POZD涂層鋼筋混凝土板抗震塌性能

楊建超， 汪劍輝， 陳力， 孔德鋒， 趙洪祥

(1.軍事科學院國防工程研究院， 河南 洛陽 471023； 2.青島國工高新材料有限公司， 山東 青島 266000)

0 引言

提高工程結(jié)構(gòu)的抗震塌能力始終備受防護工程界重視，但是由于混凝土固有的抗拉強度低、韌性差等脆性特性和爆炸沖擊波在結(jié)構(gòu)自由面的拉伸效應，使得其抗震塌能力大大減弱。目前，提高防護結(jié)構(gòu)抗震塌能力通常有兩種做法：一種是在混凝土內(nèi)添加纖維類材料，如鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維等，通過該類纖維在混凝土內(nèi)混雜交叉分布并與水泥砂漿有效粘接，從而產(chǎn)生增強、增韌和阻裂效應；另一種是在混凝土結(jié)構(gòu)背爆面增加抗震塌層，如內(nèi)襯鋼板、內(nèi)掛鋼絲網(wǎng)、內(nèi)貼纖維(碳纖維、玻璃纖維等)布、增設架空層等，通過阻止、阻隔和約束混凝土碎片，從而起到抗震塌效果。國內(nèi)外學者對以上兩種方法的抗震塌效應均開展了一系列研究。早在20世紀60年代，美歐國家就已經(jīng)開展了鋼纖維混凝土的抗爆與抗震塌性能研究，并逐步將該類材料運用于軍事工程[1]。Coughlin等[2]研究了不同鋼纖維摻量的混凝土抗爆性能。王明洋等[3-4]對鋼纖維混凝土進行了抗爆與抗震塌及工程應用研究。柳景春等[5-6]對內(nèi)襯鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗震塌性能進行研究，并建立了混凝土- 鋼板組合結(jié)構(gòu)局部效應分析的層狀波動計算模型。英國皇家軍事學院 Hulton等[7]對全封閉鋼- 混凝土- 鋼夾層復合板開展了抗震塌性能研究。李志成等[8]對碳纖維布加固混凝土開展試驗研究，證明了碳纖維布可以較好地防止混凝土震塌。韓國建等[9]對雙向余弦三維波紋鋼板- 混凝土復合結(jié)構(gòu)抗震塌性能開展了研究。袁建虎等[10]通過實爆試驗驗證了鋼絲網(wǎng)高強混凝土優(yōu)良的抗震塌性能。上述研究成果中的抗震塌措施適合新建或擴建工程，對于已建工程加固、升級改造等實施較為困難。敷設鋼板或內(nèi)掛鋼絲網(wǎng)對錨固技術要求較高，否則抗震塌效果不理想。對處于地下環(huán)境較為潮濕的軍事工程而言，鋼板或鋼絲網(wǎng)等材料極易銹蝕，不僅影響使用壽命還會增加維護保養(yǎng)成本。

本文對鋼筋混凝土裸板、背爆面噴涂不同厚度的POZD涂層和內(nèi)襯鋼板3種試驗模型開展爆炸試驗，總共進行14炮次。根據(jù)試驗結(jié)果，通過對比分析不同模型的破壞特征，研究噴涂POZD彈性涂層鋼筋混凝土板的抗震塌性能，以期為防護工程的抗震塌技術提供參考依據(jù)。

1 POZD材料

1.1 POZD簡介

POZD材料是以聚脲的化學基本組成為基礎，利用異氰酸酯基團與環(huán)氧樹脂催化反應產(chǎn)生的一種聚合物高分子材料，全稱為聚異氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料[11]。

聚脲彈性體所用原料主要有三大類，即端氨基聚醚、異氰酸酯和擴鏈劑。在聚脲噴涂(SPUA)技術中[12]，將異氰酸酯與聚醚多元醇反應生成的半預聚體定義為A料；將端氨基聚醚、液體胺類擴鏈劑和其他助劑的組成定義為R料。噴涂施工時，一定比例的A、R料在專用噴槍內(nèi)快速混合噴出時，反應活性極高的兩種組分液體在高壓驅(qū)動下相互對沖，經(jīng)槍體混合室湍流混合，通過噴槍后霧化再次均勻混合，在極短適用期內(nèi)噴涂在基面上，形成整體的聚脲彈性體涂層。

