超高性能钢纤维混凝土抗二次接触爆炸性能研究.pdf

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 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( 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 ， 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 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； 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 ， 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影 响， 靶体 临空 时测得 的压缩 系数 比靶体 置 于 地 面时 测得 的压 缩 系数 平 均 大 1 2 左 右 由表 3的结果对 比分析来看 ， 由于靶体本身个 体之间的差异及试验情况的不同 ， 所得的结果有一 定的误差 ， 存在一定的离散性 ， 故取 3组靶体平均值 作 为靶体 材 料 的压缩 系数 ， 即对 于工程 设计 ， 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 ( 无粗骨料 ) 取为 0 0 9 6 ， 且 C F 2 0 0抗二次爆炸压缩 系数降低到 8 0 左 右 4 结语 采用大掺量工业废渣取代水泥， 并优选材料组 分 ， 成功制备出 C F 1 5 0和 C F 2 0 0两种超高性能钢纤 维混 凝 土 ， 并 对其 进 行 了抗 一次 和 抗 二 次 接 触爆 炸 试验 ， 对不同靶体进行了测试分析 ， 得出如下结论 4 华北水利水电学院学报 2 0 1 2年 1 2月 1 ) 在装药量及放置方式相 同的情况下 ， 随着钢 纤维掺量的提高及靶体强度等级 的提高， 靶体迎爆 面爆炸漏斗坑深度减小 ， 背爆面的破坏情况趋缓 ， 而 爆炸漏斗坑直径则变化不大 ， 对 同一种强度等级的 靶 体而 言 ， 在 装药 量相 同 的情 况下 ， 底 部临空 的靶 体 的破坏情况要比底部置地的靶体严重得多 2 ) 随着靶体强度等级 的提高 以及第 一次爆炸 对靶体产生损伤破坏程度 的减小 ， 靶体抵抗第二次 爆 炸破 坏 的能 力得 到 提高 ， 二次 接触 爆 炸之 后 ， C F 2 0 0靶体的爆坑开 口尺寸增大约 1 8 ， 坑深增大 约 7 9 3 ) 对于工程设计 ， 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 ( 无 粗 骨 料 ) C F 2 0 0取 为 0 0 9 6 ， C F 2 0 0抗二次爆炸压缩系数要降低到 8 0 左右 参 考 文 献 王 德 荣 ， 戴 明 ， 李 杰 ， 等 钢 纤 维 超 高 强 活 性 混 凝 土 ( R P C ) 遮弹 板 接 触 爆 炸 破 坏作 用 J 爆 炸 与 冲 击 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 6 7 7 4 Lu o X，S u n W ， Cha n S Y NCh a r a c t e r i s t i c s o f hi g h- p e r f o r ma n c e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s u b j e c t t o h i g h v e - l o c i t y i m p a c t J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0， 3 0 ( 6)： 9 0 79 1 4 Te n g T L， Chu Y A ， Cha ng F A， e t a 1 De v e l o pme n t a n d v a l i d a t i o n o f n u me r i c a l mo d e l o f s t e e l fibe r r e i n for c e d c o n c r e t e f o r h i g h - v e l o c i t y i m p a c t J C o m p u t a t i o n a l M a t e r i a l s S c i e n c e ， 2 0 0 8 ， 4 2 ( 1 ) ： 9 0 9 9 解放军总参兵种部 国防工程设计 规范 S 出版地 、 出 版社不详 ， 1 9 7 6 St udy o n t h e Ch ar a c t e r i s t i c s o f Ul t r a - Hi g h Pe r f o r m a nc e S t e e l Fi be r Re i n f o r c e d Co nc r e t e un de r t he Se c o nd Ex pl os i o n RONG Zh i d a n ，S UN W e i 一，ZHANG Yu n s h e n g ，SHE W e i ( 1 J i a n g s u K e y L a b o r a t o r y o f C i v i l E n g i n e e ri n g Ma t e ri a l s ，S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a mi n g 2 1 1 1 8 9 ，C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ，N a mi n g 2 1 1 1 8 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T wo k i n d s o f u h r a h i g h p e r f o r ma n c e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e( UHP S F RC)we r e p r e p a r e d b y c o mp o s i t e t e c h n o l o g y t o i mpr o v e t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e u s e d i n de f e n s e wo r k s a n d i t s a n t i r e p e a t - s t r i k e a b i l i t yS i x t e s t s o n c o n c r e t e t a r g e t s u n de r o n e t i me e x p l o s i o n a n d s e c o n d e x pl o s i o n we r e p e r f o r me d a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s we r e a n a l y z e dThe r e s u l t s i n di c a t e d t h a t t h e ma t e ria l s p r e p a r e d ha d r e ma r k a bl e a n t i o ne t i me e x p l o s i o n a nd a n t i s e c o n d t i me e x p l o s i o nThe e x p l os i v e c o mpr e s s i o n c o e ffic i e n t s we r e c o mp u- t e d a n d i t wa s f o un d t ha t t h e e x p l o s i o n c o mpr e s s i o n c oe ffi c i e n t s o f CF1 5 0 a nd CF2 0 0 we r e 01 1 2 a n d 0 09 6 r e s p e c t i v e l y Th e e x pl o s i v e c o mp r e s s i o n c o e ffi c i e n t s o f C F 2 0 0 u n d e r t h e s e c o n d e x p l o s i o n we r e r e d u c e d t o 8 0 Ke y w o r d s ：U l t r a Hi g h P e r f o r m a n c e S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e( U HP S F R C) ；s e c o n d e x p l o s i o n ；c o mp r e s s i o n c o e ffic i e n t ( 责任编辑 ： 乔翠平 ) 1 J 1 J 1 J J 1 2 3 4