王 剛，許香照，鄭 楷

(1.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076；2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

1 引 言

混凝土類材料具有極其復(fù)雜的動力學(xué)特性，涉及材料應(yīng)變率敏感性、靜水壓力相關(guān)特性、裂紋擴展導(dǎo)致的各向異性、拉壓不對稱性及剪脹與體積塑性、應(yīng)變軟化、加卸載的非線性滯徊特性等[1]。由于混凝土在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它的動態(tài)力學(xué)行為一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。目前，國內(nèi)外對混凝土的破壞機理研究主要集中在中等應(yīng)變率區(qū)域，應(yīng)變率范圍一般在1～100 s-1以內(nèi)，實驗加載技術(shù)主要采用分離式Hopkinson壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)[2-3]。爆炸和高速沖擊加載技術(shù)能夠?qū)?yīng)變率加載到102～104s-1級。大量實驗表明，在不同應(yīng)變率下，混凝土的力學(xué)行為往往各不相同。因此，針對混凝土在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能這一薄弱環(huán)節(jié)進行全面系統(tǒng)的研究，對于正確評價結(jié)構(gòu)的抗沖擊、抗爆安全度，實現(xiàn)經(jīng)濟、合理的設(shè)計和建設(shè)工程結(jié)構(gòu)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

聚能裝藥能夠?qū)崿F(xiàn)對混凝土的高應(yīng)變率加載，是一種兼具爆炸和高速沖擊的加載技術(shù)，也是目前戰(zhàn)斗部中常用的結(jié)構(gòu)。聚能裝藥雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高應(yīng)變率加載，但目前對其侵徹混凝土的研究主要還集中在孔洞大小和侵深方面，對混凝土靶的整體破壞行為研究則少有文獻報道。Held等人[4]將射流簡化成一條直線，采用流體動力學(xué)理論分析了射流侵徹混凝土過程，并建立破孔孔徑模型，得到了破孔孔徑隨時間變化的規(guī)律；王靜等人[5]對靶體阻力進行分析，推導(dǎo)、驗證了靶體阻力僅與混凝土材料本身屬性相關(guān)，并基于虛擬原點法給出了侵深和孔徑的計算公式；王輝[6]對聚能裝藥載荷下混凝土材料的動態(tài)響應(yīng)進行了分析研究，基于實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式給出了一種實用的工程應(yīng)用模型；段卓平等人[7]研究了起爆模式對聚能裝藥侵徹鋼筋混凝土靶板的影響，驗證了多點環(huán)形起爆模式下聚能裝藥對鋼筋混凝土的侵徹性能優(yōu)于其他起爆模式；Murphy等人[8-9]對聚能裝藥結(jié)構(gòu)的影響進行了詳細的實驗和數(shù)值模擬研究，得到了藥型罩材料、錐角、壁厚和炸高對聚能裝藥侵徹混凝土性能的影響規(guī)律；黃風(fēng)雷等人[10]采用脈沖X光測試技術(shù)獲得了大錐角藥型罩形成侵徹體的形狀和侵徹過程，研究了侵徹體對整體靶和多層混凝土靶的侵徹性能。寧建國課題組對射流形成及各參數(shù)的影響進行了數(shù)值計算及實驗研究，并開發(fā)了二維軟件平臺EXPLOSION-2D[11-12]。

目前對聚能裝藥侵徹混凝土的研究少有關(guān)注混凝土的整體破壞行為，且實驗研究大部分集中在小口徑聚能裝藥結(jié)構(gòu)上，混凝土靶板的尺寸也相對較小。然而混凝土材料具有很強的尺寸效應(yīng)，不同尺寸的混凝土其組成材料的尺寸也存在巨大差異，導(dǎo)致小尺寸混凝土靶的研究結(jié)論難以推廣到大尺寸混凝土靶上。為此，我們開展大口徑聚能裝藥侵徹厚混凝土靶的實驗研究，以便于研究聚能裝藥侵徹混凝土的具體毀傷程度；對實驗后的混凝土靶板進行剖切以觀測混凝土靶體的內(nèi)部毀傷程度，并對不同位置處的混凝土進行強度測試，以獲取混凝土靶板的破壞行為。