POZD材料與聚脲的主要區(qū)別為：POZD材料是在R料組分中引入雜環(huán)化合物、功能性填料和擴鏈劑，提升了材料拉伸性能和撕裂性能；噴涂技術延續(xù)SPUA技術。由于POZD材料使用了線性無支鏈的特殊原料，增加了拉伸性能，同時引入噁唑烷基團提高了材料的抗撕裂性和降低了材料的硬度，使POZD材料拉伸強度、伸長率和粘結(jié)強度等性能高于聚脲。通過觀察兩種材料斷口掃描電鏡圖可知，聚脲材料斷口較整齊，POZD材料斷口呈現(xiàn)絲狀、黏滯性斷裂性狀，如圖1所示。

圖1 聚脲及POZD材料的掃描電鏡圖(放大500倍)Fig.1 SEMs of polyuria and POZD materials(500×)

1.2 POZD材料力學性能

POZD材料具有高強度、高韌性、高延展率等性能，同時具備耐酸堿腐蝕、耐低溫、抗老化、防水、防火、阻燃和環(huán)保無異味等優(yōu)點。該材料常溫下為流塑狀態(tài)，罐裝或者桶裝運輸，采用專業(yè)設備噴涂法施工后暴露空氣中24 h即可達到自身強度的100%. POZD材料力學性能如表1所示。

表1 POZD材料力學性能

1.3 POZD材料耐久性及粘接強度

由于高分子化學材料在紫外線照射下大多易老化，為檢驗POZD材料的老化性能，將材料試樣放置在紫外光加速耐氣候試驗箱內(nèi)2 000 h后，發(fā)現(xiàn)材料性能依然良好。依據(jù)國家相關標準進行換算，該2 000 h人工加速老化紫外線的照射能量相當于我國自然條件下平均16 a的照射能量，表明POZD材料抗紫外線老化時間至少可達16 a.

將POZD材料噴涂在表面良好的混凝土基體上，采用國家標準GB/T 16777—2008 建筑防水涂料試驗方法中規(guī)定的試驗方法檢測粘接強度，結(jié)果可達3.5 MPa以上，相當于C35～C40混凝土的抗拉強度。

上述檢測結(jié)果表明，POZD材料的耐久性以及與混凝土的粘結(jié)強度均可基本滿足實際工程需求。

2 試驗方案

2.1 試驗模型

為了對比分析鋼筋混凝土板噴涂POZD涂層的抗震塌性能，共設計基體板相同的3種試驗模型。第1種為鋼筋混凝土裸板，也是基體板，模型編號P0；第2種為POZD涂層鋼筋混凝土板，在基體板背爆面噴涂厚度分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm POZD材料，模型編號為P1～P5；第3種為內(nèi)襯鋼板模型，在基體板背爆面襯3 mm厚Q235b鋼板，模型編號為SB1.

基體板厚度為150 mm，平面尺寸為2 000 mm×2 000 mm，HRB400鋼筋φ14 mm@200 mm×200 mm雙層布置，鋼筋保護層15 mm，混凝土強度等級C40，28 d抗壓強度為41.2 MPa. 模型示意如圖2所示。

圖2 混凝土板配筋及內(nèi)襯材料示意圖Fig.2 Schematic diagram of concrete slab reinforcement and lining material

