爆炸物检测

2024-09-17

爆炸物检测（共4篇）

爆炸物检测篇1

自21世纪以来,全球公共安全领域对爆炸物的检测设备的要求越来越高。譬如:在国家安全方面,各国政府急需找到一种有效快速的对爆炸物的探测方法;在司法领域,爆炸物及其分解产物的取样证明通常被用来指控一个人在近段时间内是否接触过爆炸物或者爆炸物装置的有利证据[1];在环境领域,那些二战期间遗留下来未爆炸的地雷所引发的化学物质泄漏正在不断地破坏当地地质和地下水的生态安全[2,3]。此外,在工业质量控制领域,炸药生产企业必须通过在生产环节中的检测以确保他们所生产产品的安全、有效和无污染性。正是由于在众多领域需要对爆炸物进行认真和细致的分析,所以,实现以一种简便、灵敏、低成本、选择性好的方法对爆炸物进行分析显得日益重要。

硝基化合物是爆炸物种类中最常见、使用范围最广的一类爆炸物,如TNT(三硝基甲苯)、DNT(二硝基甲苯)、NB(硝基苯)等。目前对它们的分析和检测主要采用比色反应法[4,5]、密度检测法[4]、紫外吸收法[6]、近红外光谱法[4]、核磁力共振法[4]、电化学法[7]、质谱法[8]、离子迁移谱法[9]等完成。遗憾的是,这些方法大多要求大规模的设备或者需要其它繁琐的附件,所以一般很少能在户外使用,而且高昂的成本也阻碍了其大规模的使用。

鉴于以上原因,对硝基类爆炸物的检测,荧光淬灭的方法[10]被公认为是一种最有希望被广泛运用的方法。基于荧光猝灭法的高灵敏度可方便地采集多参数仪器设计相对成熟等特点,荧光化学传感器可能会在不远的将来获得大范围的实际应用。

1 荧光产生的原理

物质的发光可以通过两种方式进行激发产生,即化学能与光能。具有荧光性质的分子吸收入射光的能量后,其中的电子从基态S0(通常为自旋多重态)跃迁至具有相同自旋多重态的激发态S2*。处于激发态的电子S2*可以通过多种途径释放能量回归到基态S0,例如分子被激发到S2*以上的某个电子激发单重态的不同振动能级上,处于这种激发态的分子很快(约10-12～10-14s)发生振动松弛而衰变到该电子态的最低振动能级,然后又经由内转化及振动松弛而衰变到S1态的最低振动能级,最后处于该能级的电子以发光的方式释放出能量回到基态S0。

荧光发生的描述过程如下:

荧光材料的寿命较短,一般为10-8～10-10 s,最大为10-6s,停止光照激发后,荧光即熄灭。

2 荧光猝灭的机理

Rehm与Weller经典实验模型告诉我们,荧光猝灭的发生是因为处于激发态的电子通过电子迁移回归到基态的过程分子猝灭主要牵涉到静态猝灭和动态猝灭前者主要形成了复合体、杂合体或者说络合物、配合物等。而后者是由于激发态的荧光基团与基态的猝灭剂之间的瞬间碰撞产生的相互作用。动态猝灭主要通过Stern-Volmer方程[11]进行描述:

其中,f0、f为有猝灭剂与无猝灭剂下的量子效率,τf0为荧光时间,Cq为猝灭剂的浓度,kd为动态猝灭的二阶猝灭常数。在公式中,Stern-Volmer常数与荧光能量比(FF0)之间呈线性关系,即Stern-Volmer常数直接代表了荧光猝灭的有效性与敏感性。所以,在选择相同的荧光材料的情况下,我们可以通过比较Stern-Volmer常数来判定其对硝基类爆炸物的选择性。

3 荧光材料在检测爆炸物中的应用

3.1 无机类纳米荧光材料

3.1.1 CdSe量子点

量子点(QDs),作为一种崭新的荧光纳米探针,拥有高效的量子生成率和长时间的发光稳定性。量子点所产生的发射光谱独立于激发入射光的波长,且具有较窄的发射光谱和良好的对称性[12]。此外,随着纳米晶体尺寸的大小,能够非常容易地改变激发发射光光波长,这些优点远远胜过于传统的荧光染料。Shi等[13]利用液相合成的方法得到了表面覆盖油酸分子的CdSe量子点。实验中根据荧光发光的稳定性和荧光信号变化的振幅,选择了5.0×10-8的CdSe溶液作为分析溶液。结果证明这种平均粒径在5nm的量子点对TNT、DNT等硝基化合物具有快速、有效的检测能力,探测的极限范围在6.5×10-8～4.5×10-6 mol/L,其中对DNBCl有最大的探测极限值。从分析结果看,虽然离实际需求的灵敏度有一定的差距,但是可以通过改变实验的参数设计、量子点的形状及尺寸或者表面进行改性,大幅度的提高探测的极限范围。最近的相关研究报道,最高的灵敏度能达到10-12mol/L。同时,在实验中也发现,分析溶液中氧气的含量对荧光淬灭有比较明显的影响,所以在化学传感设备中,分析液最好在无氧环境下工作。

