Page 174 - 《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

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(3) 层裂过程中，混凝土拉伸应变率范围为 10 ～10 s ，混凝土的拉伸强度 DIF 范围为 6～8。
−1
3
(4) 不考虑钢筋对应力波传播的影响。
(5) 聚脲材料类型众多，学者们在 RC 结构抗爆加固研究中所用聚脲的密度大多在 977～1 121 kg/m 3
范围内（见表 1），假设这些聚脲的弹性纵波波速接近，大约为 1 660 m/s。
(6) 喷涂聚脲前，RC 基板表面处理中所用底漆通常为双组份环氧改性聚氨酯底漆 [1, 9, 12-13, 16-21] ，形成
的黏接层厚度远小于聚脲涂层厚度，其物理效应可等效为界面过渡区，而非独立介质层，忽略其对混凝
土-聚脲反射系数的影响。

4 聚脲涂层对 RC 基板临界层裂和贯穿的影响分析

4.1 聚脲涂层对 RC 基板临界层裂的影响
第 3.3 节的 RC 基板层裂深度解析模型表明，背面喷涂聚脲涂层后，混凝土-聚脲界面仅影响 RC 基板
的第 1 次层裂。首次层裂后的层裂过程与 RC 裸板相同，压缩波在混凝土-空气自由面上发生反射。对
比式 (1) 和式 (7) 可以看出，RC 裸板仅发生 1 次层裂时，入射压缩波需满足 σ ≥f ；而对于背面喷涂聚脲
p d
RC 基板，仅发生 1 次层裂则需满足 σ ≥f /a=f /0.663。当 f /0.663＞σ ＞f 时，RC 裸板发生层裂，而背面
p d d d p d
喷涂聚脲 RC 基板则不会发生层裂。显然，与 RC 裸板相比，聚脲涂层提高了 RC 基板的临界层裂抗力。
对比图 3 和图 5 可以发现，RC 裸板中的净应力波是拉伸波（见图 3），而背面喷涂聚脲涂层后，RC 基
板中紧邻混凝土/聚脲界面的净应力波则为压缩波（见图 5），在更深处混凝土中的净应力波才为拉伸
波。因此，如果发生层裂，喷涂聚脲涂层后的首次层裂深度会大于 RC 裸板，产生的混凝土破片尺寸可能
会增大。例如，对于强度等级 C40 的常规混凝土，依据式 (2) 计算得到 f 的范围为 21～28 MPa，这里取
d
f =21 MPa；假设入射压缩波幅值 σ =f /a≈32 MPa，入射压缩波的波长为 λ。在此条件下，RC 裸板和背面
d
p
d
喷涂聚脲 RC 基板均只发生 1 次层裂。依据式 (1) 计算得到 RC 裸板层裂深度 S =0.33λ；依据式 (11)
d
计算得到背面喷涂聚脲 RC 基板层裂深度 S=0.5λ，是 RC 裸板的约 1.5 倍。
4.2 聚脲涂层对 RC 基板贯穿的影响
压缩坑与层裂坑深度之和等于 RC 板厚度时，会发生贯穿 [2, 24, 33] 。第 1 节的研究表明背面喷涂聚脲
RC 基板的压缩坑与 RC 裸板相同。因此，聚脲涂层对 RC 基板贯穿的影响，主要体现在其对基板总层裂
深度的影响。根据式 (1) 和式 (11)，可以得到 RC 裸板总层裂深度 S 与背面喷涂聚脲 RC 基板总层裂深
d
度 S 的比值为：
S n f d +(1−a)σ p nf d +0.337σ p
= = (12)
S d N f d N f d
式中：a=|r|=0.663。由于 N 的值为小于等于 σ /f 的最大整数，n 的值为小于等于 aσ /f 的最大整数，根据
d
d
p
p
式 (12) 可以得到：
1 S 1
1− ＜ ＜1+ (13)
N S d N
当贯穿发生时，有理由认为 RC 板会发生多次层裂，且 RC 裸板的层裂次数 N 显著大于 1。式 (13)
表明，当 N 较大时，S 与 S 的比值趋近于 1，这表明聚脲涂层对 RC 基板的总层裂深度影响较小。
d
为了验证上述结论的有效性，结合 Tu 等 [24] 给出的算例进行详细分析。该算例的条件为：常规混凝
土强度为 36 MPa，RC 板厚度为 100 mm；圆柱体 TNT 药柱长径比为 1∶1，药量为 168 g；Tu 等 [24] 根据其
提出的应力波衰减公式，计算得到 RC 板背面入射压缩波幅值 σ = 178.3 MPa，波长 λ=105.8mm。由式 (2)
p
计算得到混凝土动态拉伸强度 f 范围为 19.6～26.2 MPa，这里取 f = 19.6 MPa。由式 (1) 计算得到 RC 裸
d
d
板层裂次数 N = 9，总层裂深度 S = 52.34 mm。假设在 RC 板背面喷涂聚脲涂层，由式 (11) 计算得到
d
RC 基板层裂次数 n = 6，总层裂深度 S = 52.72 mm。在这两种情况下，每次层裂对应的层裂深度见图 6。
可以看出，在 RC 裸板的 9 次层裂中，每次层裂深度均为 5.82 mm；喷涂聚脲后，RC 基板首次层裂深度为

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