沖擊荷載作用下速凝劑對噴射混凝土破壞強度研究

方 躍，馬亞東，潘長春，宗 琦

（安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

噴射混凝土支護技術在地下工程（如隧道、巷道等）中被廣泛采用。抗壓強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快、初期強度提高，能緊跟掘進工作面，起到填充圍巖裂隙、節理等缺陷的同時隔絕圍巖風化[1-2]，提升支護強度，但速凝劑的摻量對混凝土強度會有一定的影響。王興國等[3]對有無速凝劑對噴射混凝土的影響進行了研究，得出作為一種外加劑，速凝劑能使混凝土凝結快并具有較高的早期強度，但會降低中后期強度；蘭明章等[4]對硫酸鋁速凝劑進行了研究，得出了速凝劑質量決定了噴射混凝土質量的好壞；張建綱等[5]對液體速凝劑對噴混凝土耐久性的影響進行了研究，得出低堿型液體速凝劑在降低混凝土的力學性能的同時降低了抗凍、抗滲性能；郭文康等[6]對液態無(低)堿速凝劑的特性進行了研究，得出其解決了傳統粉狀高堿速凝劑影響混凝土后期強度、高回彈、噴射混凝土施工質量的諸多問題。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力學特性研究較少。但在井巷爆破掘進過程中經常伴隨著爆破應力波、空氣沖擊波和飛石撞擊[7]，使噴射混凝土受動態作用。

目前，霍布金森壓桿普遍用于煤巖體動態力學測試[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力應變曲線和動態響應[12]，有較強的實用價值，為井巷施工的安全提供有益的參考，如選擇最優的速凝劑摻入量。

1 SHPB裝置及試件制備

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

圖1 沖擊試驗室SHPB裝置示意圖

1.1 試驗材料

試件所用混凝土為基準配合比，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為：水灰比 0.57，膠骨比 1∶4。

其中水泥為標號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，考慮到應力的均勻性，實驗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

混凝土的強度在 1、3、7、14、28 d 5 個齡期測量。試驗中，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個齡期到達時，將每1個配比中，每組的其中1個試塊進行沖擊，確定試塊所達到的氣壓值，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行試驗沖擊，沖擊前記錄相關的基本物理參數（直徑、高、質量），沖擊后記錄沖擊的氣壓值，示波器的相關數據，以及應變儀相關設置參數。記錄的主要數據見表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行沖擊試驗，同時觀察，試件的破壞形態，再綜合2種結果，得出不同配比速凝劑對噴射混凝土動態力學性能的影響。

表1 沖擊試件主要參數

2 靜壓試驗

試驗采用的試件是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，每個齡期到達時，將每個配比中每組的1個試塊進行靜壓試驗。

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

靜壓實驗結束后，每個速凝劑配比下噴射混凝土在不同齡期靜壓強度得到的抗壓強度見表2。

表2 不同齡期立方體靜壓強度

由表2做出的不同齡期下噴射混凝土靜壓強度與速凝劑添加量的關系如圖2。

圖2 4種配比速凝劑下混凝土靜壓強度隨齡期增長變化

速凝劑的噴射混凝土靜壓強度隨著齡期的增大，它們的強度都顯著增大[13]；在7 d齡期時，噴射混凝土的抗壓強度超過了28 d齡期的70%，因此齡期7 d之前的混凝土強度增長較快，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度成反比，并且速凝劑添加越多，混凝土中后期強度的損失越多。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做不同齡期下摻入速凝劑的噴射混凝土與基準噴射混凝土強度的百分比（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的102%，3 d之后發生變化，速凝劑添加量為6%的噴射混凝土為基準的83%，28 d齡期時為基準的75%，強度損失較多，這可能是由于速凝劑的摻加在早期促進了水泥的水化提高了強度，但在中后期阻礙了水泥的正常水化降低了強度。

表3 不同速凝劑摻量在不同齡期與基準強度的比

3 SHPB沖擊試驗

3.1 動態抗壓強度強度

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

表4 不同齡期沖擊強度

由表4做出的不同齡期下噴射混凝土動態強度與速凝劑摻加量之間的關系如圖3。

圖3 4種速凝劑配比下混凝土動態強度隨齡期增長變化

由圖3可知，沖擊荷載作用下的強度和靜態強度具有相似的性質；早期時，6%速凝劑配比的峰值強度稍高，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。綜合靜態和動態抗壓強度的結果，當速凝劑配比為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應力強度是靜壓的1.1～1.4倍。

3.2 應力應變曲線圖

不同速凝劑摻入量在不同齡期下單次沖擊的應力-應變曲線如圖4。

圖4 各齡期單次沖擊應力應變曲線

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，峰值部分擾動較大；1 d齡期之后，速凝劑添加量與噴射混凝土應力應變曲線的峰值應力成反比，并且峰值部分擾動比之前較小。

齡期14 d時,噴射混凝土的沖擊強度A組最高。從A組和B組曲線可知，峰值應力具有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，直接到達沖擊動力下的應力峰值，主要因為C組和D組加了4%、6%的速凝劑，導致混凝土在中后期損失強度的同時，質地提前達到硬脆型。

齡期28 d時,各組的應力峰值強度依然呈上升趨勢，不加速凝劑的噴射混凝土強度最高，加入不同配比速凝劑的強度有不同程度的損失。因為28 d齡期的噴射混凝土都已經表現出準脆性材料的性質，其曲線只有1個上升段，達到峰值后試塊出現破壞，曲線下降。

3.3 破碎形態

為更加充分的說明沖擊荷載下動力學強度的區別，觀察各齡期噴射混凝土的破壞形態，試件破壞形態如圖5。

圖5 試件破壞形態

從圖5中可以看出，1 d齡期的噴射混凝土破壞形態主要是局部破壞，整體大塊存在，破碎部分較細，塊體部分無裂紋；3 d齡期的噴射混凝土的破壞形態主要是表面存在細小裂痕，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裂痕較多；7 d齡期的噴射混凝土，破壞形態已經開始有明顯的不同，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護過程中由黏彈性向準脆性的轉變使噴射混凝土在沖擊荷載作用下出現不同的破壞形態。7 d之前的噴射混凝土，試件質地較軟，呈現出較強的黏彈性；7 d之后的噴射混凝土，整個試件開始顯現出脆性材料的性質；28 d的噴射混凝土，試件已經接近準脆性材料的性質。

4 結論

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，由應力應變曲線和破碎形態得到，齡期7 d之前的噴射混凝土，表現出來較強的黏彈性，7 d齡期之后的噴射混凝土，整個試件開始顯現出脆性材料的性質。

3）從應力應變曲線和動靜態抗壓強度曲線可以得出，對于4個不同的配比，當速凝劑配比為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。