新型空殼顆粒材料在人防工程中應(yīng)用的實驗研究＊

孫曉旺，李永池，葉中豹，趙 凱，張春曉，馬 劍，張永亮

（1．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽合肥230027；2．總參工程兵科研三所，河南洛陽471023）

新型空殼顆粒材料在人防工程中應(yīng)用的實驗研究＊

孫曉旺1，李永池1，葉中豹1，趙 凱1，張春曉2，馬 劍1，張永亮1

（1．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽合肥230027；2．總參工程兵科研三所，河南洛陽471023）

研發(fā)了一種內(nèi)襯PVC殼體，外裹泡沫陶瓷殼體的新型空殼顆粒作為人防結(jié)構(gòu)分配層。通過大比尺化爆實驗，研究了爆炸載荷下新型空殼顆粒分配層人防結(jié)構(gòu)和普通黃沙分配層人防結(jié)構(gòu)的破壞情況和沖擊波傳播規(guī)律。實驗證明：同樣當(dāng)量爆炸載荷下，相對黃沙分配層，新型空殼顆粒分配層可以降低應(yīng)力峰值50%左右；相對常規(guī)空殼顆粒，新型空殼顆粒分配層受損情況顯著減小。這表明：新型空殼顆粒作為人防工程的分配層兼具顯著的削波耗能效果和抵抗二次爆炸的能力，因此可以提高人防工程的抗爆能力，具有廣闊的軍事應(yīng)用前景。

新型空殼顆粒；人防工程結(jié)構(gòu)；分配層；爆炸波；削波耗能

目前人防工程中普遍采用成層式防護結(jié)構(gòu)，從上到下依次為覆土層、遮彈層、分配層和結(jié)構(gòu)頂板，一般分別采用自然土、鋼筋混凝土、干沙和鋼筋混凝土材料，分別具有偽裝、抗侵徹、削弱沖擊波和支撐的作用［1］。本文對高效削波耗能分配層進行研究?？諝ゎw粒（泡沫陶瓷殼體結(jié)構(gòu)）融合了泡沫陶瓷和殼體結(jié)構(gòu)的削波耗能效果［23］，總體效果強于兩者之和［4］。趙凱等［5］通過實驗證明空殼顆粒分配層能夠顯著降低沖擊波的強度。但是，空殼顆粒強度過低，不利于人防工程的整體強度和使用年限。因此本文中提出采用外裹泡沫陶瓷、內(nèi)襯PVC殼體的新型空殼顆粒，在利用泡沫陶瓷和殼體結(jié)構(gòu)削波優(yōu)勢的同時，大幅提高其強度。

本文中，通過大比尺化爆實驗研究新型空殼顆粒分配層防護結(jié)構(gòu)和黃沙分配層防護結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的破壞情況和沖擊波衰減規(guī)律，以驗證新型空殼顆粒分配層的削波效果和二次抗爆能力，為提高人防結(jié)構(gòu)的防護能力提供實驗依據(jù)。

1 實驗方案

2B級人防工程的覆土層、遮彈層、分配層和結(jié)構(gòu)頂板分別選用1m厚自然土、1．2m厚鋼筋混凝土、1．2m厚黃沙和1．2m厚鋼筋混凝土（人民防空指揮工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)RFJ1—99）。實驗?zāi)Ｐ退叫螤顬檫呴L180cm的正方形，縮尺比取1∶4，不考慮動荷載與結(jié)構(gòu)頂部的耦合作用，結(jié)構(gòu)頂板頂面以下視為自由土場，其中設(shè)置壓力測點以測量沖擊波，如圖1所示。454kg普通航彈裝藥量約為225kg，TNT當(dāng)量系數(shù)為1．35，根據(jù)實驗縮尺比計算可得，裝藥量的相似系數(shù)為（1∶4）3＝1∶64，故實驗中裝藥量為4．75 kg TNT，置于遮彈層上表面中心。遮彈層采用C40鋼筋混凝土，分別在遮彈層厚度1／3和2／3處設(shè)置鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑10mm，網(wǎng)眼尺寸20cm×20cm，兩層鋼筋網(wǎng)采用直徑6．5mm的箍筋聯(lián)系，鋼筋采用HRB400螺紋鋼。標(biāo)準(zhǔn)實驗和對比實驗的分配層分別采用干沙和新型空殼顆粒，對比實驗中錯縫搭接放置6層新型空殼顆粒。

