泡沫铝板增强混凝土层状复合结构的能量吸收与动态冲击性能

《Advances in Mechanical Engineering》：Energy absorption and dynamic impact performance of aluminum foam panel-reinforced concrete layered composite structures

　　

摘要：在严重冲击荷载作用下，传统混凝土结构材料体系相对单一，缺乏内部缓冲层，导致应力波在结构内部的反射和散射较弱，冲击能量主要沿厚度方向传递，可用的能量耗散路径有限。这些局限性制约了其满足现代防护工程需求的能力。为提升冲击能量耗散与防护性能，本研究提出一种泡沫铝板增强混凝土（AFPRC）层状复合结构。研究人员开展了静态弯曲试验、落锤冲击试验和电磁分离式霍普金森压杆（ESHPB）试验，对比了开孔泡沫铝板增强混凝土（OAFPRC）与闭孔泡沫铝板增强混凝土（CAFPRC）的能量耗散行为。对于所测试的5?mm开孔和闭孔泡沫铝板构型、试件尺寸及加载条件，结构最大静态弯曲荷载较素混凝土（PC）提高了42.11%，最终破坏冲击能量约为PC值的4.81倍。在3000?V电压下，CAFPRC的反射能量达到856?J，明显高于PC，同时破坏后大块碎片质量占比由35.8%提高至64.5%，表明其破碎程度更低。结果表明，所提出的结构具有更优的能量耗散与冲击防护性能，可为类似层状防护体系的试验研究与初步设计提供参考。

泡沫铝板增强混凝土层状复合结构的能量吸收与动态冲击性能解读

一、研究背景与问题

石油化工设施、能源电力基础设施、军事安保设施及人员密集的民用建筑，常因涉及易燃易爆材料、高能系统或潜在人为威胁而面临较高的爆炸风险。抗爆吸能结构因此成为保护关键设施的重要手段，其通过吸收冲击波能量、控制损伤区域并防止连续性倒塌来发挥作用。素混凝土（PC）呈脆性，抗冲击能力有限，难以满足许多抗爆抗冲击要求。钢板增强混凝土结构虽具备良好的抗爆与吸能性能，但自重较大且存在界面薄弱问题。纤维增强混凝土能约束裂缝扩展并提升延性与冲击韧性，但其热稳定性、施工适应性、和易性及材料一致性仍有隐忧。聚脲因高变形能力和率相关行为被广泛研究，但其承载能力有限，界面稳定性与耐久性对服役条件敏感，更适合作为辅助防护层而非主要承力或防护构件。为克服上述不足，研究人员基于刚-柔结合防护理念，提出以泡沫铝板（AFP）增强的分层混凝土复合结构。泡沫铝兼具轻质、高比吸能与良好抗冲击性能，已在航空航天、交通运输、建筑和军事工程中得到应用，但关于泡沫铝板增强混凝土（AFPRC）的系统研究仍较有限。

