CN112095905B - 一种墙体防爆增强模块、防爆墙及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种墙体防爆增强模块、防爆墙及其制备方法。本发明墙体防爆增强模块包括外壳层以及包裹在外壳层内的泡沫层、液体防护层和弹性体层，能够吸收爆炸产生的冲击波，防爆效果好。对于一些老旧的建筑，其自身墙体结构强度不高，在面对冲击波时候，防爆能力较弱。通过披挂本发明的防爆模块，能够提高对冲击波能量的吸收、转化，减小冲击波与墙体的直接碰撞，从而达到相应的防护作用。同时，通过对冲击波的吸收，减小了绕射冲击波对其他部位的破坏。

Description

一种墙体防爆增强模块、防爆墙及其制备方法
技术领域
本发明涉及防爆设备技术领域，具体涉及一种墙体防爆增强模块、防爆墙及其制备方法。
背景技术
防爆墙是一种具有抗冲击波能力，能够将爆炸的破坏限制在一定范围内的墙体。现有主要采用以下三种类型的防爆墙：
第一种防爆墙主要是在建筑建造之初就进行相应的设计，一般采用增加内部的钢筋网密度、采用高强度的混凝土等方式对墙体进行加固。其防护理念是利用墙体的较高强度将冲击波“挡住”，使其不向墙后传播。但是实际上冲击波在传播的过程中会发生折射和绕射，有可能对其他地方的人员和物品造成更大的伤害。同时，此种方案不适用于已有墙体结构的建筑。
第二种防爆墙是使用混凝土将防爆板粘结到墙体表面，这种防爆板一般采用双层钢板，中间夹层为刚性无机材料，如混凝土、玄武岩、刚玉等。此种方式可对现有的墙体进行防爆改造，增加墙体的防爆性能。但是此种防爆墙的面密度较高，会增加整个墙体的承重。此外由于采用高密度材料，冲击波在墙体内部不同夹层之间会发生冲击波的透射和反射，有可能对墙体本身造成更大损伤。并且，此种墙体也不能解决冲击波反射及绕射的问题。
第三种防爆墙一般是采用一定的金属及编织材料框架制成的石笼网，通过在石笼网中装填沙土进行防护，这种防护形式不美观，不适合在普通建筑中防护，同时，此种方式对于沙土需求量比较大，墙体厚度较大，适用于野外，如部队的野战营房等。并且，此种墙体也不能解决冲击波反射及绕射的问题。
总体来说，目前对于防爆墙、防爆板的设计，均采用硬质材料，如高强度混凝土、金属夹层无机介质、纯金属面板、沙土等防爆模块，通过增加墙体刚度从而阻挡冲击波对墙体直接破坏以及对墙后的杀伤。其缺点较为明显，即冲击波在碰撞到墙体本身后会造成反射和绕射，造成其他部位的损伤。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种墙体防爆增强模块，能够实现对现有老旧建筑的防爆改造，且施工简单，易行，防爆效果好。
本发明的墙体防爆增强模块，包括：外壳层以及包裹在外壳层内的泡沫层、液体防护层和弹性体层，所述泡沫层、液体防护层和弹性体层沿迎爆面依次排布；
所述外壳层用于支撑并吸收冲击波；
所述泡沫层由具有吸收冲击波能力的泡沫材料制成，用于吸收冲击波；
所述弹性体层由聚氨酯弹性体或聚脲弹性体制成，为“U”字形；
液体防护层用于吸收冲击波，液体防护层中的液体为水、防冻液和纳米无机非金属粉末的混合液体；所述液体防护层4放置在U字形弹性体层的凹槽内。
较优的，所述外壳层由发泡水泥制成，密度为300～800kg/m3，壁面厚度为5～15mm。
较优的，所述泡沫层采用聚氨酯泡沫或泡沫铝制成；泡沫层的密度为100～300kg/m3，壁面厚度为20-30mm。
较优的，所述弹性体层密度为300-500kg/m3，厚度为5-10mm。
较优的，所述混合液体中，纳米无机非金属粉末为碳化硅或二氧化硅；水、防冻液和纳米无机非金属粉末的质量比为75:20:5，液体防护层的厚度为10-20mm。