新型空殼顆粒外裹泡沫陶瓷殼體見圖2，其內(nèi)徑為3．0cm，外徑為6．0cm；內(nèi)襯PVC殼體見圖3，其內(nèi)徑為2．75cm，外徑為2．9cm。泡沫陶瓷為多孔材料，本身具有較強的削波效果［6］，基本力學(xué)性能見表1，其中ρ為密度，K為體積模量，G為剪切模量，Sf為屈服強度。實驗采用總參三所研制的CTYZ型高頻壓力傳感器和東華測試有限公司生產(chǎn)的DH5960信號測試分析系統(tǒng)，均滿足實驗頻響要求。先后進行了兩次標(biāo)準(zhǔn)實驗和兩次對比實驗，在進行第1次標(biāo)準(zhǔn)實驗時，傳感器S1～S7的量程分別為1、2、2、2、10、2、2MPa，大部分的量程過低，因此只記錄了兩個完整的應(yīng)力時程曲線。后3次實驗中傳感器S1～S7的量程分別為2、5、2、5、10、5、2MPa，滿足測量要求。

圖1 實驗方案示意及壓力測點分布圖Fig．1 Sketch of test and sensor distribution

圖2 泡沫陶瓷殼體Fig．2 Ceramic foam shell

圖3 新型空殼顆粒材料Fig．3 Novel shelly cellular material

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

2 結(jié)果與討論

2．1 破壞形態(tài)

兩次標(biāo)準(zhǔn)實驗遮彈層的破壞形態(tài)相近，如圖4（a）～（b）所示。遮彈層正面彈坑的直徑約為90cm，均深約為5cm；完全破碎區(qū)直徑約為30cm，最大深度約為15cm；10條大裂紋呈輻射狀，最大寬度約為2cm。遮彈層背面明顯凸起，密布網(wǎng)狀裂紋，但是無裸露鋼筋，無貫穿和大塊脫落的現(xiàn)象。兩次對比實驗遮彈層破壞形態(tài)相近。由圖4（c）可知，對比實驗正面彈坑的直徑約為110cm，均深約為8cm；完全破碎區(qū)直徑約為55cm，最大深度約為30cm；16條大裂紋呈輻射狀，最大寬度約為4cm。起吊過程中遮彈層中心有直徑約為50cm的混凝土脫落，上下貫穿。遮彈層背面出現(xiàn)混凝土大面積脫落，大量鋼筋暴露，輻射狀裂紋密布的現(xiàn)象，如圖4（d）所示。

綜上所述，對比實驗遮彈層的破壞更加嚴(yán)重，從而消耗了更多的能量，降低了傳入分配層的沖擊波能量。由圖4（e）可知，對比實驗分配層的中心出現(xiàn)了直徑約為80cm、深約為20cm的成坑，坑中泡沫陶瓷破碎嚴(yán)重；周圍部分破碎主要集中在上兩層。兩次對比實驗共回收得到5個破碎的PVC殼體，如圖4（f）所示。本次實驗條件與文獻［5］相同，與之相比，本次實驗中分配層的破壞情況明顯減弱，且絕大多數(shù)PVC殼體沒有破損，能繼續(xù)起到支撐和削波作用，因此，新型空殼顆粒分配層可以顯著提高防護結(jié)構(gòu)的二次抗爆能力。

圖4 試件的破壞形態(tài)Fig．4 Failure patterns of specimens

2．2 沖擊波形分析

由于曲線較多且基本規(guī)律相同，取標(biāo)準(zhǔn)實驗2和對比實驗1測點S2處應(yīng)力峰值進行對比，如圖5所示。從圖5可以看出：標(biāo)準(zhǔn)實驗2中沖擊波作用時間短（8．1ms），上升沿極短（0．5ms），應(yīng)力峰值高（4．20MPa）；而對比實驗1中沖擊波作用時間和上升沿相對較長（分別為17．9和2．9ms），應(yīng)力峰值較低（2．07MPa）。上升沿和應(yīng)力峰值是衡量沖擊波強度的重要指標(biāo)，對比實驗中沖擊波上升沿超過標(biāo)準(zhǔn)實驗的兩倍，應(yīng)力峰值小于標(biāo)準(zhǔn)實驗的1／2，沖擊波以較緩和的方式通過防護結(jié)構(gòu)，因此防護結(jié)構(gòu)所受損傷降低，抗爆能力提高。另外，圖6給出了黃沙和泡沫陶瓷應(yīng)變能示意圖，其中σ0表示平臺應(yīng)力和壓實應(yīng)力之間的某個應(yīng)力值。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)試驗和對比試驗中測點S2波形對比Fig．5 Comparison of waveform of sensor S2in standard test with that in contrast test

