空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料的破壞與耗能的研究

倪小軍，沈兆武，蔣耀港，馬宏昊

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系，合肥 230026)

孔隙材料對沖擊波因具有耗散特性，已引起國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。其中，以泡沫材料研究和應(yīng)用最為廣泛。目前，通過開展實驗、建立理論模型和數(shù)值模擬等途徑，研究了泡沫鋁的破壞與耗能特性[1～7]。Ashby等[1]圍繞多孔泡沫的制備、結(jié)構(gòu)表征、性能、模擬及應(yīng)用，對相關(guān)研究和發(fā)展進(jìn)行了論述，提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);田杰等[6]指出對于爆炸沖擊波的耗散作用，脆性泡沫要優(yōu)于韌性泡沫。對于水下環(huán)境，沈兆武等[7]通過實驗研究了泡沫鋁殼對水下爆炸沖擊波的耗散作用，并結(jié)合高速攝影研究了泡沫鋁殼的動態(tài)破壞過程;李順波等[8]通過數(shù)值模擬研究了泡沫鋁和泡沫混凝土對水下爆炸沖擊波能量的吸收特性，模擬結(jié)果表明泡沫混凝土吸能特性優(yōu)于泡沫鋁。關(guān)于泡沫混凝土吸能特性，劉海燕等[9]利用Hopkinson壓桿實驗裝置進(jìn)行了研究，認(rèn)為泡沫混凝土是通過孔隙閉合和壓實來達(dá)到吸能效果;

為了獲得制作工藝簡單的孔隙材料。本文將市場上廉價且易于購買的水泥和空心玻璃微球，按一定的配比與水混合制成含有大量孔隙的空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料。并利用水下爆炸測試系統(tǒng)，測量了在爆炸沖擊波與復(fù)合材料相互作用后，透射入水中的沖擊波壓力波形，同時使用高速攝像機(jī)對水下爆炸情況進(jìn)行記錄，初步研究空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料對爆炸沖擊波的動態(tài)響應(yīng)和耗散作用。

1 試樣制備和測試系統(tǒng)

1.1 試樣制備

實驗使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，空心玻璃微球選用秦皇島秦皇玻璃微珠有限公司的產(chǎn)品，其外徑為600 －1 200 μm.容重為 0.3 －0.45 g/cm3。制備試樣的模具高為11 cm，直徑為3.7 cm和4.6 cm的PVC管，管底用膠布密封。將水泥、空心玻璃微球和水按體積比1∶3∶1進(jìn)行混合，攪拌均勻后注入PVC圓柱模具，室溫固化，獲得空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料。為了保證空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料力學(xué)性能的穩(wěn)定性，對試樣進(jìn)行30天的養(yǎng)護(hù)。經(jīng)達(dá)到養(yǎng)護(hù)期后，將復(fù)合泡沫試樣從模具中取出，并于復(fù)合試樣的中心位置開裝藥孔。裝藥方式為柱狀裝藥，炸藥采用PETN，藥柱外形尺寸為 ?0.7 cm ×4 cm 和 ?0.7 cm ×6 cm，裝藥量 W 為0.5 g和 1 g，裝藥高度為 1.73 和 3.46 cm。具體試樣參數(shù)見表1。為了防止水對復(fù)合材料的力學(xué)特性的影響，在試樣外表面加貼一層防水薄膜。經(jīng)防水處理后試樣見圖1。

表1 試樣的參數(shù)Tab.1 Parameter of the samples

圖1 試樣Fig.1 Samples

1.2 實驗方法

實驗在水下爆炸容器中進(jìn)行，容器為圓形鋼結(jié)構(gòu)，壁厚26 mm，高2.5 m，內(nèi)徑2 m。壓力測試儀器主要有美國PBC公司生產(chǎn)的W138A25長型電氣石水下沖擊波壓力傳感器(ICP)和482A22型恒流源，以及美國派克公司的DP07054型示波器;攝像儀器為德國Optronics公司CamRecord1000高速攝像機(jī)。實驗裝置平面布置如圖2所示。試樣與壓力傳感器盡量保持在同一水深1.2m處，二者水平間距固定為0.5m;同時，將試樣放置在攝像機(jī)的最佳視場范圍內(nèi)，以保證最佳的成像效果。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

在實驗過程中，水下壓力傳感器測得了距藥柱0.5 m測點處爆炸沖擊波的壓力波形，典型原始電壓與時間波形及其換算后的壓力與時間波形如圖3所示，測試結(jié)果見表2。為了便于對空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析和研究，利用高速攝影機(jī)對水中爆炸載荷作用下試樣動態(tài)破壞過程進(jìn)行拍攝，拍攝幀數(shù)為2000幅/s。其中，試樣Ⅰ的拍攝結(jié)果見圖4，其中從左至右的拍攝時間:第一排為0、1.5(柱殼出現(xiàn)破碎分界面)、2、2.5、6、10 和 14.5 ms;第二排為 17.5(氣泡體積第一次達(dá)到最大)、22.5和53.5 ms(氣泡體積第一次達(dá)到最小);第三排為66.5(氣泡體積第二次達(dá)到最大)、74和85 ms(氣泡體積第二次達(dá)到最小)。

