抗爆型聚脲涂層的性能及其抗爆機理

方志強，呂 平，張 銳，黃微波，孫鵬飛，桑英杰

（青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033）

聚脲是由異氰酸酯組分和氨基化合物快速交聯加聚反應而形成的一類高分子材料，因具有優異的力學性能[1–3]，受到國內外專家和學者的廣泛關注，并開展了爆炸防護研究。相關研究[4–6]表明，聚脲涂層能夠減弱鋼板在爆炸荷載作用下的損壞程度，增強整體結構的抗爆能力。而對于混凝土結構，無論是爆破拆除，還是反恐防爆，減少混凝土破碎導致的損害是目前研究的熱點。在聚脲加固鋼筋混凝土結構方面，美國空軍實驗室研究聚合物加固墻體時發現，相較于碳纖維、芳綸纖維等其他眾多高分子聚合物材料，聚脲在墻體結構爆炸防護中表現出更好的抗爆效果[7]。Parniani 等[8]在此基礎上研究發現，聚脲能夠提高鋼筋混凝土梁的抗彎能力和延性。Raman 等[9]和Ghaderi 等[10]通過數值模擬發現，聚脲涂層可以提升鋼筋混凝土板的位移控制和能量耗散，降低結構的應變能及動能，通過降低位移和能量吸收、減弱爆炸能量傳遞來提高抗爆能力。Iqbal 等[11]通過聚脲涂覆混凝土爆炸實驗，發現聚脲能夠包覆混凝土爆炸后產生的碎片，減少碎片對周圍人員及物體造成的傷害。王軍國[12]、尚偉等[13]對聚脲加固墻體進行了爆炸試驗，發現有聚脲涂層加固的墻體具有良好的抗爆能力，且背爆面涂覆墻體在爆炸作用下沒有產生爆炸碎片，表明聚脲的包覆效果良好。聚脲涂層厚度對結構的抗爆能力有著巨大影響，為了深入研究聚脲涂層厚度對墻體抗爆能力的影響，Tao 等[14]開展了不同工況下聚脲加固墻體的爆炸實驗，發現噴涂3 mm 厚聚脲的墻體在爆炸荷載下損傷較小，只有輕微的凹陷變形，而噴涂4 mm 厚聚脲的墻體沒有破壞，顯示出良好的防爆性能。田力等[15]、Gu 等[16]運用ANASYS/LS-DYNA 軟件模擬了在爆炸荷載作用下不同厚度聚脲涂覆墻體的破壞情況，結果表明，隨著聚脲涂層厚度的增加，墻體中心點位移明顯減小，聚脲加固后墻體的抗爆能力提高。

目前，人們已經開展了聚脲涂層的抗爆研究，并取得了良好的效果，但是對于聚脲涂層抗爆機理的研究尚不夠完善，需要對爆炸過程中聚脲的力學性能及爆炸后涂層的微觀及宏觀破壞形式進行深入研究，以確定兩者之間的關聯。為此，本研究選擇青島理工大學功能材料研究所自主研發的抗爆型T26 聚脲，分析不同應變率下T26 聚脲的力學性能；通過廣角X 射線衍射（wide-angle X-ray diffraction，WXRD）實驗，研究材料的微觀結構，并利用差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）實驗分析其熱性能，研究T26 聚脲在高溫條件下的形態及其特點；在此基礎上，對噴涂T26 聚脲前后的鋼筋混凝土板進行接觸爆炸實驗，通過1.4 kg 當量TNT 下混凝土板的宏觀破壞形貌，分析其破壞模式，并借助電子顯微鏡觀察涂層的微觀形態，結合其熱性能結果，探討涂層的爆炸防護規律，分析其抗爆機理。

1 聚脲涂層材料制備與性能

1.1 涂層試樣制備

T26 聚脲是由青島理工大學功能材料研究所針對抗爆要求專門研發的高強抗爆型聚脲。噴涂設備包括PHX-40 主機和AP-2 噴槍（美國聚氨酯機械公司生產），噴霧溫度為65 ℃，壓力為17.24 MPa。由于材料力學性能是緩慢提升的，因此實驗前需要將試樣在常溫下養護7 d，保證其力學強度穩定。

