近距離爆炸下ECC涂層加固砌體填充墻抗爆性能研究

楊謹(jǐn)鴻, 李秀地, 張 波, 陳 昊, 王起帆, 尚敦敏

(1. 陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系,重慶 401331;2. 陸軍工程大學(xué) 訓(xùn)練基地戰(zhàn)斗工程支援系,江蘇 徐州 221018)

近年來,世界各地恐怖爆炸襲擊事件和燃?xì)?、化工意外爆炸事故頻發(fā),造成了大量人員傷亡及建筑損毀。作為外圍護(hù)構(gòu)件,墻體對(duì)室內(nèi)人員財(cái)產(chǎn)安全起著重要保護(hù)作用,但其承受平面外彎拉的能力卻相當(dāng)有限。一般情況下,砌體墻在爆炸沖擊等平面外荷載作用下,易發(fā)生彎拉破壞;同時(shí),爆炸應(yīng)力波極易使燒結(jié)磚、空心砌塊等脆性建材產(chǎn)生脆斷破壞,噴射出碎磚殘塊,對(duì)人造成傷害。所以,對(duì)砌體墻這一建筑結(jié)構(gòu)中的薄弱部件進(jìn)行抗爆加固很有必要。

工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite, ECC)是美國密歇根大學(xué)的Li[1]開發(fā)出的具有超高延性和韌性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,其極限拉伸應(yīng)變最高可達(dá)8%,同時(shí)具有穩(wěn)態(tài)多縫開裂和拉伸應(yīng)變硬化的特征[2]?；诓牧溪?dú)特性能,ECC目前主要應(yīng)用于建筑修復(fù)和抗震加固方面[3-4];另外,有限的研究[5]表明,ECC具有較好的能量吸收和爆炸沖擊防護(hù)能力。

Chen等[6]通過高速?zèng)_擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),ECC在200～400 s-1的高應(yīng)變率下存在塑性流動(dòng)現(xiàn)象,其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和能量吸收能力都表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng),試件完全破壞時(shí)ECC吸收的能量約為玄武巖纖維混凝土的2倍。在動(dòng)態(tài)拉伸性能方面,Heravi等[7]發(fā)現(xiàn)ECC在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷下觀察到的延性行為和高能量吸收能力,在200 s-1的高應(yīng)變率拉伸載荷下得以保持甚至改善,第一斷裂應(yīng)力達(dá)到了13.1 MPa,動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子達(dá)到了4.4?？芗蚜恋萚8]通過落錘試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相較于普通鋼筋混凝土板,鋼筋ECC板具有顯著的韌性和更高的損傷容限,沖擊作用下其最大裂縫寬度降低了78%,最大位移減小了38.5%,且破壞形態(tài)具有“裂而不散”的特點(diǎn)。為了驗(yàn)證ECC的抗爆加固效果,Adhikary等[9]對(duì)經(jīng)ECC涂層加固的RC板進(jìn)行了爆炸試驗(yàn)。結(jié)果表明,與未加固RC板相比,加固后的RC板峰值位移降低了18%～51%,殘余位移降低了28%～72%。徐世烺等[10]將ECC作為能量吸收層材料,設(shè)計(jì)了功能梯度防爆板,并進(jìn)行了接觸爆炸的數(shù)值模擬試驗(yàn),結(jié)果表明,ECC層可有效吸收爆炸能量,減小抗爆板爆坑深度。Maalej等[11]使用ECC涂層加固砌體墻,并利用落錘裝置對(duì)其進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),加固墻在抵抗多重低速?zèng)_擊載荷時(shí),表面沒有發(fā)生碎片噴射,ECC涂層展現(xiàn)出良好的加固能力。

目前,ECC對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)的加固作用主要體現(xiàn)在抗震方面,而關(guān)于ECC涂層的爆炸防護(hù)性能研究更是鮮有報(bào)道。因此,有必要基于野外爆炸試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析,探究ECC涂層的抗爆加固性能及其作用機(jī)理。