2.2 試驗方法

通過不同當量梯恩梯(TNT)炸藥以接觸爆炸的形式實施爆炸，對比3種模型的抗震塌性能。試驗現(xiàn)場布置如圖3所示，試驗模型置于鋼制支撐架上，使下方架空以模擬有限厚板臨空狀態(tài)。單塊TNT質(zhì)量200 g，尺寸為25 mm×50 mm×100 mm，每次爆炸藥量為200 g的整數(shù)倍，避免對單塊TNT切割以確保試驗安全。根據(jù)爆心高度確定藥塊組合方式，通過透明膠帶粘接并綁扎牢固，形成集團藥放置在鋼筋混凝土板上表面中心處(見圖3)，由電雷管引爆，通過觀察板底破壞狀況判斷不同模型的抗震塌性能。

圖3 試驗布置Fig.3 Testing arrangement

3 試驗結(jié)果

共開展14炮次試驗，結(jié)果如表2所示，部分模型試驗照片如圖4～圖13所示。

表2 試驗參數(shù)及結(jié)果

圖4 模型P0-1試驗結(jié)果(400 g TNT)Fig.4 Test results of Model P0-1(400 g TNT)

圖5 模型P1-1試驗結(jié)果(600 g TNT)Fig.5 Test results of Model P1-1(600 g TNT)

圖6 模型P2-1試驗結(jié)果(1 800 g TNT)Fig.6 Test results of Model P2-1(1 800 g TNT)

圖7 模型P3-1試驗結(jié)果(2 000 g TNT)Fig.7 Test results of Model P3-1(2 000 g TNT)

圖8 模型P5-1試驗結(jié)果(3 000 g TNT)Fig.8 Test results of Model P5-1(3 000 g TNT)

圖9 模型P4-1背爆面(2 400 g TNT)Fig.9 Rear side of Model P4-1(2 400 g TNT)

圖10 模型P2-2背爆面(2 000 g TNT)Fig.10 Rear side of Model P2-2(2 000 g TNT)

圖11 模型P5-2試驗結(jié)果(3 600 g TNT)Fig.11 Test results of Model P5-2(3 600 g TNT)

圖12 模型SB1-1試驗結(jié)果(1 000 g TNT)Fig.12 Test results of Model SB1-1(1 000 g TNT)

圖13 模型SB1-2試驗結(jié)果(2 000 g TNT)Fig.13 Test results of Model SB1-2(2 000 g TNT)

4 試驗結(jié)果分析

4.1 宏觀現(xiàn)象分析

鋼筋混凝土裸板(模型編號P0)在400 g TNT炸藥接觸爆炸作用下，背面出現(xiàn)震塌現(xiàn)象，震塌面積為550 mm×530 mm且?guī)缀踟灤?見圖4)。板背爆面噴涂4 mm厚POZD涂層(模型編號P1)，TNT炸藥從600 g增加到1 000 g，爆炸后鋼筋混凝土基體板出現(xiàn)了貫穿破壞(見圖5)，POZD涂層均無任何破損，僅在一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)圓錐狀鼓起現(xiàn)象，鼓起高度分別為35 mm和100 mm. 通過正面孔洞觀察，鼓包內(nèi)為混凝土碎片(見圖14)。基體板爆炸貫穿之后，沖擊波將泄入，POZD涂層在承受混凝土碎塊和沖擊波的復合沖擊作用下出現(xiàn)較大塑性變形，呈現(xiàn)鼓包狀態(tài)。當POZD涂層厚度增加為6 mm、8 mm、10 mm和12 mm時，TNT藥量分別增加到1 800 g、2 200 g、2 400 g和3 000 g，涂層均無任何破壞，但鼓起高度和鼓起面積逐步增大，高度最大達到190 mm，鼓起直徑達1 100 mm. 由試驗模型迎爆面毀傷狀態(tài)可知，TNT藥量600～2 200 g時，基體板出現(xiàn)貫穿破壞，鋼筋下彎未出現(xiàn)斷裂；藥量增加到2 400 g及以上時基體板出現(xiàn)沖切破壞，板內(nèi)φ14 mm鋼筋出現(xiàn)斷裂，表明爆炸沖擊波較為強烈。