1.2 涂層性能實驗

1.2.1 涂層力學性能

根據ASTM D412《硫化橡膠和熱塑性彈性體拉伸試驗方法》，將T26 聚脲試樣分別裁成無割口直角形與啞鈴形。裁取啞鈴形試樣中間25 mm 長區域作為測量區，在測量區內取兩端及中間3 點1、2、3（見圖1(a)）進行厚度測量，取平均值并輸入計算機端。將待測啞鈴形試樣兩端用萬能試驗機夾具夾住，使受力方向與試樣測量區間保持重合，夾具間距離設置為70 mm，調零后運行。拉伸試樣直至斷裂，得到其拉伸強度和斷裂伸長率。取直角形樣片中心及兩邊3 點進行厚度測試（見圖1(b)），求平均值，進行撕裂強度測試。

圖1 啞鈴形試樣示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the dumbbell type sample

1.2.2 涂層WXRD 實驗

選取尺寸為2 cm×2 cm 的聚脲樣片，將其固定在測角儀的載玻片上，采用RINT2000 vertical goniometer 測角儀，對樣片表面進行測試，得到衍射峰，并計算結晶度。掃描速度為10°/min，精度為 ± 0.02°，掃描范圍為5°～80°。

1.2.3 涂層熱性能

稱取T26 聚脲樣品12.2 mg，利用NETZSCH DSC 204 F1 差示掃描量熱儀（見圖2）對樣品進行測量。為減小實驗誤差，在氮氣條件下進行DSC測試，升溫速率為10 ℃/min，溫度范圍為?100～800 ℃。

圖2 差示掃描量熱儀圖像Fig. 2 Image of differential scanning calorimeter

2 涂層抗爆特性預估

2.1 涂層密度和力學性能

T26 聚脲是傳統聚脲配方優化調整后的高強抗爆型聚脲材料，T26 聚脲的密度在1 g/cm3以下（詳見表1）。對T26 聚脲進行準靜態拉伸實驗，其應力-應變曲線及材料試件如圖3(a)所示；對于該曲線的彈性階段，采用一次函數y=0.493+79.729x進行擬合，得到材料的應力-應變曲線擬合情況，如圖3(b)所示。所測得的T26 聚脲的基本力學性能如表1 所示。

表1 T26 聚脲與其他聚脲材料的物理性能對比Table 1 Physical properties comparison of T26 polyurea with other polyureas

圖3 準靜態下T26 聚脲的應力-應變曲線及試件結構Fig. 3 Stress-strain curve of T26 polyurea under quasi-static loading and the specimen structure

由準靜態拉伸實驗結果可知，T26 聚脲的拉伸強度達到25.4 MPa，斷裂伸長率為451.9%，相較于T1、T2 兩種聚脲，其抗拉強度和斷裂伸長率均大幅增加。炸藥產生的爆炸荷載可看作均布荷載作用到板表面，由于混凝土板的抗壓強度遠大于其抗拉強度，需要涂層承受較大的拉力作用，T26 涂層的抗拉強度高，可以起到更好的保護作用；同時T26 聚脲具有較高的斷裂伸長率，說明T26 聚脲涂層具有良好的柔性，可以更好地包裹混凝土板，降低碎片飛濺的速度。

2.2 涂層WXRD 分析

圖4 T26 聚脲的WXRD 譜及分峰處理結果Fig. 4 T26 polyurea WXRD pattern and peak processing curve

表2 T26 聚脲的WXRD 分峰處理結果Table 2 WXRD peak separation results of T26 polyurea

2.3 涂層熱性能分析

圖5 為T26 聚脲在?100～80 ℃范圍內的DSC 曲線。從圖5 中可以得到，材料的軟段玻璃化轉變溫度（Tgs）為?44.9 ℃，硬段玻璃化轉變溫度（Tgh）為36.5 ℃，說明T26 聚脲分子鏈為一定的微相分離結構，軟段與硬段之間排列有序。在?100～80 ℃溫度范圍內，T26 聚脲材料沒有出現明顯的吸熱和放熱峰，說明在較高的溫度環境下未發生較大的變化，對高溫環境的適應性較強。