本发明还提供了上述墙体防爆增强模块的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，制作泡沫层：通过模具制作相应尺寸大小的泡沫层板；
步骤2，制作“U”字形的弹性体层；
步骤3，制作液体防护层，并将液体防护层安装在弹性体层的凹槽中；其中，液体防护层采用如下方式制备：首先根据混合液体配方制备混合液体，然后将混合液体装入水袋中，得到液体防护层；
步骤4，对泡沫层与步骤3得到的结构进行封装；
步骤5，将步骤4得到的结构进行密封，隔绝空气和水；
步骤6，制备外壳层并采用外壳层对步骤5中得到的结构进行封装，得到最终的模块化的墙体防爆增强模块。
较优的，所述步骤4中，采用环氧胶对泡沫层与步骤3得到的结构进行封装。
本发明还提供了一种防爆墙体，在墙体的迎爆面安装上述墙体防爆增强模块；墙体内侧和墙体防爆增强模块的外侧分别喷涂弹性体喷涂层。
较优的，所述弹性体喷涂层的材料为聚脲。
本发明提供了上述防爆墙体的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将需要进行防爆增强的墙体清理平整；
步骤2，将防爆增强模块胶粘在墙体的迎爆面上，各防爆增强模块之间的空隙小于2mm；
步骤3，在防爆增强模块的正面以及墙体的背面分别喷涂弹性体材料，形成防爆墙体；其中，所述弹性体材料的喷涂厚度为2-6mm。
有益效果：
对于一些老旧的建筑，其自身墙体结构强度不高，在面对冲击波时候，防爆能力较弱。通过披挂本发明的防爆模块，能够提高对冲击波能量的吸收、转化，减小冲击波与墙体的直接碰撞，从而达到相应的防护作用。同时，通过对冲击波的吸收，减小了绕射冲击波对其他部位的破坏。
附图说明
图1为墙体防爆增强模块的剖面图。
图2为墙体防爆增强模块的内部防护结构安装结构图。
图3为本发明的防爆墙体结构示意图。
图4为本发明的防爆墙体结构的剖面图。
图5为空爆条件下仿真模型。
图6为本发明提供的防爆增强模块仿真模型
图7为采用钢板贴合在墙体表面的仿真模型。
图8为图5仿真模型在1ms时的应力情况。
图9为图6仿真模型在1ms时的应力情况。
图10为图7仿真模型在1ms时的应力情况。
其中，1-外壳层，2-泡沫层，3-液体防护层，4-弹性体层，5-面板弹性体喷涂层，6-墙体，7-背板弹性体喷涂层，8-墙体防爆增强模块，9-500g炸药，10-空气域，11-6mm钢板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种墙体防爆增强模块，如图1和图2所示，所述墙体防爆增强模块8包括外壳层1、以及包裹在外壳层1内的内部防护结构，所述内部防护结构包括泡沫层2、液体防护层3和弹性体层4，所述泡沫层2、液体防护层3和弹性体层4沿迎爆面依次排布。
其中，所述外壳层1主要用于连接墙体，且为内部防护结构提供一定的支撑，形成模块化的结构，并且具有一定的冲击波吸收能力。外壳层1可由发泡水泥制成，密度在300-800kg/m3，壁面厚度为5-15mm。
所述泡沫层2，由具有吸收冲击波能力的泡沫材料制成，例如聚氨酯泡沫、泡沫铝等泡沫材料。泡沫层2的密度在100-300kg/m3，壁面厚度为20-30mm。
所述弹性体层4，由聚氨酯弹性体、聚脲弹性体等弹性材料制成，可以发生较大变形，吸收爆炸冲击波的能量，同时能够保证液体防护层内液体热胀冷缩不会造成整体结构的强度降低。弹性体层4密度在300-500kg/m3，厚度为5-10mm。弹性体层4为U字形，液体防护层3放置在弹性体层4内。
液体防护层3主要是由水、防冻液和纳米粉末颗粒混合而成，纳米粉末颗粒可以为碳化硅、二氧化硅等无机非金属粉末。其中优选水、防冻液、二氧化硅纳米粉末颗粒的质量比为75:20:5。该混合液体防护层对爆炸的冲击波具有良好的吸收作用。液体防护层的厚度为10-20mm。
