摘要:寻找合适的结构材料来抵御深钻地武器打击是当前工程防护研究中的难题。采用C40钢筋混凝土、高强花岗岩和配筋超高强混凝土三种材料，进行在相同打击条件的对比试验。试验结果表明，配筋超高强混凝土具有非常优良的抗侵彻性能，其侵彻深度仅是C40钢筋混凝土的22%、高强花岗岩的41%。根据试验结果，计算出上述三种靶体别列赞侵彻公式的材料系数、快速侵彻仿真响应函数的材料参数，进而拓展至BLU-113等典钻地战斗部，获得侵彻深度等关键数据。研究成果可为配筋超高强混凝土的材料选型、抗侵彻设计提供参考依据。
关键词:超高强混凝土;岩石;混凝土;对比试验;抗侵彻
引言
钢筋混凝土是工程防护中最常用的结构材料，被广泛应用于浅埋工事的遮弹层和围护结构、坑道工程的口部增强结构和主体支撑结构等，已成为地下工程综合防护效能的基础和载体。但随着新型进攻武器的不断列装，特别是高精度、深侵彻、大威力钻地武器[1]，号称“发现即摧毁”，对工程防护提出了严重挑战，普通钢筋混凝土已不能满足重要工程需求，研发新型结构材料就成为了当前工程防护界的热点和难点问题。在工程防护领域，受施工工艺、成本等因素制约，大幅提高混凝土、纤维、钢筋性能，优化混凝土、纤维、钢筋、岩石等的组合，仍是材料研究的主要方向，科研人员在原有高强、高性能混凝土[2-3]的基础上，研究了钢纤维混凝土[4-6]、钢纤维无粗集料超高强混凝土[7]、超性能钢纤维混凝土[8]、钢纤维超高强活性混凝土(RPC)[9-11]、UHMWPE纤维混凝土[12]、刚玉球钢纤维混凝土[13]、增强活性粉末混凝土[14]、高强岩石[15]、固结块石[16]等结构材料，这些材料抗侵彻爆炸能力相对于普通钢筋混凝土已有大幅提高，解决了大量的工程实际难题，但面对深钻地武器，且工程对重量、厚度、施工等有更苛刻要求时，这些材料性能仍不能满足要求，还需要研制更高性能的结构材料。
配筋超高强混凝土是新近出现的一种由高强钢筋和超高强纤维混凝土复合而成的结构材料。高强钢筋形成钢筋笼，呈立体笼式结构，空间三个方向均等;超高强纤维混凝土由超细活性粉末、水泥、高强度纤维等组成，具有超高强、高韧性等特点，是一种RPC优化后的产物[10]。高强钢筋立体笼与超高强纤维混凝土的有机结合，为抵御钻地武器打击提供了基础。
弹体高速侵彻机理复杂，各国武器研制和工程防护人员进行了大量的原型或模型试验，结合空腔膨胀、量纲分析等，先后提出了别列赞、Young等计算方法[1]，掌握了对混凝土、钢筋混凝土、纤维混凝土等材料基本侵彻规律，获得了相关抗侵彻指标和参数，但均没有关于配筋超高强结构材料的计算方法。本文在现场侵彻对比试验的基础上，分析配筋超高强结构材料的抗侵彻性能，结合侵彻基本规律，计算出不同钻地武器打击时的抗侵彻参数。
1侵彻效应对比试验研究
侵彻试验弹由侵彻弹头、定心环、弹托、弹带和模拟装药等组成(图1)，侵彻弹头直径Ф80mm，质量13kg，总长度540mm，头部为卵形，弹壳采用高强高韧合金钢，弹壳内填充胶木模拟装药。采用Ф100mm滑膛炮进行发射，发射速度可达到750m/s。
1.1配筋超高强混凝土靶试验结果
配筋超高强混凝土靶(以下简称超高强靶)，宽度和高度均为2.0m、厚度为1.5m(图2(a))，采用Ф32高强钢筋为骨架，呈立体笼式结构，中间填充170MPa超高强纤维混凝土。在工厂进行制作，混凝土浇注完成后，在工厂进行蒸汽养护48h，以保证超高强混凝土达到强度等级。
试验时靶体四周和后侧采用C20混凝土块嵌固在支撑墙之间，以保证试验安全和靶体稳定。设计垂直着靶速度750m/s，实测为741m/s。试验后，靶体非常完整，仅着靶处附近钢筋保护层发生局部剥离破坏，破坏区域宽65cm，高45cm，其余部分未破坏;水平和垂直钢筋各断裂一根(图2(b))。试验后，侵彻试验弹的定心环、弹托、弹带等外加部件破碎、脱落;侵彻弹头基本保持完整，嵌在钢筋笼中间，略上偏，外露部分长13cm，总侵彻深度41cm。
1.2C40钢筋混凝土靶对比试验
C40钢筋混凝土靶(以下简称C40靶)基本尺寸同超高强靶，体积配筋率1.1%，后侧采用C20素混凝土作为回收靶。侵彻试验弹、发射条件同前。
