干噴和濕噴混凝土的力學性能、破裂失穩機制及損傷規律研究分析

謝穎川 劉長玲 劉 迪

（1.河南工業職業技術學院城市建設學院，南陽473000；2.商丘師范學院建筑工程學院，商丘476000）

0 引 言

噴射混凝土是一種采用壓力噴槍噴涂混凝土的施工方法，主要用于內襯及鋼結構的保護層，目前根據噴射工藝主要分為干噴和濕噴兩種方式，干噴混凝土廣泛應用在多種施工場合，具有成本低廉、施工技術簡單等特點，但也伴隨著污染大、強度低及穩定性差等弊端，嚴重影響建筑質量、危害人身安全［1-2］。為了解決以上弊端，近年來國際積極提倡運用濕噴混凝土技術，因為相比干噴混凝土技術，濕噴混凝土技術污染小、強度高、均勻性好等，能夠顯著提升建筑工程施工質量，尤其適用于較軟的地質結構以及施工擾動大的復雜工程中，使建筑支護效果大大提升［3-5］。

學者們對于噴射混凝土施工的力學性能及失穩機制展開了大量研究［6-7］，例如基于計算機電子掃描技術對噴射混凝土的破壞過程進行仿真試驗，得到了噴射混凝土材料的損傷規律［8］。或基于遙感技術探測噴射混凝土的損傷全過程，探究其中噴射混凝土壓力及能量的變化［9］。還有學者采用理論數值模擬方法對噴射混凝土損傷全過程進行研究，分析了噴射混凝土損害過程中的應力及失穩機制［10］。綜合以上的研究可以發現，目前對于噴射混凝土的力學結構、破裂失穩以及損傷規律缺乏系統的研究，針對干噴和濕噴混凝土的綜合性能展開探討的少之又少［11-12］，本研究從噴射混凝土的力學性能入手，通過試樣制作及測試，對比干、濕噴混凝土抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度等綜合力學性能，隨后采用聲發射試驗，監測混凝土破裂的全過程，對比分析干噴及濕噴混凝土的斷裂失穩機制及其內部損傷規律，為兩種類型噴射混凝土的支護設計分析提供重要的理論參考。

1 噴射混凝土的性能介紹

噴射混凝土最早用于對公路、隧道及住宅的斜坡面的保護，保證坡度平直。噴射混凝土的施工方式及施工場所與混凝土不盡相同，以下針對噴射混凝土的材料組成、配合比設計、施工方式等方面進行介紹［13］。

1.1 材料組成及配合設計

噴射混凝土由水、水泥、砂石、摻料及附加劑等材料組合而成，其一般使用普通水泥，對于骨材的使用與普通混凝土的質量與試驗方法相同，為使混凝土達到均勻性應加強控制其材料的穩定性，增加其施工效率，使用較小顆粒的骨材（<19 mm），但細骨材的細度模數應較大，一般介于2.5～3.3 之間，以使粗細粒料分配趨近均勻［14-16］。噴射混凝土有時會使用速凝劑，而速凝劑中常含有氯化物，對鋼筋有侵蝕性，故其含量須加以限制，其性質應與使用的水泥調和一致，因此使用何種速凝劑，又應添加多少，需根據噴射對象、噴射混凝土材料、配比、施工方法具體來定，但氯化物通常以不超過速凝劑重量的1%，約為水泥量的2%～4%，速凝劑氯含量檢測方法可采用美國ASTM D512規范D進行測量。

1.2 配合比設計

噴射混凝土配合比必須符合施工要求的工作性、安全性、耐久性及低透水性，且要具有穩定的性能。水灰比的強度通常采用0.5～0.6，配合比設計以重量比為主，為避免回彈，需控制其黏性，滿足噴射混凝土的結構強度、耐久性與水密性［17］。

1.3 施工設計

噴射混凝土的施工作業分為干式及濕式，分別介紹如下［18］。

1.3.1 干噴法

先將干料（水泥和粒料）充分拌和，然后壓縮空氣將混合料從軟管輸送，水由噴射器的噴嘴加入，操作過程中，水量可由操作者手中的閥門來控制；與此同時，以高速將徹底拌勻的砂漿（或混凝土）從噴嘴射于工作面上。

1.3.2 濕噴法

所有的成分應事先拌和成砂漿或混凝土，然后利用壓縮空氣將漿體由軟管輸送至噴嘴，并以高速噴嘴射于工作面上。濕噴法的反彈與灰塵較少，且水灰比控制較容易，比較適用于大型結構物的連續澆筑。

