噴層混凝土-圍巖組合體的循環(huán)沖擊壓縮試驗研究

郭東明，閆鵬洋，張英實，張 偉，丁瑩瑩，趙黎明

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

巷(隧)道鉆爆開挖過程中，炸藥釋放的能量除了使巖體粉碎、斷裂、變形外，還會將破碎或斷裂的巖塊拋擲，爆破應力波及拋擲巖塊多次對開挖面近區(qū)新噴混凝土產(chǎn)生沖擊作用，將會使早齡期混凝土及巖石內(nèi)部形成累計損傷[1-4]，從而影響錨噴混凝土與圍巖組成的支護結構穩(wěn)定性，因此研究多次沖擊作用下早齡期混凝土與巖石的動力特性對巷(隧)道工程安全、高效施工具有重要的指導意義。

目前，針對混凝土及巖石的循環(huán)沖擊力學特性問題，已有學者對其進行了研究，并取得了豐碩的成果。在混凝土方面，賴建中等[5]采用分離式SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)壓桿裝置對活性粉末混凝土進行了多次沖擊壓縮實驗，研究了纖維摻量、沖擊次數(shù)及方式對混凝土抗沖擊性能的影響規(guī)律。李勝林等[6]采用SHPB技術對碳纖維布包裹的C40混凝土試件進行循環(huán)沖擊壓縮試驗，研究了徑向碳纖維布約束條件下混凝土的動態(tài)力學特性，并探討累計損傷特性。李夕兵等[7-8]對養(yǎng)護齡期為1 d，3 d，7 d，14 d，28 d錨噴支護混凝土分別進行循環(huán)沖擊壓縮的SHPB試驗，并利用Weibull 分布統(tǒng)計損傷模型分析試件的損傷特性，結果表明，7 d齡期以前混凝土，受到小于50%臨界入射能的沖擊后，繼續(xù)養(yǎng)護后混凝土抗壓強度提高。

在巖石循環(huán)沖擊的研究方面，Li等[9]使用SHPB壓桿對花崗巖進行低強度循環(huán)沖擊試驗，研究表明，循環(huán)沖擊荷載的峰值應力小于靜態(tài)峰值應力的60%～70%時，巖石內(nèi)部的損傷基本不變。李地元等[10-12]用分離式SHPB系統(tǒng)，研究花崗巖在多次循環(huán)沖擊過程中的累計損傷特性及能量吸收規(guī)律。李勝林等[13]利用大直徑SHPB壓桿裝置對石灰?guī)r試件進行了循環(huán)沖擊實驗，探究不同沖擊荷載下石灰?guī)r損傷與應力波波幅、耗能之間的關系。許金余等[14-15]利用大直徑SHPB壓桿設備進行了圍壓條件下的循環(huán)沖擊試驗，研究了斜長角閃巖及砂巖的動態(tài)力學性能及損傷規(guī)律。唐禮忠等[16-17]利用SHPB 裝置對矽卡巖試件進行一維靜載作用下的循環(huán)沖擊試驗，結果表明，隨著沖擊數(shù)增加，動態(tài)峰值應力、動態(tài)變形模量減小，峰值應變增大，具有疲勞損傷特性，試件呈現(xiàn)拉伸或剪切破壞。

綜上所述，目前針對巖石循環(huán)沖擊力學特性的研究相對混凝土方面而言，較為完善，而早齡期混凝土方面的研究相對較少，仍需進一步研究。目前針對早齡期混凝土與巖石的循環(huán)沖擊的研究，僅考慮兩者單介質(zhì)狀態(tài)下循環(huán)沖擊過程的力學特性變化規(guī)律，而施工過程中，爆破產(chǎn)生的沖擊作用對黏結面近區(qū)也產(chǎn)生沖擊作用，受到黏結面黏結力影響，黏結面近區(qū)介質(zhì)力學特性有別于單介質(zhì)情況，目前針對此區(qū)域介質(zhì)動力特性的研究相對較少。因此，本文利用SHPB實驗裝置，對早齡期混凝土與巖石黏結形成的層狀組合體進行循環(huán)沖擊試驗，研究以及能量傳遞及耗散的規(guī)律，并分析多次沖擊作用后組合體試件由損傷向破壞的演化規(guī)律。

1 循環(huán)沖擊試驗方案

1.1 SHPB實驗裝置

本文試驗采用中國礦業(yè)大學(北京)Φ75 mm分離式SHPB實驗系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)主要包括：動力系統(tǒng)、撞擊桿、入射桿、透射桿、吸收桿及數(shù)據(jù)測試及記錄系統(tǒng)。入射桿和透射桿長度為3 000 mm，吸收桿長度為800 mm，材質(zhì)均為高強度不銹鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa。