3.1.2 Mn2+掺杂的ZnS纳米晶体

屠仁勇等[14]依靠于橙色的Mn2+的光致发光性,研究了锰掺杂的氨基覆盖层的ZnS纳米晶体探测超痕量2,4,6-三硝基甲苯。有机胺覆盖的纳米晶体通过电子丰富的氨基酸配体和缺电子芳香环的酸碱共用电子对相互作用,从水溶液或者空气中结合TNT分子。由此产生的TNT阴离子吸附于氨基单分子表面,再通过有效的电子转移,使电子从ZnS导电带转移到TNT阴离子最低未占据分子轨道(LUMO),从而使荧光体发生猝灭。氨基酸配体能提高硝基化合物与荧光分子之间的猝灭常数2～5倍,在1×10-9mol/L浓度下的TNT溶液或者PPb()浓度下的TNT蒸汽都能被灵敏地检测到。此外,依靠不同类型的硝基类分析物与氨基单分子层间亲和力和彼此之间的电子接受能力不同,我们也发现了猝火效率有很大的差异。离子掺杂的纳米传感器表现出优异的溶液与气体稳定性高量子效率强烈的亲和力因此非常适合用于检测超痕量TNT和区分不同的硝基化合物。实验也证明了:当锰离子为锌离子浓度的8%时,最终掺杂为0.33%时,荧光强度最大。同时,在纳米颗粒表面用巯基乙胺做表面修饰后,纳米晶粒表面也具有丰富的电子。

3.1.3 聚苯硫醚(PPS)嫁接的纳米SiO2

Feng研究小组[15]发现了PPS嫁接的SiO2纳米颗粒展现了非常强的荧光发光性。相对于PPS溶液(λmax=439nm),PPS-SiO2的紫外吸收光谱发生了蓝移(λmax=359nm),而PPS-SiO2的发射光谱却明显强于PPS单一溶液。另外研究表明SiO2-PPS颗粒的粒径大小对猝灭常数有影响,猝灭常数随着粒径的减少而变大,同时它比相应的PPS溶液的猝灭常数要大得多。产生这样效果是因为:(1)大量的SiO2的纳米颗粒大大提升了荧光剂的比表面积,从而加强了与TNT分子接触的几率;(2)当SiO2-PPS颗粒粒径较小时,聚合物的主链结构相互更加接近,这些条件都有利于链间的电子迁移。此外,可以通过改变不同溶剂,优化荧光纳米材料的猝灭效率。

3.2 共轭聚合物荧光材料

几种共轭聚合物荧光材料的分子结构见图1所示。

Meaney等[16]研究了芘等聚合物的荧光性质。对于所有选定的荧光聚合物材料(红紫素、孔雀石绿、酚红)来说,它们与硝基苯和4-硝基甲苯的Stern-Volmer猝灭常数都明显低于芘。其中,红紫素表现了较好的猝灭常数,为143左右,孔雀石绿、酚红分别为48和79。同时,研究也如Goodpaster与McGuffin先前报道的一样—共轭聚合物与芳香类猝灭剂(硝基苯)的猝灭效果要比脂肪类猝灭剂(硝基甲烷)更加明显。而且,在苯环上增加甲基等供电子基团会稍许减少猝灭常数,相反,增加硝基等吸电子基团却明显地增加猝灭常数。在选择性方面,红紫素、孔雀石绿、酚红能更有效地区分硝化类目标猝灭剂与干扰猝灭剂,而芘虽与苯甲酸、酚红的猝灭常数几乎为0,但是其与苯胺、硝基甲烷的猝灭常数相近,这影响了芘在爆炸物检测中的实际作用。

岳寰等[17]用基于芘的聚苯乙烯溶液和基于芘的聚氯乙烯溶液均匀涂膜制备了两种荧光猝灭敏感膜。在氮气环境下,两者的荧光强度基本没有变化。这两种敏感膜对RDX与TNT均有较快的响应且重现性较好。通入RDX蒸汽3500s后,PVC敏感膜与PS敏感膜分别下降了8.11%和12.88%,改变气体为TNT蒸汽后,分别下降了10.04%与24.31%。这种明显的差异主要是由于聚苯乙烯分子与RDX、TNT分子更具有亲和性。所以在聚苯乙烯体系内,爆炸物分子能更好的与芘分子相互作用。

另外,Bai[18]研究小组采用一步电化学氧化的方法,以芘为单体,在三氟化硼乙醚溶液和乙醚的混合电解液中反应得到了OPr薄膜,并以此作为化学传感器的荧光材料。实验比较了芘与OPr在猝灭效率方面的差别,2.5nm厚度的OPr薄膜的猝灭效率从50%±5%(10s)到75%±5%(30s),而相同的芘薄膜在10s时,大约只有30%左右的猝灭效率。产生这种现象主要是由于共扼聚合物表现出来的特殊的“分子链效应”。正是这个效应使其能在不改变功能基团与识别分子结合常数的情况下成百倍地放大传感的响应信号。在实际应用过程中,OPr相对于芘更有优势,芘的发射光谱在紫外区域,而OPr的发射光谱则位于可见光范围内,这为OPr薄膜在裸眼荧光传感器的应用提供有利的条件。

