干、湿喷混凝土受载力学特性及破坏机制.pdf

第 45 卷第 8 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 8 2020 年8 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2020 移动阅读 白金超,成云海,郑强强,等. 干、湿喷混凝土受载力学特性及破坏机制[J]. 煤炭学报,2020,4582777-2786. BAI Jinchao,CHENG Yunhai,ZHENG Qiangqiang,et al. Mechanical characteristics and failure mechanism of dry and wet shotcrete under loading[J]. Journal of China Coal Society,2020,4582777-2786. 干、湿喷混凝土受载力学特性及破坏机制 白金超1,成云海1,2,郑强强1,3,李峰辉1,李 波4,5,吴 斐4,5 1. 安徽理工大学 省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南 232001; 2. 山东科技大学 煤矿充填开采国家工程实验 室,山东 泰安 271200; 3. 安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001; 4. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030; 5. 重庆大学 资源及环境科学学院,重庆 400030 摘 要目前湿喷混凝土正逐步取代干喷混凝土,但相关支护机理及设计依据缺乏研究。 为了探究 湿喷混凝土的力学特性与破坏机制,基于干、湿喷混凝土的力学试验,采用声发射AE装置监测试 样的单轴抗压、轴心抗压及巴西劈裂失稳的全过程。 获得了试样破坏全过程的声发射能量、撞击数 等数据,以及试样破坏点出现的时空特征。 根据试验结果,探究干、湿喷混凝土的破坏机制,对比分 析了两者不同龄期下的单轴抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度,并进一步研究了两者 AE 参 数中的应力、撞击数、能量与应变 4 者之间的关系,通过 AE 试件定位结果定量分析损伤变量与应 变之间的关系,建立干、湿喷混凝土损伤变量的本构模型。 结果表明相对于干喷混凝土,湿喷混凝 土的早期和长期力学性能均有显著的提升,且均质性也明显提高。 以 AE 能量表示的损伤变量随 应变的增加而增大,在各自特定的应变下试样内部裂纹均开始逐步贯通,但在达到峰值应变前湿喷 混凝土损伤变量的增长率较为缓慢,而在达到峰值应变后增长率则较快。 通过对比干、湿喷混凝土 的试验曲线和计算曲线,表明该本构模型可以适用于干、湿喷混凝土破裂能量的损伤比较。 关键词干、湿喷混凝土;AE 监测;破坏机制;损伤变量;本构模型 中图分类号TD353 文献标志码A 文章编号0253-9993202008-2777-10 收稿日期2019-05-21 修回日期2019-09-22 责任编辑常 琛 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs.2019.0686 基金项目国家自然科学基金资助项目51704044;金属矿山安全与健康国家重点实验室开放基金资助项目2018-JSKSSYS-05 作者简介白金超1987,男,河南驻马店人,硕士。 E-mailjinchaobai2015163． com 通讯作者成云海1970,男,山东新泰人,教授,博士生导师,博士。 E-mailchengyunhai2005126． com Mechanical characteristics and failure mechanism of dry and wet shotcrete under loading BAI Jinchao1,CHENG Yunhai1,2,ZHENG Qiangqiang1,3,LI Fenghui1,LI Bo4,5,WU Fei4,5 1. State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mine,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China; 2. National Engineering Laboratory for Coal Mine Backfilling Mining,Shandong University of Science and Technology,Tai’an 271200,Chi- na; 3. School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China; 4. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400030,China; 5. College of Resources and Environmental Sciences,Chongqing Uni- versity,Chongqing 400030,China AbstractAt present,wet shotcrete is gradually replacing dry shotcrete,but the relevant supporting mechanism and de- sign basis are lack of research. According to the mechanics tests of dry and wet shotcrete,the acoustic emissionAE device is used to monitor the whole process of uniaxial compression,axial compression and Brazilian splitting instability in order to explore the mechanical properties