噴射混凝土施工作業，除前述外，噴射氣壓及水壓對施工質量的影響較大，噴射混凝土機因種類不同，其噴射氣壓要求也不同，為確保噴射混凝土的質量，應參考所用噴射混凝土機的使用說明，采用適當的氣壓，而其濕潤程度主要與供水環或供水針閥裝置有關。

2 噴射混凝土的試樣制作及測試

噴射混凝土的試樣必須滿足國家標準中對噴射混凝土原材料的要求［19］，其中水泥應選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強度不得低于35 MPa，細骨料應選用耐久性好的中砂或粗砂，粗骨料應選擇強度高的碎石，粒徑要小于15 mm，另外混凝土中摻和的添加劑應符合國家速凝劑標準。結合上述要求，本研究的試樣材料選擇P.C42.5R 水泥，細骨料為河砂，粗骨料為粒徑不大于10 mm的米石，速凝劑選用西卡公司速凝劑產品Sigunit-L510AF無堿液體速凝劑。

噴射混凝土的配合比嚴格按照國家標準給定，干噴混凝土的水泥、砂和石子比例為1∶2∶2，水灰比為0.5，濕噴混凝土在原有基礎上，改變水泥、砂與石子的配比為1∶2∶1.8，水灰比為0.45，含砂率為50%，根據速凝劑對噴射混凝土強度的影響，選擇無堿速凝劑摻量為6%。

為了盡量保證試驗條件和真實工廠環境一致，本研究在工地現場進行干噴和濕噴混凝土的大板噴射，并切割成規范形狀，試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，干噴和濕噴混凝土各取6個進行測試，測量試樣的抗壓強度、軸心抗壓、劈裂抗拉強度等結構力學指標，圖1和圖2為噴射混凝土大板以及現場切割過程。

圖1 干噴和濕噴混凝土大板Fig.1 Dry spray and wet spray concrete slab

圖2 大板切割過程Fig.2 Large plate cutting process

3 噴射混凝土的力學結構性能分析

3.1 抗壓強度分析

在噴射混凝土的力學性能指標中，噴射混凝土的抗壓強度為主要指標之一［20］，也是混凝土強度等級的劃分依據，噴射混凝土的抗壓強度值是通過試樣在標準條件下養護30 天后，采用標準測試方法得到極限壓力測試值乘以0.95獲得。試樣抗壓強度的計算公式如下：

式中：fcc為混凝土試樣的抗壓強度；F 為破壞載荷；A為試樣的承載面積。

試驗測試的干噴及濕噴混凝土的抗壓強度值如表1所示。

表1 抗壓強度試驗結果Table 1 Test results of compression

由表1 的試驗結果可知，濕噴混凝土的抗壓強度為34.1 MPa，相比干噴混凝土的22.8 MPa，提高了近50%，混凝土支護能力大大提升。

3.2 軸心抗壓強度

對試樣的軸心抗壓強度進行測試，軸心抗壓強度測試計算公式如下：

式中：fcp為混凝土試樣的抗壓強度；F 為破壞載荷；A為試樣的承載面積。

試驗測試的干噴及濕噴混凝土的軸心抗壓強度值如表2所示。

表2 軸心抗壓強度試驗結果Table 2 Test results of axial compression

從表2 的試驗結果可以看到，濕噴混凝土的軸心抗壓強度為24.3 MPa，干噴混凝土的軸心抗壓強度為16.5 MPa，相比干噴混凝土的22.8 MPa，提高了近48%，混凝土支護能力大大提升。

3.3 劈裂抗拉強度試驗

為了測試噴射混凝土內部結構的緊密型，保證內部結構的穩定，本研究對噴射混凝土的劈裂抗拉強度進行測試，劈裂強度的計算公式如下：

式中：fts為噴射混凝土的劈裂抗拉強度；F 為破壞載荷；A為試樣的承載面積。

試驗測試的干噴及濕噴混凝土的劈裂抗拉強度值如表3所示。

從表3 的測試結果可以看到，濕噴混凝土的劈裂抗拉強度達到2.5 MPa，相比干噴混凝土的1.7 MPa，劈裂抗拉強度提高了接近48%，混凝土的內部結構的緊密型和吸附性大大提高，有效提升了噴射混凝土支護結構的穩定性。

3.4 離散型分析

離散系數是測量數據離散型趨勢的常用指標，其計算公式如下：

表3 劈裂抗拉強度試驗結果Table 3 Test results of splitting tensile strength

根據式（4）和式（5）求解干噴及濕噴混凝土的抗壓強度、單軸抗壓強度以及抗拉強度，如表4所示。

表4 離散系數（CV）計算結果Table 4 Test results of coefficient of variation (MPa)