Hsieh等[19]研究了MEH-PPV、DP10-PPV和BuPA(它们的分子结构式见图2)分别对TNT、2,4-DNT、2,6-DNT、4-NT、苯醌的猝灭常数的变化。在激发波长分别为504、368、424nm的激发下记录了聚合物薄膜在特定时间范围内的荧光猝灭光谱。实验结果分析,三类荧光敏感膜的猝灭效率依次为MEH-PPV、DP10-PPV、BuPA。电子供体与电子受体之间强烈的相互作用是MEH-PPV高效猝灭的主要原因。另外,MEHPPV其相对平面的分子链结构,使之更容易的激子传播。图3为5种不同猝灭剂对3种荧光材料的猝灭效率的示意图(10s)。总的来说,这些高聚物暴露于爆炸物蒸汽时都有非常强的猝灭效率。但即使把高聚物在爆炸物蒸汽下暴露很长时间,BQ的响应显得比较弱。所以在实际检测过程中,为了达到好的检测效果,应该考虑以下原因,(1)爆炸物分析物与荧光物质之间各自的扩散系数;(2)被分析物的常温平衡蒸汽压;(3)荧光分子与猝灭剂分子相互粘结强度;(4)激发聚合物与分析物之间的电子转移;(5)共轭高聚物薄膜的厚度。Naddo等[20]报道了利用纤维薄膜为荧光材料组装了化学传感器。咔唑为中心的化学结构式提升了ACTC分子的电子贡献能力,这为进一步提高。

荧光猝灭奠定了基础。ACTC分子大面积的平面能有效地促进分子间π-π的堆积。通过共面分子间的电子耦合,一维π-π的堆积有利于激子的迁移。此外,ACTC纤维多孔膜的形态和延伸的π-π堆积为分析物与荧光分子的结合提供了场所。在实际的应用过程中,ACTC荧光材料的重复使用性得到了有效地解决。把在爆炸物蒸汽下暴露过的ACTC薄膜材料长时间地置于空气中,其荧光性能会缓慢恢复。如果将其置于饱和肼蒸汽中1h,它的荧光性能将恢复至原水平的90%。复原后的荧光材料在检测爆炸物的过程中,也表现出与以前相同的性能。图4显示了5次连续的荧光淬灭—恢复的过程,从中可以看出,ACTC具有非常好的稳定性和重复使用性。

Ponnu[21]等报道了利用BPEA-γ-CD包合物作为检测和区分各类爆炸物的荧光材料。在这种包合物体系中,BPEA-γ-环糊精包合物作为主体,而TNT、RDX、Tetryl、HMX、PETN作为客体。因为α、β环糊精腔体中心的直径大小均小于所包含物BPEA分子,所以BPEA分子中的蒽环不能与α、β环糊精结合成包合物,这导致了BPEA与环糊精形成的包合物的荧光性质没有发生任何改变。但是BPEA与γ环糊精包合物的荧光发光却得到了明显地提高。实验比较了溶液中是否含有环糊精分子对荧光猝灭的影响。结果发现,有γ环糊精存在的情况下所产生的荧光猝灭现象明显优于无γ环糊精。另外,通过滴加不同爆炸物分析物溶液,可以明显地区分爆炸物的种类。表1显示了有、无γ环糊精情况下,5类爆炸物分析液下的荧光猝灭常数。从表中可清晰地看到,TNT与Tetryl与BPEA-γ-CD作用,有明显的荧光猝灭现象,另外RDX、HMX和PETN(无共轭结构)则无现象产生,这些都阐明了共轭体系在荧光猝灭检测爆炸物中所起的关键作用。

4 结语

综上所述,荧光淬灭材料需要在非常有限的爆炸物浓度下,灵敏地探测硝基类爆炸物。这样的检测方式不仅在成本上有大范围推广的可能性,同时由于荧光淬灭检测不采用任何辐射性元素所以更适合于现代警用与反恐类检测装置

摘要：近年来,全球恐怖事件呈现日益频发的趋势,各个国家与国际组织对安全的要求越来越高。使用各种技术检测爆炸物成为了当今安防领域研究的重点。其中,使用荧光猝灭材料检测爆炸物是一种既简单又快捷的方法。本文总结了国内外各类荧光传感器上所使用的荧光材料,并简要叙述了其在实际应用中的性能。

关键词：荧光材料,爆炸物

爆炸物检测篇2

针对国内现有便携式测爆仪的缺陷,研制了一种新型便携式爆炸气体检测仪。该装置利用气相色谱法提高CH4气体浓度检测精度,能根据环境温度对气体浓度自动修正,而且采用新的火区多组分气体爆炸性区域划分方法,彻底避免火区封闭及启封情况下出现的爆炸危险,能根据封闭区体积和当前气体浓度,直接给出漏风条件下消除火区爆炸危险的惰化参数,而且可以根据气体浓度采样值的变化趋势,预测下段时间的气体浓度。它还具有完备的自检功能,对故障能及时报警,具有低功耗、高性能的优点。