试验后，侵彻弹头贯穿1.5m厚C40靶，又侵入回收靶中，深度达1.3m，总侵彻深度2.8m;C40靶呈现典型侵彻破坏特征，正面弹坑近似圆形，弹坑外侧有辐射状裂纹，外侧直径90cm，底部直径40cm，深度20cm(图3(a));侵彻弹道平直;靶体背面形成圆形孔洞，震塌直径135cm(图3(b));靶体侧面局部开裂。回收靶中弹道前半部分平直，后半部分偏向下方(图3(c))。侵彻试验弹外加部件脱落，回收侵彻弹头基本完整，仅头部和侧后有擦痕。
1.3花岗岩靶对比试验
花岗岩靶宽度和高度均为2m，厚度1.5m，靶芯为两层70cm厚的120MPa大体积花岗岩叠合而成，四周和背面采用C40钢筋混凝土加固，外侧采用5mm厚钢板包裹，钢板焊接成整体。侵彻试验弹和发射条件同前。
试验后，花岗岩靶呈现典型岩石靶侵彻破坏特征，靶体表面形成弹坑，弹坑长度125cm，高度与花岗岩块高度相同，为115cm，弹坑深度50cm，底部裂纹成放射状，从破坏区域可观察到靶体左侧有一原生隐藏裂纹，导致左上部岩块破坏严重程度高于右侧(图4)。侵彻试验弹外加部件脱落，侵彻弹头嵌在岩石中，尾部裸露出弹坑，裸露部分长度20cm，总侵彻深度76cm。
2侵彻试验结果对比分析
上述三组试验中侵彻弹头直径均为Φ80mm，外形、重量、材料均完全一致，设计着靶速度均为750m/s，实际着靶速度偏差不到10m/s(表1)，均垂直入射，因此打击条件可认为基本一致。试验后三组侵彻弹头均保持完整，仅有少量擦痕，可认为基本满足刚体侵彻条件，可用一般的侵彻机理来描述。
对比三组试验结果(表1)，发现:从侵彻深度看，C40靶的侵彻深度最深，总深度达2.8m，按多层靶侵彻原理等效，相当于侵彻纯C40钢筋混凝土1.87m;花岗岩靶侵彻深度居中，为0.76m;超高强靶侵彻深度最小，仅0.41m。从靶体破坏程度看，花岗岩靶表层破坏最严重，因花岗岩块体尺度有限且存在自然裂纹，导致第一层花岗岩基本被破坏;C40靶破坏程度居中，正面成坑，背面震塌;而超高强靶破坏程度最小，仅着靶处附近保护层破坏。
上述三种靶体中，从侵彻深度和破坏程度两个方面看，配筋超高强混凝土结构材料抗侵彻性能均最强。配筋超高强混凝土结构材料的抗侵彻性能来于五个方面:一是高强钢筋形成了立体笼式结构，自身承载能力高，对填充混凝土局部变形约束强;二是170MPa的超高强混凝土采用了纤维增强增韧，活性组分使材料更密实，达到了高强、高韧、高密，使弹头侵入材料压缩不易、剪切滑移更难，阻力急剧增大;三是高配筋和纤维增韧，大大减少了侵彻表面效应，试验后表面没有形成岩石和混凝土靶中的明显弹坑;四是高强钢筋和超高强混凝土两种材料强强复合，使侵彻弹头头部在撞击时产生变形远大于普通材料，而垂直侵彻过程中阻力主要来自于弹头头部，变形的头部无疑将增大侵彻阻力;五是高强钢筋和超高强混凝土毕竟是两种材料，两者之间从密度到强度均存在极大差异，这种极大差异致使弹头着靶后很容易产生一定偏转，并在强约束的笼式空间中前进。
根据体积贡献律，可估算出配筋超高强混凝土结构材料的综合抗压强度约为278MPa，已与普通钢接近，远高于普通钢筋混凝土。而抗侵彻性能与材料的强度和密度(或可压缩性)密切相关，这也是配筋超高强混凝土结构材料具有良好性能的基础。
3配筋超高强混凝土抗侵彻计算
侵彻深度是遮弹结构等设计计算的一个关键参数。在给定弹体和着靶条件时，起决定作用的是材料抗侵彻指标。若侵彻后弹体保持完整状态，则可认为侵彻过程弹体近似处于刚体阶段，此时侵彻深度与着靶速度大致是线性关系。根据现场试验结果，即使着靶速度高达750m/s，试验后弹体也保持完整(图2)，因此可采用传统的侵彻经验公式来计算配筋超高强混凝土结构材料，需要做的是确定出其抗侵彻材料指标。这里以别列赞为例来进行分析。
对于直径Φ80mm、质量13kg、CRH为3的侵彻试验弹，弹形系数λ1=1.3475，弹径系数λ2=0.8413。着靶速度750m/s，侵彻深度0.41m，可根据式(2)计算出配筋超高强混凝土结构材料的材料系数Kq=2.374×10-7。同理可计算120MPa高强花岗岩的材料系数Kq=4.401×10-7、C40钢筋混凝土的材料系数Kq=10.828×10-7。本次试验中，C40钢筋混凝土靶表面弹坑开裂面大部分是直接贯穿骨料，说明骨料强度相对低，导致材料系数略低于有关规范值[17]。