從表4 的離散系數計算結果可以看出，濕噴混凝土抗壓及抗拉強度的離散系數小于干噴混凝土的離散系數，表明濕噴混凝土內部結構的一致性、均勻性及綜合力學性能均好于干噴混凝土。

4 噴射混凝土的破裂失穩機制研究

4.1 聲發射技術介紹

聲發射（Acoustic Emission，AE）為一種廣泛應用于金屬及非金屬結構監測技術，當材料受外部應力作用后，會發生塑性變形、相變化或是破裂，部分內儲應變能量將突然釋放且以彈性應力波的形式釋放出來，這就是所謂的聲波反射行為［21］。AE 是一項用于檢測材料損害或結構性缺陷形成的技術，該方法已應用在巖石、復合材料、金屬、混凝土等多種材料中。AE監測技術是檢查材料在壓力的作用下本身開裂行為的一個有效方法，聲發射技術是指在材料里的能量迅速釋放產生瞬時彈性波。當材料受到外部的某種影響（壓力負載、氣溫）時會引發局部釋放能量并傳遞到表面，在材料里面會伴隨著裂縫的增加、纖維破壞和許多其他損害的聲音，通過探頭和AE 監測設備進行記錄，AE的測試原理如圖3所示。

此外，我國的其他法律以及法律解釋對隱私法做了相應的規定。未成年保護法中規定了對未成年人的隱私保護。未成年保護法第31條明確規定：對任何組織或者個人不得披露未成年人的個人隱私。2009年頒布的《侵權責任法》第2條規定，侵害民事權益，應當依照本法承擔侵權責任。該法律將隱私權包含在民事權益中，是我國法律正式確定隱私權的概念。

圖3 AE監測技術原理Fig.3 AE monitoring technology principle

混凝土為復合材料，其破壞的模式屬于半脆性破壞，裂縫的發展路徑有兩種：一為沿著骨材表面開裂；另一種為從骨材本身斷裂，如圖4 所示。混凝土的破裂行為基本上為非線性，這種非線性破裂主要源自于混凝土現有的裂縫前端，存在一個相對尺寸范圍較大的破裂過程帶（Fracture Process zone）以及非線性的應力-應變區，屬于破裂推進區內的混凝土則呈現應變軟化現象，此外，假設材料在裂縫延伸過程中達到最大應力時，施加壓力的局部區域將會產生一個起始開裂點，經此點繼續以垂直正交的方向持續開裂，開裂期間會持續形成一個非常明顯的聲音發射信號，稱為破裂過程帶。其會因為試樣尺寸的不同產生不同長度的開裂，但是會發生在類似的區域里。

4.2 破裂試驗步驟

采用前述實驗中的噴射混凝土材質及裝置，通過載重試驗評估分析混凝土破壞特性與聲反射信號之間的相關性。在試驗過程中，將經由四個傳感器所接收到的AE 信號轉換成檔案記錄下來進行后續處理，試驗使用的聲反射監測設備系統主機采用National Instruments 的NI PXI-1042 及Embedded Controller PXI-8176，在數據采集卡中，采用NI PXI-6120，探頭采用Physical Acoustic Co.的Integral Preamp Sensor Model i150，通過數據分析軟件提取數據后進行分析。

圖4 混凝土的破壞斷裂形式Fig.4 Destructive fracture form of concrete

圖5 測試設備及分析軟件Fig.5 Test equipment and analysis software

根據試驗加載的情況研究聲發射信號的數量及強度，聲發射信號的數量會因加載速率的不同產生變化，而聲發射信號監測最主要是將試件內部釋放的能量波（彈力波）經由探頭接收后轉換成電壓的大小，直接在屏幕畫面上顯示出來。當試驗速率不同時，試驗時間拉長或者縮短，噴射混凝土內部均會產生不一樣的聲發射信號。在分析統計聲發射信號數量之前，須要先設定其門坎值，用來過濾試驗過程中所發生的噪聲，以免在統計分析時造成相對誤差，而在分析過程中，首先要分析整體信號，再進一步觀察單一信號在時間域上的振幅變化，并將此信號經由快速FFT轉換，從時域轉換成頻域，分析每段聲音位置所產生的頻譜。