1 野外爆炸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共對(duì)6組足尺結(jié)構(gòu)無筋砌體填充墻進(jìn)行了爆炸試驗(yàn),每組試驗(yàn)包括1片加固墻和1片對(duì)照墻(共12片)。墻體高為2 530 mm,寬為1 260 mm,厚為120 mm,砌塊采用規(guī)格為240 mm×115 mm×53 mm、強(qiáng)度等級(jí)為MU15的燒結(jié)磚,砌筑砂漿采用強(qiáng)度等級(jí)為M5的混合砂漿,灰縫厚10 mm。墻體采用全順式砌筑,通過砂漿黏結(jié)填充于如圖1所示的鋼筋混凝土框架內(nèi),并根據(jù)試驗(yàn)變量設(shè)計(jì)對(duì)墻體表面進(jìn)行多工況涂覆。其中,對(duì)照墻涂層由M5混合砂漿涂覆,加固墻涂層由ECC涂覆,6組試驗(yàn)墻涂覆條件及爆炸加載藥量如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)置Tab.1 Setting of test condition

圖1 試件示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagrams of specimen (mm)

ECC砂漿按照Yang等[12]給出的配比現(xiàn)場(chǎng)制作,其配制比如表2所示。纖維選用日本可樂麗公司生產(chǎn)的KURALONTMK-Ⅱ型PVA纖維,其相關(guān)參數(shù)如表3所示。所配制ECC試件的力學(xué)性能如表4所示。

表2 ECC配制比Tab.2 The mix proportion of ECC

表3 PVA纖維基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of PVA fiber

表4 ECC試件力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of ECC specimen 單位:MPa

在試驗(yàn)前,所有墻體在同期同條件下養(yǎng)護(hù)21 d。爆炸試驗(yàn)采用六面體塊狀TNT炸藥,均在框架外側(cè)引爆。炸藥布置如圖2所示,距墻面垂直距離為0.5 m,與墻面幾何中心在同一水平高度,正對(duì)中間構(gòu)造柱的中心。

圖2 TNT放置Fig.2 TNT placement

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

12片試驗(yàn)墻體的損傷結(jié)果如表5所示。

表5 墻體損傷結(jié)果Tab.5 Results of wall damage

從各組對(duì)照試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),ECC涂層作為加固材料,能大幅減輕墻體的爆炸損傷,保持墻體結(jié)構(gòu)的整體性,在爆炸沖擊下不發(fā)生碎裂、飛散。另外,從試驗(yàn)過程的高速攝影影像中可以發(fā)現(xiàn),較大當(dāng)量的近距離爆炸甚至能夠使厚度為240 mm的鋼筋混凝土柱發(fā)生嚴(yán)重的震塌破壞(在第4組試驗(yàn)中,震塌碎塊的初期平均速度達(dá)到了62.79 m/s);而ECC涂層能夠有效防止局部震塌破壞的發(fā)生,消除砌體墻背爆面震塌碎塊飛濺給室內(nèi)生命及財(cái)產(chǎn)帶來的安全隱患。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單面涂覆結(jié)果分析

前4組試驗(yàn)采用了背爆面單面涂覆的方式,背爆面損傷形態(tài)如圖3所示。對(duì)比各組兩片墻體的損傷結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),砌體墻承爆能力較差:脆性砌體在拉伸應(yīng)力波下易被拉裂、震塌,較弱的灰縫黏結(jié)也使墻體容易發(fā)生穿孔甚至坍塌;普通的砂漿涂層基本沒有抗爆能力,自身的脆性反而使其易在爆炸荷載下發(fā)生脆裂,并生成四濺的震塌碎片。相比之下,ECC涂層最大的損傷僅為1條橫貫炸心的輕微裂縫,沒有發(fā)生震塌,表現(xiàn)出了良好的韌性和裂縫控制能力。同時(shí),ECC涂層還能夠通過小范圍斷裂破壞釋放外部能量,減輕墻體的損傷,使砌體墻在爆炸荷載下仍保持結(jié)構(gòu)完整,體現(xiàn)了良好的整體性和吸能能力。