圖3 沖擊波波形圖Fig.3 Shock wave curves

表2 實驗測得的各試樣的沖擊波參數(shù)Tab.2 Shock wave parameter of the samples

2.2 復(fù)合材料柱殼的破壞

試樣在爆炸過程中破壞特點可以通過圖4清楚地看到，在爆炸后1.5 ms時刻，爆炸沖擊波在裝藥位置形成了一個明顯的破碎分界面，分界面以上大部分中產(chǎn)生明顯的裂痕(只有端部基本保持完整)，分界面以下部分基本保持完整。對試樣殘片進(jìn)行回收，藥柱裝藥位置以上的試樣基本都被破碎，而裝藥位置以下的部分基本未被破壞，試樣殘片見圖5。分界面以上部分承受的爆炸沖擊作用在隨后的氣泡脈動中得以加強(qiáng)和延續(xù)，使得該部分試樣的破壞作用十分充分。而破碎分界面以下部分，0.5 g藥柱爆炸產(chǎn)生的沖擊作用，沒有在試樣殘片中形成明顯的凹坑，但在靠近試樣底部處形成一個不完全的層裂面，而1 g藥柱爆炸產(chǎn)生的沖擊波，在試樣殘片中形成明顯的凹坑，并在靠近試樣底部處形成一個完整的層裂面。由此可見，同直徑的藥柱，隨著藥柱高度增加，藥柱軸向輸出能量也隨之增加?；谏鲜龇治隹芍?，在水中環(huán)境和內(nèi)爆炸加載條件下，被爆炸物的沿藥柱的傳爆方向的破壞類型，依次可分為前端的氣泡脈動破壞為主、中部的爆炸沖擊作用為主和底部的應(yīng)力波產(chǎn)生的層裂破壞作用為主。

圖4 試樣水下爆炸破碎過程Fig.4 The crushing process of samples underwater explosion

圖5 試樣殘片F(xiàn)ig.5 Fragment of samples

2.3 復(fù)合材料對沖擊波耗散作用

炸藥的爆轟波傳播到藥柱與空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料試樣界面后，爆轟波轉(zhuǎn)化為沖擊波，并在復(fù)合材料中傳播，其中部分沖擊波經(jīng)復(fù)合材料－水界面透射入水中。水中沖擊波壓力峰值[10]可以按下式計算:

式中:W為炸藥的水中爆炸TNT當(dāng)量，kg;R為距藥柱中心的距離，m;l為藥柱裝藥長度，m。對于PETN炸藥的水中爆炸TNT當(dāng)量系數(shù)的換算關(guān)系[11]為:

式中:QTNT為PETN炸藥水中爆炸沖擊波參數(shù)的TNT當(dāng)量系數(shù);Eθ_PETN為 PETN炸藥水中爆炸的沖擊波能，MJ/kg;Eθ_TNT為TNT炸藥水中爆炸的沖擊波能，MJ/kg。炸藥的沖擊波能[12]的理論計算公式為:

式中:Eθ_理論為沖擊波能的理論計算值，MJ/kg;WTNT為某種炸藥空中爆炸TNT當(dāng)量，kg。本文PETN藥柱裝藥量為0.5 g和1 g，裝藥長度分別為1.73 cm 和3.46 cm，TNT 當(dāng)量系數(shù)為 1.29。聯(lián)立式(2)、(3)，可得PETN炸藥水中爆炸TNT當(dāng)量系數(shù)為1.004 3。由式(1)可計算距離0.5 g和1 g藥柱0.5 m處沖擊波壓力峰值分別為6.3 MPa和8.18 MPa。由表1可知，距離0.5 g和1 g藥柱0.5 m處的實測沖擊波平均峰值壓力為6.16 MPa和7.98 MPa。若以實測值為準(zhǔn)，則計算值和實測值的相對誤差僅為2.27%和2.5%，說明利用公式(1)計算藥柱水中爆炸沖擊波壓力是準(zhǔn)確的。

據(jù)式(1)，利用沖擊波壓力峰值實測值反演TNT藥量，乘以水中爆炸TNT當(dāng)量系數(shù)，換算成PETN的有效藥量Weffect，計算結(jié)果如表2所示.由表2中可知，裝藥量相同的條件下，隨著復(fù)合材料殼體厚度的增加，藥柱爆炸沖擊波傳入水中的能量減少;而殼體厚度相同的條件下，隨著藥量增加，傳入水中的能量也隨之增加。

3 結(jié)論

本文利用空心玻璃微球和水泥制備出了含有大量孔隙的復(fù)合材料，并設(shè)計了水下爆炸實驗，對復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)和耗能特性進(jìn)行研究。通過高速攝影技術(shù)捕捉爆炸過程中試樣的變形，發(fā)現(xiàn)爆炸初始階段，爆炸沖擊波在裝藥位置形成了一個明顯的破碎分界面;圓柱殼體的破壞類型沿藥柱的傳爆方向，依次可分為前端的氣泡脈動破壞為主、中部的爆炸沖擊膨脹壓縮破壞為主和底部的應(yīng)力波產(chǎn)生的拉伸破壞為主。實驗測試了不同厚度和裝藥量的試樣在水下爆炸過程中，透射入水中的沖擊波超壓。通過標(biāo)準(zhǔn)藥柱的實測值驗證了所選沖擊波超壓經(jīng)驗公式的準(zhǔn)確性。并利用經(jīng)驗公式反演了透射入水中的沖擊波能量占炸藥爆炸總能量的比例。雖然通過實驗初步研究了空心玻璃微球－混凝土復(fù)合材料對爆炸沖擊波能量的耗散作用，得到了一些具有參考價值的結(jié)果，但鑒于空心玻璃微球－混凝復(fù)合材料的壓縮變形和脆性破壞模式的復(fù)雜性，其耗散沖擊波機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。

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