近距离爆炸下ECC涂层加固砌体填充墙抗爆性能研究

杨谨鸿, 李秀地, 张 波, 陈 昊, 王起帆, 尚敦敏

(1. 陆军勤务学院 军事设施系,重庆 401331;2. 陆军工程大学 训练基地战斗工程支援系,江苏 徐州 221018)

近年来,世界各地恐怖爆炸袭击事件和燃气、化工意外爆炸事故频发,造成了大量人员伤亡及建筑损毁。作为外围护构件,墙体对室内人员财产安全起着重要保护作用,但其承受平面外弯拉的能力却相当有限。一般情况下,砌体墙在爆炸冲击等平面外荷载作用下,易发生弯拉破坏;同时,爆炸应力波极易使烧结砖、空心砌块等脆性建材产生脆断破坏,喷射出碎砖残块,对人造成伤害。所以,对砌体墙这一建筑结构中的薄弱部件进行抗爆加固很有必要。

工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)是美国密歇根大学的Li[1]开发出的具有超高延性和韧性的纤维增强水泥基复合材料,其极限拉伸应变最高可达8%,同时具有稳态多缝开裂和拉伸应变硬化的特征[2]。基于材料独特性能,ECC目前主要应用于建筑修复和抗震加固方面[3-4];另外,有限的研究[5]表明,ECC具有较好的能量吸收和爆炸冲击防护能力。

Chen等[6]通过高速冲击试验发现,ECC在200～400 s-1的高应变率下存在塑性流动现象,其动态抗压强度和能量吸收能力都表现出明显的应变率效应,试件完全破坏时ECC吸收的能量约为玄武岩纤维混凝土的2倍。在动态拉伸性能方面,Heravi等[7]发现ECC在准静态拉伸载荷下观察到的延性行为和高能量吸收能力,在200 s-1的高应变率拉伸载荷下得以保持甚至改善,第一断裂应力达到了13.1 MPa,动态增强因子达到了4.4。寇佳亮等[8]通过落锤试验发现,相较于普通钢筋混凝土板,钢筋ECC板具有显著的韧性和更高的损伤容限,冲击作用下其最大裂缝宽度降低了78%,最大位移减小了38.5%,且破坏形态具有“裂而不散”的特点。为了验证ECC的抗爆加固效果,Adhikary等[9]对经ECC涂层加固的RC板进行了爆炸试验。结果表明,与未加固RC板相比,加固后的RC板峰值位移降低了18%～51%,残余位移降低了28%～72%。徐世烺等[10]将ECC作为能量吸收层材料,设计了功能梯度防爆板,并进行了接触爆炸的数值模拟试验,结果表明,ECC层可有效吸收爆炸能量,减小抗爆板爆坑深度。Maalej等[11]使用ECC涂层加固砌体墙,并利用落锤装置对其进行了冲击试验。试验发现,加固墙在抵抗多重低速冲击载荷时,表面没有发生碎片喷射,ECC涂层展现出良好的加固能力。

目前,ECC对于砌体结构的加固作用主要体现在抗震方面,而关于ECC涂层的爆炸防护性能研究更是鲜有报道。因此,有必要基于野外爆炸试验和数值模拟分析,探究ECC涂层的抗爆加固性能及其作用机理。

1 野外爆炸试验

1.1 试验设计

本研究共对6组足尺结构无筋砌体填充墙进行了爆炸试验,每组试验包括1片加固墙和1片对照墙(共12片)。墙体高为2 530 mm,宽为1 260 mm,厚为120 mm,砌块采用规格为240 mm×115 mm×53 mm、强度等级为MU15的烧结砖,砌筑砂浆采用强度等级为M5的混合砂浆,灰缝厚10 mm。墙体采用全顺式砌筑,通过砂浆黏结填充于如图1所示的钢筋混凝土框架内,并根据试验变量设计对墙体表面进行多工况涂覆。其中,对照墙涂层由M5混合砂浆涂覆,加固墙涂层由ECC涂覆,6组试验墙涂覆条件及爆炸加载药量如表1所示。

表1 试验工况设置Tab.1 Setting of test condition

图1 试件示意图(mm)Fig.1 Schematic diagrams of specimen (mm)

ECC砂浆按照Yang等[12]给出的配比现场制作,其配制比如表2所示。纤维选用日本可乐丽公司生产的KURALONTMK-Ⅱ型PVA纤维,其相关参数如表3所示。所配制ECC试件的力学性能如表4所示。

