Page 172 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 郭士旭，等： 接触爆炸条件下聚脲涂层对RC基板层裂和贯穿的影响 第 12 期

3.2 压缩波垂直入射时反射系数和透射系数的确定
学者们 [36-38] 开展了聚脲材料冲击状态方程（Hugoniot 方程）的研究。Mock 等 [36] 对 Polyurea 1000 聚
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脲（密度为 1 098 kg/m ）进行了飞板撞击试验，得到冲击波速度与粒子速度 u -u 的 p Hugoniot 线，发现
s
u 和 s u 之间具有线性关系，u = 0 时，u =1 850 m/s。Jordan 等 [37] 也研究了聚脲（密度为 1 104±10 kg/m ）的
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p
p
s
Hugoniot 特性，并与已有的试验结果进行了对比，发现 u = 0 时，u =1 950 m/s。Mock 等 [36] 和 Jordan 等 [37]
s
p
均认为弹性纵波速度为 1 660 m/s，略小于 u = 0 时的冲击波速度。Carter 等 [38] 在对 20 余种聚合物的研究
p
中也发现了该现象，认为可能的原因是聚合物的剪切强度引入了刚体效应，导致在飞板撞击试验中，聚
合物试样未处于理想一维应力状态。上述的研究表明，尽管聚脲材料存在差异，但 u -u Hugoniot 线相
p
s
似，弹性纵波波速可能接近。本文中聚脲材料弹性纵波波速取 1 660 m/s。表 1 列出了在接触爆炸试验中
所用聚脲材料的物理力学性能，密度范围为 977～1 121 kg/m ，其中 POZD 聚脲得到较多研究。因此，本
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文中聚脲密度取 1 020 kg/m ，得到聚脲材料的弹性波波阻抗约为 1.69 MPa·s/m。
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表 1 接触爆炸试验中所用聚脲材料物理力学性能
Table 1 Physical and mechanical properties of polyurea used in contact explosion tests
−3
断裂伸长率/% 弹性模量/MPa 拉伸强度/MPa 密度/(g·cm ) 黏结强度/MPa 来源
120 161 / 1.120 ＞混凝土抗拉强度 (1) 文献[1]
451 84.01 22.6～25.4 0.977 5或混凝土破坏 (2) 文献[12-13]
105 234 18 1.121 / 文献[14]
465 / ≥25 1.02 ≥3.5 文献[9,16-21]
≥400 / ≥25 1.068 ≥2.5 文献[15]
注：(1) 文献 [1] 未报道黏结强度，但指出黏结强度大于混凝土抗拉强度。
(2) 文献 [12] 指出底漆与混凝土基底附着强度可达 5 MPa。常规 C40 混凝土的抗拉强度通常低于 5 MPa，此处明确为 5 MPa 或混
凝土破坏。

[7]
3
Van Amelsfort 等 的研究中，常规混凝土的强度为 25～30 MPa，密度约为 2 200 kg/m ，弹性波速约为
3
3 500 m/s。Tu 等 [2, 24] 的研究中，强度为 36 MPa 的混凝土，密度为 2 314 kg/m ，弹性波速约为 3 600 m/s。
本文中强度等级为 C40 的常规混凝土，其密度和弹性波速参考 Tu 等 [2, 24] 的数值，得出混凝土波阻抗约
为 8.33 MPa·s/m。将上述聚脲和混凝土的波阻抗代入式 (5)，可以得到压缩波垂直入射时的反射系数 r 和
透射系数 k：
ρ p c p −ρ c c c 2ρ p c p
r = = −0.663， k = = 0.337 (6)
ρ p c p +ρ c c c ρ p c p +ρ c c c
3.3 喷涂聚脲 RC 基板层裂深度解析模型
混凝土-聚脲界面处应力波传播和混凝土层裂过程，如图 5 所示，其中入射压缩波被简化为无明显上
升时间的三角波，幅值为 σ ，波长为 λ。在 t 时刻，混凝土中的入射压缩波抵达混凝土-聚脲界面，虚拟的
0
p
反射拉伸波（图中虚线三角波）幅值为 rσ ，其中 r 为反射系数（−1＜r＜0）。在 t 时刻，入射波与反射波叠
1
p
加后的净应力波 σ 仍为压缩波，混凝土处于压缩状态。在 t 时刻，净应力波由压缩波和拉伸波两部分组
n
2
成，其中紧邻混凝土-聚脲界面的是压缩波，而拉伸波则位于混凝土更深处。在 t 时刻，距界面 d 深处的
1
3
净拉伸应力 σ 超过了混凝土动态拉伸强度 f ，导致发生第 1 次层裂（层裂深度为 d ），形成新自由面（为
n
d
1
混凝土/空气界面）。幅值为 σ 的剩余入射压缩波在新自由面上继续反射。依此继续，可能会发生多次
3
p
层裂，层裂的总深度不断增加。当层裂坑与压缩坑相遇时，RC 基板将发生贯穿。
上述分析中未考虑聚脲涂层中透射压缩波对混凝土层裂的影响，这里作如下解释：通常，聚脲涂层
的厚度（数毫米至十几毫米）远小于 RC 板，聚脲中的透射波 σ 沿涂层厚度方向传播，抵达聚脲/空气界面
t
时反射为拉伸波，并可能在聚脲/混凝土界面透射，进入混凝土。3.2 节中指出，混凝土波速（3 600 m/s）是
聚脲波速（1 660 m/s）的 2 倍多。在聚脲涂层中，拉伸波传播至聚脲/混凝土界面的过程中，混凝土中反射
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