■ 文/公安部檢測中心 張志江

關鍵字：防爆產品 防爆能力 距離試驗

1 引言

21世紀以來，由于世界各國的恐怖活動日趨猖獗，裝飾華麗、造價高昂的城市高層玻璃幕墻的公共建筑往往成為恐怖分子襲擊的對象。美國的911事件就是典型的代表，作為紐約標志性建筑的世界貿易大廈在遭到爆炸襲擊后瞬間坍塌，給美國造成了不可估量的損失；犯罪分子攜炸藥威脅搶劫銀行營業(yè)場所的案件不斷增多；越來越多的高級轎車對防彈防爆產品需求的增多；一些高檔住宅對裝防爆炸產品的需求也在日益增加等等。因此，用于特殊場所的防爆炸產品是時代賦予的產物。目前應用在社會安全領域的防爆產品主要有：防爆炸復合玻璃、防爆毯、防爆罐（球）、防爆送餐車和排爆服等。近年來，隨著防爆理論和技術的飛速發(fā)展，各種新型的防爆產品不斷地涌現，防爆能力不斷地提高。防爆理論技術是防爆產品設計的基礎，防爆能力判定技術是防爆產品生產規(guī)范的必然要求，這些都是防爆產品標準化的基礎研究工作，具有很好的實用價值。

2 防爆理論技術

2.1 爆炸毀傷載荷

爆炸是物質發(fā)生急劇的物理化學變化，瞬間進行能量釋放的過程。一般將爆炸現象分兩個階段：一是某種形式的能量以一定的方式轉變?yōu)槲镔|的壓縮能；二是物質由壓縮狀態(tài)膨脹做機械功，進而引起附近介質的變形破壞和移動。爆炸常伴隨發(fā)熱、發(fā)光、壓力上升、真空和電離等現象，具有很大的破壞作用。破壞效應與爆炸物的數量和性質、爆炸時的條件，以及爆炸位置等因素有關。爆炸對建筑物的破壞是各種破壞力的綜合作用。

2.1.1 爆炸壓力

爆炸壓力是爆炸產生的機械效應，是爆炸事故造成殺傷、破壞的主要因素。

2.1.2 沖擊波

爆炸瞬間爆轟產物壓縮空氣產生空氣沖擊波，沖擊波從爆炸點以超音速的球面波形式擴散，隨著強度的降低，傳播速度也逐漸下降。當沖擊波作用到人或物體上時，會產生巨大的殺傷力和破壞力，超壓值愈大，其殺傷力和破壞力愈大。

2.1.3 高溫

爆炸溫度約在2000℃-3000℃，高溫會把從破壞設備內部不斷流出的可燃氣體或易燃、可燃蒸氣點燃，使周圍的可燃物全部起火，加重爆炸的破壞作用。

2.1.4 爆炸碎片的沖擊

建筑構件和機械設備等破壞以后，變成碎片飛出，會在相當大的范圍內造成危害。碎片飛散的距離通常在100m-500m之間，碎片愈薄，飛散速度愈大，危害也愈嚴重。

2.2 爆炸沖擊波破壞原理分析

爆炸裝置相當于內壓等于爆轟壓力的容器，當內壓超過殼體的屈服強度，殼體產生拉伸或剪切破壞，便發(fā)生爆炸破壞。炸藥內的絕大部分物質轉化為高溫氣體，急劇膨脹并壓縮周圍的氣體產生沖擊波。炸藥爆轟波到達炸藥和空氣界面瞬時在空氣中形成強沖擊波，稱為初始沖擊波。初始沖擊波陣面和爆炸產物—空氣界面相重合，其參數由炸藥和介質性質決定。初始沖擊波為強間斷，其運動速度大于爆炸產物—空氣界面的運動速度，造成壓力波陣面與爆炸產物—空氣界面的分離。不考慮衰減情況下，初始沖擊波構成整個壓力波的波頭，其壓力最高，壓力波尾部壓強最低，與爆炸產物—空氣界面的壓力相連續(xù)。爆炸產物第一次過度膨脹后，由于爆炸產物的壓力低于周圍空氣的壓力，立即在壓力波的尾部形成稀疏波，并開始第1次反向壓縮。此時，壓力波和稀疏波與爆炸產物分離，獨立地向前傳播?？諝鉀_擊波是以球面波的形式向前傳播，在傳播過程中其壓力變化情況如圖1所示，其中：P0為大氣壓強，t+為正壓時，t-為負壓時，P+為正壓區(qū)，P-為負壓區(qū)。隨著傳播距離的增大，單位面積的能量減小，沖擊波的壓力和傳播速度也迅速下降，其正壓區(qū)也因為波的頭部與尾部的速度差而被拉寬，由于存在稀疏波導致沖擊波的壓強在一定時間內會下降到比大氣壓強還低，因此經過時間t+后沖擊波將進入負壓區(qū)，隨后慢慢衰減成音波，壓力也恢復到正常的大氣壓力。