表2 ECC配制比Tab.2 The mix proportion of ECC

表3 PVA纤维基本参数Tab.3 Basic parameters of PVA fiber

表4 ECC试件力学性能Tab.4 Mechanical properties of ECC specimen 单位:MPa

在试验前,所有墙体在同期同条件下养护21 d。爆炸试验采用六面体块状TNT炸药,均在框架外侧引爆。炸药布置如图2所示,距墙面垂直距离为0.5 m,与墙面几何中心在同一水平高度,正对中间构造柱的中心。

图2 TNT放置Fig.2 TNT placement

1.2 试验结果

12片试验墙体的损伤结果如表5所示。

表5 墙体损伤结果Tab.5 Results of wall damage

从各组对照试验可以发现,ECC涂层作为加固材料,能大幅减轻墙体的爆炸损伤,保持墙体结构的整体性,在爆炸冲击下不发生碎裂、飞散。另外,从试验过程的高速摄影影像中可以发现,较大当量的近距离爆炸甚至能够使厚度为240 mm的钢筋混凝土柱发生严重的震塌破坏(在第4组试验中,震塌碎块的初期平均速度达到了62.79 m/s);而ECC涂层能够有效防止局部震塌破坏的发生,消除砌体墙背爆面震塌碎块飞溅给室内生命及财产带来的安全隐患。

2 试验结果分析

2.1 单面涂覆结果分析

前4组试验采用了背爆面单面涂覆的方式,背爆面损伤形态如图3所示。对比各组两片墙体的损伤结果可以发现,砌体墙承爆能力较差:脆性砌体在拉伸应力波下易被拉裂、震塌,较弱的灰缝黏结也使墙体容易发生穿孔甚至坍塌;普通的砂浆涂层基本没有抗爆能力,自身的脆性反而使其易在爆炸荷载下发生脆裂,并生成四溅的震塌碎片。相比之下,ECC涂层最大的损伤仅为1条横贯炸心的轻微裂缝,没有发生震塌,表现出了良好的韧性和裂缝控制能力。同时,ECC涂层还能够通过小范围断裂破坏释放外部能量,减轻墙体的损伤,使砌体墙在爆炸荷载下仍保持结构完整,体现了良好的整体性和吸能能力。

图3 单面加固试验背爆面损伤结果Fig.3 Results of single-side reinforcement test

分析背爆面ECC层炸心高处单条横向裂缝这一典型损伤的产生原因,笔者认为,与(准)静态加载下ECC构件受弯多缝开展的情况不同,在受到爆炸产生的高速冲击时,ECC内部纤维来不及将拉应力传递分散出去,使局部存在较高应力水平;而本次试验墙体因高宽比较大,受力情况类似单向板,长边之间的横向区域即为易裂薄弱区。故,在炸心高处,ECC涂层通过纤维拔出或断裂以及基体开裂释放爆炸能量,同时其他部位纤维保持良性受力工作状态,使涂层依旧平滑、完整。

2.2 双面涂覆结果分析

为探究不同加固方式的抗爆效果,第5、第6组试验采用了不同厚度双面涂覆的方式,背爆面损伤形态如图4所示。

图4 双面加固试验损伤结果Fig.4 Results of double-side reinforcement test

从第5组的损伤情况看,两片墙均在背爆面形成了较为典型的ECC涂层横向连贯裂缝,同时对照墙损伤更严重,形成贯穿孔,证明了迎爆面ECC涂层在墙体加固上也发挥了作用。单就迎爆面而言,表层砂浆在爆炸冲击波的瞬时荷载作用下,炸心附近砂浆处于超高静水压力的三向应力状态。砂浆在此状态下被剧烈压缩并在达到极限抗压强度和塑性应变后发生破坏。由图4(a)可以发现,砂浆迎爆层在爆炸冲压和冲切作用下,产生了多条径向和环向裂缝;而得益于良好的韧性和应变能力,ECC迎爆层仅生成1条弯折裂缝。

第6组试验迎爆面损伤与第5组相似,但是背爆面出现了加固墙被震塌的“反常”情况。造成这一结果的具体原因有待进一步试验研究,本文提出两点可能:一是背爆面涂层过厚使其脆性增加;二是迎爆面增设的ECC涂层增大了墙体整体刚度,使背爆面承受了绝大部分爆炸能量。

双面加固试件5-E15/E15-4和6-E15/E25-5的损伤基本表现在背爆面,并且,前4组单面涂覆墙的迎爆面烧结砖在爆炸冲击波冲压作用下,损伤并不严重,说明背爆面加固层是承担爆炸冲击荷载、约束墙体动态响应的主要作用面,而迎爆面的ECC加固层并不能充分发挥其抗爆效果。另外,纵向对比第4、第5组试验可以发现,同样在4 kg TNT药量下,ECC用量更少的单面加固试件4-E25-4的损伤程度,要低于双面涂覆试件5-E15/E15-4。通过以上结果可以得出结论,综合考虑抗爆效益比和加固效果两个方面,采取背爆面单面加固的方式要优于双面加固。