圖5 T26 聚脲玻璃化轉變溫度Fig. 5 Glass transition temperature of T26 polyurea

由于爆炸產生的熱量極高，因此需要對T26 聚脲在更高的溫度下進行測試，為此選擇30～700 ℃的溫度范圍進行DSC 實驗，如圖6 所示。從圖6 中可以看出，隨著溫度的升高，375 ℃附近出現結晶熔融吸熱峰，說明T26 聚脲中存在結晶，與WXRD 實驗結果一致，因此材料可以在高溫下通過硬段域內氫鍵的斷裂吸收能量，產生結晶熔融吸熱峰。材料分子鏈中的軟段決定著材料的柔性，硬段決定著材料自身的強度。在爆炸過程中，炸藥會瞬間釋放能量，產生高溫高熱，T26 聚脲在高溫下會發生結晶熔融，通過涂層的結晶熔融吸收能量。同時，在高溫環境下，T26 聚脲材料的自由體積開始膨脹，分子鏈段運動變得活躍并逐漸舒展，材料更加柔軟。在爆炸中，良好的柔韌性使T26 聚脲能夠包覆混凝土板表面，黏結爆炸碎片，減少爆炸碎片對周圍環境造成的危害。

圖6 T26 聚脲在高溫區的DSC 曲線Fig. 6 DSC curve of T26 polyurea in high temperature range

3 抗爆實驗驗證

3.1 聚脲涂覆鋼筋混凝土板的爆炸實驗

3.1.1 實驗方案及試樣噴涂

按照GB50010—2010《混凝土結構設計規范》，混凝土強度等級為C40，板采用雙層配筋，鋼筋間距為150 mm，直徑為10 mm，保護層厚度為15 mm，鋼筋混凝土板的尺寸為1000 mm×1000 mm×300 mm，如圖7 所示。

圖7 鋼筋混凝土板結構示意圖Fig. 7 Schematic of reinforced concrete plate structure

T26 聚脲涂層與混凝土基材良好的附著至關重要。在噴涂之前，需要將環氧改性聚氨酯底漆涂抹在基材表面上，這是由于：(1) 底漆的封閉能力較好，可以降低基材中的針眼缺陷；(2) 底漆可以將殘留在基材表面的灰塵牢固地粘在基材表面，避免因灰塵導致的涂層缺陷；(3) 底漆的滲透能力較強，能同時與混凝土和聚脲涂層緊密黏結，增強涂層的附著力。底漆選用青島理工大學功能材料研究所自主研發的環氧改性聚氨酯底漆，附著力強度可達到5 MPa。

利用噴涂設備將聚脲噴涂到鋼筋混凝土板表面，采用全面噴涂方式，涂層厚度10 mm。將經T26 聚脲噴涂處理后的鋼筋混凝土板養護7 d 后，安置在約束固定架上，背爆面側挖深度為0.5 m、寬度為0.7 m 的爆炸坑，炸藥放置在鋼筋混凝土板的上表面，進行有無涂層鋼筋混凝土板的爆炸實驗，TNT 藥量為1.4 kg，如圖8 所示。

圖8 爆炸實驗裝置示意圖Fig. 8 Schematic of blast experiment device

3.1.2 爆炸后鋼筋混凝土宏觀形貌

根據實驗方案（見表3），比較有無涂層鋼筋混凝土板爆炸后迎爆面與背爆面的損傷形式。設置工況3 為對照組，分析鋼筋混凝土板迎爆面與背爆面T26 涂層的防護效果。

表3 宏觀形貌分析方法Table 3 Analysis method of macroscopic morphology

3.1.3 爆炸后涂層的微觀形貌

選取爆炸后不同爆炸區域的T26 涂層，利用JSM-7500F 掃描電子顯微鏡對爆炸后樣品進行放大4000 倍的微觀形貌觀察。該儀器的分辨率為1.0 nm（15 kV）和1.4 nm（1 kV），加速電壓為0.1～30 kV，電子槍使用鎢絲燈，放大倍數為2000。

