涂覆泡沫混凝土墙体的抗爆防护性能研究

高一轩 郭佳辉 刘昌伟

（南京理工大学机械工程学院， 江苏 南京 210094）

0 引言

泡沫混凝土又称发泡水泥，是一种含有大量细小的封闭气孔，并具有一定强度的混凝土制品。将其涂覆在墙体外可有效地削弱爆炸产生的冲击波的作用，进而对其涂覆的墙体起到保护作用，在抗爆防护领域内有着极大的使用价值。

近年来，国内外许多学者对泡沫混凝土的吸能特性，和抗爆性能等方面做了大量的研究。国内方面，严龙胜等[1]通过数值模拟研究了含有聚苯乙烯的轻混凝土对隧道防爆特性的影响。洪鑫等[2]从密度、气泡孔数量与大小、原材料等角度分析了影响泡沫混凝土节能减震效果的因素，分析了其影响机理。杜玉兰[3]等采用室内小型平板模型实验，研究了复合结构中的泡沫混凝土层的厚度、位置对于抗爆性能的影响。张景飞等[4]进行了爆炸载荷冲击下的泡沫混凝土节能减震实验，分析了不同材料参数下的泡沫混凝土的吸能特性。宋林波等[5]发现波纹型结构在爆炸载荷下的防护能力明显优于普通平板型，得到了波纹周期越小，防护效果越好的规律。

国外方面，D.K.Panesar 研究了空气含量及不同种类发泡剂对于泡沫混凝土的坍落度、塑性空气含量和塑性密度等性能以及其他性能，包括硬化密度、抗压强度、静态弹性模量和耐热性的影响。本文主要对泡沫混凝土结构的抗爆性能进行分析，计算在不同炸高工况下泡沫混凝土结构的抗爆能力。

1 数值仿真有限元模型选定及材料模型参数

1.1 有限元模型选定

采用尺寸为：Φ25mm×38mm 的圆柱形TNT 炸药。为了划分网格及后期运算的简便，空气域与泡沫混凝土结构也均采用圆柱形建模，泡沫混凝土结构尺寸为：Φ300mm×20mm。空气域将炸药及泡沫混凝土包含在其中。建模如图1 所示。

图1 有限元模型示意图

在数值仿真计算的过程中，模型整体为圆柱形，因此在建模时采用1/4 模型进行计算。为了防止网格数量过多，控制求解规模，网格划分采用“中密边疏”的方式，即爆炸区域网格较为密集，单元网格尺寸大小在1mm×1mm×1mm 左右，随着远离爆炸区域，网格尺寸逐渐增大。

1.2 材料模型参数设置

1.2.1 炸药与空气材料模型及参数

在三维结构计算模型的构建中，炸药与空气采用欧拉网格，泡沫混凝土结构采用拉格朗日网格，并利用了ALE 算法进行了网格耦合。

1.2.2 泡沫混凝土结构模型及参数

泡沫混凝土的模型采用了MAT_BRITTLE_DAMAGE 模型，是一种各向同性、脆性、损伤模型，并被广泛应用于脆性材料模型中。为了模拟泡沫混凝土在冲击毁伤下的破碎效果，同时防止网格畸变发生负体积错误，采用MAT_ADD_EROSION 关键字定义单元失效。当单元中的主应变达到破坏准则时，将单元从计算中删除。其材料参数及失效参数设置见表1、表2。

表1 泡沫混凝土材料参数

表2 泡沫混凝土失效参数

2 数值仿真结果及分析

根据仿真结果对泡沫混凝土结构的加速度和迎爆面、背爆面压力进行了分析。

根据仿真计算结果及统计，可以得出随着炸高的增加，泡沫混凝土结构的加速度有所下降，加速度与炸高之间呈线性关系。可知随着炸高的增加，泡沫混凝土结构中心点处单元的迎爆面压力会随之下降，在炸高达到160mm 后，下降速度开始趋于平缓。背爆面压力变化趋势与迎爆面基本相同。

抗爆能力的计算公式为

式中，1为迎爆面压力，2为背爆面压力。

根据统计结果，随着炸高的增加，泡沫混凝土结构对爆炸冲击波的抗爆能力也会增强，因此，在选择涂覆泡沫混凝土位置时，应选择距离爆炸处相对较远的位置，其抗爆性能会更好。

3 试验验证

为了验证数值仿真计算的准确性，开展了静爆威力试验。

3.1 试验方案与布置

试验所用泡沫混凝土靶板的尺寸为300mm×300mm×20mm，其中心设置了加速度测点。所用炸药为TNT 圆柱形压制炸药，装药规格为30g，尺寸为Φ25mm×38mm。由于地面为混凝土刚性面，爆炸后加速度传感器和测试线飞出容易被损坏，所以在试验时使用塑料泡沫保护传感器线路。共进行了两次试验。

3.2 试验结果与分析

试验测量结果如图2 所示。

图2 加速度测量结果

可以发现所得结果基本相同，误差在可接受范围之内，由此可以认定数值仿真的结果是准确可靠的。

4 结束语

通过对五种不同炸高工况下的数值仿真计算，研究了泡沫混凝土的抗爆防护性能。为确保数值仿真计算准确可靠，进行了其中一种工况下的试验。通过对比试验结果与数值仿真计算结果，误差在可接受范围内，因此可确定数值仿真计算结果的可靠性。得出的结论如下：

（1）泡沫混凝土结构可吸收爆炸冲击波的能量，从而有效地衰减爆炸冲击波的威力。在药量30g，炸高80mm 的工况下，泡沫混凝土结构背爆面处的超压已不会毁伤普通的混凝土墙或砌体墙。

（2）泡沫混凝土结构对爆炸冲击波的衰减程度随着炸高的增加也有着上升的趋势，因此，将泡沫混凝土涂覆在距离爆炸相对较远的位置时，其抗爆能力更好。