2.3 炸药量的影响

纵向对比第1、第2组试验以及第3、第4组试验可以发现,在相同的涂覆情况下,药量的增加对对照墙的损伤影响明显,墙体损伤由背爆面小范围砂浆震塌剥离,加剧为形成局部震塌漏斗坑,并伴有砖块抛射;相比之下,爆炸荷载的提升仅使加固墙背爆面的非连贯细微裂缝变为连贯裂缝,墙体依旧能保持较好的整体性,表明经ECC加固的砌体墙具有较强的爆炸承受能力。

2.4 涂层厚度的影响

纵向对比第2、第3组试验可以发现,在相同炸药量下,无论是加固墙还是对照墙,涂层厚度的增加可以有效减轻墙体爆炸损伤,表明涂层厚度是提升墙体爆炸冲击抵抗能力的一个重要因素。但是,增大砂浆涂层的厚度对其防护能力提升的贡献并不突出——即便砂浆厚度达到25 mm,对照墙3-M25-3的损伤还是比涂层厚度仅为15 mm的加固墙2-E15-3要严重。相比之下,在只加厚10 mm后,ECC涂层就完全抑制了爆炸破坏作用(加固墙3-E25-3在爆炸荷载后几乎没有损伤痕迹),说明了ECC涂层厚度增加,对墙体防护能力的提升作用明显。

3 数值模拟试验

3.1 模型建立及计算方法

利用显式有限元动力学分析程序ANSYS /LS-DYNA对场地爆炸试验进行数值模拟,不仅可以极大提升试验效率,降低各项成本开支,还可以避免炸药爆炸过程中的不确定、不稳定因素。基于前期分析,本数值模拟针对背爆面单面加固进行研究,按1∶1建模模拟本次爆炸试验,建立了单片砌体填充墙的分离式模型(如图5所示)。

图5 有限元模型Fig.5 Finite element model

砂浆和砖块分别建模,如图6所示。采用SOLID164八节点六面体单元,单元尺寸均为1.5 cm。固体材料使用Lagrange网格,空气和炸药使用Euler网格,采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)算法,并通过关键字*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP设置流固耦合来处理相互作用。除地面边界外,空气边界均设置为无反射边界条件,以模拟半无限空域。

图6 分离式模型Fig.6 The separated model

砖、砂浆和涂层间采用关键字为*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE的固连失效接触。通过设置该接触方式,接触初期两种材料在界面处刚性固连,当接触面达到失效条件后退化为面面接触,允许材料表面的滑移、分离或再接触。而材料界面的剪切滑移破坏与受拉分离破坏,由接触计算过程中的剪切失效和拉伸失效体现。

砂浆和砖块自身的碎裂也是结构损伤的一大因素,为了更好地模拟裂缝扩展和墙体损伤,通过关键字*MAT_ADD_EROSION引入失效准则,在计算过程中依据材料拉应力和拉应变共同控制单元失效,以删除严重畸变的单元。

3.2 材料模型

砖块和砂浆模型均采用适用于各向同性、脆性以及高应变率加载响应问题的*MAT_BRITTLE_ DAMAGE材料模型,模型参数如表6所示。

表6 砖及砂浆模型参数Tab.6 Parameters of brick model and mortar model

外部框架的主要作用为提供支撑约束,考虑到减小计算量,采用*MAT_RIGID材料模型将结构框架简化为刚体,并约束其所有方向的自由度。

空气设为理想气体,采用*MAT_NULL材料模型,单元网格使用EULAR网格。状态方程关键字为*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,其状态方程为

P=C0+C1+C2μ2+C3μ3+
(C4+C5μ+C6μ2)E0

(1)

式中:μ=ρ/ρ0-1,ρ为空气当前密度,ρ0为初始密度;C0～C6均为常数;E0为单位体积空气的内能。本数值模拟采用的空气材料模型及状态方程关键字参数,如表7所示。

表7 空气材料模型及状态方程参数Tab.7 Parameters of air material model and state equation

TNT炸药采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型,并使用JWL状态方程来表征,其方程为

(2)

式中:P为炸药爆轰压力;E为炸药内能密度;V为爆轰产物体积与初始体积之比;A,B,R1,R2,ω为炸药材料相关参数。本数值模拟采用的TNT炸药材料模型及状态方程关键字参数,如表8所示。

