Page 91 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 刘志东，等： 高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板的爆炸毁伤缓解效应 第 2 期

and energy absorption characteristics of reinforced concrete slabs with polymer sacrificial cladding were investigated through
parametric sensitivity analysis. The results show that the polymer sacrificial cladding can effectively disperse the blast loads
and mitigate the impact of the blast loads on the reinforced concrete slab with good protective performance under contact
explosions. The polymer sacrificial cladding can maintain a high level of energy absorption even with the explosive charge
increased within limits. Increasing the density and thickness of the cladding is beneficial to enhance the energy absorption
ability of the polymer sacrificial cladding, while the change in thickness will cause a change in the damage mode of the
protected reinforced concrete slab. The research results are helpful in providing a relevant reference for the further research and
application of the new non-water reactive foaming polyurethane in the field of blast protection of engineering structures.
Keywords: polymer; sacrificial cladding; reinforced concrete slabs; contact explosions; damage features

近年来，世界范围内意外爆炸事故频发，给人民的生命财产安全造成了严重危害。例如，2015 年天
津市滨海新区爆炸事故，2020 年黎巴嫩贝鲁特港口爆炸事故，2021 年湖北省十堰市燃气爆炸事故等，均
对当地建筑物造成了严重破坏。为了保护生命和防止工程结构发生严重损坏，使用合理的防护手段对
于缓解爆炸荷载对结构的危害至关重要 [1-3] 。
通过在结构表面设置牺牲包层来缓解爆炸荷载对结构的冲击，在近些年引起了学者们广泛的研究
兴趣。Wu 等 [4] 研究了泡沫铝包层对钢筋混凝土板的爆炸毁伤缓解性能；Rebelo 等 [5] 探究了 3D 打印聚
乳酸蜂窝结构作为牺牲包层可压碎芯时的吸能特性；Bohara 等 [6] 研究了蜂窝夹芯板在近场和远场爆炸
下对钢筋混凝土板的保护作用；范东宇等 对强动载荷下多孔泡沫牺牲层的动态压溃行为及缓冲吸能机
[7]
理进行了研究；Zhao 等 [8] 将泡沫水泥基材料用作隧道衬砌的牺牲包层并对其防护效果进行了评估。这
些研究成果表明，在牺牲包层的选择上，大多更倾向于多孔固体结构。
非水反应发泡聚氨酯（polyurethane, PU）作为一种内部为泡孔结构、质量轻且力学性能优良的高聚
物材料，也具有充当牺牲包层、缓解和抵抗爆炸荷载的潜力。目前，在静态力学领域，因其具有反应迅速
可调节、抗压强度高、早强、耐腐蚀等 [9] 优点，已被广泛应用于地下混凝土管道脱空 [10] 、堤坝渗漏 [11] 、高
速铁路无砟轨道沉降 [12] 等工程病害的非开挖修复中，均呈现出良好的修护效果。另一方面，在爆炸与冲

击领域，高聚物材料的优良力学性能也引起了学者们的广泛关注。Wang 等 [13-14] 通过落锤冲击试验和准
静态压缩试验探究了填充聚氨酯泡沫吸能连接器的失效机理及能量吸收特性；Jamil 等 [15] 研究了热塑性
聚氨酯夹芯板作为牺牲包层的吸能效率；张勇 [16] 对聚氨酯泡沫铝复合结构进行了接触爆炸试验，探讨了
聚氨酯泡沫铝的吸能性能。然而，现有研究成果主要集中于冲击、爆炸作用下聚氨酯及其复合结构的吸
能特性与失效机理，而关于将非水反应发泡聚氨酯材料设置于结构表面充当牺牲包层时的防护性能、特
别是针对钢筋混凝土结构的爆炸毁伤缓解效应的研究还比较少。
本文中，对带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板（polyurethane-reinforced concrete slab, PU-RCS）开展接触
爆炸试验，对比分析高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板的爆炸毁伤缓解效应。在此基础上，建立现场试验
的 SPH-FEM 耦合模型，参数化分析炸药量、高聚物牺牲包层密度、厚度对 PU-RCS 毁伤模式和吸能特性
的影响。研究结果以期为新型非水反应发泡聚氨酯在工程结构抗爆防护领域的进一步研究与应用提供
相关参考。

1 试验概况

图 1 为 PU 试 件 的 制 备 流 程 图 。 图 2 所 示 的 试 验 所 用 PU 牺 牲 包 层 是 由 异 氰 酸 酯 和 多 元 醇 按
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1∶1 的质量比混合后反应生成的，制备的 PU 试件的尺寸为 500 mm×500 mm×60 mm，密度为 0.2 g/cm ，
该密度的 PU 材料被认为具有良好的静态力学性能，且内部泡孔发育充分，其杨氏模量为 35.81 MPa，弹
性极限为 1.54 MPa，屈服强度为 2.04 MPa。
牺牲包层的整体能量吸收能力主要是由其应力应变-曲线中的屈服平台决定的。通过向特制的模
具中注浆，共制备了密度为 0.2 g/cm 、边长为 70.7 mm 的 3 个立方体试件，利用电液伺服万能试验机
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