所述墙体防爆增强模块8的尺寸一般为0.5m×0.5m，也可针对不同的墙体结构进行相应的定制，整体墙体防爆增强模块8的厚度为45-90mm。
所述墙体防爆增强模块8的制备过程如下：
步骤1，首先制作泡沫层，通过模具制作相应尺寸大小的泡沫层板；
步骤2，制作弹性体层；
步骤3，混装液体，将混装后的液体装入水袋中，然后放置在弹性体层内；
步骤4，对泡沫层与步骤3得到的结构进行封装，可采用环氧胶进行封装。
步骤5，将步骤4得到的结构表面进行封装，如表面贴合上密封膜，用于隔绝空气和水。
步骤6，将发泡水泥通过模具将步骤5中得到的结构进行封装，得到最终的模块化的墙体防爆增强模块。
基于上述墙体防爆增强模块，可以制备防爆墙体，或对现有墙体进行防爆改造。因此，本发明还提供了一种防爆墙体，如图3和图4所示，将墙体防爆增强模块8紧密布置安装在墙体6的迎爆面，并在墙体防爆增强模块8的外表面和墙体6的内表面设置弹性体喷涂层，将原墙体和墙体防爆增强模块8形成一个整体。所述弹性体喷涂层可以采用聚脲、聚氨酯弹性体等弹性体材料，弹性体喷涂层的厚度为2-6mm。弹性体喷涂层的作用，一是为了墙体结构的完整和美观，二是弹性体喷涂层具有一定的自修复功能，即能够在被爆炸产生的碎石和破片击中后保证结构的完整性，三是墙体内表面的弹性体喷涂层能够有效地防止爆炸冲击波导致墙体背面的崩落。
具体的，防爆墙体的制备方法如下：
步骤1，将需要进行防爆增强的墙体6清理平整后，使用胶枪将玻璃胶涂抹在墙体6上，然后将防爆增强模块8一块一块贴合在墙体6上，保证粘接牢靠，防爆增强模块8之间的空隙小于2mm；涂抹的玻璃胶的每平方厘米承重大于100g。
步骤2，防爆增强模块粘接完成后，在防爆增强模块的正面和墙体的背面都喷涂聚脲，将整体结构形成一个整体，聚脲的喷涂层厚度为2-6mm。
下面结合一个具体实例进行说明：
单个防爆增强模块，泡沫层采用密度为150kg/m3的聚氨酯泡沫，泡沫层厚度为20mm；弹性体层采用300kg/m3的聚氨酯弹性体制备而成，弹性体层厚度为10mm；液体防护层中液体由水、防冻液、纳米粉末颗粒混合而成，混合比例为75:20:5，将液体灌装到水袋中，形成液体防护层，液体防护层厚度为10mm。液体防护层胶结在弹性体层的凹槽内，并结合泡沫层采用胶结进行连接封装。连接完成后，放置在模具中，将制作好的密度为500kg/m3的发泡水泥放置到模具中并静置，待模块成型后取出。整体防爆模块的厚度为60mm，大小为500×500mm，整个结构的重量为6.5kg左右。
选择需要进行防护的墙体，将墙体防爆增强模块通过玻璃胶与墙体进行连接。玻璃胶的连接强度为：每平方厘米200g，胶体的粘接面积大于32cm2，粘接均匀。连接完成后待墙体固化后，进行墙体的内层和墙体防爆增强模块的外层进行聚脲喷涂，喷涂的厚度均为3mm。
通过ANSYS/autodyn软件对500g柱状炸药对混凝土墙体的破坏进行仿真计算，对于空爆条件下(即没有墙体防爆增强模块的纯墙体)，建立的仿真模型如图5所示，其中炸药采用标准TNT炸药，尺寸大小为
Figure BDA0002693203360000071
炸药距离墙体100mm，墙体厚度为240mm，高度为500mm。空气域设置边界为流出边界，整体结构接触采用欧拉-拉格朗日自动接触算法。同样，图6的仿真方案是采用本发明提供的防爆增强模块连接在墙体表面并喷涂面板弹性体喷涂层和背板弹性体喷涂层，其防爆增强模块的厚度及方案按照上述实例进行建立模型，其余条件等同空爆条件下。图7的仿真方案是采用6mm钢板连接在墙体表面，其余条件同空爆一致。