涂覆泡沫混凝土墻體的抗爆防護(hù)性能研究

高一軒 郭佳輝 劉昌偉

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094）

0 引言

泡沫混凝土又稱發(fā)泡水泥，是一種含有大量細(xì)小的封閉氣孔，并具有一定強(qiáng)度的混凝土制品。將其涂覆在墻體外可有效地削弱爆炸產(chǎn)生的沖擊波的作用，進(jìn)而對(duì)其涂覆的墻體起到保護(hù)作用，在抗爆防護(hù)領(lǐng)域內(nèi)有著極大的使用價(jià)值。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)泡沫混凝土的吸能特性，和抗爆性能等方面做了大量的研究。國(guó)內(nèi)方面，嚴(yán)龍勝等[1]通過數(shù)值模擬研究了含有聚苯乙烯的輕混凝土對(duì)隧道防爆特性的影響。洪鑫等[2]從密度、氣泡孔數(shù)量與大小、原材料等角度分析了影響泡沫混凝土節(jié)能減震效果的因素，分析了其影響機(jī)理。杜玉蘭[3]等采用室內(nèi)小型平板模型實(shí)驗(yàn)，研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)中的泡沫混凝土層的厚度、位置對(duì)于抗爆性能的影響。張景飛等[4]進(jìn)行了爆炸載荷沖擊下的泡沫混凝土節(jié)能減震實(shí)驗(yàn)，分析了不同材料參數(shù)下的泡沫混凝土的吸能特性。宋林波等[5]發(fā)現(xiàn)波紋型結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的防護(hù)能力明顯優(yōu)于普通平板型，得到了波紋周期越小，防護(hù)效果越好的規(guī)律。

國(guó)外方面，D.K.Panesar 研究了空氣含量及不同種類發(fā)泡劑對(duì)于泡沫混凝土的坍落度、塑性空氣含量和塑性密度等性能以及其他性能，包括硬化密度、抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)彈性模量和耐熱性的影響。本文主要對(duì)泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)行分析，計(jì)算在不同炸高工況下泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的抗爆能力。

1 數(shù)值仿真有限元模型選定及材料模型參數(shù)

1.1 有限元模型選定

采用尺寸為：Φ25mm×38mm 的圓柱形TNT 炸藥。為了劃分網(wǎng)格及后期運(yùn)算的簡(jiǎn)便，空氣域與泡沫混凝土結(jié)構(gòu)也均采用圓柱形建模，泡沫混凝土結(jié)構(gòu)尺寸為：Φ300mm×20mm。空氣域?qū)⒄ㄋ幖芭菽炷涟谄渲?。建模如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

在數(shù)值仿真計(jì)算的過程中，模型整體為圓柱形，因此在建模時(shí)采用1/4 模型進(jìn)行計(jì)算。為了防止網(wǎng)格數(shù)量過多，控制求解規(guī)模，網(wǎng)格劃分采用“中密邊疏”的方式，即爆炸區(qū)域網(wǎng)格較為密集，單元網(wǎng)格尺寸大小在1mm×1mm×1mm 左右，隨著遠(yuǎn)離爆炸區(qū)域，網(wǎng)格尺寸逐漸增大。

1.2 材料模型參數(shù)設(shè)置

1.2.1 炸藥與空氣材料模型及參數(shù)

在三維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的構(gòu)建中，炸藥與空氣采用歐拉網(wǎng)格，泡沫混凝土結(jié)構(gòu)采用拉格朗日網(wǎng)格，并利用了ALE 算法進(jìn)行了網(wǎng)格耦合。

1.2.2 泡沫混凝土結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)

泡沫混凝土的模型采用了MAT_BRITTLE_DAMAGE 模型，是一種各向同性、脆性、損傷模型，并被廣泛應(yīng)用于脆性材料模型中。為了模擬泡沫混凝土在沖擊毀傷下的破碎效果，同時(shí)防止網(wǎng)格畸變發(fā)生負(fù)體積錯(cuò)誤，采用MAT_ADD_EROSION 關(guān)鍵字定義單元失效。當(dāng)單元中的主應(yīng)變達(dá)到破壞準(zhǔn)則時(shí)，將單元從計(jì)算中刪除。其材料參數(shù)及失效參數(shù)設(shè)置見表1、表2。

表1 泡沫混凝土材料參數(shù)

表2 泡沫混凝土失效參數(shù)

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的加速度和迎爆面、背爆面壓力進(jìn)行了分析。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果及統(tǒng)計(jì)，可以得出隨著炸高的增加，泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的加速度有所下降，加速度與炸高之間呈線性關(guān)系。可知隨著炸高的增加，泡沫混凝土結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)處單元的迎爆面壓力會(huì)隨之下降，在炸高達(dá)到160mm 后，下降速度開始趨于平緩。背爆面壓力變化趨勢(shì)與迎爆面基本相同。

抗爆能力的計(jì)算公式為

式中，1為迎爆面壓力，2為背爆面壓力。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨著炸高的增加，泡沫混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸沖擊波的抗爆能力也會(huì)增強(qiáng)，因此，在選擇涂覆泡沫混凝土位置時(shí)，應(yīng)選擇距離爆炸處相對(duì)較遠(yuǎn)的位置，其抗爆性能會(huì)更好。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，開展了靜爆威力試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方案與布置

試驗(yàn)所用泡沫混凝土靶板的尺寸為300mm×300mm×20mm，其中心設(shè)置了加速度測(cè)點(diǎn)。所用炸藥為TNT 圓柱形壓制炸藥，裝藥規(guī)格為30g，尺寸為Φ25mm×38mm。由于地面為混凝土剛性面，爆炸后加速度傳感器和測(cè)試線飛出容易被損壞，所以在試驗(yàn)時(shí)使用塑料泡沫保護(hù)傳感器線路。共進(jìn)行了兩次試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖2 所示。

圖2 加速度測(cè)量結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果基本相同，誤差在可接受范圍之內(nèi)，由此可以認(rèn)定數(shù)值仿真的結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)五種不同炸高工況下的數(shù)值仿真計(jì)算，研究了泡沫混凝土的抗爆防護(hù)性能。為確保數(shù)值仿真計(jì)算準(zhǔn)確可靠，進(jìn)行了其中一種工況下的試驗(yàn)。通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，誤差在可接受范圍內(nèi)，因此可確定數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性。得出的結(jié)論如下：

（1）泡沫混凝土結(jié)構(gòu)可吸收爆炸沖擊波的能量，從而有效地衰減爆炸沖擊波的威力。在藥量30g，炸高80mm 的工況下，泡沫混凝土結(jié)構(gòu)背爆面處的超壓已不會(huì)毀傷普通的混凝土墻或砌體墻。

（2）泡沫混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸沖擊波的衰減程度隨著炸高的增加也有著上升的趨勢(shì)，因此，將泡沫混凝土涂覆在距離爆炸相對(duì)較遠(yuǎn)的位置時(shí)，其抗爆能力更好。