將爆炸破壞后的T26 聚脲涂層劃分為3 個區域，分別為斷面區域Ⅰ、爆炸源中心區域Ⅱ及涂層邊緣區域Ⅲ，如圖9 所示。分別裁取3 個區域涂層，借助掃描電子顯微鏡進行微觀形貌觀察，研究爆炸沖擊波在涂層爆炸核心區及邊緣區域的傳播規律以及對涂層微觀結構的影響。

圖9 涂層的不同爆炸區域劃分Fig. 9 Different explosion zones of coatings

3.2 爆炸后形貌

3.2.1 宏觀形貌

圖10 為無涂層鋼筋混凝土板的破壞情況。通過對比可以發現，無涂層鋼筋混凝土板迎爆面（圖10(a)）中心區域發生嚴重破壞，出現爆炸凹坑，混凝土破碎并裸露出鋼筋，沿凹坑邊緣向四周擴散大量裂縫；觀察圖10(b)發現，無涂層板背爆面表面混凝土發生大面積破碎，一些破片發生脫落，鋼筋發生彎曲并凸出混凝土保護層，內部混凝土損壞成塊，出現大量裂縫沿破壞區向四周擴散，無涂層板發生大面積震塌破壞，完全失去承載力。爆炸沖擊波可近似看成由中心點向外擴散，在板迎爆面中心處產生極大能量，使板產生較大凹坑后，穿透整個混凝土板，導致板內部破碎，背爆面震塌。

圖10 無涂層鋼筋混凝土板的破壞形貌Fig. 10 Failure morphology of uncoated reinforced concrete plate

圖11 為有涂層鋼筋混凝土板背爆面破壞情況。從圖11 中可以發現，T26 涂層鋼筋混凝土板迎爆面（圖11(a)）中心區域發生破壞，凹坑邊緣涂層向上凸起，破壞區域近似圓形，凹坑內混凝土破碎，并且從凹坑內飛濺出爆炸碎片。在破壞凹坑邊緣，涂層發生剝離，涂層出現向上凸起的現象；而有涂層板背爆面完好（圖11(b)），聚脲涂層沒有出現破壞，涂層沒有明顯凸起，結構背爆面平整。相較于無涂層鋼筋混凝土板，T26 涂層鋼筋混凝土板的凹坑破壞較規則，破壞程度減輕，并且背爆面的聚脲涂層能完全包覆住鋼筋混凝土板的破壞碎片，極大地減少爆炸碎片飛濺造成的傷害。綜合來看，對于迎爆面涂層，除了瞬間高溫導致聚脲軟化，爆炸反射波的稀疏拉伸作用也會使聚脲材料發生破壞，導致涂層材料發生撕裂；而對于背爆面涂層，由于聚脲涂層削弱了爆炸沖擊拉伸波的作用，從而保護混凝土材料不被破碎，防止爆炸碎片飛濺。

圖11 有涂層鋼筋混凝土板的破壞形貌Fig. 11 Failure morphology of coated reinforced concrete slab

為了深入探討T26 聚脲涂層的抗爆效果，對有無涂層鋼筋混凝土板的破壞區域進行測量，結果見表4。從表4 中可以得到：無涂層板迎爆面凹坑最大破壞區域直徑達到41.0 cm，破壞深度為11.2 cm，而有涂層板迎爆面破壞直徑為24.5 cm，破壞深度為9.4 cm。相較于無涂層板，有涂層板的迎爆面破壞程度大大減弱，破壞直徑減小了40.24%，破壞深度減小了16.07%。無涂層板背爆面破壞直徑達到60.0 cm，破壞凸起高度為5.0 cm，而有涂層板背爆面則表現良好，沒有發生破壞和凸起。從碎片情況來看，有涂層板無論是迎爆面還是背爆面，碎片均減少，并且背爆面沒有產生碎片。可見，T26 聚脲涂層能夠減弱鋼筋混凝土板的破壞程度，背爆面涂層的抗爆能力比迎爆面更好，減少碎片的能力也更優。