圖3 單面加固試驗(yàn)背爆面損傷結(jié)果Fig.3 Results of single-side reinforcement test

分析背爆面ECC層炸心高處單條橫向裂縫這一典型損傷的產(chǎn)生原因,筆者認(rèn)為,與(準(zhǔn))靜態(tài)加載下ECC構(gòu)件受彎多縫開展的情況不同,在受到爆炸產(chǎn)生的高速?zèng)_擊時(shí),ECC內(nèi)部纖維來不及將拉應(yīng)力傳遞分散出去,使局部存在較高應(yīng)力水平;而本次試驗(yàn)墻體因高寬比較大,受力情況類似單向板,長邊之間的橫向區(qū)域即為易裂薄弱區(qū)。故,在炸心高處,ECC涂層通過纖維拔出或斷裂以及基體開裂釋放爆炸能量,同時(shí)其他部位纖維保持良性受力工作狀態(tài),使涂層依舊平滑、完整。

2.2 雙面涂覆結(jié)果分析

為探究不同加固方式的抗爆效果,第5、第6組試驗(yàn)采用了不同厚度雙面涂覆的方式,背爆面損傷形態(tài)如圖4所示。

圖4 雙面加固試驗(yàn)損傷結(jié)果Fig.4 Results of double-side reinforcement test

從第5組的損傷情況看,兩片墻均在背爆面形成了較為典型的ECC涂層橫向連貫裂縫,同時(shí)對(duì)照墻損傷更嚴(yán)重,形成貫穿孔,證明了迎爆面ECC涂層在墻體加固上也發(fā)揮了作用。單就迎爆面而言,表層砂漿在爆炸沖擊波的瞬時(shí)荷載作用下,炸心附近砂漿處于超高靜水壓力的三向應(yīng)力狀態(tài)。砂漿在此狀態(tài)下被劇烈壓縮并在達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度和塑性應(yīng)變后發(fā)生破壞。由圖4(a)可以發(fā)現(xiàn),砂漿迎爆層在爆炸沖壓和沖切作用下,產(chǎn)生了多條徑向和環(huán)向裂縫;而得益于良好的韌性和應(yīng)變能力,ECC迎爆層僅生成1條彎折裂縫。

第6組試驗(yàn)迎爆面損傷與第5組相似,但是背爆面出現(xiàn)了加固墻被震塌的“反常”情況。造成這一結(jié)果的具體原因有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究,本文提出兩點(diǎn)可能:一是背爆面涂層過厚使其脆性增加;二是迎爆面增設(shè)的ECC涂層增大了墻體整體剛度,使背爆面承受了絕大部分爆炸能量。

雙面加固試件5-E15/E15-4和6-E15/E25-5的損傷基本表現(xiàn)在背爆面,并且,前4組單面涂覆墻的迎爆面燒結(jié)磚在爆炸沖擊波沖壓作用下,損傷并不嚴(yán)重,說明背爆面加固層是承擔(dān)爆炸沖擊荷載、約束墻體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要作用面,而迎爆面的ECC加固層并不能充分發(fā)揮其抗爆效果。另外,縱向?qū)Ρ鹊?、第5組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),同樣在4 kg TNT藥量下,ECC用量更少的單面加固試件4-E25-4的損傷程度,要低于雙面涂覆試件5-E15/E15-4。通過以上結(jié)果可以得出結(jié)論,綜合考慮抗爆效益比和加固效果兩個(gè)方面,采取背爆面單面加固的方式要優(yōu)于雙面加固。

2.3 炸藥量的影響

縱向?qū)Ρ鹊?、第2組試驗(yàn)以及第3、第4組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),在相同的涂覆情況下,藥量的增加對(duì)對(duì)照墻的損傷影響明顯,墻體損傷由背爆面小范圍砂漿震塌剝離,加劇為形成局部震塌漏斗坑,并伴有磚塊拋射;相比之下,爆炸荷載的提升僅使加固墻背爆面的非連貫細(xì)微裂縫變?yōu)檫B貫裂縫,墻體依舊能保持較好的整體性,表明經(jīng)ECC加固的砌體墻具有較強(qiáng)的爆炸承受能力。