表8 TNT炸药材料模型及状态方程参数Tab.8 Parameters of TNT material model and state equation

在爆炸防护研究中,ECC模型应能够设置合适的屈服准则、反映材料应变过程的弹性阶段和塑性阶段,还应能够体现材料在爆炸冲击作用下的应变率效应。本文基于前期配制的ECC相关试验研究数据,编译了LS-DYNA子程序,通过对材料模型二次开发自定义了ECC本构模型,该模型定义主要包括屈服面方程、损伤演化方程和状态方程。自定义模型*MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS_ TITLE的参数,如表9所示。

表9 ECC材模型参数参数Tab.9 Parameters of ECC material model

3.3 数值模拟可行性验证

对3 kg炸药量工况进行模拟,提取爆炸试验反射超压测点位置处,墙面固体单元的Z向应力时程曲线,并将其与试验实测的冲击波反射超压时程曲线进行比较,如图7所示。由图7可以发现,本数值模拟中对结构施加的爆炸冲击荷载,符合冲击波基本特征,与试验真实荷载的误差在可接受范围内,能为墙体爆炸模拟结果提供足够的可信度。

图7 反射超压模拟结果与实测数据对比Fig.7 Comparison between simulation results of reflection overpressure and measured data

对第1、第4组试验的对照墙进行爆炸模拟,损伤情况如图8所示。由图8可以发现,模拟结果与试验结果基本相符,砖与砂浆震塌、放射状裂缝等局部损伤特征也得到了较好的还原,说明烧结砖材料和砂浆材料及其失效条件参数设置合理。

图8 对照墙模拟结果与试验结果对比Fig.8 Comparison between simulation results and test results

爆炸试验中砂浆涂层与墙体的局部脱黏分离、墙体与框架脱黏向内凹曲、砖块在灰缝处切向脱黏在数值模拟中也有体现(如图9所示),说明本数值模拟设置的固连失效接触及其参数贴近实际黏结情况。

图9 模拟中体现的黏结失效Fig.9 Bond failure reflected in the simulation

在以上参数的有效性得到验证的基础上,进一步对加固墙2-E15-3和4-E25-4的爆炸结果进行模拟验证,模拟结果中得到了ECC涂层横向裂缝以及墙体上角位移的典型损伤特征(如图10所示)。

图10 加固墙模拟结果与试验结果对比Fig.10 Comparison between simulation and test results

同时从加固墙2-E15-3侧面可以观察到,在墙体受到横向冲击荷载产生凹曲变形后,模型涂层展现了ECC的韧性特征,通过形变释放能量之后又能回弹减轻墙体位移(如图11所示)。

图11 ECC涂层韧性形变特征Fig.11 Ductile characteristics of ECC coating

在以上的验证计算中,模拟结果能与试验情况较好匹配,能定性还原出墙体及ECC涂层爆炸损伤的主要特征,说明本数值模拟中使用的材料模型、接触类型、失效准则及其参数,符合模拟试验的要求,能够为后续的数值模拟及分析提供较高的可信度。

4 ECC涂层防护性能影响因素分析

4.1 涂层厚度的影响

由爆炸试验结果可知,背爆面经ECC涂层加固的墙体,损伤程度随TNT当量增加而增加,随涂层厚度的增加而减少。为进一步分析ECC涂层厚度变化对其防爆加固性能的影响,本节设置了7档涂层厚度,并对相应的加固墙进行了多种炸药量的数值模拟试验,墙体损伤结果及残余挠度值分别如表10和图12所示。

表10 不同涂层厚度及炸药量条件下墙体损伤结果Tab.10 Wall damage results under different coating thicknesses and explosive quantities

图12 不同炸药量下残余挠度与涂层厚度关系曲线Fig.12 Relation between residual deflection and thickness under different explosive quantities

从表10中可以发现:横向看,表中给出了各个加固层厚度的防爆极限,可以为进一步的试验研究提供试爆依据;纵向看,随着涂层厚度增加,墙体损伤程度明显减弱,说明涂层厚度是墙体抗爆加固的重要影响因素。

从图12中可以看出,厚度越小的涂层,对炸药量增大的损伤反应越敏感,这也从侧面证明了ECC涂层厚度对其抗爆加固效能影响显著。在涂层厚度达到30 mm后,本试验药量下墙体残余挠度的绝对减少量明显变小,说明涂层厚度的增加,对墙体抗爆能力提升的效益比逐步减少。所以在砌体墙的抗爆加固实际施工中,综合考虑抗爆效益比和施工便利性,30 mm的ECC涂层厚度较为适宜。