圖14 POZD涂層約束混凝土碎片F(xiàn)ig.14 Concrete debris confined by POZD coating

TNT炸藥為2 000 g時，P2-2模型POZD涂層出現(xiàn)直徑55 mm的圓形孔破損(見圖10)，除模型正下方有少量混凝土碎屑外，大部分混凝土碎片仍被包裹。TNT炸藥增加到3 600 g時，P5-2模型POZD涂層出現(xiàn)直徑113 mm的圓形孔洞破損并伴有一定撕裂，通過觀察迎爆面鋼筋斷裂狀態(tài)(見圖11(a))可知，該撕裂為鋼筋斷裂下彎并刺破POZD涂層所導致。當強沖擊荷載足夠大、致使POZD涂層破損時，僅在圓錐狀鼓起的錐頂出現(xiàn)破損且破損面積遠小于混凝土板的震塌面積，POZD涂層仍能夠約束混凝土震塌碎片使其無法飛散。

試驗模型SB1-1在1 000 g TNT炸藥接觸爆作用下，鋼板未出現(xiàn)破損，僅鼓起高度33 mm，有效約束了混凝土碎片，能夠起到較好的抗震塌效果；當藥量增加到2 000 g時，3 mm厚鋼板被撕裂形成孔洞狀破壞，孔洞直徑155 mm，鋼板與鉚釘脫離，整塊鋼板從基體板上脫落(見圖13)。

4.2 震塌系數(shù)及涂層厚度

由于有限厚板在接觸爆炸作用下，難以采用完全解析的方法計算板的受力狀態(tài)和破壞模式，從工程應用角度考慮，防護工程界以實爆試驗數(shù)據(jù)為基礎，建立由震塌系數(shù)Kz確定的破壞模式[13]，系數(shù)越小破壞越嚴重。根據(jù)文獻[14]，鋼筋混凝土板破壞形態(tài)與板厚、藥量之間的關系如(1)式所示：

(1)

式中：H為鋼筋混凝土板厚(m)；e為裝藥中心高度(m)；m為TNT藥量(kg)。

(1)式?jīng)]有考慮混凝土強度變化和配筋率對震塌效應的影響，文獻[15-16]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，對于普通混凝土而言(C20～C40)，混凝土強度等級的變化和常規(guī)配筋率對震塌效應的影響很有限，均在工程設計的誤差許可范圍之內(nèi)，因此(1)式在防護工程設計中廣泛使用。

本文試驗結(jié)果表明，鋼筋混凝土基體板(裸板)在震塌系數(shù)為0.342時產(chǎn)生了震塌，但板背爆面噴涂4 mm厚POZD材料后，震塌系數(shù)為0.183時無碎片飛濺、無破損，模型整體完好。當震塌系數(shù)為0.169、板背面襯3 mm厚鋼板時，出現(xiàn)了鋼板破損撕裂等現(xiàn)象，但噴涂8 mm厚POZD材料后可使試驗模型整體完好。當涂層厚度達12 mm時震塌系數(shù)最小達0.139，POZD涂層鋼筋混凝土板仍保持整體不貫穿、無沖擊波泄入、無碎片產(chǎn)生。隨著涂層厚度的逐步增大，震塌系數(shù)的變化如圖15所示，近似線性關系。為便于工程應用，以試驗結(jié)果為依據(jù)，建立了震塌系數(shù)與涂層厚度之間的定量關系：Kz≥0.206-0.005 5b(4 mm≤b≤12 mm)，b為POZD涂層厚度。對鋼筋混凝土類防護工程防震塌設計時，Kz不小于上式計算結(jié)果即可確保涂層不破損，無混凝土碎片飛散，無沖擊波泄入。

圖15 震塌系數(shù)隨POZD涂層厚度變化Fig.15 Collapse coefficient vs. thickness of POZD coating

4.3 POZD涂層鋼筋混凝土板的抗震塌機理

鋼筋混凝土板震塌主要是由爆炸產(chǎn)生的應力波反射卸載引起的斷裂(層裂)，即壓力脈沖在板背面自由表面反射成拉伸脈沖時將產(chǎn)生拉應力，一旦滿足某動態(tài)斷裂準則就會引起材料的破裂。當裂口足夠大時，整塊裂片便帶著一定動能飛離，抑制或減弱拉伸波的強度，起到很好的防震塌效果[17]。