圖1 沖擊波壓力歷時

爆炸沖擊波在傳播過程中遇到建筑物時，一般會發(fā)生反射和繞流。當沖擊波遇到建筑幕墻剛性壁面時，質點速度立刻變?yōu)榱?，壁面處質點不斷聚集，使壓力和密度增加，反射的壓力和脈沖將會對建筑玻璃幕墻產生垂直力和水平力的作用，造成玻璃幕墻的位移、變形和破裂，嚴重時破碎的玻璃還會對建筑物內的人員造成生命危險。繞流一般發(fā)生在建筑物高寬尺寸都不大的情況下，沖擊波將會繞過建筑物，在建筑物的背面匯聚，從而對建筑物的里面造成破壞。一般爆炸沖擊波對建筑幕墻的破壞取決于沖擊波的峰值超壓、超壓沖量及伴隨爆炸產生的動壓3個因素，其中峰值超壓是衡量沖擊波最重要的參數。

3 防爆炸沖擊波的評價方法

3.1 理論評價方法

從防護角度講，“超壓一沖量”準則認為，在爆炸沖擊波作用下，要使給定被防護對象(或防護設施)不產生某種程度(某一等級)的損傷，超壓必須不高于某一臨界值，并且對被防護對象(或防護設施)持續(xù)作用的時間不大于某一臨界值，只有具有這種條件的沖擊波才能夠不對被防護對象(或防護設施)產生給定的毀傷效果；或者說，爆炸沖擊波能夠不在某一臨界時間內達到或超出某一最大臨界比沖量，如果在臨界時間內沒有超出這個臨界比沖量，被防護對象(或防護設施)就不會產生某種程度的破壞。這實際上包含著一個最大超壓值，只要不超出這個超壓值，沖擊波比沖量就不能在臨界時間內達到或超出最大臨界比沖量。由此可知，爆炸沖擊波能否在一段時間內對目標保持一定的壓力作用決定著爆炸沖擊波是否對目標具有一定的毀傷能力，相反也決定著在爆炸沖擊波作用下防護設施是否具有一定的防護能力。大多數常規(guī)炸藥產生的爆炸沖擊波是一種具有較高幅值且持續(xù)微秒級至毫秒級時間的強間斷壓力波。它既具有一定的幅值大小，又具有時間的意義。爆炸沖擊波中超壓和比沖量是相互影響，相互關聯(lián)的，如果在考慮問題時，忽略了任何一個，都不容易得到正確的結果。因此“超壓-沖量”準則相比于超壓或沖量準則更具有考慮全面、評價準確和適用廣泛的優(yōu)點。

根據“超壓-沖量”準則及其等毀傷/防護曲線，建立一種基于靶板防護效應的爆炸沖擊波防護效應評價方法。將不同爆炸裝置的炸藥裝藥量與炸距R的關系曲線當作疊合線和等毀傷/防護曲線結合到一張圖上來使用，如圖2所示。藥量-炸距曲線與最低毀傷狀態(tài)下的等毀傷曲線的交點，即為該爆炸裝置產生最低毀傷狀態(tài)時的臨界炸距RH。只要炸距大于這個臨界值，就對目標產生相應程度的毀傷，小于這個臨界值，就不會產生相應程度的毀傷；藥量-炸距曲線與某一等級下被防護對象的等防護曲線的交點RS，即為被防護對象某一防護等級下的安全距離；藥量-炸距曲線與某一等級下防護設施的等防護曲線的交點RF，即為防護設施某一防護等級下的防護距離。