2 聚能裝藥侵徹混凝土靶的作用機理

聚能裝藥侵徹混凝土靶板包含兩個過程，即聚能裝藥成型和成型后的金屬射流對混凝土靶板的侵徹過程。聚能裝藥藥型罩壓垮形成射流的過程可分為炸藥爆轟階段、藥型罩壓垮階段、壓垮點射流形成階段和射流伸長階段[13-14]。成型后的金屬射流對混凝土靶板的侵徹過程可分為射流頭部剛開始侵徹混凝土靶板的初始侵徹階段、射流連續(xù)侵徹混凝土靶板的連續(xù)侵徹階段和射流侵徹即將結(jié)束時的非連續(xù)侵徹階段[15-17]。

2.1 聚能裝藥形成金屬射流的成型機理

聚能裝藥結(jié)構(gòu)一般在底部設(shè)置起爆點。炸藥起爆后，產(chǎn)生的爆炸沖擊波在炸藥內(nèi)部快速傳播，引發(fā)周圍炸藥的爆轟并對藥型罩進行壓縮，此為炸藥爆轟階段。緊接著進入藥型罩壓垮階段，爆炸沖擊波經(jīng)過藥型罩之后，在爆炸沖擊波的高壓作用下，藥型罩微元將以很高的壓垮速度向軸線方向運動，壓垮速度的大小和方向由藥型罩的初始幾何位置及壁厚決定。由于聚能裝藥結(jié)構(gòu)一般為軸對稱結(jié)構(gòu)，故當(dāng)藥型罩被壓垮之后，其微元將在軸線處匯聚形成射流成型區(qū)域，即進入壓垮點射流形成階段；形成后的射流將沿著軸線繼續(xù)運動，且在運動過程中速度不斷地發(fā)生變化。不同位置處藥型罩微元的壓垮角度不同，到達軸線的位置也不相同，且以壓合點為分界面分成兩個部分：向前運動的射流和向后運動的杵體。形成射流和杵體之后就進入射流拉伸階段，射流的速度比杵體高得多，且兩者的速度在成型過程中不斷地變化。在整個射流形成過程中，射流內(nèi)部存在正、負速度梯度，正速度梯度導(dǎo)致射流不斷地拉伸，而負速度梯度將造成射流的局部質(zhì)量堆積。一般來說，質(zhì)量堆積均發(fā)生在射流頭部，其它部位基本處于拉伸狀態(tài)。隨著時間的增加，射流被不斷拉伸，到某一拉伸極限時射流將會發(fā)生斷裂，其運動方向可能發(fā)生變化且不再保持連續(xù)狀態(tài)，最終導(dǎo)致射流的侵徹性能急劇下降。

圖1 射流成型過程Fig.1 Shaped-charge forming process

2.2 射流侵徹混凝土靶的作用機理

聚能裝藥成型形成射流后，在射流頭部觸靶之前，射流將不斷被拉伸、變長。射流頭部觸及混凝土靶時，接觸位置處混凝土靶板的壓力、溫度及速度將發(fā)生突變，同時產(chǎn)生一個強沖擊波入射進混凝土靶板和一個反射沖擊波進入射流中。隨著射流的侵徹，頭部區(qū)域會有金屬射流堆積，并有一部分向靶板表面方向反濺，此過程是一個不穩(wěn)定的階段，接觸區(qū)域的壓力、溫度和速度發(fā)生急劇變化?；炷涟猩媳砻媸艿秸ㄋ幈óa(chǎn)生的爆炸沖擊波和射流侵徹混凝土產(chǎn)生的強應(yīng)力波的綜合作用，將形成一個孔徑較大的倒錐形坑。隨著射流侵徹混凝土靶的深入，進入一段穩(wěn)定侵徹的階段，在該階段，射流自接觸點往后速度不斷下降，接觸點處的參數(shù)連續(xù)下降，此時射流侵徹混凝土靶形成的孔洞近似圓柱形。隨著侵徹的深入，后續(xù)的金屬射流由于速度梯度的存在將不斷拉伸甚至發(fā)生斷裂，此時穿孔的表面出現(xiàn)弧面，顯得不再光滑。