從材料角度分析，鋼筋混凝土板背爆面噴涂一定厚度POZD涂層后，屬于雙層材料，由于涂層的波阻抗小于混凝土，根據(jù)應力波在不同介質(zhì)界面上的反射和透射原理可知，當爆炸沖擊波經(jīng)混凝土透射入POZD涂層后，應力波和介質(zhì)的質(zhì)點速度均小于初始值，相當于減弱了入射沖擊波強度，反射拉伸波強度也相應減弱。同時，POZD涂層具備較大的延展率和塑性變形能力，在高應變率的強動載作用下，仍然能夠保持大變形、高韌性特性(見圖16)。掃描電鏡圖顯示，POZD材料中存在大量孤立氣泡，最大直徑不超過40 μm(見圖17)，這些孤立氣泡的存在對材料的延展率和沖擊韌性等性能似乎有提高作用，使POZD材料具備大變形、高韌性特性，不僅吸收了沖擊波能量，還約束了混凝土碎片，起到較好的防護效果。從結(jié)構(gòu)角度分析，POZD涂層鋼筋混凝土板屬于復合結(jié)構(gòu)板，該復合板在接觸爆炸作用下，雖然鋼筋混凝土基體板出現(xiàn)了震塌、貫穿或者沖切破壞，但涂層無破損，整塊復合板無貫穿，無沖擊波泄入，背爆面無碎片飛散，就可以認為沒有出現(xiàn)震塌破壞，背面鼓包則可視為復合板出現(xiàn)了局部大變形。

圖16 起爆后不同時刻POZD變形狀況Fig.16 POZD deformation at different time after initiation

圖17 POZD材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)(放大倍數(shù)100)Fig.17 Internal structure of POZD material (100×)

5 結(jié)論

本文通過接觸爆炸試驗，依據(jù)試驗結(jié)果，從宏觀破壞現(xiàn)象、震塌系數(shù)與涂層厚度的關系和涂層板的抗震塌機理等3個方面對POZD涂層鋼筋混凝土板抗震塌性能進行了研究與分析。得出如下主要結(jié)論：

1)鋼筋混凝土板背爆面噴涂厚度分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm和12 mm POZD涂層，TNT藥量分別提高到裸板的2.5、4.5、5.5、6.0、7.5倍，涂層板無震塌，POZD無破損，無沖擊波泄露。表明：POZD涂層鋼筋混凝土板具備較為優(yōu)越的抗震塌能力；隨著涂層厚度的增加，抗震塌能力逐漸增強，震塌系數(shù)呈線性減小趨勢。鋼筋混凝土板噴涂8 mm厚POZD涂層后，抗震塌能力優(yōu)于內(nèi)襯3 mm厚Q235b鋼板。

2)在集團裝藥接觸爆炸(球面波)作用下，POZD涂層的毀傷模式為圓錐狀鼓起，該鼓起為沖擊波和混凝土碎片復合作用下POZD涂層出現(xiàn)較大塑性變形所致。當沖擊荷載超過POZD材料的極限抗拉強度時，除在錐尖處出現(xiàn)較小的圓孔狀剪切破壞外，涂層仍能保持整體完好并持續(xù)有效地約束混凝土碎片，不致產(chǎn)生大面積震塌破壞。

3)在高應變率、強動載作用下，POZD涂層仍然能夠保持大變形、高韌性特性，通過自身的大變形吸收了沖擊波能量，約束了混凝土碎片，起到了較好的防震塌效果。

4) POZD涂層鋼筋混凝土板看作復合結(jié)構(gòu)板，當震塌系數(shù)Kz≥0.206-0.005 5b(b最小值取4 mm)時，該復合板在接觸爆炸作用下不會出現(xiàn)貫穿，無沖擊波泄入，無碎片產(chǎn)生。