2.4 涂層厚度的影響

縱向?qū)Ρ鹊?、第3組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),在相同炸藥量下,無論是加固墻還是對(duì)照墻,涂層厚度的增加可以有效減輕墻體爆炸損傷,表明涂層厚度是提升墻體爆炸沖擊抵抗能力的一個(gè)重要因素。但是,增大砂漿涂層的厚度對(duì)其防護(hù)能力提升的貢獻(xiàn)并不突出——即便砂漿厚度達(dá)到25 mm,對(duì)照墻3-M25-3的損傷還是比涂層厚度僅為15 mm的加固墻2-E15-3要嚴(yán)重。相比之下,在只加厚10 mm后,ECC涂層就完全抑制了爆炸破壞作用(加固墻3-E25-3在爆炸荷載后幾乎沒有損傷痕跡),說明了ECC涂層厚度增加,對(duì)墻體防護(hù)能力的提升作用明顯。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 模型建立及計(jì)算方法

利用顯式有限元?jiǎng)恿W(xué)分析程序ANSYS /LS-DYNA對(duì)場(chǎng)地爆炸試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,不僅可以極大提升試驗(yàn)效率,降低各項(xiàng)成本開支,還可以避免炸藥爆炸過程中的不確定、不穩(wěn)定因素?；谇捌诜治?本數(shù)值模擬針對(duì)背爆面單面加固進(jìn)行研究,按1∶1建模模擬本次爆炸試驗(yàn),建立了單片砌體填充墻的分離式模型(如圖5所示)。

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

砂漿和磚塊分別建模,如圖6所示。采用SOLID164八節(jié)點(diǎn)六面體單元,單元尺寸均為1.5 cm。固體材料使用Lagrange網(wǎng)格,空氣和炸藥使用Euler網(wǎng)格,采用任意拉格朗日-歐拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)算法,并通過關(guān)鍵字*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP設(shè)置流固耦合來處理相互作用。除地面邊界外,空氣邊界均設(shè)置為無反射邊界條件,以模擬半無限空域。

圖6 分離式模型Fig.6 The separated model

磚、砂漿和涂層間采用關(guān)鍵字為*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE的固連失效接觸。通過設(shè)置該接觸方式,接觸初期兩種材料在界面處剛性固連,當(dāng)接觸面達(dá)到失效條件后退化為面面接觸,允許材料表面的滑移、分離或再接觸。而材料界面的剪切滑移破壞與受拉分離破壞,由接觸計(jì)算過程中的剪切失效和拉伸失效體現(xiàn)。

砂漿和磚塊自身的碎裂也是結(jié)構(gòu)損傷的一大因素,為了更好地模擬裂縫擴(kuò)展和墻體損傷,通過關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION引入失效準(zhǔn)則,在計(jì)算過程中依據(jù)材料拉應(yīng)力和拉應(yīng)變共同控制單元失效,以刪除嚴(yán)重畸變的單元。

3.2 材料模型

磚塊和砂漿模型均采用適用于各向同性、脆性以及高應(yīng)變率加載響應(yīng)問題的*MAT_BRITTLE_ DAMAGE材料模型,模型參數(shù)如表6所示。

表6 磚及砂漿模型參數(shù)Tab.6 Parameters of brick model and mortar model

外部框架的主要作用為提供支撐約束,考慮到減小計(jì)算量,采用*MAT_RIGID材料模型將結(jié)構(gòu)框架簡化為剛體,并約束其所有方向的自由度。

空氣設(shè)為理想氣體,采用*MAT_NULL材料模型,單元網(wǎng)格使用EULAR網(wǎng)格。狀態(tài)方程關(guān)鍵字為*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,其狀態(tài)方程為

P=C0+C1+C2μ2+C3μ3+
(C4+C5μ+C6μ2)E0

(1)

