聚脲弹性体喷涂不同砌体墙的抗爆性能研究

贾艺凡，陶西贵

（军事科学院国防工程研究院，北京 100036）

0 引言

三硝基甲苯（TNT）在空气中爆炸时，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遭受一定程度的破坏。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，聚脲是一种弹性嵌段共聚物，由异氰酸酯和氨反应生成，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]。甘云丹等[8]和黄华等[9]以国外相关试验为基础，采用LS-DYNA软件分析爆炸荷载作用下聚脲加固空心混凝土砖砌体墙的动态响应和破坏模式。国内学者还研究了普通防爆墙、水体防爆墙以及在结构上附加阻尼器等措施对降低结构响应、提高结构抗爆性能的作用[10-12]。而对于聚脲弹性体增强砌体墙抗爆性能试验鲜有研究。

本文利用课题组自制的改性聚脲弹性体加固设置的砖墙和混凝土砌块墙，对不同加固厚度聚脲弹性体的不同砌体墙分别进行爆炸试验，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效果。

1 聚脲弹性体喷涂不同砌体墙抗爆性能研究

建筑结构中常用的填充部分有砖墙、混凝土砌块墙，按照结构受力不同分为承重墙和非承重墙。爆炸荷载导致墙体产生的破坏部分的抛射以及高速碎片是造成室内人员伤亡的主要原因。

1.1 砖墙和混凝土砌块墙试件

砖墙和混凝土砌块墙由太原市尖草坪区新科技术开发中心江阳咨询部制作（见图1），砖块尺寸为24 cm×115 cm×53 cm，加气混凝土砌块尺寸为60 cm×24 cm×24 cm，墙体尺寸为250 cm×310 cm×24 cm（宽×高×厚），砖墙采用一顺一丁式砌筑，混凝土砌块墙采用加气混凝土砌块施工工艺砌筑，单墙砌筑尽量在短期内完工，所有墙体同期同条件下养护28 d。

图1 砖墙和混凝土砌块墙

1.2 试验设置及加载

本组试验对比不同喷涂厚度条件下墙体在爆炸荷载作用下的破坏模式，喷涂聚脲弹性体时严格按照JGJT200—2010《喷涂聚脲防水工程技术规程》喷涂施工工艺流程进行，保证喷涂聚脲弹性体涂层的质量。

聚脲弹性体喷涂砖墙进行单面喷涂加固，喷涂厚度分别为3、5、8 mm，试验采用柱状TNT爆炸获取冲击波荷载。

聚脲弹性体喷涂混凝土砌块墙进行单面喷涂加固，喷涂厚度分别为4、6 mm，试验采用柱状TNT爆炸获取冲击波荷载。

聚脲弹性体喷涂砖墙和混凝土砌块墙见图2。

图2 聚脲弹性体喷涂砖墙和混凝土砌块墙

2 试验结果及分析

2.3 砖墙

对未喷涂聚脲弹性体及喷涂厚度分别为3、5、8 mm的砖墙进行爆炸试验，试验前后的对比结果如图3所示。

图3 试验前后砖墙对比

由图3（a）、（b）可知，未喷涂聚脲弹性体砖墙在当量2.17 kg，爆距10.5 cm的TNT炸药爆炸荷载作用下，墙体出现瓦解和飞散，破坏部分飞溅到墙体背爆面地面半径8 m的范围内。

由图3（c）、（d）可知，喷涂聚脲弹性体厚度为3 mm的砖墙在当量2.16 kg，爆距10.5 cm的TNT炸药作用下，墙体中心区域出现错位裂缝，加固层出现破裂，水平位移12 cm。墙体有轻微凹曲变形，但相较于未喷涂聚脲弹性体砖墙，墙体完整且未倒塌。

由图3（e）、（f）可知，喷涂聚脲弹性体厚度为5 mm的砖墙在当量2.24 kg，爆距10.5 cm的TNT炸药作用下，墙体中心区域水平位移21 cm，加固层无明显破裂现象。相较于聚脲弹性体厚度3 mm砖墙，墙体背爆面出现拉伸应变程度增大，导致墙体中心位移增加。

由图3（g）、（h）可知，喷涂聚脲弹性体厚度为8 mm的砖墙在当量2.06 kg，爆距10.5 cm的TNT炸药作用下，墙体中心区域出现明显裂缝，水平位移33 cm，加固层明显破裂。相较于其他聚脲弹性体厚度的砖墙，墙体背爆面凹曲变形响应增强。