1 系统原理

利用空气泵将待测气体抽入传感器所在腔体,待测气体数据经传感器转化为模拟电信号后由TMS320F2812的A/D转换单元将该信号进行模数转换,同时温度传感器对温度进行测量,DSP根据温度值对各传感器所测值进行温度补偿、修正,DSP依据各传感器浓度计算公式算出所测气体浓度,判断采样气体有无爆炸危险,并在液晶显示面板上显示当前气体浓度与爆炸三角形的关系,若达到报警值则通过声光报警单元报警。DSP也可将采集到的数据经RS-232接口电路送至PC机进行数据处理。

2 硬件电路

2.1 放大滤波电路

仅以甲烷检测部分为例,甲烷红外传感器IR12BD包括气体检测信号及参考信号两个正弦脉动信号,输出信号小,且夹杂干扰信号,所以需要对该信号进行处理,以得到精确的检测信号。甲烷红外传感器放大滤波电路如图1所示[2]。

2.2 温度传感器接口

温度会影响爆炸三角形的确定,且各传感器测量结果都要根据温度进行补偿,因此要求准确测量矿井温度。传统温度测量方法是采用热电耦测量,此方法反映慢、测量误差大、安装调试复杂,且不便于远距离传输。

本设计采用DSP控制DS18B20完成温度测量。DS18B20是单总线温度传感器,能通过通信接口直接输出被测温度值,输出为9～12 bit的二进制数据,温度分辨率达0.062 5℃,体积小、功能强、使用方法简单,适用于便携式装置。DS18B20测量范围是-55℃～+125℃,数字温度输出可进行9～12 bit的编程,有3个引脚,分别为+5 V电压端、数据传输端和地端。本装置将数据输出端与DSP的GPIOB10引脚直接相连。

2.3 铁电存储电路

铁电存储器用来存储每次气体浓度测量结果、监视电池电压、产生硬件看门狗并提供系统时钟。其扩展电路如图2所示。

2.4 键盘电路

利用键盘按键控制是实现现场实时调试、数据调整和各种参数设置最常用的方法。本装置机壳上配有5个按键,分别为电源、菜单、整定、移位和调整数据键,可对测爆仪实时控制。其中电源键实现了装置的一键开关机并具有短路保护功能。

2.5 系统电源

本系统着眼于便携式测爆仪,故采用电池供电,用6块+1.2 V矿用可充电镍氢电池串联组成+7.2 V电池组作为电源。装置各部分分别需要±5 V、6 V、3.3 V、1.8 V的电压为运放、红外甲烷传感器、二氧化碳传感器及DSP供电。图3为以+5 V、+6 V电压供电的电路图。

通过公式VOUT=VREF(R1+R2)/R1计算输出电压,其中VREF为1.2 V,R1为MAX603的输出端和可调端间加的电阻,R2为可调端和地间的电阻。通过合理配置R32、R31阻值即可得到+6 V电压。另外,利用ICL7660S和AMS1117产生-5 V、3.3 V电压。

2.6 声光报警电路

若测爆装置测出混合气体有爆炸危险,则蜂鸣器鸣叫,同时红色指示灯闪烁报警。DSP的GPIOB09输出端控制Alarm,当有爆炸危险时,输出低电平,三极管Q5导通,蜂鸣器报警,同时AlarmLight控制的报警指示灯点亮。其电路如图4所示。

3 软件设计

3.1 软件设计流程

软件设计包括:初始化程序设计、仪表调试模块、人机交互模块软件实现、传感器采集模块、爆炸三角形判断、惰性参数计算、气体浓度预测。图5为流程图。

3.2 爆炸趋势预测算法

爆炸趋势预测要求根据气体浓度变化趋势预测下一段时间的气体浓度,判断气体爆炸的可能性,及时提醒井下人员做好预防措施[3]。下面介绍用正交多项式最小二乘法曲线拟合的方法实现爆炸趋势预测,并对预测数据进行爆炸危险性判断。

测爆装置记录测量的氧气浓度Y、爆炸气体浓度X和测量时间t。当需要进行爆炸预测时,经过2次以上测量,分别将Y与t、X与t做曲线拟合,然后将式(1)分别代入所求出的2条拟合曲线,求出预测数据Yn+1和Xn+1,在液晶显示屏上显示预测点。

其中,T1为第一次测量时间,Tn为第n次测量时间,n为测量次数。

4 爆炸危险性判定

新的爆炸三角形分区图(图6)中,B为爆炸下限,C为爆炸上限,ECO2为掺入CO2时失爆临界点,EN2为掺入N2时失爆临界点,BE为爆炸下限界线,CE为爆炸上限界线,FE为失爆氧浓度线,ED为失爆瓦斯浓度线。