對于混凝土而言，在射流侵徹孔洞周圍存在3個區(qū)域：以侵徹孔洞為中心，向外分別是脆性破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。同時，混凝土靶的上表面發(fā)生崩落,混凝土靶板背面產(chǎn)生層裂現(xiàn)象。崩落主要由爆炸沖擊波在近距離對混凝土靶的破壞以及初始侵徹階段射流對混凝土靶的綜合作用造成。層裂是由射流侵徹產(chǎn)生的強應(yīng)力波傳播到背板反射而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力波所造成的，尤其對于混凝土這類壓縮強度遠大于拉伸強度的脆性材料，更易發(fā)生層裂。

3 實驗方案設(shè)計

3.1 聚能裝藥結(jié)構(gòu)

實驗選用侵徹性能較好的等壁厚的90°錐角結(jié)構(gòu)，裝藥直徑為320 mm，裝藥長徑比為1.0∶1.5，選用鑄裝的B炸藥，密度為1.67 g/cm3。藥型罩材料為20鋼，外殼材料為普通45鋼。炸藥和藥型罩的材料參數(shù)分別列于表1和表2。

圖2 聚能裝藥尺寸及結(jié)構(gòu)Fig.2 Dimensions and structure of the shaped-charge

表1 炸藥的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of the explosive composition B

表2 藥型罩的材料參數(shù)Table 2 Material parameters of the linear

3.2 混凝土靶體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于前期的數(shù)值模擬結(jié)果[18-19]可知，本實驗設(shè)計的大口徑聚能裝藥結(jié)構(gòu)所需的混凝土靶體直徑應(yīng)大于4 m。本實驗設(shè)計的混凝土靶為邊長4 m、厚2 m的長方體靶板，整體位于地下，以加強徑向約束預(yù)防靶體的嚴重破壞，同時在混凝土靶體周圍加3圈間隔為10 cm的鋼筋網(wǎng)(由于邊緣處射流侵徹對混凝土的破壞為彈性破壞，因此增加鋼筋抱箍并不影響后期對混凝土其他區(qū)域的分析)，并在下面鋪厚度為0.5 m的砂石，如圖3所示。采用同批次攪拌的混凝土，由澆灌車進行澆筑，澆筑好的混凝土靶表面用塑料薄膜進行密封，采用標準的自然養(yǎng)護方法養(yǎng)護28天。在澆筑時額外澆筑3個邊長為10 cm的立方體混凝土試件，并將其放置在混凝土靶板附近進行相同條件養(yǎng)護，以作混凝土材料強度測試使用。

標準養(yǎng)護28天后，進行聚能裝藥實驗。將聚能裝藥結(jié)構(gòu)放在一個高度為500 mm(炸高為1.56倍裝藥直徑)的空心木架子上，在藥型罩底部裝一個起爆雷管,用于起爆主裝藥。

圖3 靶板及實驗布置Fig.3 Concrete target and experimental arrangement

實驗前對混凝土進行強度測試。測試在澆注混凝土靶板的工廠進行，由于采用的材料測試機僅能測量混凝土的抗壓強度，故僅對混凝土的抗壓強度進行了測試。測試結(jié)果如表3所示，平均抗壓強度為69.4 MPa。圖4為測試前、后混凝土試件的照片。

表3 混凝土材料強度測試結(jié)果Table 3 Concrete material strength test results

圖4 壓縮破壞前、后的混凝土材料試件Fig.4 Concrete material specimens before and after compressed damage

4 實驗結(jié)果分析

爆炸后，射流在混凝土靶上形成一個近似圓柱形的孔洞，靶板表面出現(xiàn)了許多細小裂紋，靶板的整體結(jié)構(gòu)較為完好，未出現(xiàn)大面積的整體結(jié)構(gòu)破壞。混凝土的主要裂紋如圖5(a)所示，在洞口附近有近似圓形的裂紋1，周圍存在幾條較明顯的大裂紋，其中裂紋2貫穿整個靶板，說明射流對整個混凝土靶板均造成毀傷。其他裂紋的寬度比裂紋2小，裂紋整體布局呈現(xiàn)近似對稱，也說明聚能裝藥侵徹混凝土靶的問題是對稱性問題。