為了實現(xiàn)沖擊過程中試件兩端面的應力平衡，本文試驗采用異形紡錘形沖頭加載，入射波為單一的半正弦波[18]，子彈長度為540 mm，材質(zhì)與入射桿材質(zhì)一致，紡錘形沖頭及相應的入射波形，如圖1所示。

圖1 異形沖頭及入射波波形Fig.1 Shaped striker and the incident waves

1.2 試件制備

實驗中早齡期錨噴支護混凝土質(zhì)量配比為水泥 ∶砂 ∶石子=1∶2∶1.97，水灰比為 0.46,速凝劑摻量為水泥量的3.75%，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，砂子使用粗砂，含泥量小于3%，碎石粒徑為5～11 mm。

實驗所需試件數(shù)量較多，現(xiàn)場取樣工作對圍巖擾動較大，實驗結果離散性較大，綜合考慮后，選用四川某采石場紅砂巖作為本文試驗巖樣，單軸抗壓強度為53.68 MPa，抗拉強度為4.92 MPa，泊松比為0.24，彈性模量為11.0 GPa。將巖樣加工成400 mm(長)×180 mm(寬)×35 mm(高)的板狀，選取其中一面作為澆筑面，清除表面的巖渣，將木模固定在試塊周邊，將攪拌均勻后的混凝土平鋪在澆筑面上，之后振搗、抹平，1 d后拆模，如圖2所示。

圖2 澆筑后的試塊Fig.2 Blocks after pouring

使用保鮮膜將巖石部分包裹密封，然后放進標準養(yǎng)護室內(nèi)進行養(yǎng)護。養(yǎng)護至3 d時，使用Z1Z-FF-200取芯機鉆芯取樣，為了減小對混凝土的擾動，控制鉆頭進速為0.6 cm/min，黏結面水平傾斜度控制在0°～2.5°，之后對試件端面進行打磨，試件軸線偏差小于0.25°，平整度小于0.05 mm，端面平行度小于0.02 mm，滿足工程巖體試驗標準要求，之后將試件放入養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護，直至試驗齡期。

澆筑后的試塊及加工后的試件，如圖2和圖3所示，組合體試件直徑為68 mm，混凝土和巖石的高度比為1∶1，試件高度為58 mm。早齡期混凝土試件尺寸為Φ50 mm×100 mm，相關力學參數(shù)如表1所示。

圖3 部分組合體試件Fig.3 Part of the combined bodies

表1 早齡期混凝土及組合體力學參數(shù)Tab.1 The mechanical parameters of the early age concrete and the combined bodies

1.3 加載氣壓及沖擊次數(shù)

為了確保試件能夠承受多次沖擊，經(jīng)過多次試驗，最終確定循環(huán)沖擊氣壓分別為0.52 MPa，0.54 MPa，0.56 MPa。每次沖擊后觀察試件是否出現(xiàn)明顯裂紋，當出現(xiàn)明顯裂紋時結束沖擊，以免影響端面應力平衡，循環(huán)沖擊次數(shù)最多為5次，不同氣壓及齡期試件根據(jù)情況適當調(diào)整沖擊次數(shù)，相同試驗條件的循環(huán)沖擊試驗重復試驗3～5次，不同齡期試件在不同沖擊氣壓條件下的沖擊次數(shù)，如表2所示。

表2 不同沖擊氣壓條件下的循環(huán)沖擊次數(shù)Tab.2 Number of cyclic impact under the different impact pressure conditions

試件混凝土部分與入射桿接觸，巖石部分與透射桿接觸，試驗沖擊過程如圖4所示，圖5為沖擊過程中典型的試驗波形及其應力平衡過程，從圖5可知，3 d齡期試件端面具有較好的應力平衡效果。

圖4 組合體試件循環(huán)沖擊試驗Fig.4 Cyclic impact tests for the combined bodies

圖5 3 d組合體試件典型試驗波形及應力平衡過程Fig.5 Typical SHPB experiment wave for the 3 d combined body and the process of stress equilibrium

2 試驗結果及分析

2.1 應力-應變曲線特征分析

圖6為不同齡期噴層混凝土-圍巖組合體試件在不同沖擊氣壓條件下循環(huán)沖擊時的應力-應變曲線。從圖6中可知，3 d齡期(0.52 MPa和0.54 MPa沖擊氣壓)和7 d齡期試件(0.52 MPa沖擊氣壓)循環(huán)沖擊的過程中，應力-應變曲線在最初表現(xiàn)為延性特征，這是由于早齡期混凝土具有一定的黏彈性，低速循環(huán)沖擊過程中，混凝土內(nèi)部空隙、孔隙及微裂紋被擠壓，發(fā)生坍陷、閉合等現(xiàn)象，使得試件出現(xiàn)大塑性變形；由于界面過渡區(qū)及膠凝材料強度較低，前期的循環(huán)沖擊作用，造成界面過渡區(qū)及砂漿區(qū)域裂紋、界面數(shù)量增多，沖擊3次后，混凝土及巖石內(nèi)部微裂隙增多，試件整體力學性能被劣化。