式中:μ=ρ/ρ0-1,ρ為空氣當(dāng)前密度,ρ0為初始密度;C0～C6均為常數(shù);E0為單位體積空氣的內(nèi)能。本數(shù)值模擬采用的空氣材料模型及狀態(tài)方程關(guān)鍵字參數(shù),如表7所示。

表7 空氣材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)Tab.7 Parameters of air material model and state equation

TNT炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型,并使用JWL狀態(tài)方程來表征,其方程為

(2)

式中:P為炸藥爆轟壓力;E為炸藥內(nèi)能密度;V為爆轟產(chǎn)物體積與初始體積之比;A,B,R1,R2,ω為炸藥材料相關(guān)參數(shù)。本數(shù)值模擬采用的TNT炸藥材料模型及狀態(tài)方程關(guān)鍵字參數(shù),如表8所示。

表8 TNT炸藥材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)Tab.8 Parameters of TNT material model and state equation

在爆炸防護(hù)研究中,ECC模型應(yīng)能夠設(shè)置合適的屈服準(zhǔn)則、反映材料應(yīng)變過程的彈性階段和塑性階段,還應(yīng)能夠體現(xiàn)材料在爆炸沖擊作用下的應(yīng)變率效應(yīng)。本文基于前期配制的ECC相關(guān)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù),編譯了LS-DYNA子程序,通過對(duì)材料模型二次開發(fā)自定義了ECC本構(gòu)模型,該模型定義主要包括屈服面方程、損傷演化方程和狀態(tài)方程。自定義模型*MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS_ TITLE的參數(shù),如表9所示。

表9 ECC材模型參數(shù)參數(shù)Tab.9 Parameters of ECC material model

3.3 數(shù)值模擬可行性驗(yàn)證

對(duì)3 kg炸藥量工況進(jìn)行模擬,提取爆炸試驗(yàn)反射超壓測(cè)點(diǎn)位置處,墻面固體單元的Z向應(yīng)力時(shí)程曲線,并將其與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的沖擊波反射超壓時(shí)程曲線進(jìn)行比較,如圖7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn),本數(shù)值模擬中對(duì)結(jié)構(gòu)施加的爆炸沖擊荷載,符合沖擊波基本特征,與試驗(yàn)真實(shí)荷載的誤差在可接受范圍內(nèi),能為墻體爆炸模擬結(jié)果提供足夠的可信度。

圖7 反射超壓模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison between simulation results of reflection overpressure and measured data

對(duì)第1、第4組試驗(yàn)的對(duì)照墻進(jìn)行爆炸模擬,損傷情況如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn),模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相符,磚與砂漿震塌、放射狀裂縫等局部損傷特征也得到了較好的還原,說明燒結(jié)磚材料和砂漿材料及其失效條件參數(shù)設(shè)置合理。

圖8 對(duì)照墻模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison between simulation results and test results

爆炸試驗(yàn)中砂漿涂層與墻體的局部脫黏分離、墻體與框架脫黏向內(nèi)凹曲、磚塊在灰縫處切向脫黏在數(shù)值模擬中也有體現(xiàn)(如圖9所示),說明本數(shù)值模擬設(shè)置的固連失效接觸及其參數(shù)貼近實(shí)際黏結(jié)情況。

圖9 模擬中體現(xiàn)的黏結(jié)失效Fig.9 Bond failure reflected in the simulation

在以上參數(shù)的有效性得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)加固墻2-E15-3和4-E25-4的爆炸結(jié)果進(jìn)行模擬驗(yàn)證,模擬結(jié)果中得到了ECC涂層橫向裂縫以及墻體上角位移的典型損傷特征(如圖10所示)。

圖10 加固墻模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison between simulation and test results

同時(shí)從加固墻2-E15-3側(cè)面可以觀察到,在墻體受到橫向沖擊荷載產(chǎn)生凹曲變形后,模型涂層展現(xiàn)了ECC的韌性特征,通過形變釋放能量之后又能回彈減輕墻體位移(如圖11所示)。