相关期刊推荐：《土木工程学报》是中华人民共和国住房和城乡建设部主管、中国土木工程学会主办的土木工程综合性学术期刊，以土木工程界中、高级工程技术人员为主要读者对象。主要报道土木工程各专业领域的发展综述，重大土木工程实录，建筑结构、桥梁结构、岩土力学及地基基础、隧道及地下结构、道路及交通工程、建设管理等专业在科研、设计、施工方面的重要成果及发展状况，同时也刊登建筑材料、港口、水利、市政、计算机应用、力学、防灾减灾等专业中与上述学科交叉或有密切联系的论文报告。
根据别列赞侵彻公式(式(1))和材料系数，可分别估算出2000磅级BLU-109和5000磅级的BLU-113战斗部的侵彻深度。当材料用作遮弹层时，侵彻不贯穿厚度是一个基本控制值，对于钢筋混凝土、岩石，该厚度取侵彻深度的1.4倍，对于高韧性纤维混凝土，取侵彻深度的1.2倍，最终计算获得的侵彻深度、侵彻不贯穿厚度如表2所示。因基础数据来源于实际侵彻试验，具有较强的工程代表性。当着靶速度400m/s时，BLU-113战斗部对C40钢筋混凝土的侵彻深度达到了8.2m，遮弹层厚度将高达11.5m，显然对地面工程或浅埋工事，在工程上是难以接受的。即使2000磅级的BLU-109战斗部，侵彻深度达到3.7m，遮弹层厚度也高达5.2m，再考虑抗爆炸效应，防护层厚度还将大大增加。因此，抵御大质量钻地武器打击时，如果没有条件将工程修筑在山体之中，而必须采用地面建筑或浅埋工事形式，应用高强岩石或配筋超高强混凝土等新型结构材料将是可行的方案。
4快速侵彻仿真分析与拓展
基于物理力学的数值仿真当前应用越来越广，但需要系统的材料本构数据和复杂的软件工具[18-19]。对于配筋超高强混凝土这类新型结构材料，目前尚缺少这方面的系统数据，因此需要一种介于解析分析与数值仿真之间的方法，这种方法兼有解析分析的快捷和数值仿真的多用途，可以根据已有的试验样本，通过优化迭代，获得控制参数，可再现侵彻过程，并可将试验结果合理地拓展至其他工况中。而基于弹靶分离的快速侵彻仿真刚好满足这些要求[20]。
靶体响应函数形式经过了大量试验验证，这里以侵彻深度为主要控制变量，通过迭代优化计算出响应函数材料参数。快速侵彻仿真最终计算结果如图5所示，当侵彻深度与试验一致时(图5(a))，侵彻过程弹体速度变化如图5(b)，弹体减加速度与时间关系如图5(c)，弹体减加速度与侵彻深度变化如图5(d)。对于配筋超高强混凝土结构材料，弹体减加速度峰值高达95×104m/s2，作用时间不到1.5ms;对于C40钢筋混凝土，弹体减加速度峰值仅22×104m/s2，作用时间长达6.5ms。
保持响应函数材料参数不变，采用快速侵彻仿真方法将试验结果拓展到5000磅级的BLU-113战斗部，计算结果如图6所示。当着靶速度400m/s时，对配筋超高强混凝土结构材料，侵彻深度为1.7m;对高强花岗岩侵彻达到3.2m;对C40钢筋混凝土侵彻深度高达7.9m。计算值略小于别列赞公式估算值。弹体减加速度幅值大大减小，对于配筋超高强混凝土结构材料，峰值也仅6.2×104m/s2，作用时间约10ms;对于C40钢筋混凝土，弹体减加速度峰值仅1.4×104m/s2，作用时间不到50ms。
5结论
通过对C40钢筋混凝土、高强花岗岩及配筋超高强混凝土结构材料的现场侵彻试验、抗侵彻材料指标估算、快速侵彻仿真分析，得出:
(1)配筋超高强混凝土结构材料抗侵彻性能最优，在相同打击条件下，侵彻深度仅0.41m，约C40钢筋混凝土的22%，高强花岗岩的41%;其良好抗侵彻能力源自立体高强钢筋笼与超高强混凝土的共同作用。
(2)配筋超高强混凝土作为一种新型结构材料，试验数据稀缺，针对防护计算中的别列赞侵彻公式，获得了急需的材料系数。采用快速侵彻仿真方法，获得了响应函数材料参数。两种方法将试验结果拓展到其他侵彻战斗部，如BLU-109、BLU-113，获得侵彻深度等关键参数，可为配筋超高强混凝土的材料选型、抗侵彻设计提供参考依据。——论文作者：邓国强1王安宝1杨秀敏1杨剑2张想柏1高伟亮1
转载请注明来自：http://www.lunwencheng.com/lunwen/lig/20909.html