图8是在1ms时候，图5纯混凝土墙体的应力状况，其最大应力处为29.19MPa，图9是在1ms时候，图6由本发明防爆模块防护下墙体的应力状况，其最大应力处应力为23.9Mpa，图10是在1ms时候，图7在6mm钢板防护条件下墙体的应力状况，其最大应力处应力为28.86MPa。比较无防爆墙体、本发明防爆墙体、6mm钢板防护下墙体，可以看出，无防爆墙体中高应力区域和最大应力值均大于本发明防爆墙体及6mm钢板防护下墙体。本发明防爆墙体高应力区域最小，其最大应力也是最小。本发明的防爆增强模型能够有效提高墙体的防爆能力。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种墙体防爆增强模块，其特征在于，包括：外壳层(1)以及包裹在外壳层(1)内的泡沫层(2)、液体防护层(3)和弹性体层(4)，所述泡沫层(2)、液体防护层(3)和弹性体层(4)沿迎爆面依次排布；
其中，所述外壳层(1)由发泡水泥制成，用于支撑并吸收冲击波；
所述泡沫层(2)由具有吸收冲击波能力的泡沫材料制成，用于吸收冲击波；
所述弹性体层(4)由聚氨酯弹性体或聚脲弹性体制成，为“U”字形；
液体防护层(3)用于吸收冲击波，液体防护层(3)中的液体为水、防冻液和纳米无机非金属粉末的混合液体；所述液体防护层(3) 放置在U字形弹性体层(4)的凹槽内。
2.如权利要求1所述的墙体防爆增强模块，其特征在于，所述外壳层(1)密度为300～800kg/m3，壁面厚度为5～15mm。
3.如权利要求1所述的墙体防爆增强模块，其特征在于，所述泡沫层(2)采用聚氨酯泡沫或泡沫铝制成；泡沫层(2)的密度为100～300kg/m3，壁面厚度为20-30mm。
4.如权利要求1所述的墙体防爆增强模块，其特征在于，所述弹性体层(4)密度为300-500kg/m3，厚度为5-10mm。
5.如权利要求1所述的墙体防爆增强模块，其特征在于，所述混合液体中，纳米无机非金属粉末为碳化硅或二氧化硅；水、防冻液和纳米无机非金属粉末的质量比为75:20:5，液体防护层的厚度为10-20mm。
6.一种如权利要求1～5任意一项所述的墙体防爆增强模块的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制作泡沫层：通过模具制作相应尺寸大小的泡沫层板；
步骤2，制作“U”字形的弹性体层；
步骤3，制作液体防护层，并将液体防护层安装在弹性体层的凹槽中；其中，液体防护层采用如下方式制备：首先根据混合液体配方制备混合液体，然后将混合液体装入水袋中，得到液体防护层；
步骤4，对泡沫层与步骤3得到的结构进行封装；
步骤5，将步骤4得到的结构进行密封，隔绝空气和水；
步骤6，制备外壳层并采用外壳层对步骤5中得到的结构进行封装，得到最终的模块化的墙体防爆增强模块。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，采用环氧胶对泡沫层与步骤3得到的结构进行封装。
8.一种防爆墙体，其特征在于，在墙体的迎爆面安装如权利要求1～5任意一项所述的墙体防爆增强模块；墙体内侧和墙体防爆增强模块的外侧分别喷涂弹性体喷涂层。
9.如权利要求8所述的防爆墙体，其特征在于，所述弹性体喷涂层的材料为聚脲。
10.一种如权利要求8或9所述的防爆墙体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将需要进行防爆增强的墙体清理平整；
步骤2，将防爆增强模块胶粘在墙体的迎爆面上，各防爆增强模块之间的空隙小于2mm；
步骤3，在防爆增强模块的正面以及墙体的背面分别喷涂弹性体材料，形成防爆墙体；其中，所述弹性体材料的喷涂厚度为2-6mm。
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