實驗過后，過孔洞中心為截面對混凝土靶體進行剖切，由此可觀測聚能裝藥侵徹混凝土靶的內(nèi)部毀傷效果，并可對侵徹孔洞的整體尺寸進行多位置測量，進而得到完整的孔洞尺寸模型。將混凝土剖切開后發(fā)現(xiàn),在沿著裂紋1的圓圈區(qū)域內(nèi)，混凝土呈現(xiàn)嚴重的破壞(見圖5(b))，而在裂紋1以外的混凝土結(jié)構(gòu)破壞程度要小得多。對破壞區(qū)域進行了特寫，如圖5(b)所示，發(fā)現(xiàn)破壞區(qū)域在上、下部分呈現(xiàn)層狀破壞結(jié)構(gòu)，且破壞程度大于中間部分的混凝土。這主要是因為混凝土表面受到爆炸沖擊波的作用從而破壞程度加劇，當(dāng)爆炸沖擊波傳播到背板時，又形成反射拉伸，導(dǎo)致混凝土底部破壞加劇。

從截面圖(見圖5(b))還可以發(fā)現(xiàn)，在混凝土底部出現(xiàn)一個倒錐形坑，這是由于應(yīng)力波傳播到混凝土底部時發(fā)生反射而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力波所造成的背板拉伸破壞?；炷料聦拥氖右渤霈F(xiàn)了一個小坑，采用吸鐵石對坑內(nèi)的碎石進行吸附，發(fā)現(xiàn)吸鐵石上粘有大量粉末狀顆粒，表明聚能裝藥結(jié)構(gòu)貫穿了整個混凝土靶板。

圖5 實驗后的混凝土靶板Fig.5 The concrete target after experiment

對聚能裝藥在混凝土表面形成的開坑直徑和深度進行測量，從多個方向進行測量后取平均值得到，開坑直徑為92.3 cm，深度為32.0 cm，如圖6所示。對不同位置處的孔洞直徑進行測量，根據(jù)實測值可知，射流侵徹混凝土靶板留下的孔洞呈圓柱狀，混凝土靶板表面的孔洞直徑比靶板底部直徑略大，混凝土表面的孔洞直徑達到18.9 cm，中間部分為17.0 cm，底部的孔洞直徑為14.5 cm。

4.1 侵徹后混凝土靶的強度測試

圖7 材料試驗機和16通道應(yīng)變儀Fig.7 Material testing machine and 16-channel strain gauge

從剖切后的靶體中取出標準混凝土試件并測試其抗壓強度，在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上分析可得混凝土靶的大致破壞行為。對比距孔洞中心不同距離處的混凝土試件的抗壓強度，以獲取聚能裝藥對混凝土靶在橫向尺度上的破壞行為；對比距表面不同縱深處混凝土試件的抗壓強度，分析隨著侵徹深度增加射流對混凝土的破壞行為；根據(jù)所有混凝土試件的分布情況和抗壓強度，綜合判定射流對混凝土靶各個區(qū)域的破壞情況及整體破壞行為。

對侵徹過后的混凝土靶板進行材料強度測試，取邊長為10 cm的立方體為試件，以此判定射流對混凝土靶板的損傷。采用200 t的材料試驗機對混凝土試件的抗壓強度進行測試，并用16通道的應(yīng)變測試儀記錄壓縮實驗中試件的應(yīng)變變化情況，如圖7 所示。

對混凝土塊體進行切割，得到共計20個邊長約為10 cm的混凝土塊體試件，其在混凝土靶板內(nèi)的分布情況及部分試件如圖8所示。聚能裝藥侵徹混凝土實驗具有軸對稱特征，因此采用二維剖面顯示混凝土塊體試件所在位置即可。

圖8 混凝土試件取樣分布圖及部分試件Fig.8 Concrete specimen sampling distribution and the polished concrete specimen

對每個塊體切割、打磨，保證其平行度在±0.2 mm以內(nèi)，以確保測試結(jié)果的準確性。在200 t材料試驗機上進行抗壓強度測試，并通過應(yīng)變片測定其彈性范圍內(nèi)的應(yīng)變值，由此可計算得到混凝土塊體的楊氏模量。圖9給出了部分試件的測試結(jié)果。

圖9 部分測試結(jié)果Fig.9 Part of the test results

4.2 侵徹后混凝土靶的破壞行為分析

混凝土試件取自靶板的不同位置，為分析聚能裝藥對混凝土靶板的損傷情況，需要對不同位置處的損傷進行對比分析。記混凝土試件中心距混凝土表面的距離為H，距孔洞中心的距離為L，按照H值的大小對混凝土標準試件進行分組。表4為各組強度測試的結(jié)果。