4.3 試驗結果分析

4.3.1 劈裂破壞分析

干噴及濕噴混凝土的劈裂破壞試驗如圖6 和7 所示，從圖6（a）可以發現，干噴混凝土的開裂區段位于（93～203）k，此區段時間為0.1375 s，區段總長度為13.6 cm，破壞集中段長度為4.5 cm，破壞信號集中段時間為0.045 5 s，干噴混凝土劈裂破壞區段峰值如圖6（b）所示，將分析區段分為0～50 kHz 與50～100 kHz，比較兩者之間的破壞峰值。經觀察可以發現，破壞峰值由0～50 kHz 所主導是聲音破壞的主頻率，而在50～100 kHz 時會在破壞峰值尖峰處出現波動振蕩，顯示出高頻率聲響破壞存在于試樣內部，但并無低頻聲響破壞之高。由圖可見，破壞峰值在瞬時破壞時間內呈現出三個破壞尖峰，與試樣的實際照片相互對比，試樣在破壞時出現多層次的破裂面，如圖6（c）所示。

圖6 干噴混凝土的劈裂破壞試驗分析Fig.6 Analysis of splitting failure test of dry shotcrete

從圖7（a）中可以發現，濕噴混凝土劈裂破壞信號區段位于（313～429）k，此區段時間為0.145 s，區段總長度為13.6 cm，破壞集中段長度為2.2 cm，破壞信號集中段時間為0.0235 s，在強度上明顯可見干噴混凝土破壞時間較濕噴混凝土長，混凝土本身的延展性會因為強度的不同而有所區別，從而造成破壞時間上的不同。濕噴混凝土劈裂破壞區段峰值分析如圖7（b）所示，在劈裂上的破壞峰值都與0～50 kHz 區段之間聲響為主頻率，這點與干噴混凝土不同，破壞峰值較平緩的部分時間點是由50～100 kHz 為主頻率，另外干噴與濕噴混凝土的破壞尖峰處與試樣的強度相關，在干噴混凝土中有三個破壞尖峰，在濕噴混凝土中呈現單一明顯尖峰，由試樣破壞的照片可以看出破裂面明顯小于干噴混凝土，如圖7（c）所示。

圖7 濕噴混凝土的劈裂破壞試驗分析Fig.7 Analysis of splitting failure test of wet-sprayed concrete

4.3.2 拉拔破壞分析

干噴及濕噴混凝土的劈裂破壞試驗如圖8 圖9 所示，從圖8（a）可以發現，干噴混凝土拉拔破壞的區段位于（200～800）k，此區段時間為0.75 s，區段整體長度為13.5 cm，破壞集中段長度為5 cm，破壞信號集中段時間為0.277 8 s，試樣呈現多次開裂，頻率較為松散，且裂縫釋放的能量有大小之分。干噴混凝土的拉拔破壞區段的峰度分析如圖8（b）所示，破壞尖峰值以低頻聲音信號為主頻率，低頻信號在破壞尖峰時呈主導趨勢但在較緩和處時表現不明顯，而高頻聲音信號與之相反，在緩和處明顯突出，但在破壞峰值時并沒有明顯的聲響，強度比在0.1～0.3之間；另外在試樣斷裂面上看到主要以多層拉伸摩擦裂縫為主，如圖8（c）所示。

圖8 干噴混凝土的拉拔破壞試驗分析Fig.8 Analysis of pull-out failure test of dry-blasted concrete

從圖9（a）可以看到，濕噴混凝土拉拔破壞的區段時間為0.75 s，區段整體長度為13.5 cm，破壞集中段長度為4.5 cm，破壞信號集中段時間則為0.25 s，試樣在瞬時開裂上呈現多次開裂且頻率較為密集。濕噴拉拔破壞區段的峰度分析如圖9（b）所示，與干噴混凝土拉拔區段分析比較，濕噴混凝土破壞尖峰只有單一尖峰，這是由于濕噴混凝土強度高于干噴混凝土，內部的結構緊密度高，使得混凝土與濕噴混凝土只出現平行剪力裂縫，并無剝離，如圖9（c）所示。

圖9 濕噴混凝土的拉拔破壞試驗分析Fig.9 Analysis of pull-out failure test of wet-sprayed concrete

5 噴射混凝土的損傷規律研究

5.1 噴射混凝土的損傷變量

混凝土材料產生的損傷主要包括裂縫及開孔。結構的損傷會影響混凝土材料的力學性能，根據損傷力學的定義，損傷變量主要為了反映材料力學中的非線性行為，損傷變量類型大致分為兩類，一類是微觀變量，一類是宏觀變量。微觀方面主要采用材料裂縫的數量、長度、面積等參量，宏觀方面主要是材料的質量及密度等宏觀量的變化。材料損傷的分析角度不同，則對損傷變量的選擇也不同，本研究結合上一節的AE 試驗，觀察AE 信號變化與結構損傷的一致性，利用AE 參數研究噴射混凝土的損傷程度。