圖2 爆炸沖擊波防護效應的評價方法

3.2 實驗測試評價方法

3.2.1 沖擊波試驗的方法

沖擊波試驗一般有兩種方法：一是距離試驗——試驗組件對已知特性的一定量炸藥的沖擊承受能力；二是激波管試驗——通過在特意建造的小室內瞬間釋放高壓氣流產生沖擊脈沖。

但在實際工程上，在尺寸上符合試驗要求的幕墻試驗件激波管很難買到或者建造起來價格昂貴，除非在諸如美國的較大軍事設施中，否則激波管試驗用于高層建筑大體量的玻璃幕墻沖擊波試驗往往不太可能。因此，一般選用距離試驗來驗證玻璃幕墻的性能。

3.2.2 距離試驗

在進行距離試驗前，一定要做好準備工作，包括選擇合適的試驗場地，準備足尺寸標準玻璃幕墻試驗樣本，購置相關的試驗器材和搭建試驗臺等。

距離試驗需要的試驗器材有：

（1）壓力傳感器，測量玻璃幕墻在沖擊波作用時的峰值壓力和反射脈沖；

（2）樣本支撐箱體，可以將試驗樣本按照要求固定在上面，它需要有足夠的剛度和抵抗變形的能力，并具有消除繞流影響的功能；

（3）可移動高速照相機，用于對試驗的情況及時記錄，特別是對玻璃幕墻樣本的破壞過程和程度的記錄；

（4）必要的測量設備，包括：溫度計、壓力表、卷尺和高精度計時表等；

（5）指定性能的炸藥，建議選球形的TNT炸藥，它可以根據炸藥的質量和體積，方便地劃分試驗的不同等級。另外，還需要有聚乙烯泡沫材料制成的炸藥支撐墊，用來調節(jié)炸藥相對地面的高度和減少炸藥爆炸時地面的影響；

（6）地面應進行硬化處理或鋪墊鋼板，避免碎屑等在沖擊波的作用下對樣品產生破壞。

準備好所有的必要試驗條件后，可以搭建成如下圖3所示的試驗臺來進行沖擊波試驗。試驗用的箱形樣本支撐構件的厚度T應大于800mm，并且玻璃幕墻樣本的4邊距離支撐構件的4邊也應大于200mm。傳感器根據測量壓力和反射脈沖點的不同分別安裝在相應位置上，并保證測試的玻璃樣本平面與炸藥中心和樣本中心的連線垂直。在沖擊波試驗進行的整個過程中，還應該滿足以下要求：

（1）被測試的原型組件應該在所有方面與項目建議書所述相同，包括玻璃材料、在框架上的固定方式等；

（2）應在封閉立方體的正面開口處試驗原型組件，以防背面沖擊波壓力造成的錯誤結果；

圖3 沖擊波距離試驗

（3）應選擇試驗炸藥重量和離開距離，以得到可能接近的沖擊波參數。需要有適當經驗的沖擊波顧問提出炸藥重量和試驗距離，以保證正確產生對試驗組件的作用力；

（4）由于預先不能確定試驗結果，應多準備幾個原型組件帶到試驗現場。

試驗前，應預計可能的失敗情況，并準備具有不同構造的備用原型組件。進行距離試驗的準備工作很費時，需要周密計劃，實驗結束后，需要對試驗數據認真分析，對結果做出準確的評價。

4 結語

綜上所述，爆炸現象是以沖擊波載荷為主、伴隨高溫高壓氣流、破片對目標造成的破壞，民用板材結構產品防爆主要是指防爆炸沖擊波作用。在詳細介紹“超壓-沖量”破壞準則理論的基礎上，本文研究分析了開展板材產品防爆評價的技術途徑，一維激波管是最理想的試驗手段，但是板材產品的結構尺寸一般較大，建立這樣一套試驗系統(tǒng)是無法實現的，于是考慮了非接觸爆炸試驗的評價方法，即上文提到的距離試驗，通過規(guī)范開展距離試驗的各步驟方法，基本形成了開展試驗評價的框架結構。