0.56 MPa沖擊氣壓下，不同齡期組合體試件連續(xù)沖擊2次，3 d齡期試件的應力-應變曲線均表現(xiàn)出延性變形特征，7 d和10 d齡期試件第1次沖擊時的應力-應變曲線表現(xiàn)為脆性變形特征，第2次沖擊時表現(xiàn)為延性變形特征，可以看出較大沖擊氣壓下，組合體試件連續(xù)沖擊后呈現(xiàn)延性材料特性，這主要是由于組合體受到較大沖擊擾動時，混凝土及巖石內(nèi)部空隙、孔隙及微裂紋不僅發(fā)生坍陷、閉合等現(xiàn)象，微觀缺陷還將開裂、擴展、貫通，試件塑性變形增大，力學性能降低，表現(xiàn)出延性材料特性。

7 d齡期組合體試件在0.52 MPa循環(huán)沖擊時應力-應變曲線的特征變化過程為“塑性特性-脆性特性-塑性特性”，而0.54 MPa和0.56 MPa沖擊氣壓下應力-應變曲線的特征變化過程為“脆性特性-塑性特性”，前期沖擊過程中，組合體試件表現(xiàn)出的力學特性存在差異，由文獻[19]的試驗結果及分析可知，7 d齡期混凝土黏彈性特性降低，表現(xiàn)出一定脆性材料特性，即7 d齡期混凝土即具有一定的黏彈性特性，也具有脆性的特性，當入射能較小時，一定應變率范圍內(nèi)，7 d齡期混凝土表現(xiàn)出明顯的黏彈性，循環(huán)沖擊的過程中會出現(xiàn)明顯的塑性材料特性，當入射能增大后，應變率增大至一定值后，7 d齡期混凝土出現(xiàn)應變率硬化效應，表現(xiàn)出脆性特性，從而使得組合體試件應力-應變曲線表現(xiàn)出脆性特性。

圖6 循環(huán)沖擊作用下組合體試件的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of the combined bodies in cyclic impacts

2.2 峰值應變及彈性模量規(guī)律研究

圖7為不同齡期試件不同沖擊氣壓條件下峰值應變及彈性模量隨沖擊次數(shù)的變化曲線。從圖7可知，0.52 MPa沖擊氣壓下，不同齡期試件的峰值應變及彈性模量表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，峰值應變呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，彈性模量呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，兩者呈現(xiàn)負相關關系，具有緊密的內(nèi)在聯(lián)系。

圖7 組合體試件峰值應變及彈性模量隨沖擊次數(shù)的變化曲線Fig.7 Changes of peak strain and dynamic elastic modulus for the combined with impact times

早齡期混凝土具有較好的變形能力，也具有黏彈性特性，組合體試件在低氣壓多次沖擊過程中，前期沖擊作用后，混凝土內(nèi)部空隙、孔隙及微裂紋等缺陷出現(xiàn)坍陷、閉合；繼續(xù)沖擊時，混凝土內(nèi)部眾多微小界面間存在摩擦阻力，同時組合體試件還受到黏結面環(huán)向約束，試件的軸向應變減小，彈性模量增大。相對而言，3 d齡期的混凝土黏彈性及變形能力更好，這也是3 d齡期組合體試件0.52 MPa沖擊氣壓下峰值應變降低幅度大、彈性模量增大幅度大的原因；后期沖擊過程，組合體試件微裂紋端部出現(xiàn)應力集中，微裂紋被激活—開裂、擴展、貫通，使得組合體試件應變增大，彈性模量減小。

而0.54 MPa作用下，3 d齡期組合體試件彈性模量(峰值應變)仍存在增大(減小)的變化過程，而7 d和10 d齡期試件則沒有上述現(xiàn)象，這主要是由于混凝土齡期增大后，界面過渡區(qū)及砂漿強度增大，變形能力降低，混凝土內(nèi)部少量空隙、孔隙等缺陷出現(xiàn)坍陷、閉合，更多的是空隙、孔隙及微裂紋的開裂、擴展、貫通，使得組合體內(nèi)部出現(xiàn)損傷，力學性能弱化，峰值應變增大，彈性模量減小。

2.3 試件累積損傷規(guī)律研究

循環(huán)沖擊作用后，組合體試件混凝土端面、巖石端面以及試件側(cè)面均出現(xiàn)張拉裂紋，由于受本文篇幅限制，僅列出3 d齡期0.56 MPa沖擊氣壓條件下的損傷特征圖，如圖8所示。