圖11 ECC涂層韌性形變特征Fig.11 Ductile characteristics of ECC coating

在以上的驗(yàn)證計(jì)算中,模擬結(jié)果能與試驗(yàn)情況較好匹配,能定性還原出墻體及ECC涂層爆炸損傷的主要特征,說明本數(shù)值模擬中使用的材料模型、接觸類型、失效準(zhǔn)則及其參數(shù),符合模擬試驗(yàn)的要求,能夠?yàn)楹罄m(xù)的數(shù)值模擬及分析提供較高的可信度。

4 ECC涂層防護(hù)性能影響因素分析

4.1 涂層厚度的影響

由爆炸試驗(yàn)結(jié)果可知,背爆面經(jīng)ECC涂層加固的墻體,損傷程度隨TNT當(dāng)量增加而增加,隨涂層厚度的增加而減少。為進(jìn)一步分析ECC涂層厚度變化對(duì)其防爆加固性能的影響,本節(jié)設(shè)置了7檔涂層厚度,并對(duì)相應(yīng)的加固墻進(jìn)行了多種炸藥量的數(shù)值模擬試驗(yàn),墻體損傷結(jié)果及殘余撓度值分別如表10和圖12所示。

表10 不同涂層厚度及炸藥量條件下墻體損傷結(jié)果Tab.10 Wall damage results under different coating thicknesses and explosive quantities

圖12 不同炸藥量下殘余撓度與涂層厚度關(guān)系曲線Fig.12 Relation between residual deflection and thickness under different explosive quantities

從表10中可以發(fā)現(xiàn):橫向看,表中給出了各個(gè)加固層厚度的防爆極限,可以為進(jìn)一步的試驗(yàn)研究提供試爆依據(jù);縱向看,隨著涂層厚度增加,墻體損傷程度明顯減弱,說明涂層厚度是墻體抗爆加固的重要影響因素。

從圖12中可以看出,厚度越小的涂層,對(duì)炸藥量增大的損傷反應(yīng)越敏感,這也從側(cè)面證明了ECC涂層厚度對(duì)其抗爆加固效能影響顯著。在涂層厚度達(dá)到30 mm后,本試驗(yàn)藥量下墻體殘余撓度的絕對(duì)減少量明顯變小,說明涂層厚度的增加,對(duì)墻體抗爆能力提升的效益比逐步減少。所以在砌體墻的抗爆加固實(shí)際施工中,綜合考慮抗爆效益比和施工便利性,30 mm的ECC涂層厚度較為適宜。

圖13和圖14分別展示了加固涂層厚度為25 mm和30 mm的墻體在各個(gè)炸藥量下的損傷結(jié)果。

圖13 涂層厚度為25 mm時(shí)墻體背爆面損傷Fig.13 The back damage results of the wall when the coating thickness is 25 mm

圖14 涂層厚度為30 mm時(shí)墻體背爆面損傷Fig.14 The back damage results of the wall when the coating thickness is 30 mm

從墻體的損傷結(jié)果可以直觀看出,隨著炸藥量的增大,墻體受損程度愈發(fā)嚴(yán)重;而ECC涂層也在爆炸荷載下發(fā)揮了較好的抗爆加固效果,除在較大藥量情況下墻體出現(xiàn)貫穿損傷或穿孔破壞,其余情況下均能有效防止墻體出現(xiàn)較大損傷或大面積震塌。同時(shí),在相同藥量下,當(dāng)ECC涂層厚度由25 mm增大到30 mm后,墻體損傷程度有了明顯減弱,說明涂層厚度的增加有助于ECC涂層抗爆能力的提升。

4.2 涂層黏結(jié)強(qiáng)度的影響

分析認(rèn)為,ECC與墻體之間的黏結(jié)力比砂漿與墻體間的黏結(jié)力要強(qiáng),而這種良好的黏結(jié)可以幫助ECC涂層較好地發(fā)揮自身的韌性特征,強(qiáng)化砌體墻的整體性。本節(jié)針對(duì)ECC涂層與墻體的黏結(jié)情況,設(shè)置了6組不同的法向接觸黏結(jié)強(qiáng)度參數(shù),在爆距為0.5 m、涂層厚度為20 mm、炸藥量為4 kg的工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)。6組試驗(yàn)工況編號(hào)為A～F,其法向黏結(jié)接觸強(qiáng)度參數(shù)依次設(shè)置為3.0 MPa,4.2 MPa,5.4 MPa,6.6 MPa,7.8 MPa和9.0 MPa。各組涂層在炸藥起爆后30 ms時(shí)刻的位移云圖如圖15所示。