圖6 黃沙與泡沫陶瓷應(yīng)變能示意圖Fig．6 Sketch of strain energies of sand and foamed ceramic

沖擊波的作用時間、上升沿、峰值和沖量數(shù)據(jù)見表2，“－”代表無有效數(shù)據(jù)。由表2可知：每個測點對比實驗沖擊波的作用時間均為標(biāo)準(zhǔn)實驗的2倍左右，上升沿是標(biāo)準(zhǔn)實驗的5～8倍，說明新型空殼顆粒彌散沖擊波的能力遠超黃沙；對比實驗中沖量減小程度不大，說明降低沖擊波沖量不是新型空殼顆粒減弱沖擊波破壞的主要因素。采用應(yīng)力峰值比作為衡量分配層削波性能的指標(biāo)：

表2 4次實驗的沖擊波數(shù)據(jù)對比Table 2 Contrast of shock wave data in four tests

表3 7個測點的B值Table 3 Bvalues of 7sensors

2．3 結(jié)果分析

本節(jié)從多個角度對空殼顆粒削波耗能機理進行分析。首先，運用遮彈層／分配層界面應(yīng)力波透射和反射作用說明新型空殼顆粒具有更好的削波耗能效果的機理，應(yīng)力波的反射系數(shù)R與透射系數(shù)T的表達式為：

式中：k＝ρ″c″／（ρ′c′）為界面的波阻抗，其中ρ′、c′和ρ″、c″分別為遮彈層和分配層材料的密度和波速。采用表1中的材料參數(shù)，通過計算可得黃沙分配層和泡沫陶瓷分配層的反射系數(shù)和透射系數(shù)為：

式中：下標(biāo)“1”和“2”分別表示黃沙和新型空殼顆粒材料。由此可知，黃沙分配層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了相當(dāng)于入射波0．59倍的反射拉伸波；而在空殼顆粒分配層結(jié)構(gòu)中，由于遮彈層／分配層界面包含混凝土／泡沫陶瓷和混凝土／空氣兩種，反射拉伸波強度相當(dāng)于入射波的0．81倍。拉伸波是脆性材料層裂破壞的主要原因，而新型空殼顆粒材料反射拉伸波更強，這是空殼顆粒分配層結(jié)構(gòu)的遮彈層破壞更嚴(yán)重的主要原因，如圖4（c）～（d）所示。另一方面，黃沙作為分配層時，T1≈0．41，即相當(dāng)于入射波的0．41倍的壓縮波傳入了黃沙分配層，而新型空殼顆粒材料作為分配層時，T2≈0．19，比分配層為黃沙時小，這是空殼顆粒結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值小于黃沙分配層結(jié)構(gòu)的主要原因。

從耗能角度來講：首先，黃沙的孔隙率小于10%，而泡沫陶瓷的孔隙率則在30%以上，并且其顆粒燒結(jié)在一起，壓實過程中伴隨破碎摩擦，能夠消耗更多的能量；其次，如圖6所示，泡沫陶瓷的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系有很長的平臺段［6］，當(dāng)黃沙和泡沫陶瓷的應(yīng)力同時達到σ0時，泡沫陶瓷存儲的應(yīng)變能遠大于黃沙，因此空殼顆粒可以比黃沙消耗更多的能量。根據(jù)彈塑性應(yīng)力波知識，泡沫陶瓷應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系中的平臺段對應(yīng)力波有很強的彌散作用。應(yīng)力波在泡沫陶瓷中傳播時，分為較快的彈性波和較慢的塑性波，原來的階躍波彌散為連續(xù)波，這是對比實驗中沖擊波作用時間和上升沿更長的原因之一。此外，空殼顆粒內(nèi)部和它們之間大量存在的孔穴，對應(yīng)力波有很強的繞射和弱化作用［6］。應(yīng)力波繞射過程中，孔穴背后有一定范圍的應(yīng)力衰弱區(qū)［3］，因此對比實驗中緊靠分配層的部分應(yīng)力波峰值較小，隨后先上升后下降，這是測點S5位置應(yīng)力峰值高于S2位置應(yīng)力峰值的原因。

