坏，在爆炸引起的碎片、地面振动以及火灾等次生灾害作用下，建筑结构易发生显著的局部破坏，甚至因局部破坏引起的连续倒塌、造成人员伤亡。因此，研究和分析如何提高建筑防爆抗爆能力，是我们急需解决的一大课题。

近些年，聚脲作为减缓爆炸冲击材料已被广泛研究，是一种弹性嵌段共聚物，由异氰酸酯和氨的反应生成，具有优异的机械性能[1-2]，高弹性模量[3]、高拉伸强度（12～45 MPa）[4]、高延展性[5]和良好的抗冲击性[6-7]。Raman等[8]聚脲涂层和未涂层混凝土板用3种不同的装药重量（0.1、0.5和5 kg）铵梯炸药在不同的间隔距离进行爆炸测试，研究了混凝土板的裂纹扩展，离面位移和失效模式。此外，学者们更多使用聚脲涂层作为减缓冲击载荷的有效机制[9-11]，聚脲材料在防护结构中作为减轻爆炸冲击的组成部分显示出巨大的潜力。在结构表面喷涂高强度、高拉伸性能的聚合物，能有效包裹爆炸冲击波作用下产生的高速碎片，有效缩短爆炸的危险距离，减少室内人员的伤亡。

本文利用改性的聚脲弹性体加固设置钢筋混凝土构件，并对不同加固厚度聚脲弹性体的构件分别进行爆炸实验，研究分析在不同厚度和加固方式时聚脲弹性体加固墙体的破坏模式和抗爆极限。

2 聚脲弹性体喷涂钢筋混凝土构件实验设置

钢筋混凝土采用模块内口净空尺寸1.2 m×1.8 m，满足人员通行需要，四周壁厚0.25 m，四周墙（板）双层双向配筋，拉筋Φ10，间距300×300梅花形布置。混凝土标号C40，钢筋净保护层15 mm，混凝土实测强度，折合150 mm立方体抗压强度58.0 MPa，如图1所示。

图1 模块结构设计图

A模块单面喷涂聚脲弹性体的厚度为3 mm，双面喷涂厚度为3 mm。

实验中，为保证墙体表面爆炸荷载作用过程的一致性和对称性，炸药放置在试件正中位置。墙体迎爆面中心处墙体凹曲变形时背爆面中心处位移是判断、对比单墙体试件在爆炸荷载作用下动态响应的重要参数，如表1、图2所示。

表1 钢筋混凝土构件爆炸实验参数

图2 聚脲弹性体喷涂钢筋混凝土

3 爆炸实验结果与分析

对未喷涂聚脲弹性体及喷涂厚度分别为3 mm和内外3 mm的钢筋混凝土进行爆炸实验，由于钢筋混凝土自身具有较好的抗爆炸冲击性能，所使用的构件是经过前期爆炸实验后再喷涂聚脲弹性体的，目的是在爆炸荷载作用下墙壁破碎的吸能效果，所得到钢筋混凝土的破坏模式，通过对比不同厚度聚脲弹性体的钢筋混凝土爆炸实验进行对比分析，实验前后的对比结果见图3。

图3 未喷涂聚脲弹性体钢筋混凝土（爆距5 cm）

如图3所示，未喷涂聚脲弹性体的钢筋混凝土构件在TNT炸药爆距为5 cm时，在爆炸冲击波作用下，构件迎爆面和背爆面均出现较为严重的破损，迎爆面破损面积31 cm×27 cm，背爆面破损面积57 cm×67 cm，图3（b）中可见钢筋混凝土构件破损主要为混凝土的破裂飞溅，钢筋出现弯曲但未断裂。

如图4所示，钢筋混凝土构件背爆面喷涂3 mm的聚脲弹性体在TNT炸药爆距为5 cm的作用下，迎爆面破损面积32.5 cm×34 cm，背爆面破损面积52 cm×68 cm，相较于未喷涂聚脲弹性体构件（图3），背爆面破损面积有所减小，且钢筋未出现弯曲，说明聚脲弹性体在钢筋混凝土背爆面的抗爆性能有所提高。