圖15 ECC涂層位移云圖Fig.15 Displacement nephogram of ECC coating

從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在A組工況中,涂層在爆炸荷載中大面積剝離,并向外飛離形成震塌,位移云圖中最大位移值達(dá)到了43.52 cm,說明當(dāng)涂層與墻體黏結(jié)強(qiáng)度過低時(shí),不僅不利于ECC抗爆性能的發(fā)揮,還會(huì)使涂層發(fā)生較大形變而破壞。B～F 5組工況的損傷程度依次減弱,其最大位移值分別為8.66 cm,6.55 cm,5.70 cm,3.87 cm和3.47 cm,表明隨著黏結(jié)強(qiáng)度的增大,ECC涂層的形變也隨之減小。同時(shí),E和F兩組試驗(yàn)的損傷結(jié)果相似,涂層最大位移值也相近,說明ECC涂層與墻體的黏結(jié)強(qiáng)度在達(dá)到一定程度后,黏結(jié)性能提升對(duì)ECC涂層抗爆性能的增益效果已不明顯。

各組試驗(yàn)中,墻體迎爆面爆心投影處一磚墻節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)間歷程曲線,如圖16所示。6條曲線表明,ECC涂層與墻體黏結(jié)強(qiáng)度的增大,不僅能減小涂層自身的形變和損傷程度,還能更好地限制磚墻位移,提升ECC的抗爆加固效果。

圖16 磚墻爆心投影點(diǎn)的位移時(shí)間歷程曲線Fig.16 Displacement time history curves of projection point of explosion center

6組模擬試驗(yàn)的結(jié)果說明,黏結(jié)強(qiáng)度影響著ECC涂層抗爆效能的發(fā)揮,黏結(jié)強(qiáng)度越大,ECC涂層抗爆作用發(fā)揮越好,墻體損傷越小。所以,在抗爆加固施工中,應(yīng)注意將墻體表面浮渣、雜質(zhì)清理干凈后再涂覆ECC涂層;若條件允許或防護(hù)等級(jí)要求較高時(shí),可于涂覆ECC涂層前,先在墻體表面涂抹助黏物質(zhì)以提高涂層與墻體間的黏結(jié)性能。

5 結(jié) 論

(1) ECC涂層能夠大幅減輕砌體墻的爆炸損傷,保持墻體的整體性,防止局部震塌破壞的發(fā)生,具有良好的抗爆加固效果。

(2) ECC涂層通過自身微裂紋分布、局部裂縫展開以及彎曲變形,將爆炸能量吸收或者耗散至相鄰區(qū)域,體現(xiàn)了優(yōu)異的韌性和能量吸收能力。

(3) 在砌體墻抗爆加固應(yīng)用中,綜合考慮抗爆效益比和施工便利性,背爆面單面涂覆ECC層的加固方式比雙面涂覆更具優(yōu)勢(shì)。在本文試驗(yàn)條件下,30 mm的涂層厚度較為適宜。

(4) 建立了能夠有效模擬砌體墻爆炸損傷的分離式有限元模型,并通過二次開發(fā)自定義了能夠體現(xiàn)爆炸荷載下涂層響應(yīng)特性的ECC模型。

(5) 數(shù)值模擬試驗(yàn)表明,涂層厚度和黏結(jié)強(qiáng)度是影響ECC涂層抗爆性能發(fā)揮的重要影響因素,在一定范圍內(nèi),涂層厚度越大、黏結(jié)強(qiáng)度越高,ECC涂層對(duì)砌體墻的抗爆加固效果越好。