钢纤维高强混凝土在抗爆工程中的应用

钢纤维高强混凝土在抗爆工程中的应用

焦楚杰1孙伟2高培正2周云1

（1广州大学土木工程学院广州510006；2东南大学材料科学与工程学院南京210096）

摘要：为了有效地提高我国土木工程在遭遇恐怖爆炸时的安全性能，针对恐怖袭击爆炸的特性，建议采用钢纤维高强混凝土（SFRHSC）加固和新建抗爆工程，介绍了该材料在抗爆方面优越于普通混凝土的物理力学性能与部分试验结果，总结了该材料在抗爆领域的科学研究与工程应用之历史和现状，分析了试验研究、理论分析与工程应用方面存在的问题，提出了本领域研究工作的方向与重点，为SFRHSC工程抗爆科研、建设与设计提供了参考意见。

关键词：钢纤维高强混凝土；加固；新建；抗爆工程

APPLICATION OF SFRHSC IN

BLAST-RESISTANT ENGINEERING

JIAO Chujie1SUN Wei2GAO Peizheng2ZHOU Y un1

(1 School of Civil engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006；2School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096)

Abstract:In order to effectively improve the safety of civil engineering faced terrorism blasting,, advice of applying steel fiber reinforced high strength concrete (SFRHSC) in reinforcing and building the blasting-resistant engineering was put forward which aimed to the characteristics of terrorism blasting attack. The physics and mechanics performance which SFRHSC prior to the normal concrete and some experiment results were introduced, and the history and present status of the research and engineering application of SFRHSC in blasting-resistant engineering were reviewed, and the problems of blasting experiments, theory analysis, and engineering application of SFRHSC were analyzed. In additional, the directions and keys were brought forward for the researching, building, and designing the SFRHSC blasting-resistant engineering .

Key words: steel fiber reinforced high strength concrete; reinforcing; building; blasting-resistant engineering

0 爆炸的危险性与工程抗爆研究的必要性

近几年来，恐怖分子在公共场所制造的爆炸事件越来越频繁，每年惊动全球的爆炸案例多达数十起，如2002年10月巴厘岛爆炸事件死伤超过500多人[1]，2004年9月澳大利亚驻印尼使馆爆炸事件死伤160多人[2]，2005年7月伦敦连环爆炸事件死伤700多人[3]，2005年11月约旦首都安曼的爆炸事件死伤200多人[4]，其中还有3名中国国防大学的学员[5]，我国也曾经发生爆炸案，如2001年3月石家庄特大爆炸案，死108人，伤38人[6]。世界各地层出不穷的恐怖爆炸事件已成为危害人类和平与安全的重大灾害，严重影响全世界社会安定和经济发展。如何制止和防御恐怖爆炸已成为社会各界的当务之急。

恐怖爆炸往往是发生在建筑物中，建筑物本来是人类安居乐业之必要场所，然而当爆炸发生时，建筑物的倒塌、爆裂碎块的崩飞又成为了灾害的载体，因此对于土木工程界，如何建造抗爆性能优异的建筑物，是科技与设计人员所面临的刻不容缓的研究重点。

本文依托项目：国家自然科学基金重点项目(50708022)、广东省自然科学基金项目(06301038)、建设部科研开发项目(06-K1-37)、建设部科研开发项目(07-K4 -13)、建设部科研开发项目(07-K4 -5)、广州市属高校科技计划项目(62064)。

第一作者简介：焦楚杰（1974 -），男，湖南浏阳人，博士，副教授，硕导，从事高强与高性能混凝土研究（E-mail：jiaochujie@）。

建造抗爆性能优异的工程，或者对现有工程进行提高抗爆性能的加固改造，必然涉及到工程材料的选择。钢纤维高强混凝土(steel fiber reinforced high strength concrete，以下简称SFRHSC)是在脆性易裂的高强混凝土基体中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种多相、多组分水泥基复合材料，因其具有优异的物理、力学性能，应用前景十分广阔。尤其在抗爆工程领域，更能够显示出其它材料难以替代的优越性。

1 钢纤维高强混凝土在抗爆工程中应用的优越性

1.1 强度和韧性

材料的强度和韧性是影响其抗爆性能的主要因素。乱向分布的钢纤维的在混凝土中的主要作用是阻碍混凝土内部的微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生与发展，显著地提高了混凝土的抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗弯、抗剪切、抗扭强度。当纤维体积率（V f）为0~2%范围内，抗拉强度提高40~80%，抗弯强度提高60~120%，抗剪强度提高50~100%[7]。韧性是衡量塑性变形性能的重要指标，当V f=0~2%时，抗压韧性可提高2~7倍[8]，抗弯韧性可提高几倍至几十倍[9]，弯曲冲击韧性可提高2~4倍[10]，板式试件落球（锤）法击碎试验所测得的冲击冲击韧性可提高几倍至几十倍[11]。按照现行规范[12]，强度等级≥C50即为高强混凝土，表1为笔者测试的三种SFRHSC抗压、抗弯、劈裂抗拉强度、压缩韧性、弯曲韧性试验结果。

表1 SFRHSC强度与韧性试验结果

Fig.1 Experiment Result of Strength and Toughness of SFRHSC

基体等级纤维体积率

抗压强度

(MPa) 抗弯强度

(MPa)

劈拉强度

(MPa)

抗压韧度

ηm30

抗弯韧度

ηm30

C50

0 58.7 7.03 5.11 5.76 1 1% 61.1 10.58 7.49 6.74 7.85 2% 63.2 12.16 8.72 8.51 11.41 3% 66.8 15.75 10.70 10.02 17.92

C100

0 118.2 10.30 6.84 2.10 1 1% 123.5 13.21 10.40 5.53 10.54 2% 138.2 18.44 14.57 6.11 15.07 3% 154.3 24.18 17.90 12.58 22.81

RPC200

0 158.0 18.59 9.38 2.05 1 3% 208.5 42.38 20.53 9.96 25.31 4% 224.2 50.68 24.68 13.10 36.27

1.2 受力表现的近似各向同性

钢纤维在混凝土中接近均匀分布，构件在各个方向、各个部位的力学性能基本相同，可以有效地克服防护工程中普通钢筋混凝土的如下困难：第一，由于爆炸荷载作用的部位一般不太可能预先知道，因此在设计时不可能很理想地把钢筋布置在构件的受拉区；第二，爆炸作用时，材料的变形往往来不及传递，很可能造成混凝土局部破坏；第三，爆炸作用时，材料内部的应力分布很复杂，应力是以应力波的方式传播的，在混凝土内部及混凝土与钢筋界面上会发生反射，由压缩波变为拉伸波或由拉伸波变为压缩波，因此很难清楚钢筋混凝土构件内的应力分布，这就造成设计时配筋困难，如果按传统的方法在混凝土各个部位都密布钢筋，则成本大大增加，混凝土浇注极其困难。从上可知，SFRHSC比普通混凝土具有更强的抗爆能力。

2 研究历史与现状

抗爆工程研究往往与军事工程联系在一起，据公开可查文献，早在第二次世界大战期间，