对比未喷涂聚脲弹性体砖墙，喷涂了聚脲弹性体的砖墙抗爆性能明显提高，砖墙墙体未整体倒塌，墙体背爆面仅产生裂缝，表面完整且相对平滑，聚脲弹性体的包覆可有效减弱因爆炸冲击波荷载而出现砖体飞溅碎片，减缓二次毁伤。

喷涂不同厚度聚脲弹性体的砖墙，在爆炸荷载作用下出现凹曲变形响应，但聚脲弹性体有效降低墙体中心的位移量。随着聚脲弹性体喷涂厚度的增加，砖墙墙体的中心位移越大。聚脲弹性体能有效约束砖墙墙体的位移，减弱墙体的凹曲变形。

砖墙墙体背爆面喷涂3 mm厚度的聚脲弹性体，在爆炸荷载作用下保持相对完整，无破坏和碎片抛掷，有轻微凹曲变形，说明中间区域为强动力荷载作用下的塑形区域，塑形区域的边界在板变形的过程中是变化的。而在涂聚脲弹性体的砖墙在爆炸荷载作用下中心区域的裂缝几乎重合，入射爆炸荷载影响的具体量值、背爆面对卸载波的影响量值无法定量分析，但可以证明，砖墙背爆面喷涂聚脲弹性体显著降低了爆炸荷载对墙体结构的破坏。

2.3 混凝土砌块墙

对未喷涂聚脲弹性体及喷涂厚度分别为4、6 mm的混凝土砌块墙进行爆炸试验，试验前后的对比结果如图4、图5、图6所示。

图4 未喷涂聚脲弹性体试验前后混凝土砌块墙对比

图5 喷涂4 mm聚脲弹性体试验前后混凝土砌块墙对比

图6 喷涂6 mm聚脲弹性体试验前后混凝土砌块墙对比

由图4可知，未喷涂聚脲弹性体混凝土砌块墙在TNT炸药爆炸荷载作用下，墙体出现瓦解和飞散，破坏部分飞溅到墙体背爆面地面半径16.3 m的范围内。

由图5可知，喷涂聚脲弹性体厚度为4 mm的混凝土砌块墙在当量1.2 kg，爆距20.5 cm的TNT炸药作用下，墙体背爆面平滑、完整，加固层无破裂、拉伸破坏现象，迎爆面部分砌块表面破碎。相较于未喷涂聚脲弹性体混凝土砌块墙，墙体完整且未倒塌。

由图6可知，喷涂聚脲弹性体厚度为6 mm的混凝土砌块墙在当量1.25 kg，爆距10.5 cm的TNT炸药作用下，墙体在爆炸荷载作用下加固层中间开裂墙体倒塌，但砌块并未出现飞溅现象。

未喷涂聚脲弹性体混凝土砌块墙在爆炸荷载作用下出现瓦解和抛撒，墙体破坏部分抛撒到背爆面地面范围内，而喷涂聚脲弹性体的混凝土砌块墙得到有效包裹，即使墙体受到破损后倒塌，也明显减弱墙体背爆面碎片的产生，约束墙体的凹曲变形和破坏。喷涂了4 mm厚度的聚脲弹性体混凝土砌块墙抗爆性能明显提高，墙体无凹曲变形出现；喷涂6 mm的混凝土砌块墙在爆炸冲击荷载作用下，中心区域出现断裂、错位裂缝，由于聚脲弹性体的附着力较强，将墙体砌块撕裂后倒塌。

国外研究人员将聚脲弹性体增强结构抗爆性能的机理归于冲击阻抗匹配、冲击波弥散、破裂模式转换、应变分散4个方面[13]。在爆炸荷载作用下，墙体响应前期阶段主要是迎爆面冲击阻抗匹配、冲击波弥散，在墙体动态响应过程中聚脲弹性体发生应变过程，导致墙体应变分散，最终导致加固墙体破坏模式转换。

3 结 论

（1）砖墙墙体背爆面喷涂3 mm厚度的聚脲弹性体，在爆炸荷载作用下保持相对完整，无破坏和碎片抛掷，有轻微凹曲变形，可考虑应用于实际工程中。

（2）混凝土砌块墙背爆面喷涂4 mm厚度的聚脲弹性体，表现出良好的抗爆性能。

（3）聚脲弹性体能有效减弱墙体背爆面碎片的产生，降低砌体墙在爆炸荷载作用下的变形和位移，提高了砌体墙的抗爆能力。