■ 文/公安部检测中心 张志江

关键字：防爆产品 防爆能力 距离试验

1 引言

21世纪以来，由于世界各国的恐怖活动日趋猖獗，装饰华丽、造价高昂的城市高层玻璃幕墙的公共建筑往往成为恐怖分子袭击的对象。美国的911事件就是典型的代表，作为纽约标志性建筑的世界贸易大厦在遭到爆炸袭击后瞬间坍塌，给美国造成了不可估量的损失；犯罪分子携炸药威胁抢劫银行营业场所的案件不断增多；越来越多的高级轿车对防弹防爆产品需求的增多；一些高档住宅对装防爆炸产品的需求也在日益增加等等。因此，用于特殊场所的防爆炸产品是时代赋予的产物。目前应用在社会安全领域的防爆产品主要有：防爆炸复合玻璃、防爆毯、防爆罐（球）、防爆送餐车和排爆服等。近年来，随着防爆理论和技术的飞速发展，各种新型的防爆产品不断地涌现，防爆能力不断地提高。防爆理论技术是防爆产品设计的基础，防爆能力判定技术是防爆产品生产规范的必然要求，这些都是防爆产品标准化的基础研究工作，具有很好的实用价值。

2 防爆理论技术

2.1 爆炸毁伤载荷

爆炸是物质发生急剧的物理化学变化，瞬间进行能量释放的过程。一般将爆炸现象分两个阶段：一是某种形式的能量以一定的方式转变为物质的压缩能；二是物质由压缩状态膨胀做机械功，进而引起附近介质的变形破坏和移动。爆炸常伴随发热、发光、压力上升、真空和电离等现象，具有很大的破坏作用。破坏效应与爆炸物的数量和性质、爆炸时的条件，以及爆炸位置等因素有关。爆炸对建筑物的破坏是各种破坏力的综合作用。

2.1.1 爆炸压力

爆炸压力是爆炸产生的机械效应，是爆炸事故造成杀伤、破坏的主要因素。

2.1.2 冲击波

爆炸瞬间爆轰产物压缩空气产生空气冲击波，冲击波从爆炸点以超音速的球面波形式扩散，随着强度的降低，传播速度也逐渐下降。当冲击波作用到人或物体上时，会产生巨大的杀伤力和破坏力，超压值愈大，其杀伤力和破坏力愈大。

2.1.3 高温

爆炸温度约在2000℃-3000℃，高温会把从破坏设备内部不断流出的可燃气体或易燃、可燃蒸气点燃，使周围的可燃物全部起火，加重爆炸的破坏作用。

2.1.4 爆炸碎片的冲击

建筑构件和机械设备等破坏以后，变成碎片飞出，会在相当大的范围内造成危害。碎片飞散的距离通常在100m-500m之间，碎片愈薄，飞散速度愈大，危害也愈严重。

2.2 爆炸冲击波破坏原理分析

爆炸装置相当于内压等于爆轰压力的容器，当内压超过壳体的屈服强度，壳体产生拉伸或剪切破坏，便发生爆炸破坏。炸药内的绝大部分物质转化为高温气体，急剧膨胀并压缩周围的气体产生冲击波。炸药爆轰波到达炸药和空气界面瞬时在空气中形成强冲击波，称为初始冲击波。初始冲击波阵面和爆炸产物—空气界面相重合，其参数由炸药和介质性质决定。初始冲击波为强间断，其运动速度大于爆炸产物—空气界面的运动速度，造成压力波阵面与爆炸产物—空气界面的分离。不考虑衰减情况下，初始冲击波构成整个压力波的波头，其压力最高，压力波尾部压强最低，与爆炸产物—空气界面的压力相连续。爆炸产物第一次过度膨胀后，由于爆炸产物的压力低于周围空气的压力，立即在压力波的尾部形成稀疏波，并开始第1次反向压缩。此时，压力波和稀疏波与爆炸产物分离，独立地向前传播。空气冲击波是以球面波的形式向前传播，在传播过程中其压力变化情况如图1所示，其中：P0为大气压强，t+为正压时，t-为负压时，P+为正压区，P-为负压区。随着传播距离的增大，单位面积的能量减小，冲击波的压力和传播速度也迅速下降，其正压区也因为波的头部与尾部的速度差而被拉宽，由于存在稀疏波导致冲击波的压强在一定时间内会下降到比大气压强还低，因此经过时间t+后冲击波将进入负压区，随后慢慢衰减成音波，压力也恢复到正常的大气压力。

图1 冲击波压力历时

爆炸冲击波在传播过程中遇到建筑物时，一般会发生反射和绕流。当冲击波遇到建筑幕墙刚性壁面时，质点速度立刻变为零，壁面处质点不断聚集，使压力和密度增加，反射的压力和脉冲将会对建筑玻璃幕墙产生垂直力和水平力的作用，造成玻璃幕墙的位移、变形和破裂，严重时破碎的玻璃还会对建筑物内的人员造成生命危险。绕流一般发生在建筑物高宽尺寸都不大的情况下，冲击波将会绕过建筑物，在建筑物的背面汇聚，从而对建筑物的里面造成破坏。一般爆炸冲击波对建筑幕墙的破坏取决于冲击波的峰值超压、超压冲量及伴随爆炸产生的动压3个因素，其中峰值超压是衡量冲击波最重要的参数。