根据图6,可按新的方法把混合气体浓度范围划分成4个区,2区与4区的划分与传统的分区有所区别。不同区域可采用与其相应的防爆措施[4]。

1区:△BCE—可爆区(即爆炸三角形),可注入惰性气体或新鲜空气,使其状态点进入2区或4区,失去爆炸性。

2区:△BEF—甲烷浓度过低不爆区,但掺入甲烷可进入爆炸区(如封闭火区时),可向封闭区内注入惰性气体,使其状态点进入4区后再封闭,以防止瓦斯爆炸。

3区:甲烷浓度过高不爆区,但掺入空气可进入爆炸区(如火区启封时),可先向封闭区内注入惰性气体,使其状态点进入4区后再启封通风,可防止瓦斯爆炸。

4区:失爆区(氧气和甲烷浓度都过低不爆区),掺入空气可进入2区不爆,掺入甲烷可进入3区不爆。

这种划分方法对火区的密闭与启封有重要意义。如正常火区的气体位于2区,封闭火区时,由于切断供风,火区内可爆气体浓度逐渐增加,氧浓度减小,当甲烷浓度与氧浓度的坐标点落入△BCE区时,可能会发生瓦斯爆炸。因此,可先向火区注入惰性气体,使火区气体状态点由2区移到4区失去爆炸性,然后再封闭,可进入3区,并可根据火区的范围计算出需要注入惰气的体积。还应判断预测点是否在爆炸三角形内。如在三角形内,则进行声光报警,警示井下操作人员,提前做好防爆。

5 抗干扰措施

本装置在设计时采取了很多措施以提高硬件的抗干扰性能。例如:印刷电路板采用四层板结构,分别为器件布线层、底层、电源层、布线层;有完整的地层,信号回路阻抗很小,差模干扰较低;元件电源管脚就近对地加去耦电容,该电容能提高数字信号突变时的电流,对模拟信号起滤波作用[5];布线时在重要的高速信号线周围铺设地线,减少信号间的互相干扰。

6 试验结果与数据分析

本装置功能包括:测量气体浓度及环境温度、判断爆炸可能性、声光报警、记录10次测试结果且掉电不丢失、校正传感器、设定时钟和人机界面显示。据此设计出如下试验[6]:

(1)测试时钟功能试验。给传感器设定当前时间,在测爆仪关机的情况下,测试72 h时钟误差。测试结果表明,误差小于1 s,说明装置中使用FM31256内嵌时钟满足要求。

(2)人机界面显示测试试验。找非设计人员操作此装置,观察人机界面显示情况,多人操作后未见异常。

(3)传感器校正试验。本安型便携式测爆仪用于井下气体浓度的检测,使用前需校正。校正方法为:在气体浓度为零(纯氮气)、环境温度为25℃时,记录各种气体A/D采样值。4种气体中CH4输出的信号为4 Hz的正弦脉动信号,其他气体输出信号为直流信号。对于直流脉动信号采用傅氏级数算法计算其峰—峰值,对其他直流信号采用去极值取平均数的滤波算法计算采样值。将这些值作为定值存储在定值器件中。当气体浓度达到测量范围的满刻度(CH4:20%,CO:0.05%,CO2:1%,O2:21%)且环境温度为25℃时,记录各种气体A/D采样值,并存储到定值器件中。

测量范围内的其他气体浓度时,可根据上述存储值,在对A/D采样值进行温度补偿后,计算相应的气体浓度。

在气体浓度为0%及满刻度时测试采样值8次,结果如表1和表2。

试验结果中,虽然每次测试结果都有误差,但误差<1%,可以满足要求。误差为电气元件及地与电源平面有杂波所致。

(4)测量气体浓度、环境温度试验和判断爆炸可能性及声光报警试验。根据实际应用情况设计了常温下,气体浓度分别处于1区、2区、3区、4区时的试验条件。

从结果可知,红外线甲烷传感器有稳定的单向误差,可通过软件使之缩小,精度较理想,这与甲烷4 Hz的正弦输出信号、软件采用本身具有滤波功能的傅氏算法计算峰—峰值有关。氧气、一氧化碳、二氧化碳传感器输出信号受温度影响,有非线性和误差,但总体测量精度较高,判断区间准确,达到了预期的目标。当气体浓度处于1区时,装置发出声光报警。

(5)测试记录掉电不丢失试验。测爆仪开机时,检查测试记录是否正确;关机后再开机检查记录是否正确;关机并将电池拆除一段时间后,再供电开机,检查记录是否正确;测试结果均正确。

本设计的本安型便携式测爆仪的主板、传感器、液晶显示均能可靠工作,性能参数也达到设计要求,软硬件都具备一定的抗干扰能力。

参考文献

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[2]张燕美,李维坚.本质安全电路设计[M].北京:煤炭工业出版社,1992.

[3]童敬明.新型瓦斯传感器关键技术的研究[J].中国矿业大学学报,2003.

[4]周利华.矿井火区可燃性混合气体爆炸三角形判断法及其爆炸危险性分析[J].中国安全科学学报,2001,11(2):47-51.