表4 有無涂層板的破壞結果對比Table 4 Comparison of failure results of coated plates with uncoated plates

3.2.2 微觀形貌

圖12 顯示了爆炸后T26 聚脲涂層區域Ⅰ、區域Ⅱ和區域Ⅲ的局部微觀形貌（放大2000 倍）。從圖12(a)可以看出，斷面區域表面呈鱗片狀分散式分布，表面排布錯亂不平整，并且伴有較多撕裂層及少量的脆性破壞。可見，聚脲涂層部分區域因爆炸產生的高溫而發生熔融，同時強大的沖擊波使聚脲涂層產生撕裂破壞，爆炸結束后，溫度瞬間降低，導致聚脲從玻璃態轉變為黏彈態，斷裂的聚脲固化成鱗片狀附著在斷面表層。觀察圖12(b)發現，聚脲涂層斷面不均勻，組織致密，發生因較大塑性變形導致的明顯的撕裂破壞，并且伴有較多裂縫，部分區域出現熔融現象。可見，聚脲在抵抗爆炸作用時受到高溫和強大的沖擊波作用，導致聚脲涂層表面發生不同程度的撕裂破壞及大量裂縫。從圖12(c)可以看出，涂層邊緣區域表面較光滑，沒有發生熔融及撕裂破壞，說明邊緣涂層受爆炸荷載作用較小，爆炸產生的大部分能量均在中心處釋放，但是出現較多微小裂紋，并且裂紋由涂層凹陷處向四周延伸。圖12(c)中凹陷處形狀較規則，可能是由于原料中的氣泡在噴涂過程中被破壞，導致涂層表面形成圓孔缺陷。在爆炸形成的沖擊力下，圓孔處強度較低，導致裂紋從圓孔處向四周擴展，因此，在聚脲的噴涂過程中應盡量減少氣泡的產生。

圖12 爆炸后T26 聚脲涂層的微觀形貌Fig. 12 Micromorphology of T26 polyurea coating after explosion

4 抗爆機理驗證分析

當爆炸沖擊波從鋼筋混凝土板迎爆面傳播至背爆面時，板的破壞以爆炸凹坑、爆炸震塌、爆炸貫穿和爆炸沖切4 種破壞模式為主[18–19]。本研究中鋼筋混凝土板的破壞以迎爆面爆炸凹坑及背爆面爆炸震塌為主：無涂層板的迎爆面出現爆炸凹坑破壞，背爆面則完全震塌，混凝土成塊脫落；有涂層板的迎爆面出現爆炸凹坑，而背爆面沒有破壞，涂層完好無損。

爆炸能夠瞬間產生大量的熱量和強大的沖擊能量，以波的形式向周圍傳播，可以穿透鋼筋混凝土板造成其局部或整體破壞。觀察爆炸后涂層的微觀形貌可以發現，在強大的爆炸沖擊波下涂層的破壞以撕裂破壞為主，并伴有少量脆性破壞，可見材料在高溫高熱下會轉變為玻璃態，表現為剛性。通過對T26 聚脲的WXRD 和DSC 分析可知，T26 聚脲的分子鏈是一種微相分離結構，軟段和硬段之間的分離程度較大并且排列有序，導致聚脲既有足夠的力學強度，又能表現出類似于橡膠的柔軟性。同時，隨著溫度的不斷升高，T26 聚脲會結晶和熔融，從而吸收熱量，導致材料的自由體積逐漸膨脹，分子鏈段運動變得活躍并逐漸舒展；此外，T26 聚脲的斷裂伸長率較高，對于背爆面上的涂層來說，涂層承受的溫度相對較低，仍保持其黏彈性行為，能夠在爆炸荷載作用下通過自身的變形起到防護作用，包覆產生的爆炸碎片，達到“以柔克剛”的效果。

