超高性能钢纤维混凝土抗二次接触爆炸性能研究.pdf
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1、第 3 3卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f N o Ah C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r Vo 1 3 3 No 6 De c 2 01 2 文章 编号 : 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 2 J 0 6 0 0 0 1 0 4 超高性能钢纤维混凝土抗二次接触爆炸性能研究 戎 志丹 ,孙 伟 ,张云升 ,佘 伟 ( 1 江苏省土 木工程材料重
2、 点试验 室, 江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ; 2 东 南大学 材 料科 学与工程学院 , 江苏 南京 2 l 1 1 8 9 ) 摘 要 : 采 用复合技术制备 了两种 强度 等级的超高性能钢纤维 混凝 土( U H P S F R C ) , 对 6块靶 体进行 了抗 一次 和抗二次接触爆炸试验 , 对 比分析 了靶 体材料的抗爆炸性 能 结果表 明, 制备的超高性能钢纤维混凝土具有优 异的抗一次和抗二次爆 炸性 能 对压缩 系数 进行 了计算分析 , 建议超高性 能钢纤维 混凝土 ( 有粗骨料 )C F 1 5 0 的压缩系数取为 0 1 1 2 , 超高性能钢纤维 混凝 土(
3、无粗骨料 ) C F 2 0 0取为 0 0 9 6 , 且 C F 2 0 0的抗二次爆炸压缩系 数要 降低到 8 O 左右 关键 词 : 超高性 能钢纤维 混凝土 ; 二次爆炸 ; 压缩 系数 目前 的防护工程材料 以普通 强度等级 ( c 3 O C 5 0 ) 的混凝土或者普通纤维增强混凝土居多 , 其抗 爆炸能力较弱 , 而超高性能钢纤维增强混凝土 ( u 1 t r a - Hi g h P e r f o r i n a n e e S t e e l Fi b e r Re i n f o r c e d Co n c r e t e, U H P S F R C ) 以其优异
4、的力学性能及抗毁伤性能在防 护工 程 领域 得 到广 泛 的 应 用 , 也 成 为 防 护 工 程 材料 研究 的热点 精确制导 的钻地武器完全能够实现定点的重复 打击 , 在初次受到钻地弹的 冲击 、 爆炸作用后 , 即使 防护工程未被破坏 , 其混凝土的形态很可 能发生 明 显变化, 防护工程的下部结构在爆炸波作用下也可能 产生一定程度的损伤甚至局部破坏 , 因而防护工程结 构怎样具有抗重复打击能力是一个值得重视的问题 针对 以上问题 , 笔者通过多元复合技术成功制 备出了两种强度等级超高性能钢纤维 混凝 土靶体 , 开展了野外爆炸试验研 究 , 试验采用的装药量分别 为 1 6 k g
5、和 2 0 k g , 靶体采用了两种放置方式 ( 直 了一 次 和二次 抗 接触爆 炸试 验 试 验 结果 表 明 , 所制 备的超高性能水泥基复合材料具有优异的抗爆炸和 抗 震塌 性 能 1 材料制备及试验方法 1 1 原 材 料 水泥 : P I I 5 2 5 R硅酸盐水泥 ; 超细粉煤灰 : 南 京热 电厂超 细粉煤灰 , 比表 面积 4 0 0 m k g ; 硅灰 : 埃肯公司生产 的微硅粉 , 比表 面积 2 0 0 0 m k g ; 矿 渣 : 南京江南水泥粉磨公司生产的磨细矿渣微粉, 比 表面积 6 0 0 m k g ; 细集料 : 最大粒径为 5 m m 的普 通黄砂
6、 , 细度模 数 2 6 7 , 连续级配 ; 粗 集料 : 最大粒 径 为 1 0 m m 的 玄 武 岩 石 子 , 连 续 级 配 , 压 碎 值 3 3 ; 外加剂 : 聚羧酸型高效减水剂 , 固含量 4 0 , 减水率大于 4 0 ; 钢纤维 : 超细钢纤维 , 圆截 面, 表 面镀铜 , 直径 0 1 7 5 m m, 长 度 1 3 mm, 弹性 模 量 2 1 0 G P a , 抗拉强度 1 8 0 0 MP a 超高性能钢纤维混凝 接放于地面上 以及 靶体底部 临空) , 分别对其进行 土( U H P S F R C) 的配合 比见表 1 表 1 UHP S F RC的配