[5][美]Clayton R.Paul著.电磁兼容导论[M].闻映红译.北京:人民邮电出版社,2007

爆炸物检测篇3

尽管爆炸事故发生的概率极小, 但是一旦发生则后果不堪设想, 不仅可以造成重大人员伤亡, 而且带来的经济损失和社会影响不可估量。若发生爆炸事故对遭受爆炸后的建筑物进行鉴定和加固处理, 判断是否能够继续使用。因此应对爆炸后建筑物的结构或构件进行鉴定, 分析其受损程度和剩余承载力, 鉴定后决定该建筑物是否应加固或拆除, 以免造成更大的经济损失。

1 爆炸后结构检测鉴定方法研究

爆炸后建筑结构的鉴定程序可分为初步鉴定和详细鉴定两个阶段 (见图1) 。

1.1 初步鉴定

初步鉴定的工作内容主要包括:组织相关单位进行座谈, 了解爆炸建筑物的使用情况和爆炸过程, 并且根据消防单位和公安部门对爆炸建筑进行有效鉴定, 根据鉴定报告进行分析;初勘现场, 根据现场残留物状况初步判断结构受爆范围, 并观察结构损伤严重程度对结构所能承受爆炸冲击波作用的能力做出初步判断。

通过初步鉴定, 对建筑物爆炸经历过程有了大概的了解;首先确定爆炸建筑物损坏最严重的部位, 尤其是对于破坏极为严重的建筑构件应在周边设置警戒或拆除、临时支撑加固等措施以免造成人身伤害;对于其他的重要结构构件, 应指定详细的检测方案, 进行下一步工作。

1.2 详细鉴定

详细鉴定的主要内容包括:

1) 爆炸事故现场调查。爆炸事故现场调查包括爆炸范围的确定、是否引起火灾情况等。2) 构件受损情况检查。包括对构件受损后的外观情况进行记录, 绘制裂缝图, 测量构件变形情况及建筑倾斜情况。3) 受损构件评级。Ⅰ类 (轻微受损) , Ⅱ类 (一般受损) , Ⅲ类 (显著受损) , Ⅳ类 (严重受损) , Ⅴ类 (已破坏或局部破坏) ;对于其余区域的破损构件, 均按轻微受损考虑。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

某小区4号住宅楼为地下1层, 地上6层砌体结构住宅, 于2001年开工建设, 2004年交付使用。

该楼平面布局大致为矩形, 东西长约61.0 m, 南北最宽处约15.0 m, 总建筑面积约为5 265 m2。该楼地下室层高为2.2 m, 1层~6层层高均为3.3 m, 建筑总高度为22.5 m。全楼由西向东共分为四个单元, 除四单元为一梯一户外, 其余单元均为一梯两户, 共计42户。该楼的平面示意图见图2。

该楼为砌体结构住宅, 基础采用混凝土筏板基础, 楼、屋盖板多为预制混凝土空心板, 局部诸如客厅、卫生间、楼梯间、阳台挑板等为现浇混凝土板。

据相关人员介绍, 该楼自建成到现在, 使用状况良好, 且从未对该楼进行过任何的改造、加固。

2014年8月17日凌晨1点30分许, 4号住宅楼二单元西户家中发生燃气爆炸。受爆炸影响, 该楼二单元部分构件出现倒塌, 且多数住户家中门窗破坏、变形, 玻璃破碎。爆炸后现场情况如图3所示。

2.2 初步鉴定过程

1) 爆炸中心区域确定。本次爆炸系室内燃气爆炸, 爆炸点为二单元2层西户, 处于建筑内部, 故对该楼一定范围内的构件造成了严重损伤, 表现为构件的摧毁、倒塌, 严重歪闪、断裂和建筑附属物的破坏、向外鼓出等。

现场我们依据距爆炸点垂直、水平距离;结构构件的破坏、破损状态;建筑附属物 (门、窗及窗护栏等) 的破损现状;住户室内物品的现状等, 粗略地确定了爆炸冲击直接作用区域, 即爆炸中心区域如下所示:

二单元:西侧地下室、1层东西户、2层东西户、3层东西户、4层西户;

一单元:1层东户、2层东户、3层东户。

从位置分布来看, 该区域未涵盖三、四单元, 且整体是以爆炸点 (二单元2层西户) 为中心的球状分布, 符合一般的爆炸原理。

2) 倒塌结构构件确定。该楼某些区域已被摧毁, 结构构件倒塌, 已无加固必要, 在现场勘察过程中, 详细记录这些结构构件的位置, 见表1。

2.3 详细鉴定过程

1) 缺陷情况检测。根据初步调查的结果, 有针对性地对爆炸中心区及其他区域中具备检测条件的住户家中的缺陷情况进行了全面检查和记录 (二单元4层西户以及二单元西侧所有地下室均不具备检测条件, 故本项检测不包含上述两区域;而二单元1层~3层西户楼板均已破坏, 检查中只在外围进行了检查, 内部情况无法测及) 。

