沖擊荷載下的混凝土斷裂構件粘接材料與粘接效果研究

摘要：混凝土在經過環氧樹脂的粘接后可以承受一定的物理壓力，而粘接性能的差異決定了混凝土在使用中的斷裂性能。本文研究了不同尺寸的混凝土顆粒的試件在斷裂后進行E-44環氧樹脂的粘接處理，所得的試樣對在不同的外部物理壓力和施壓頻率下抗斷裂的能力。實驗中發現：外部的物理壓力過大時，即使施壓的時間很短，混凝土試件仍然會發生斷裂；外部壓力的施加頻率過大時，混凝土試件的斷裂也會十分明顯；組成混凝土的顆粒尺寸較大時，不利于粘接后的混凝土試樣抵御外來的壓力沖擊。綜合來看，經過粘接后的混凝土試樣抗壓能力受外部壓力和混凝土本身材料等方面影響。

關鍵詞：沖擊荷載；E-44環氧樹脂；粘接；斷裂性；混凝土

中圖分類號：TQ177.6+7；TU528文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0032-03

Study on bonding material and bonding effect of concrete fracture members under impact load

LU Yarong

（Shaanxi Academy of Building Sciences Co.，Ltd.，Xi’an 710082，China）

Abstract：Concrete can withstand a certain physical pressure after being bonded with epoxy resin，and the differ-ence in bonding performance determines the fracture performance of concrete in use.In this paper，the resistance of the specimens with concrete particles of different sizes to E-44 epoxy resin after fracture was studied，and the result-ing specimens were resistant to fracture under different external physical pressures and frequencies.In the experi-ment，it was found that when the external physical pressure was too high，even if the pressure was applied for a short time，the concrete specimen would still fracture.When the frequency of external pressure application was too high，the fracture of concrete specimens was also very obvious.When the particle size of the concrete was large，it was not conducive to the bonded concrete sample resisting external pressure impact.Overall，the compressive strength of concrete specimens after bonding is influenced by external pressure and the material of the concrete itself.

Key words：impact load；E-44 epoxy resin；adhesion；fracture；concrete

混凝土作為一種顆粒固化后的產品，具有一定的脆性，在經過一段時間的使用后會受到外部壓力的影響，并且如果混凝土在使用中受到的壓力一直存在，其壽命會受到較大的減少[1-2]。在許多工程中會用到提前制備好的混凝土結構件，其在運輸或者使用的過程中，不可避免的會有一定的破壞。混凝土結構件的使用情況復雜多變，在局部受到壓力時，由于整體的受力不均會導致大面積斷裂的情況發生，在建筑物的使用中會有巨大的安全隱患存在。混凝土出現斷裂時，常用的處理方法是進行有效的粘接，延長其使用壽命，降低建筑物的建造成本[3]。環氧樹脂作為混凝土結構件的常用粘接材料，具有粘接牢固、時間短、影響小的優點。經過粘接后的混凝土結構件抗斷裂性能決定了強度的大小，因此需要對混凝土粘接物的抗斷裂性能進行全面系統的深入研究。已有文獻發現，現有的混凝土粘接效果研究基本圍繞其受力能力展開，試驗用測試儀器包含壓力測試機、重壓打擊儀器、碰撞測試裝置等，這些設備可操作性強，而且比較容易操作，可以得到系統性的數據用于分析粘接性能[4]。混凝土粘接后的結構件應變率相關測試則要借助于沖擊荷載裝置，沖擊荷載實驗下，混凝土結構件會產生較為明顯的形變和破壞，能夠得到一些精確的斷裂性能測試數據，便于分析其粘接性能[5]。