5.2 噴射混凝土的損傷試驗分析

噴射混凝土在外載荷下的內部損傷從微觀變形擴展到最后的裂縫貫通損壞的全過程，是一個動態變化過程，在噴射混凝土破壞過程中應變能以應力波的形式傳播，通過聲發射信號采集，信號的頻率和強弱表征了材料的損傷過程，進而找出損傷規律。

5.2.1 聲發射信號特征量與損傷程度

在AE 試驗中，振鈴計數及撞擊計數是衡量聲發射信號的兩個重要特征量，振鈴計數用來表征聲發射信號的強度，撞擊計數用來表征聲發射信號的總量和頻度，干噴及濕噴混凝土的聲發射信號特征與損傷程度的試驗分析如圖10所示。

圖10 噴射混凝土的AE信號特征量與損傷程度分析Fig.10 Analysis of the characteristic quantity and damage degree of AE signal of shotcrete

從圖10 中可以看到，在整個聲發射階段，振鈴計數和撞擊計數存在對應關系，都在B 點和C點產生突變，表征混凝土結構出現損傷。通常將混凝土損傷階段分為OA 段（初始壓密階段），AB段（線彈性階段），BC段（微裂隙產生及擴展階段）以及CD 段（斷裂失穩階段），從各階段損傷程度對應的AE信號特征量可以看到：

（1）干噴混凝土的初始壓密階段（OA）更短，聲發射信號更加微弱，這是由于干噴混凝土的填充空隙較為稀疏，而由于濕噴混凝土顆粒之間的空隙填充更為密實，因此初始壓密階段（OA）較長，聲發射信號也較為顯著。

（2）干噴混凝土在線彈性階段（AB）和微裂隙產生及擴展階段（BC）的聲發射信號一直處于迅速增長階段，振鈴計數和撞擊計數都出現快速增長，表明內部的裂隙處于快速發展階段，而濕噴混凝土在線彈性階段（AB）和微裂隙產生及擴展階段（BC）的聲發射信號較為稀疏，曲線斜率較小，受力結構更加穩固，裂縫擴展也較少。

（3）干噴混凝土在斷裂失穩階段（CD）的聲發射信號突變幅度小于濕噴混凝土，說明濕噴混凝土損傷的產生在時域上更為集中，會伴隨著顆粒骨料破壞和水泥漿體破裂而產生大量的聲發射事件。

5.2.2 聲發射信號幅值能量與損傷程度

聲發射信號的幅值能量為每次信號電壓的最大值，代表損傷的強度特征，曲線以下的包絡線面積為聲發射信號的幅值能量，直觀表征試件損傷過程的演化特征。

圖11 為噴射混凝土在整個AE 試驗過程中幅值及累計能量變化的曲線，從曲線的發展趨勢來看，與聲發射信號的特征量較為一致，進一步驗證了前面對損傷階段的分析。從圖11 中還可以看到，干噴混凝土的幅值及能量變化較大，表明材料的損傷程度在不斷加深，而濕噴混凝土除了最后破裂損壞階段的能量飆升外，其他階段都較為平緩，說明材料的破壞過程較為緩慢，濕噴混凝土的力學結構性能更好，材料的初始強度較高，這也與前面的聲發射特征量的分析結論一致。

6 結 論

圖11 噴射混凝土的AE幅值能量與損傷程度分析Fig.11 Analysis of AE amplitude energy and damage degree of shotcrete

噴射混凝土最早用在公路、隧道及住宅斜坡面的保護，為了保證坡度平直而采用噴射混凝土施工。噴射混凝土根據噴射方式分為干噴及濕噴兩種，干噴混凝土和濕噴混凝土由于內部結構的不同導致力學性能及損傷破壞規律也有區別，本研究基于力學結構試驗及聲發射技術對干噴及濕噴混凝土的力學性能及損傷規律進行研究，得到結論如下：

（1）濕噴混凝土的抗壓及抗拉強度大于干噴混凝土，顯示了濕噴混凝土內部結構的一致性及均勻性較好，因此綜合力學性能均好于干噴混凝土。

（2）干噴混凝土破壞時間較濕噴混凝土長，且干噴與濕噴混凝土的破壞尖峰處與試樣的強度相關，在干噴混凝土中呈現三個破壞尖峰，在濕噴混凝土中呈現單一明顯尖峰，濕噴混凝土的破裂面明顯小于干噴混凝土。

（3）聲發射信號的特征量及幅值能量趨勢較為一致，干噴混凝土的聲發射信號特征量與幅值能量變化較大，表明材料損傷程度在不斷加深，而濕噴混凝土除了最后破裂損壞階段的能量飆升外，其他階段都較為平緩，表明材料的破壞過程較為緩慢，濕噴混凝土的力學結構性能更好，材料的基礎強度較高。