爆炸中心区域结构现状情况。此次爆炸位置为二单元2层西户, 处于建筑内部, 爆炸冲击波对一定范围内的构件破坏作用较大, 导致部分构件被完全摧毁, 少数构件严重损坏, 详细状况如下:a.墙体。二单元西户南卧室房间个别横墙被摧毁, 爆炸后产生的大量砖块集中堆积在紧邻该户的房间内;爆炸点附近的墙体出现大面积变形, 并且变形处出现较多裂缝, 横纵墙交界处出现通长裂缝。b.梁、构造柱。梁、构造柱的破坏状态主要表现为构件断裂、变形、梁柱节点部位破坏, 主要存在于二单元西户家中。c.楼板。该楼二单元西侧从地下室到3层, 客厅以及南侧两卧室位置的所有预制顶板被摧毁, 4层南侧一卧室处的预制板被摧毁, 爆炸后产生的预制板碎块全部塌落到地下室地面;2层西户 (爆炸点) 北侧书房、餐厅的预制板, 以及南阳台的现浇板出现严重挠曲、上拱变形;除此之外, 楼梯间个别现浇板在楼板角部出现了斜向裂缝。d.阳台栏板等围护结构。由于阳台栏板与墙体拉结薄弱, 爆炸所产生的冲击波致使部分阳台栏板被摧毁或严重外闪, 拉结处遭到严重破坏。e.其余区域装饰、装修层。爆炸中心区外其余区域装饰、装修层开裂或轻微损坏。

2) 构件垂直度测试。现场使用JZC-D型建筑工程检测器对具备检测条件的部分墙体以及阳台栏板的垂直度进行检测, 现场测试结果显示:一、二单元近爆点附近多数墙体及阳台栏板存在明显的垂直度偏差, 部分墙体存在外闪现象, 其程度由爆炸点向四周扩散呈逐渐减弱状, 基本有相应的规律, 符合其爆点球形分布的特征, 即位于爆点附近东侧墙体呈向东倾斜状, 位于爆点附近西侧墙体呈向西倾斜状, 位于爆点附近南侧墙体呈向南倾斜状, 位于爆点附近北侧墙体呈向北倾斜状。

综上所述, 通过构件垂直度测试结果可以判断, 在爆炸发生后, 其爆点周围的墙体或其他构件受到较大的冲击波作用, 产生了较大的变形, 同时这些墙体或构件亦对冲击波起到有效的阻滞作用, 形成一定的泄压通道, 故冲击波仅对近爆点附近的构件造成一定的破坏, 三、四单元构件在本次事故中基本未受到影响。

3) 建筑倾斜测量。现场使用DJD2-1GC电子经纬仪对该楼具备检测条件的建筑外角进行倾斜测量, 并计算建筑的倾斜矢量, 结果见表2。

由表2可知, 所测结果均未超过国家相应的规范限值要求, 故本次爆炸未对楼整体倾斜造成较大影响。

2.4 爆炸影响范围分析

1) 燃气爆炸破坏机理。案例中主要是以燃气爆炸而引起的爆炸事故, 其中燃气爆炸主要产生的是爆炸冲击波, 冲击波主要向承载能力较低的部位进行传递, 其中填充墙体和栏板、门窗洞口等薄弱部位最容易卸波, 因此受损情况也最为严重, 形成从引爆点到外界大气环境的有效泄压路径。随着传播距离的增加以及能量的消耗, 其破坏作用亦随之减弱, 一般遵循近重远轻的规律。

此外, 震动也是爆炸引发的损害性影响之一, 但燃气爆炸引发的震动是单次的, 没有持续性, 不会引起连续的振动, 且震动能量一般较小, 传播距离也不会太远, 故燃气爆炸引发的震动仅对极近距离范围有所损害, 对较远处的建筑影响轻微。

2) 爆炸影响范围分析。

a.爆炸气体泄压方向判定。燃气爆炸后产生冲击波, 而冲击波主要对承载力较低的构件或部位进行破坏, 最终达到泄压的目的, 而一般建筑中爆炸, 冲击波主要从门窗口进行泄压。在本次事故中也不例外, 冲击波主要是从门窗洞口中泄压。在事故现场根据门窗洞口和薄弱构件的破坏或倒塌方向可确定冲击波的泄压方向, 根据现场情况判断泄压方向如图4所示。

图4仅为爆炸点所在层 (2层) 的爆炸气体泄压方向示意, 由于爆炸点上下楼板均已破坏, 故在实际爆炸中, 其上下楼层亦存在一定的爆炸气体泄压, 基本方向应与上图类似, 但是涉及的范围应比该层小。此外, 三、四单元个别住户家仅外墙的窗户变形、内闪, 玻璃破碎, 家中门等设施较为完好, 这主要是由于爆炸震动和冲击波反射所造成的。