1測試材料和裝置

1.1材料及裝置

試驗中所用的材料為商家采購后直接使用，測試裝置均在調試穩定情況下使用。

材料：硅酸鹽混凝土（長春建筑材料公司）；粗骨料（河北礦物材料公司）；煤灰粉（河南中躍粉料有限公司）。

裝置：機械攪拌器（四川立原機械設備公司）；震動器（廣州科密儀器有限公司）；可拆卸壓感器（山東毅騰外貿有限公司）；動態應變儀（日本日立儀器）。

1.2混凝土結構件的制備

試驗中使用的混凝土試件為磚塊形，長40 cm左右，寬20 cm左右[6]。混凝土的制備材料為購買的硅酸鹽水泥直接使用制備，其細度約為4.2%，密度約為1 324 kg/m3，骨料分為2種，粒徑較細的骨料主要為河砂，粒徑較大的骨料則選用石灰巖的粉碎物。為了探究粒徑的影響，試驗中選用了5～10 cm、5～15 cm和5～20 cm這3種規格的骨料，并分別編為測試件A、B、C。將混凝土的各個原料（煤灰分、減水劑等）根據適當的配比并加水充分攪拌，水和膠的比例約為0.35∶1。通過攪拌器攪拌混合好的物料需要在震動臺上進行空氣的排出使其獲得良好的形態，在經過1d的放置后再進行模具的脫除，之后在倉庫靜置30 d左右完成混凝土試件的制備[7]。將制備完成的混凝土試件進行機械的斷裂操作，且基本選擇斷裂截面相似的試件作為試驗對象，之后需要再次進行30 d左右的靜置，使斷裂面處于穩定的狀態。通過環氧樹脂對混凝土進行粘接。具體操作為：先通過烘箱將E-44環氧樹脂進行熱熔操作，在70℃時需要加入添加劑進行改性，在冷卻至室溫后加入表面活性劑和胺試劑混合均勻，完成粘接材料的合成[8]。在混凝土試件的斷裂處加入環氧樹脂，放置7d。環氧樹脂的制備中各個材料的比例需要嚴格按照表1要求。環氧樹脂的粘接厚度需要保持在2 cm左右，而且需要防止在混凝土裂縫處注入環氧樹脂時空氣的帶入，在粘結劑注入后，需要進行擠壓，加速粘接過程，使粘接效果更好。通過壓桿對混凝土試件進行沖擊荷載，電腦記錄壓桿在試樣中的波形變化，同時要對比空白實驗（即無混凝土試件下）壓桿的監測到的波形。試驗中，需要調試儀器直至檢測到的波形沒有明顯變化，才能保證得到的數據具有準確性。通過壓桿連接到氣路裝置，將氣體的壓力傳送到混凝土試件的表面，測試不同壓力下的混凝土試件變形情況[9]。

1.3 混凝土粘接結構件抗斷裂性能

影響環氧樹脂粘接后混凝土結構件抗斷裂能力的因素主要有2方面，一是混凝土自身的組成，二是外部壓力的情況（如圖1所示）。

1.3.1 沖擊壓力的影響

混凝土粘接試件的形變試驗選擇骨料粒徑較小的測試件A，收集不同外部物理壓力下測試數據，試驗條件主要有3種：（1）加壓時間1.01 ms，沖擊荷載的壓力約為61 MPa；（2）加壓時間2.06 ms，沖擊荷載的壓力約為61 MPa；（3）加壓時間4.01 ms，沖擊荷載的壓力約為15 MPa[10] 。

1.3.2 沖擊速度的影響

沖擊速度對粘接試件的抗壓能力的影響試驗依然選取測試件A，速度大小分別為1 m/s、4 m/s、8 m/s，通過儀器檢測試件表面的應力變化分析在不同沖擊速度下混凝土粘接試件的抗斷裂性能[11] 。

1.3.3 骨料粒徑的影響

測試不同粒徑尺寸的骨料試件，測試件A、B、C 在測試條件下粘接材料的抗斷裂的表現，測試的沖擊速度選取11 m/s[12] 。

2 試驗數據分析與討論

2.1 不同沖撞力度下破損效果

試驗后總結試驗數據以及試驗結果[13] 。了解到在不同力度沖撞下的E-44環氧樹脂混凝土粘接樣品的最終結果，在不同進度下混凝土材料產生了不同的位置移動，將這2組試驗數據結合分析：在接受了不一樣的沖撞力度之后，樣品件之間的銜接部分都出現了不同程度的損傷裂斷狀況，數據顯示物體所承受的爆炸壓力沖擊效果與沖擊波在爆炸時的壓力值成正相關，壓力越大造成的損傷也越嚴重，即使損傷時間短，但是對樣品的傷害也是劇烈的，在試驗中有一種剪應力是破壞E-44環氧樹脂混凝土樣件比較嚴重的一個因素，在試驗過程中僅僅3 ms就能使E-44環氧樹脂混凝土樣件出現大程度的位移，這意味著，在這個瞬間就能使E-44環氧樹脂混凝土材料出現損壞破裂，試驗總結出剪應力也是破壞E-44環氧樹脂混凝土材料的重要因素之一。試驗過程中還有一些影響較小的因素，例如當E-44環氧樹脂混凝土的2個端口部位出現拉應力情況的沖擊壓力下將會產生破損斷開，這種影響因素產生破壞損傷小，不會對樣品材料產生位移改變[14]。混凝土樣品的平衡性質點在承受沖擊波的壓力下會出現振動反射，在這種持續振動情況下，E-44環氧樹脂混凝土樣件將會出現彎曲狀況，但是這種不良作用影響時間比較長，所以使彎曲振動頻率周期時間也拉長，這是對比剩余的兩類情況下，對E-44環氧樹脂混凝土材料產生的破壞性最小的影響因素[15]。