表4 強度測試結(jié)果Table 4 Comprehensive strength test results

圖10給出了T-1到T-5共5組混凝土試件的強度。隨著L值的增大，5組混凝土試件的抗壓強度基本都呈現(xiàn)上升趨勢，表明混凝土距離孔洞中心越遠，射流對其損傷程度越弱；對于同一個L值的混凝土試件(即對應(yīng)于圖10中同一橫坐標的混凝土試件)，隨著侵徹深度的增加，混凝土的抗壓強度也增加，表明隨著射流的侵徹，它對周圍混凝土的損傷程度越來越弱，損傷范圍也逐漸減小，即混凝土靶板的損傷程度隨著深度的增加越來越弱。從L=95 cm試件的測試結(jié)果可以看出，T-2、T-3、T-4組混凝土試件的抗壓強度要高于T-1組(混凝土表面試件)和T-5組(混凝土底部試件)，表明在孔洞附近,中間部位混凝土的損傷程度要低于上、下部分，與圖5中的結(jié)果一致。

圖10 混凝土試件強度分布Fig.10 Concrete specimens intensity distribution

對靶板強度進行了標準件測試，其混凝土強度為69.4 MPa。以孔洞中心為軸，半徑小于100 cm內(nèi)的混凝土損傷較為嚴重，邊界塊體強度在30 MPa左右，約為原始強度的40%；半徑在100～140 cm范圍內(nèi)的混凝土試件的強度相差不大，均在46 MPa左右，約為原始強度的72%；當(dāng)半徑大于140 cm后，聚能裝藥對混凝土的影響較弱，混凝土幾乎未出現(xiàn)損傷；對于L=105 cm的混凝土試件，底部H=195 cm處試件B-01的抗壓強度(26.5 MPa)與H=15 cm處試件B-31的抗壓強度(21.2 MPa)基本一致，且混凝土的抗壓強度隨著侵徹深度的增加而先增大后減小，表明混凝土靶板的背板拉伸破壞效應(yīng)明顯。混凝土試件B-03的強度略高于試件B-22，表明此區(qū)域的混凝土試件受背板反射拉伸波破壞的影響較弱，由此可以大致判定背板拉伸的破壞半徑約為110 cm。

5 結(jié) 論

開展了大口徑聚能裝藥侵徹厚混凝土靶的實驗研究，對實驗后的混凝土靶板進行剖切,從其內(nèi)部破壞情況觀測分析聚能射流對混凝土靶板的大致?lián)p傷情況，并測量各個位置處的孔洞直徑，得到了聚能裝藥結(jié)構(gòu)侵徹混凝土靶后的孔洞尺寸模型。從剖切后的靶體取出標準混凝土試件并測試其抗壓強度，在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上分析得到了混凝土靶的大致破壞行為，得出的具體結(jié)論如下。

(1) 口徑為320 mm的聚能裝藥完全穿透了尺寸為4 m×4 m×2 m的混凝土靶，并在靶體表面留下較為明顯的貫穿裂紋，表明聚能裝藥結(jié)構(gòu)對整個混凝土靶均造成不同程度的損傷。

(2) 侵徹后在混凝土表面形成的開坑直徑為92.3 cm，深度為32.0 cm?；炷涟猩媳砻娌糠值目锥粗睆竭_到18.9 cm，中間部分為17.0 cm，底部孔洞直徑為14.5 cm，整體呈現(xiàn)近似圓柱狀，與小孔徑情況的倒錐形有所差別。

(3) 剖切后混凝土試件的測試結(jié)果表明，混凝土距離孔洞中心越遠，射流對其損傷程度越弱；隨著侵徹深度的增加，射流對周圍混凝土的損傷程度越來越弱，損傷范圍也逐漸減??；混凝土靶板的背板拉伸破壞效應(yīng)明顯，通過不同區(qū)域的混凝土試件測試結(jié)果可以大致判定，背板拉伸的破壞半徑約為110 cm。

(4) 以孔洞中心為軸，半徑小于100 cm范圍內(nèi)混凝土損傷較為嚴重，邊界塊體強度約為原始強度的40%；半徑在100～140 cm范圍內(nèi)，混凝土試件的強度約為原始強度的72%；當(dāng)半徑大于140 cm后，聚能裝藥對混凝土的影響較弱，混凝土幾乎未出現(xiàn)損傷。

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