从图4可看出, 2层的爆炸气体泄压路径覆盖该西户和其两侧的邻家住户, 而由于横墙的存在以及能量的消散, 其余部位基本未涉及到。

b.严重破坏、破损构件分布。燃气爆炸后所产生的冲击波, 会直接或间接作用到结构构件上, 同时对一定区域内的结构构件造成严重影响, 这是确定爆炸影响范围的重要依据。从现场情况来看, 受损较为严重的部位为二单元2层西户 (爆炸点) 及其两侧相邻户;其次为二单元1层、3层西户及其两侧相邻户局部;最后为二单元西侧地下室;其余各层各户未发现严重受损构件 (二单元4层西户不具备检测条件, 故未涉及) 。

c.爆炸影响范围分析。在影响范围初步调查的基础上, 根据受损严重的构件分布情况, 结合爆炸气体泄压方向示意图, 最终确定了本次燃气爆炸对该4号楼直接影响的范围:爆炸点所处层水平影响范围最大, 其次为相邻层即1层、3层, 最后为地下室, 由于4层不具备检测条件故无法判断其影响程度, 但5层未发现严重受损构件, 故直接冲击荷载应在4层即终止。本次爆炸大致影响范围基本是以二单元2层西户也就是爆炸点为中心, 然后向四周辐射, 基本呈球状分布, 直至最后冲击能量消失, 影响消散。

3) 小结。该4号住宅楼, 受燃气爆炸事故影响, 造成了主体结构和附属物不同程度的损伤, 通过对构件受损情况分布统计及爆炸气体泄压路径的分析可知, 该楼受爆炸影响大致范围基本是以二单元2层西户也就是爆炸点为中心, 然后向四周辐射, 基本呈球状分布, 直至最后消失, 而三、四单元基本未受到爆炸的直接冲击影响。

2.5 缺陷原因分析

1) 墙体垮塌及通长墙体裂缝。墙体垮塌及通长墙体裂缝一般产生于爆炸点距离墙体较近的位置, 其中墙体垮塌分为两种:整体垮塌和局部垮塌。而墙体通长裂缝则为斜向、X形裂缝和横纵墙交接处等部位产生裂缝, 产生裂缝的同时墙体伴随有倾斜、错位等情况, 这是由于爆炸产生的冲击波震动墙体所致, 严重影响墙体的承载力和耐久性。2) 预制楼板损毁、变形及局部现浇板裂缝。该楼预制楼板损毁、变形及局部现浇板裂缝, 为爆炸冲击直接造成结构构件破坏的结果。主要表现为预制板的中部断裂, 挠曲、上拱变形, 个别现浇板的角部较宽的斜裂缝。此类现象已对结构的承载能力造成了严重损害。3) 梁、构造柱。现场发现二单元西户家中个别梁、构造柱存在断裂、变形、梁柱节点部位破坏的现象。这是爆炸冲击直接造成结构构件破坏的结果。此类现象已对结构的承载能力造成了严重损害。4) 阳台栏板破坏、外闪。现场个别阳台栏板已经破坏, 部分栏板外闪严重, 为爆炸冲击直接造成结构破坏的结果。但栏板属于围护结构构件, 起不到结构承载的作用, 故不影响结构的整体承载。5) 其他。部分住户家中墙面和顶板存在抹灰开裂, 敲击表面多呈空鼓声。该现象为结构构件表面抹灰收缩开裂, 对房屋主体结构的承载安全没有影响。

2.6 结构构件受损状态分析

结构的抗冲击能力和结构自身的密实度、强度有关, 结构整体性好、抗震能力强的建筑在遇爆炸冲击后会有效的对其进行抵抗, 将爆炸所产生的破坏控制到一定区域。从调查分析可见, 4号住宅楼楼内主要受损的结构构件依次为:1) 混凝土预制空心板;2) 阳台栏板;3) 墙体;4) 梁、构造柱。

根据具体结构构件的损伤状态, 我们将爆炸中心区域的构件划分为五类:Ⅰ类 (轻微受损) , Ⅱ类 (一般受损) , Ⅲ类 (显著受损) , Ⅳ类 (严重受损) , Ⅴ类 (已破坏或局部破坏) , 构件主要存在于爆炸中心区域;对于其余区域的破损构件, 均按轻微受损考虑。

2.7 缺陷危害性分析

根据现场检测的各类缺陷的实际现状, 结合缺陷原因分析, 以是否影响建筑整体竖向承载为标准, 对上述四类情况构件的危害性进行分类, 见表3。

3 结语

本文阐述了爆炸后结构检测鉴定顺序和步骤, 研究了初步鉴定和详细鉴定两个阶段的主要工作内容和具体工作方法, 以具体工程实例为背景, 并针对受爆后建筑物的特点, 对爆炸后结构检测鉴定方法展开了工程实践分析, 提出了适用于爆炸后砌体结构检测鉴定的检测方法和鉴定评级步骤。本文的研究结果可为爆炸后砌体结构的检测鉴定工作提供参考。

摘要：以某小区4号住宅楼燃气爆炸影响结构检测鉴定项目为背景, 对爆炸事故周边建筑物在受到爆炸瞬间荷载以及爆炸冲击波后的损坏、倒塌等破坏进行了理论研究与工程实践分析, 提出了结构检测的方法及评级步骤, 以供参考。

关键词：爆炸,冲击波,建筑物损坏,检测鉴定

参考文献

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[2]胡联台.当代世界恐怖主义与对策[M].北京:东方出版社, 2002.