沖擊荷載作用下速凝劑對噴射混凝土破壞強(qiáng)度研究

方 躍，馬亞東，潘長春，宗 琦

（安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

噴射混凝土支護(hù)技術(shù)在地下工程（如隧道、巷道等）中被廣泛采用?？箟簭?qiáng)度是噴射混凝土主要性能之一，速凝劑的摻入使混凝土凝結(jié)快、初期強(qiáng)度提高，能緊跟掘進(jìn)工作面，起到填充圍巖裂隙、節(jié)理等缺陷的同時隔絕圍巖風(fēng)化[1-2]，提升支護(hù)強(qiáng)度，但速凝劑的摻量對混凝土強(qiáng)度會有一定的影響。王興國等[3]對有無速凝劑對噴射混凝土的影響進(jìn)行了研究，得出作為一種外加劑，速凝劑能使混凝土凝結(jié)快并具有較高的早期強(qiáng)度，但會降低中后期強(qiáng)度；蘭明章等[4]對硫酸鋁速凝劑進(jìn)行了研究，得出了速凝劑質(zhì)量決定了噴射混凝土質(zhì)量的好壞；張建綱等[5]對液體速凝劑對噴混凝土耐久性的影響進(jìn)行了研究，得出低堿型液體速凝劑在降低混凝土的力學(xué)性能的同時降低了抗凍、抗?jié)B性能；郭文康等[6]對液態(tài)無(低)堿速凝劑的特性進(jìn)行了研究，得出其解決了傳統(tǒng)粉狀高堿速凝劑影響混凝土后期強(qiáng)度、高回彈、噴射混凝土施工質(zhì)量的諸多問題。研究者對摻入不同種類的速凝劑對噴射混凝土的物理力學(xué)性能影響研究較多，但對不同摻入量的速凝劑的噴射混凝土在不同齡期的動態(tài)力學(xué)特性研究較少。但在井巷爆破掘進(jìn)過程中經(jīng)常伴隨著爆破應(yīng)力波、空氣沖擊波和飛石撞擊[7]，使噴射混凝土受動態(tài)作用。

目前，霍布金森壓桿普遍用于煤巖體動態(tài)力學(xué)測試[8-11]，采用該裝置研究不同速凝劑摻入量在不同齡期時噴射混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線和動態(tài)響應(yīng)[12]，有較強(qiáng)的實(shí)用價值，為井巷施工的安全提供有益的參考，如選擇最優(yōu)的速凝劑摻入量。

1 SHPB裝置及試件制備

74 mm大桿徑變截面霍普金森桿試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。采用的子彈直徑37 mm，長度600 mm，在末端設(shè)置阻尼器，吸收剩余能量。

圖1 沖擊試驗(yàn)室SHPB裝置示意圖

1.1 試驗(yàn)材料

試件所用混凝土為基準(zhǔn)配合比，每立方米的水∶水泥∶砂子∶石子=0.57∶1∶2∶2。速凝劑的含量分別為占膠凝材料的0%、2%、4%、6%。噴射混凝土的各項配合指標(biāo)為：水灰比 0.57，膠骨比 1∶4。

其中水泥為標(biāo)號P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，砂是中粗河砂，其級配滿足Ⅱ級級配。石子為人工碎石，因沖擊壓縮所用的試件直徑只有74 mm，考慮到應(yīng)力的均勻性，實(shí)驗(yàn)所采用石子粒徑不宜過大，所以石子過5 mm和10 mm的篩子，速凝劑為8880-C型。

1.2 試件制備及方案

混凝土的強(qiáng)度在 1、3、7、14、28 d 5 個齡期測量。試驗(yàn)中，對速凝劑配比0%、2%、4%、6%的混凝土分別編號 A、B、C、D，字母后面所帶的 1、3、7、14、28表示齡期，齡期之后代表試件在相同配比速凝劑同一齡期下試件的序號，如A14-1。試驗(yàn)采用的試件為直徑74 mm、高37 mm的圓柱體。