3 結(jié) 論

通過集團裝藥大比尺野外化爆實驗和對實驗的理論分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）對比實驗中遮彈層破壞程度更加嚴(yán)重，遮彈層消耗了更多的爆炸波能量，說明新型空殼顆粒分配層可以更好的反射沖擊波；

（2）相比普通空殼顆粒，新型空殼顆粒分配層的破壞情況大幅降低，PVC殼體的完好率極高，大大提高了二次防爆能力，同時延長了人防工程的使用年限；

（3）新型空殼顆粒分配層大大降低了應(yīng)力波峰值并延長其作用時間和上升沿，削波耗能效果明顯優(yōu)于黃沙分配層，減少了爆炸波對結(jié)構(gòu)頂板的破壞，其防護性能優(yōu)于黃沙分配層防護結(jié)構(gòu)。

［1］ 趙凱．分層防護層對爆炸波的衰減和彌散作用研究［D］．合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007．

［2］ Li X Y，Li Y C，Zhao K，et al．Mechanical properties of sialic foamed ceramic and applications in defense structure［J］．Chinese Physics Letters，2014，31（8）：086201．

［3］ 李永池，姚磊，沈俊，等．空穴的繞射隔離效應(yīng)和對后方應(yīng)力波的削弱作用［J］．爆炸與沖擊，2005，25（3）：193－199．Li Yongchi，Yao Lei，Shen Jun，et al．Insulation effect of the cavity on stress wave［J］．Explosion and Shock Waves，2005，25（3）：193－199．

［4］ 宋宏偉，虞鋼，范子杰，等．多孔材料填充薄壁結(jié)構(gòu)吸能的相互作用效應(yīng)［J］．力學(xué)學(xué)報，2005，37（6）：697－703．Song Hongwei，Yu Gang，F(xiàn)an Zijie，et al．Interaction effect in energy absorption of porous material filled thinwalled structure［J］．Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2005，37（6）：697－703．

［5］ 趙凱，羅文超，李煦陽，等．人防工程中空殼顆粒材料抗爆性能試驗研究［J］．實驗力學(xué)，2012，27（2）：189－194．Zhao Kai，Luo Wenchao，Li Xuyang，et al．Experimental study of explosion load bearing performance of shelly cellular material used in civil defense engineering［J］．Journal of Experimental Mechanics，2012，27（2）：189－194．

［6］ 趙凱，羅文超，王肖鈞．粘土質(zhì)泡沫陶瓷力學(xué)性能實驗研究［J］．振動與沖擊，2012，31（21）：50－53．Zhao Kai，Luo Wenchao，Wang Xiaojun．Tests for mechanical behavior of clay ceramic foam［J］．Journal of Vibration and Shocks，2012，31（21）：50－53．

Experimental study of a novel shelly cellular material used in civil defense engineering

Sun Xiaowang1，Li Yongchi1，Ye Zhongbao1，Zhao Kai1，Zhang Chunxiao2，Ma Jian1，Zhang Yongliang1

（1．Department of Modern Mechanics，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，Anhui，China；2．The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquaters of the General Staff，Luoyang471023，Henan，China）

A novel shelly cellular material made of PVC lining and foamed ceramics shell was developed in this paper．Large scaled explosion tests were performed to study the damage condition and energy absorption performances of civil defense engineering using sand or the novel shelly cellular material as the attenuation layer．The test results show that the energy dissipation capacity of the shelly cellular material is better than that of sand，and the maximum stress in the test using novel material as the attenuation layer decreases by about 50%compared to that when using sand as the attenuation layer under the same explosion loading．In addition，the damage degree is much smaller compared with the conventional shelly cellular material．Therefore，it can be concluded that the novel shelly cellular material can significantly improve the capability of civil defense engineering and have broad prospects of military application．

novel shelly cellular material；civil defense；attenuation layer；explosion wave；anti－explosion performance

O381國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10．11883／1001－1455（2017）04－0643－06

（責(zé)任編輯 王玉鋒）

2015－12－18；

2016－04－11

國家自然科學(xué)基金項目（11472008，1402266）；安徽省自然科學(xué)基金重點項目（KJ2016A315）

孫曉旺（1987－ ），男，博士，講師；通信作者：趙 凱，kzhao＠ustc．edu．cn。