二、研究内容与主要结论

该研究通过静态弯曲试验、界面粘结性能试验、落锤冲击试验及电磁分离式霍普金森压杆（ESHPB）试验，系统考察了5?mm厚开孔泡沫铝板增强混凝土（OAFPRC）与闭孔泡沫铝板增强混凝土（CAFPRC）层状复合结构的抗弯承载力、抗冲击性能、动态力学行为与能量耗散机制。研究得出以下主要结论：在静态弯曲条件下，与PC相比，OAFPRC和CAFPRC的极限弯曲荷载分别提高25.26%和42.11%，极限挠度分别提高129.06%和127.35%；泡沫铝板在混凝土底部形成阻裂增强层，起到裂缝桥接与止裂作用。界面拉拔试验中，破坏主要发生在混凝土基体内部，所测粘结强度下限均大于2.5?MPa，满足后续试验要求。落锤冲击试验中，PC、OAFPRC和CAFPRC的最终破坏冲击能量分别为11598.30?J、35963.55?J和55786.50?J，OAFPRC和CAFPRC分别为PC值的3.10倍和4.81倍。ESHPB试验表明，在2500?V电压下，两种泡沫铝板增强试件均提高了反射能量占比并降低了透射能量占比；在3000?V电压下，CAFPRC的反射能量占比达87.51%，透射能量占比降至1.15%，而OAFPRC因开孔结构在高压下快速压实，缓冲与脉冲调控能力相对有限。碎片质量测试显示，3000?V冲击下PC、OAFPRC和CAFPRC的大块碎片质量占比分别为35.8%、44.5%和64.5%，表明闭孔泡沫铝板在降低破碎程度方面效果最显著。该研究成果为泡沫铝板增强混凝土层状防护体系的设计与工程应用提供了重要试验依据，论文发表在《Advances in Mechanical Engineering》。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：静态四点弯曲试验，依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420-2020）测定复合结构的极限抗弯承载力；界面拉拔试验，参照《硬化砂浆拉伸粘结强度试验方法》（GB/T 29756-2013）测定泡沫铝板与混凝土间的粘结强度；落锤冲击试验，依据《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13:2009），采用CES13落锤冲击试验机测定初裂冲击能量与最终破坏冲击能量；电磁分离式霍普金森压杆（ESHPB）动态冲击试验，利用电磁加载系统产生应力脉冲，基于一维应力波理论采用二波法计算动态应力、应变及应变率，并通过能量平衡分析入射、反射、透射与吸收能量，结合碎片筛分统计评估试件破碎程度。试验所用样本均来自课题组制备的C30混凝土试件及苏州泰利泡沫金属厂提供的泡沫铝板。

四、研究结果与分析

静态性能分析：静态弯曲试验结果显示，泡沫铝板作为底部增强层明显提高了混凝土试件的极限抗弯承载力与变形能力，其中CAFPRC的提升幅度大于OAFPRC。界面粘结性能试验中，开路和闭孔泡沫铝板试件的破坏面均未出现在环氧树脂-混凝土界面，破坏发生在混凝土基体内部，说明泡沫铝板-混凝土界面粘结性能满足要求，未成为导致过早失效的薄弱区域。

能量吸收行为：落锤冲击试验中，泡沫铝板层显著提高了试件的最终破坏冲击能量。闭孔泡沫铝板因具有较高的固有强度及相对独立的泡孔结构，在冲击过程中能更有效地发生孔壁屈曲、压缩坍塌和界面桥接，故其吸能提升幅度大于开孔泡沫铝板。

动态冲击性能：ESHPB试验中，PC的动应力-应变曲线呈现明显的脆性破坏特征，且峰值应力随充电电压升高而增大，表现出率敏感性。而AFPRC试件的应力-应变曲线呈现平台或多峰特征，表明泡沫铝板参与了冲击压缩过程。CAFPRC在3000?V下的曲线尤为特殊，达到初始峰值后应力下降又再次上升，反映出泡沫铝板局部压缩、渐进压实及混凝土进一步压缩的先后过程。

动态冲击破坏特征：2500?V下，泡沫铝板增强试件损伤相对轻微，CAFPRC几乎无显著破碎，而PC已出现明显碎片化。3000?V下各试件破碎程度均增大，但CAFPRC的大块碎片质量占比最高，小碎片质量远低于PC和OAFPRC，表明闭孔泡沫铝板在降低试件破碎方面效果更好。

动态冲击能量分析：ESHPB能量平衡表明，与PC相比，AFPRC改变了冲击能量在反射、透射和吸收之间的分配。闭孔泡沫铝板在高压冲击下的优势主要体现在提高入射侧反射能量占比、降低透射能量占比以及通过局部压缩坍塌调控脉冲传递，而非最大化泡沫铝板层内部能量吸收。

结论：在本文所测试的材料参数、结构构型和加载条件下，AFPRC层状复合结构提高了静态抗弯承载力与最终破坏冲击能量，并降低了高压ESHPB冲击下的试件破碎程度。在所测试构型中，CAFPRC在落锤抗冲击性能、ESHPB能量分布和破碎控制方面表现更优。需要指出的是，该结论仅限于本文的试验条件，尚需进一步研究混凝土强度等级、泡沫铝板厚度、泡孔结构和试件尺寸等因素的影响，并进行更大结构尺度、更宽应变率范围、准静态轴压基准试验及界面耐久性试验，以全面评估AFPRC防护结构的工程适用性。