圖8 試件損傷破壞特征Fig.8 Damage and failure characteristics of combined body

使用RSM-SY5非金屬聲波監(jiān)測儀分別測量循環(huán)沖擊試驗前后試件混凝土以及巖石部分的縱波波速，并分別計算混凝土與巖石部分的累計損傷值，如圖9所示。從圖9可知，隨著循環(huán)沖擊氣壓的增大，試件內(nèi)部的累計損傷呈現(xiàn)增大的變化趨勢，并且混凝土的累計損傷程度較巖石嚴重，這是由于入射能首先傳導至混凝土部分，能量通過混凝土內(nèi)部時，內(nèi)部的孔隙以及骨料界面等缺陷處較易吸收能量出現(xiàn)開裂、擴展等損傷現(xiàn)象，在此過程中，能量被削減，傳導至巖石部分的能量相對減少，致使巖石部分的損傷較小。試件累計耗散能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是循環(huán)沖擊氣壓、循環(huán)沖擊次數(shù)及齡期等試驗條件的綜合結果，如圖10所示。

圖9 累計損傷值隨沖擊氣壓的變化曲線Fig.9 Changes of the accumulative damage vs impact pressure

對比圖9和圖10可知，對于0.54 MPa和0.56 MPa沖擊氣壓下，3 d齡期試件，多組試驗的累計耗散能平均值分別為64.19 J，64.65 J，混凝土累計損傷值平均值為0.325，0.383，巖石累計損傷值平均值分別為0.155，0.194，沖擊氣壓及沖擊次數(shù)不同情況下，兩者耗散能均值基本相等，試件內(nèi)部損傷均值差別較大，主要是由于低沖擊氣壓下，沖擊入射能相對較小，循環(huán)沖擊過程中，混凝土及巖石在黏結面的環(huán)向約束做用下，內(nèi)部空隙、孔隙及微裂紋等缺陷的坍陷、閉合過程，以及內(nèi)部微小界面間的摩擦過程能夠消耗大部分能量，新生裂紋數(shù)量較少，累計損傷相應較小，當沖擊入射能增大后，試件應變率及變形量增大，超過內(nèi)部裂紋缺陷活化能后，新生裂紋數(shù)量激增，因此在耗散等同的能量時，較大沖擊氣壓條件下，試件的損傷值會相應增大；0.54 MPa和0.56 MPa沖擊氣壓下，7 d齡期和10 d齡期試件的損傷情況具有上述類似的試驗結果，0.56 MPa沖擊氣壓下試件的累計耗散能均值較0.54 MPa沖擊氣壓時小，相應試件的累計損傷均值卻相應較大，也是由于上述原因造成的結果。

圖10 累計耗散能隨沖擊氣壓的變化規(guī)律Fig.10 Changes of the accumulative dissipation energy vs impact pressure

從上述試驗結果可以看出，在耗散等量時，減小沖擊入射能，組合體試件耗散的能量更多，試件出現(xiàn)的損傷卻減小，增強了試件抵抗外部沖擊荷載的能力。目前巷(隧)道爆破掘進施工現(xiàn)場，經(jīng)常采用交叉施工的方法提高掘進速度，早齡期噴層凝土與圍巖均會受到多次沖擊擾動，結合上述試驗結果，適當減少單次炸藥量、增大循環(huán)爆破次數(shù)的方法，可以減少爆破施工對早齡期噴層混凝土與圍巖的擾動及損傷，對安全施工及保持巷(隧)道穩(wěn)定性具有重要的指導意義。

3 結 論

(1)早齡期混凝土力學特性對組合體試件力學特性影響較大，在0.52 MPa沖擊氣壓循環(huán)沖擊下，混凝土力學性能提高，組合體試件力學特性由延性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈裕逯祽儨p小，彈性模量增大.

(2)0.56 MPa沖擊氣壓下，3 d，7 d和10 d齡期組合體試件連續(xù)沖擊2次后，均出現(xiàn)明顯的損傷現(xiàn)象；組合體試件力學性能被劣化峰值應變增大，彈性模量減小。

(3)在0.54 MPa沖擊氣壓下不同齡期組合體試件耗散能比0.56 MPa多，試件損傷值卻較前者小，耗散能與損傷值呈負相關關系，說明在低入射能條件有利于組合體試件抵抗外部沖擊荷載的多次沖擊，降低內(nèi)部損傷，這對現(xiàn)場施工具有重要的指導意義。

(4)組合體試件在循環(huán)沖擊過程中，混凝土內(nèi)部累計損傷值較巖石部分大，不同齡期試件在循環(huán)沖擊后，混凝土與巖石端面出現(xiàn)明面的張拉裂紋。