將4個配比的噴射混凝土試件分為4組，每組5個試塊，在每1個齡期到達(dá)時，將每1個配比中，每組的其中1個試塊進(jìn)行沖擊，確定試塊所達(dá)到的氣壓值，再用該氣壓值對同一齡期下不同速凝劑摻入量的噴射混凝土進(jìn)行試驗(yàn)沖擊，沖擊前記錄相關(guān)的基本物理參數(shù)（直徑、高、質(zhì)量），沖擊后記錄沖擊的氣壓值，示波器的相關(guān)數(shù)據(jù)，以及應(yīng)變儀相關(guān)設(shè)置參數(shù)。記錄的主要數(shù)據(jù)見表1。

采用控制變量法，控制齡期相同，對不同配比速凝劑的噴射混凝土進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，同時觀察，試件的破壞形態(tài)，再綜合2種結(jié)果，得出不同配比速凝劑對噴射混凝土動態(tài)力學(xué)性能的影響。

表1 沖擊試件主要參數(shù)

2 靜壓試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的試件是100 mm×100 mm×100 mm，將4個速凝劑配比的噴射混凝土試件分為4組，每組5個試塊，每個齡期到達(dá)時，將每個配比中每組的1個試塊進(jìn)行靜壓試驗(yàn)。

靜壓試驗(yàn)采用TYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)，最大載荷2 000 kN，準(zhǔn)確度等級為一級，加荷速度5～30 kN/s，上下壓板的中間凈距370 mm。

靜壓實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每個速凝劑配比下噴射混凝土在不同齡期靜壓強(qiáng)度得到的抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 不同齡期立方體靜壓強(qiáng)度

由表2做出的不同齡期下噴射混凝土靜壓強(qiáng)度與速凝劑添加量的關(guān)系如圖2。

圖2 4種配比速凝劑下混凝土靜壓強(qiáng)度隨齡期增長變化

速凝劑的噴射混凝土靜壓強(qiáng)度隨著齡期的增大，它們的強(qiáng)度都顯著增大[13]；在7 d齡期時，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度超過了28 d齡期的70%，因此齡期7 d之前的混凝土強(qiáng)度增長較快，7 d以后增長較為緩慢[14]。在3 d齡期之前，加入速凝劑的混凝土強(qiáng)度較高，之后隨著齡期增加，之后速凝劑配比與噴射混凝土靜壓強(qiáng)度成反比，并且速凝劑添加越多，混凝土中后期強(qiáng)度的損失越多。為研究摻入速凝劑時,噴射混凝土在中后期損失的程度，由表2做不同齡期下?lián)饺胨倌齽┑膰娚浠炷僚c基準(zhǔn)噴射混凝土強(qiáng)度的百分比（表3）。

從表3中可知，1 d齡期時速凝劑添加量6%的噴射混凝土為基準(zhǔn)的102%，3 d之后發(fā)生變化，速凝劑添加量為6%的噴射混凝土為基準(zhǔn)的83%，28 d齡期時為基準(zhǔn)的75%，強(qiáng)度損失較多，這可能是由于速凝劑的摻加在早期促進(jìn)了水泥的水化提高了強(qiáng)度，但在中后期阻礙了水泥的正常水化降低了強(qiáng)度。

表3 不同速凝劑摻量在不同齡期與基準(zhǔn)強(qiáng)度的比

3 SHPB沖擊試驗(yàn)

3.1 動態(tài)抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度

為了與靜態(tài)峰值抗壓強(qiáng)度對比，做試件在不同齡期下單次沖擊強(qiáng)度，不同齡期沖擊強(qiáng)度見表4。

表4 不同齡期沖擊強(qiáng)度

由表4做出的不同齡期下噴射混凝土動態(tài)強(qiáng)度與速凝劑摻加量之間的關(guān)系如圖3。

圖3 4種速凝劑配比下混凝土動態(tài)強(qiáng)度隨齡期增長變化

由圖3可知，沖擊荷載作用下的強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度具有相似的性質(zhì)；早期時，6%速凝劑配比的峰值強(qiáng)度稍高，這滿足井巷爆破最長時間間隔12 h的要求，增加施工的安全程度。綜合靜態(tài)和動態(tài)抗壓強(qiáng)度的結(jié)果，當(dāng)速凝劑配比為2%時，噴射混凝土的總體性能較好。

比較表2和表4可知在相同齡期時沖擊條件下的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度是靜壓的1.1～1.4倍。