2.2不同沖擊速度下的損壞結果

當在不同沖擊速度之下，不同時間點E-44環氧樹脂混凝土樣件材料都會隨著當時的應力云圖產生改變[16]。在試驗過程中，當沖擊速度達到4m/s的情況下，哪怕時間拉長到500 ms[17]。E-44環氧樹脂混凝土材料依舊沒有產生較為明顯的損壞斷裂，當速度提升到8和12 m/s時，E-44環氧樹脂混凝土樣件才會出現明顯的損傷痕跡，從試驗結果樣品圖中總結分析出一個結果，E-44環氧樹脂混凝土粘接材料的破碎膠體數值以及大小都將隨著沖擊速度的增加而減小，呈現反比趨勢[18]。例如，當速度達到8 m/s時，粘接樣品將會在90 ms時出現斷裂，當沖擊速度達到12m/s時，混凝土樣品在第35 ms時就產生不良損壞。由此得知，當沖擊速度越來越大時，E-44環氧樹脂混凝土材料的損壞情況也會越來越嚴重。

2.3不同粒徑樣品的應力與沖擊速度的關系

E-44環氧樹脂混凝土材料中存在不同大小的孔洞，這些都是由于混凝土粗骨料的粒徑大小不一所導致，這一特性也造成了粘接材料在承受不同程度的沖擊力后，產生了不同的損壞。試驗得知，沖擊力度不同，混凝土樣品粒徑不同的情況下粘接材料樣品的應力改變情況。當沖擊速度逐步提升時，粘接樣品的應力最高值也隨之提升[19]。通過研究數據總結出，當沖擊速度值較小的情況下，沖擊力制造的能量也比較小，在這個狀況下，粘接樣品只出現了部分位移狀況，而不會出現很大程度的斷損，在這些裂痕之間也不存在相互之間的作用關系，在這種程度速度里，E-44環氧樹脂混凝土應力最高值也很低。如果提高沖擊速度，E-44環氧樹脂混凝土承受的沖擊力能量也會增大，在這樣的沖擊力下混凝土材料擴展時間將被大大壓縮，幾乎是同時所有的材料縫隙出現相互力，在這時的E-44環氧樹脂混凝土材料最高應力值隨之產生，在這樣高速度高力度的沖擊力影響下混凝土材料也將出現深程度的損壞斷裂。試驗結果分析顯示，當粗骨料粒徑越小E-44環氧樹脂混凝土材料應力最高值就越低，導致這種狀況的原因是由于大粒徑的混凝土縫隙不能承載大壓力，所以當粘接材料的粒徑越小的情況下，E-44環氧樹脂混凝土材料產生的損壞斷裂的概率就越小[20]。

3結語

在不同沖擊速度和不同沖擊力前提下制備的環氧樹脂混凝土材料，按照不同條件測試E-44環氧樹脂混凝土粘接材料斷裂性能。結果顯示：當沖擊壓力巨大且沖擊力作用時間短的情況下，E-44環氧樹脂混凝土粘接材料會快速斷裂，且程度嚴重，混凝土能在1 ms時產生最大程度的位置移動；當沖擊壓力以及時間都合適的狀況里，混凝土的2端會產生損壞破裂，當沖擊力小時混凝土粘接材料不會出現大程度破損；E-44環氧樹脂混凝土粘接材料承受的沖擊力較小時混凝土粘接材料不會出現明顯破損，但當沖擊速度提升后，混凝土粘接材料會相應出現明顯的破損，實驗結果顯示：混凝土受損程度與沖擊力以及沖擊速度都呈現正相關。

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（責任編輯：張玉平）