图4 涂层厚度3 mm的钢筋混凝土（爆距5 cm）

如图5所示，钢筋混凝土构件双面喷涂3 mm的聚脲弹性体在TNT炸药爆距为5 cm的作用下，迎爆面破损面积37 cm×30 cm，背爆面破损面积35 cm×27 cm，相较于未喷涂及背爆面喷涂聚脲弹性体构件（图3、4），构件的破损面积明显减小，聚脲弹性体较好地包裹背爆面混凝土碎片，说明聚脲弹性体包覆混凝土的吸能效果[12]明显提高，有效防止爆炸造成的二次损伤。

图5 涂层厚度内外3 mm的钢筋混凝土（爆距5 cm）

如图6所示，未喷涂聚脲弹性体的钢筋混凝土构件在TNT炸药爆距为10 cm时，在爆炸冲击波作用下，构件迎爆面和背爆面均出现较为严重的破损，迎爆面破损面积26 cm×13 cm，背爆面破损面积49 cm×58 cm，图6（b）中可见钢筋混凝土构件破损主要为混凝土的破裂飞溅，钢筋出现弯曲但未断裂，对比爆距5 cm的钢筋混凝土构件（图3），爆炸冲击波荷载的衰减构件破损面积有所减小。

图6 未喷涂聚脲弹性体钢筋混凝土（爆距10 cm）

如图7所示，钢筋混凝土构件背爆面喷涂3 mm的聚脲弹性体在TNT炸药爆距为10 cm的作用下，迎爆面破损面积23 cm×23 cm，背爆面破损面积40 cm×50 cm，相较于爆距为5 cm同工况的构件（图6），背爆面破损面积有所减小，证明聚脲弹性体对钢筋混凝土构件具有良好的抗爆效果。

图7 涂层厚度3 mm的钢筋混凝土（爆距10 cm）

图8 涂层厚度内外3 mm的钢筋混凝土（爆距10 cm）

从实验结果可以看出，喷涂聚脲弹性体对钢筋混凝土构件的保护效果要比未喷涂构件的效果好，未喷涂聚脲弹性体的钢筋混凝土板的迎爆面和背爆面都出现了震塌破坏，迎爆面的混凝土由于受到剧烈的爆轰压力，出现了爆坑，背爆面由于受到爆轰产生的负压，出现受拉破坏现象，但由于炸药当量较小，混凝土板没有被炸穿；喷涂聚脲弹性体的钢筋混凝土构件在爆炸冲击荷载作用下，混凝土碎块被包裹在涂层中，而为喷涂构件的混凝土碎块飞溅，并且混凝土中的钢筋裸露且出现变形，内部的混凝土出现不同程度的开裂甚至剥落。

表2 钢筋混凝土爆炸实验结果

随着聚脲弹性体的厚度增加，钢筋混凝土构件迎爆面和背爆面破口尺寸变小，未喷涂构件破口面积明显大于喷涂聚脲弹性体构件的面积。其中，迎爆面和背爆面均喷涂聚脲弹性体的钢筋混凝土构件，爆距为5 cm时，构件的背爆面涂层出现拉伸应变且有破裂，混凝土碎块被全部包裹；爆距为10 cm时，构件背爆面涂层光滑、平整，混凝土未发生脱离或粉碎现象。空气冲击波对结构的作用主要有两种，分为冲击波超压和冲击波动压作用[13]。空气介质中的爆炸产生极高压力区域，即产生强烈挤压邻近空气、从爆心向外传播、向外扩展的压缩空气层，称为波阵面。这种来源于气体压缩的压力又称为冲击波超压；冲击波导致空气介质运动而产生的压力，即为冲击波动压。聚脲弹性体对钢筋混凝土构件迎爆面可以降低冲击波超压对墙体的作用，而对构件背爆面可以降低冲击波动压对墙体的水平推力作用，减少墙体的凹曲变形量。

4 结论

本文通过对聚脲弹性体加固钢筋混凝土构件进行了不同工况的爆炸实验，探索聚脲弹性体厚度对墙体的抗爆性能影响。聚脲弹性体能有效减弱钢筋混凝土背爆面碎片的产生。双面加固聚脲弹性体的钢筋混凝土构件，其迎爆面能降低冲击波超压对结构的破坏，背爆面加固可降低卸载波对结构破坏，迎爆面和背爆面增强墙体抗剪、抗弯能力，减弱墙体凹曲变形程度。