3 防爆炸冲击波的评价方法

3.1 理论评价方法

从防护角度讲，“超压一冲量”准则认为，在爆炸冲击波作用下，要使给定被防护对象(或防护设施)不产生某种程度(某一等级)的损伤，超压必须不高于某一临界值，并且对被防护对象(或防护设施)持续作用的时间不大于某一临界值，只有具有这种条件的冲击波才能够不对被防护对象(或防护设施)产生给定的毁伤效果；或者说，爆炸冲击波能够不在某一临界时间内达到或超出某一最大临界比冲量，如果在临界时间内没有超出这个临界比冲量，被防护对象(或防护设施)就不会产生某种程度的破坏。这实际上包含着一个最大超压值，只要不超出这个超压值，冲击波比冲量就不能在临界时间内达到或超出最大临界比冲量。由此可知，爆炸冲击波能否在一段时间内对目标保持一定的压力作用决定着爆炸冲击波是否对目标具有一定的毁伤能力，相反也决定着在爆炸冲击波作用下防护设施是否具有一定的防护能力。大多数常规炸药产生的爆炸冲击波是一种具有较高幅值且持续微秒级至毫秒级时间的强间断压力波。它既具有一定的幅值大小，又具有时间的意义。爆炸冲击波中超压和比冲量是相互影响，相互关联的，如果在考虑问题时，忽略了任何一个，都不容易得到正确的结果。因此“超压-冲量”准则相比于超压或冲量准则更具有考虑全面、评价准确和适用广泛的优点。

根据“超压-冲量”准则及其等毁伤/防护曲线，建立一种基于靶板防护效应的爆炸冲击波防护效应评价方法。将不同爆炸装置的炸药装药量与炸距R的关系曲线当作叠合线和等毁伤/防护曲线结合到一张图上来使用，如图2所示。药量-炸距曲线与最低毁伤状态下的等毁伤曲线的交点，即为该爆炸装置产生最低毁伤状态时的临界炸距RH。只要炸距大于这个临界值，就对目标产生相应程度的毁伤，小于这个临界值，就不会产生相应程度的毁伤；药量-炸距曲线与某一等级下被防护对象的等防护曲线的交点RS，即为被防护对象某一防护等级下的安全距离；药量-炸距曲线与某一等级下防护设施的等防护曲线的交点RF，即为防护设施某一防护等级下的防护距离。

图2 爆炸冲击波防护效应的评价方法

3.2 实验测试评价方法

3.2.1 冲击波试验的方法

冲击波试验一般有两种方法：一是距离试验——试验组件对已知特性的一定量炸药的冲击承受能力；二是激波管试验——通过在特意建造的小室内瞬间释放高压气流产生冲击脉冲。

但在实际工程上，在尺寸上符合试验要求的幕墙试验件激波管很难买到或者建造起来价格昂贵，除非在诸如美国的较大军事设施中，否则激波管试验用于高层建筑大体量的玻璃幕墙冲击波试验往往不太可能。因此，一般选用距离试验来验证玻璃幕墙的性能。

3.2.2 距离试验

在进行距离试验前，一定要做好准备工作，包括选择合适的试验场地，准备足尺寸标准玻璃幕墙试验样本，购置相关的试验器材和搭建试验台等。

距离试验需要的试验器材有：

（1）压力传感器，测量玻璃幕墙在冲击波作用时的峰值压力和反射脉冲；

（2）样本支撑箱体，可以将试验样本按照要求固定在上面，它需要有足够的刚度和抵抗变形的能力，并具有消除绕流影响的功能；

（3）可移动高速照相机，用于对试验的情况及时记录，特别是对玻璃幕墙样本的破坏过程和程度的记录；

（4）必要的测量设备，包括：温度计、压力表、卷尺和高精度计时表等；

（5）指定性能的炸药，建议选球形的TNT炸药，它可以根据炸药的质量和体积，方便地划分试验的不同等级。另外，还需要有聚乙烯泡沫材料制成的炸药支撑垫，用来调节炸药相对地面的高度和减少炸药爆炸时地面的影响；

（6）地面应进行硬化处理或铺垫钢板，避免碎屑等在冲击波的作用下对样品产生破坏。

准备好所有的必要试验条件后，可以搭建成如下图3所示的试验台来进行冲击波试验。试验用的箱形样本支撑构件的厚度T应大于800mm，并且玻璃幕墙样本的4边距离支撑构件的4边也应大于200mm。传感器根据测量压力和反射脉冲点的不同分别安装在相应位置上，并保证测试的玻璃样本平面与炸药中心和样本中心的连线垂直。在冲击波试验进行的整个过程中，还应该满足以下要求：

（1）被测试的原型组件应该在所有方面与项目建议书所述相同，包括玻璃材料、在框架上的固定方式等；

（2）应在封闭立方体的正面开口处试验原型组件，以防背面冲击波压力造成的错误结果；

图3 冲击波距离试验

（3）应选择试验炸药重量和离开距离，以得到可能接近的冲击波参数。需要有适当经验的冲击波顾问提出炸药重量和试验距离，以保证正确产生对试验组件的作用力；

（4）由于预先不能确定试验结果，应多准备几个原型组件带到试验现场。

试验前，应预计可能的失败情况，并准备具有不同构造的备用原型组件。进行距离试验的准备工作很费时，需要周密计划，实验结束后，需要对试验数据认真分析，对结果做出准确的评价。

4 结语

综上所述，爆炸现象是以冲击波载荷为主、伴随高温高压气流、破片对目标造成的破坏，民用板材结构产品防爆主要是指防爆炸冲击波作用。在详细介绍“超压-冲量”破坏准则理论的基础上，本文研究分析了开展板材产品防爆评价的技术途径，一维激波管是最理想的试验手段，但是板材产品的结构尺寸一般较大，建立这样一套试验系统是无法实现的，于是考虑了非接触爆炸试验的评价方法，即上文提到的距离试验，通过规范开展距离试验的各步骤方法，基本形成了开展试验评价的框架结构。