7、合 比 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 91 0 基 金项 目: 国家 自然科学 基金项 目( 5 0 7 0 2 0 1 ) ; 江苏省土木工程材料重 点实验室基金项 目 作 者简 介 : 戎志丹 ( 1 9 8 1 一 ) , 男 , 江苏南京人 , 讲师 , 博士 , 主要从事水泥基复合材料方 面的研究 孙伟 ( 1 9 3 5 一 ) , 女 , 山东胶州人 , 中国工程院院士 , 教 授 , 博导 , 主要从事材料科学与工程方 面的研究 第 3 3卷第 6期 戎 志丹 , 等 : 超高性能钢纤维混凝土抗二 次接 触爆 炸性能研究 5 0 mm; C F 2 0 02靶 体在二 次
8、爆 炸后外 箍钢 板裂 开 , 形成环形裂缝 , 最大裂宽 2 0 m m, 但整体保持完 整; C F 2 0 0 3靶体在二次爆炸后产生二次爆炸漏斗 坑 ( 直径 4 7 c m, 深度 1 1 8 c m) , 迎爆面有 1 0条裂 纹 , 最大裂宽 5 m m, 靶体整体性保持极好 , 仅表面的 裂 缝增 多 、 增宽 对 比 C F 1 5 01和 C F 2 0 02靶体 , 这两种靶体 第一次爆炸的放置方式 都是 临空 ( C F 2 0 02采用 2 0 k g T N T, C F 1 5 01采用 1 6 k g T N T ) , 从靶体第 二次爆炸的破坏情况来看 , C
9、 F 2 0 0 2的破坏明显轻 于 C F 1 5 01的靶体 ; 同样对 比 C F 2 0 02和 C F 2 0 0 3靶体 , 由于这两个靶体第一次爆炸 T N T当量都 为 2 0 k g ( C F 2 0 0 2为临空方式 ) , 从靶体第二次爆 炸的破坏情况来 看 , C F 2 0 03的破坏也 明显轻 于 C F 2 0 0 2的靶体 基于 以上两点可 以得 出: 随着靶 体强度等级的提高以及第一次爆炸对靶体产生损失 破坏程度的减小 , 靶体抵抗第二次爆炸破坏的能力 得到提高 C F 2 0 03二次接触爆炸前 、 后爆坑开 口尺寸分 别 为 4 0 , 4 7 c m;
10、 坑深 分别 为 6 6 , 1 1 8 c m 可 见 , 二 次接触爆炸后 , 爆坑 开 口尺寸增大 约 1 8 , 坑深增 大约 7 9 3 结果 分析 炸药在爆炸瞬间 , 由化学反应变成和炸药体积 大小相同的高温高压气体 ( 称为爆轰产物) , 其高压 达 2 1 0 MP a , 温度高达 3 3 5 0 o C 这样的高温高压 气体作用于周围介质时 , 介质将受 到巨大的冲击 , 产 生很大的变形速度 , 使介质迅速 向外膨胀 、 破碎 、 飞 散 爆轰后 , 直接与装药接触的介质受到强烈的冲击 压缩 , 介质结构完全破坏 介质受瞬时高压作用 的结 果是形成一个空腔 , 这个范围称
11、为压缩范围 , 压缩范 围的半径称为压缩半径 , 记为 r n 试验和量纲分析理论均表明, 球形集团装药对 介质 材料 的压 缩半 径 与装 药质 量 的三次方 根成 正 比 当装药埋于地表面 以下一定深度爆 炸时, 由 于泄放于空气 中的爆炸能量减少 , 爆炸效果将增加 , 即压缩半径 r 增大; 埋置愈深 , 则压缩半径愈大; 但 埋深达到一定程度后 , 已处 于完全封闭的爆炸状态, 此时再没有爆炸能量泄人空气 中, 这种封闭爆炸状 态时的最小埋深称为完全填塞深度 装药埋深在等 于或大于完全填塞深度时爆炸 , 都可 以视为在无 限 介 质 中爆炸 试 验表 明 , 对 单层 介质 而言 ,
12、 压缩 半径 r n 可用 下 式计 算 : r 口 =m k c ( 1 ) 式 中 : m 为填塞 系数 , 用来 表示 填塞 条件 不 同时 引起 的爆炸效果的差异 ; k a 为介质材料 的压缩系数 ; C为 常规武器弹丸等效 T N T装药量 , k g 根据式( 1 ) 可变形得到介质材料 的压缩系数 k 的计算公式, 即 m ( 2 ) 乙 根 据式 ( 2 ) 及 表 2中 试 验 测 得 的 爆 坑 尺 寸 , 可 计算得到试验靶体对应的压缩系数 , 见表 3 表 3 压缩 系数计算结果 从表 3可 以看 出 , 靶 体 背 面支 撑 方 式 不 同对 试 验测得的压缩系数有
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