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

不同速凝劑摻入量在不同齡期下單次沖擊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4。

圖4 各齡期單次沖擊應(yīng)力應(yīng)變曲線

從圖4可以看出，沖擊荷載作用下，1 d齡期時，4種配比速凝劑的噴射混凝土曲線的峰值相當(dāng)，峰值部分?jǐn)_動較大；1 d齡期之后，速凝劑添加量與噴射混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力成反比，并且峰值部分?jǐn)_動比之前較小。

齡期14 d時,噴射混凝土的沖擊強(qiáng)度A組最高。從A組和B組曲線可知，峰值應(yīng)力具有2段增長趨勢，第1段是筆直上升，第2段雖有變緩的趨勢，但是應(yīng)力值卻在快速上升，而C組與D組在第1段筆直上升之后，沒有第2段上升的趨勢，直接到達(dá)沖擊動力下的應(yīng)力峰值，主要因?yàn)镃組和D組加了4%、6%的速凝劑，導(dǎo)致混凝土在中后期損失強(qiáng)度的同時，質(zhì)地提前達(dá)到硬脆型。

齡期28 d時,各組的應(yīng)力峰值強(qiáng)度依然呈上升趨勢，不加速凝劑的噴射混凝土強(qiáng)度最高，加入不同配比速凝劑的強(qiáng)度有不同程度的損失。因?yàn)?8 d齡期的噴射混凝土都已經(jīng)表現(xiàn)出準(zhǔn)脆性材料的性質(zhì)，其曲線只有1個上升段，達(dá)到峰值后試塊出現(xiàn)破壞，曲線下降。

3.3 破碎形態(tài)

為更加充分的說明沖擊荷載下動力學(xué)強(qiáng)度的區(qū)別，觀察各齡期噴射混凝土的破壞形態(tài)，試件破壞形態(tài)如圖5。

圖5 試件破壞形態(tài)

從圖5中可以看出，1 d齡期的噴射混凝土破壞形態(tài)主要是局部破壞，整體大塊存在，破碎部分較細(xì)，塊體部分無裂紋；3 d齡期的噴射混凝土的破壞形態(tài)主要是表面存在細(xì)小裂痕，破碎后也是整體大塊為主，但相對于1 d齡期的，試件局部破壞部分的細(xì)裂痕較多；7 d齡期的噴射混凝土，破壞形態(tài)已經(jīng)開始有明顯的不同，整個試件表面會有交叉的大裂痕存在，并且裂痕從試件的中間位置向四周擴(kuò)散，裂痕基本將試塊分成3～4個大塊，但試件分而不碎；14 d的噴射混凝土，破壞形態(tài)主要是貫穿試件的大裂痕，由中心向四周散開，試件被分成5～6個小塊，此時的試件已經(jīng)分崩離析；28 d齡期的噴射混凝土雖然保持了整體的形狀，但貫穿裂紋布滿整個試件，破壞的試件接近粉碎。

由于噴射混凝土本身在養(yǎng)護(hù)過程中由黏彈性向準(zhǔn)脆性的轉(zhuǎn)變使噴射混凝土在沖擊荷載作用下出現(xiàn)不同的破壞形態(tài)。7 d之前的噴射混凝土，試件質(zhì)地較軟，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的黏彈性；7 d之后的噴射混凝土，整個試件開始顯現(xiàn)出脆性材料的性質(zhì)；28 d的噴射混凝土，試件已經(jīng)接近準(zhǔn)脆性材料的性質(zhì)。

4 結(jié)論

1）靜壓條件下，4種配比的速凝劑在7 d齡期之前的噴射混凝土強(qiáng)度增長較快，7 d齡期以后增長較為緩慢。在3 d齡期之前，添加速凝劑的混凝土強(qiáng)度較高，之后隨著齡期增加，與之相反。

2）沖擊荷載作用下，由應(yīng)力應(yīng)變曲線和破碎形態(tài)得到，齡期7 d之前的噴射混凝土，表現(xiàn)出來較強(qiáng)的黏彈性，7 d齡期之后的噴射混凝土，整個試件開始顯現(xiàn)出脆性材料的性質(zhì)。

3）從應(yīng)力應(yīng)變曲線和動靜態(tài)抗壓強(qiáng)度曲線可以得出，對于4個不同的配比，當(dāng)速凝劑配比為2%時，噴射混凝土的總體性能最好，在井巷安全施工中對速凝劑添加量提供有益的參考。