图13和图14分别展示了加固涂层厚度为25 mm和30 mm的墙体在各个炸药量下的损伤结果。

图13 涂层厚度为25 mm时墙体背爆面损伤Fig.13 The back damage results of the wall when the coating thickness is 25 mm

图14 涂层厚度为30 mm时墙体背爆面损伤Fig.14 The back damage results of the wall when the coating thickness is 30 mm

从墙体的损伤结果可以直观看出,随着炸药量的增大,墙体受损程度愈发严重;而ECC涂层也在爆炸荷载下发挥了较好的抗爆加固效果,除在较大药量情况下墙体出现贯穿损伤或穿孔破坏,其余情况下均能有效防止墙体出现较大损伤或大面积震塌。同时,在相同药量下,当ECC涂层厚度由25 mm增大到30 mm后,墙体损伤程度有了明显减弱,说明涂层厚度的增加有助于ECC涂层抗爆能力的提升。

4.2 涂层黏结强度的影响

分析认为,ECC与墙体之间的黏结力比砂浆与墙体间的黏结力要强,而这种良好的黏结可以帮助ECC涂层较好地发挥自身的韧性特征,强化砌体墙的整体性。本节针对ECC涂层与墙体的黏结情况,设置了6组不同的法向接触黏结强度参数,在爆距为0.5 m、涂层厚度为20 mm、炸药量为4 kg的工况下进行了数值模拟试验。6组试验工况编号为A～F,其法向黏结接触强度参数依次设置为3.0 MPa,4.2 MPa,5.4 MPa,6.6 MPa,7.8 MPa和9.0 MPa。各组涂层在炸药起爆后30 ms时刻的位移云图如图15所示。

图15 ECC涂层位移云图Fig.15 Displacement nephogram of ECC coating

从计算结果可以发现,在A组工况中,涂层在爆炸荷载中大面积剥离,并向外飞离形成震塌,位移云图中最大位移值达到了43.52 cm,说明当涂层与墙体黏结强度过低时,不仅不利于ECC抗爆性能的发挥,还会使涂层发生较大形变而破坏。B～F 5组工况的损伤程度依次减弱,其最大位移值分别为8.66 cm,6.55 cm,5.70 cm,3.87 cm和3.47 cm,表明随着黏结强度的增大,ECC涂层的形变也随之减小。同时,E和F两组试验的损伤结果相似,涂层最大位移值也相近,说明ECC涂层与墙体的黏结强度在达到一定程度后,黏结性能提升对ECC涂层抗爆性能的增益效果已不明显。

各组试验中,墙体迎爆面爆心投影处一砖墙节点的位移时间历程曲线,如图16所示。6条曲线表明,ECC涂层与墙体黏结强度的增大,不仅能减小涂层自身的形变和损伤程度,还能更好地限制砖墙位移,提升ECC的抗爆加固效果。

图16 砖墙爆心投影点的位移时间历程曲线Fig.16 Displacement time history curves of projection point of explosion center

6组模拟试验的结果说明,黏结强度影响着ECC涂层抗爆效能的发挥,黏结强度越大,ECC涂层抗爆作用发挥越好,墙体损伤越小。所以,在抗爆加固施工中,应注意将墙体表面浮渣、杂质清理干净后再涂覆ECC涂层;若条件允许或防护等级要求较高时,可于涂覆ECC涂层前,先在墙体表面涂抹助黏物质以提高涂层与墙体间的黏结性能。

5 结 论

(1) ECC涂层能够大幅减轻砌体墙的爆炸损伤,保持墙体的整体性,防止局部震塌破坏的发生,具有良好的抗爆加固效果。

(2) ECC涂层通过自身微裂纹分布、局部裂缝展开以及弯曲变形,将爆炸能量吸收或者耗散至相邻区域,体现了优异的韧性和能量吸收能力。

(3) 在砌体墙抗爆加固应用中,综合考虑抗爆效益比和施工便利性,背爆面单面涂覆ECC层的加固方式比双面涂覆更具优势。在本文试验条件下,30 mm的涂层厚度较为适宜。

(4) 建立了能够有效模拟砌体墙爆炸损伤的分离式有限元模型,并通过二次开发自定义了能够体现爆炸荷载下涂层响应特性的ECC模型。

(5) 数值模拟试验表明,涂层厚度和黏结强度是影响ECC涂层抗爆性能发挥的重要影响因素,在一定范围内,涂层厚度越大、黏结强度越高,ECC涂层对砌体墙的抗爆加固效果越好。