由爆炸應力波的破巖過程可知，在炸藥爆炸初期，強烈的高溫高壓作用在迎爆面涂層，使涂層產生熔融和破壞，導致混凝土板形成粉碎區，此時主要表現為強沖擊波的超高壓對結構施加沖擊壓縮破壞效應[20]。由于粉碎區消耗沖擊波的部分能量，使沖擊波衰減成壓應力波，壓應力波繼續傳播使背爆面涂層主要承受拉應力，產生拉伸變形。因此，對于迎爆面涂層，需要承受更大的爆炸能量，由有涂層鋼筋混凝土的接觸爆炸實驗可以知道，迎爆面涂層會出現穿孔破壞，通過自身的大變形吸收能量，首次減弱沖擊波的強度，降低傳播的能量。當爆炸沖擊波經混凝土傳播至背爆面涂層時，能量再次衰減，背爆面涂層能夠承受剩余的能量，通過自身的變形使能量完全耗散，并能完全包裹混凝土破壞產生的碎片，起到良好的防震塌效果。迎爆面涂層和背爆面涂層的兩次作用使鋼筋混凝土板保持良好的完整性及穩定性，對鋼筋混凝土板的抗爆能力具有重要意義。

綜上研究可以發現，聚脲材料的抗爆機理與其自身熱性能及力學性能密切相關。材料分子鏈段中硬段與軟段的分離程度決定其力學性能，分離程度越高，力學性能越優異，抗爆效果越明顯。此外，在抵抗爆炸荷載的過程中，迎爆面涂層和背爆面涂層分別依賴于其不同的力學特點：迎爆面涂層通過更高的強度和吸能效率吸收爆炸應力波，減弱反射波，從而抵抗爆炸能量；而背爆面涂層則需要更加柔軟，通過橡膠態的性質包裹爆炸碎片，極大地減弱混凝土板的震塌損傷。

5 結 論

(1) 對T26 聚脲進行了準靜態力學實驗，得到T26 聚脲的抗拉強度為25.4 MPa，撕裂強度為75.5 N/mm，斷裂伸長率為451.9%，表現出更高的力學強度。通過WXRD 和DSC 得到，材料分子鏈是微相分離結構，軟段與硬段之間排列規整有序，結晶度為24.11%；軟段玻璃化轉變溫度為?44.9 ℃，硬段玻璃化轉變溫度為36.5 ℃。

(2) 對10 mm 厚T26 聚脲涂層進行1.4 kg TNT 當量的接觸爆炸，結果表明：無涂層鋼筋混凝土板出現爆炸凹坑及爆炸震塌破壞，凹坑的最大直徑為41.0 cm，最大深度為11.2 cm，背爆面破壞區域的最大直徑為60.0 cm，板結構失去整體穩定性，并產生大量的爆炸碎片。T26 聚脲涂覆鋼筋混凝土板出現爆炸凹坑破壞，凹坑中心區的最大破壞直徑為24.5 cm，最大深度為9.4 cm，背爆面涂層沒有發生破壞和凸起，T26 涂層能夠良好地包裹爆炸碎片，降低碎片飛濺的傷害。綜合來看，對于迎爆面涂層，除了瞬間高溫導致聚脲軟化，還有爆炸反射波的稀疏拉伸作用也使聚脲材料發生破壞，導致涂層材料發生撕裂；對于背爆面涂層，由于聚脲涂層削弱了爆炸沖擊拉伸波的作用，從而保護混凝土材料不被破碎，防止爆炸碎片飛濺。

(3) 涂層的抗爆機理與其力學性能及熱性能密切相關。T26 聚脲具有優異的力學性能、良好的熱穩定性以及較高的結晶度，能夠在溫度升高時產生熔融吸熱峰，導致材料內部分子鏈斷裂及重新組合，消耗部分能量，最終使其能夠承受爆炸產生的荷載與能量的多方面耦合作用。迎爆面和背爆面涂層表現出不同的防護方式，迎爆面涂層通過變形吸收能量，背爆面涂層則展現出更好的包覆能力。