and failure mechanism of wet sprayed concrete. The acoustic emission en- ergy and impact number of the whole failure process of the sample,as well as the time and space characteristics of the failure point of the sample are obtained. Based on the test results,the failure mechanisms of dry and wet shotcrete are 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 explored,and the uniaxial compressive strength,axial compressive strength and splitting tensile strength of dry and wet shotcrete at different ages are compared and analyzed. The relationships between the AE parameters of dry and wet shotcrete,such as stress,impact number,energy and strain are further studied. The relationship between damage varia- ble and strain is quantitatively analyzed through the positioning results of AE specimens. The constitutive model of damage variable of dry and wet shotcrete is established. The results show that compared with dry shotcrete,the early and long-term mechanical properties of wet shotcrete are significantly improved,and the homogeneity is also signifi- cantly improved. Damage variable expressed by AE energy increases with the increase of strain,and cracks begin to penetrate gradually under specific strains. However,the growth rate of damage variable of wet shotcrete is slow before the peak strain is reached,and fast after the peak strain is reached. By comparing the experimental and computational curves of dry and wet shotcrete,it is shown that the constitutive model can be applied to the damage comparison of crack energy of dry and wet shotcrete. Key wordsdry shotcrete and wet spray shotcrete;acoustic emission;failure mechanism;damage variable;constitutive model 喷射混凝土简称喷砼支护广泛应用于煤矿井 巷、边坡、隧道、地铁、涵洞等岩土工程中[1]。 根据喷 射工艺的不同主要分为干喷、湿喷2 种[2]。 干喷混凝 土由于成本低、工艺简单等,在我国广泛使用,但干喷 混凝土也一直存在粉尘大、回弹率高、强度低、均质性 差等弊端[3],喷层易出现开裂、剥离、片落等问题,威 胁人身安全,特别在软弱岩层、大断面、高应力、高温、 淋水或涌水、施工扰动的复杂工程环境中,干喷混凝 土支护的上述问题更加严重。 为了解决干喷混凝土 支护存在的上述问题,近年来国家积极发展湿喷混凝 土支护技术,相比于干喷混凝土,湿喷混凝土粉尘小、 回弹率低、强度和均质性均有所提高,支护效果得以 改善[4-5]。 目前许多学者采用多种手段对混凝土失稳机制 进行了研究。 田威等[6]应用 CT 扫描技术对混凝土 破裂过程进行了细观试验研究,着重探索了混凝土材 料细观损伤演化规律;邓明德等[7]利用红外遥感技 术研究混凝土在单轴加载直至破坏的全过程,得出了 红外辐射能量随压力变化而显著变化的实验规律;于 庆磊等[8]采用数值模拟方法对不同受力条件下混凝 土破坏过程进行了研究,得到了复杂应力状态下非均 匀混凝土材料中的裂纹扩展过程。 国内外也有很多学者利用声发射Acoustic E- mission,以下简称 AE监测技术研究混凝土的破裂过 程,并得到了许多研究成果。 如 SCHIAVI A 等[9]根 据混凝土在单轴压缩实验中产生的高频信号AE和 低频信号ELEs,研究了混凝土试件的损伤过程; OHTSU M 和 CARPINTERI A 等[10-11]应用声发射技 术对混凝土结构的损伤程度进行了监测;刘茂军 等[12]对比研究了不同强度等级及不同碳化龄期混凝 土单轴受压的 AE 特征,得到了随应力的增加 AE 活 性急剧增加点明显前移的规律;尹贤刚[13]对受载岩 石与混凝土 AE 特性进行了对比试验,指出两者在加 载临近峰值强度时均有明显的“耗时”现象;张亚梅 等[14]对普通混凝土和橡胶混凝土弯曲的损伤区域进 行研究,发现了混凝土强度、脆性与 AE 活动的联系。 以上是利用 AE 监测深入研究喷混凝土的重要基础。 但是针对 2 种试样不同作用机制,喷层开裂、剥离和 片落的损伤机理即不同喷混凝土的力学特性与破坏 规律、支护性能与支护理论等缺乏研究,指导工程设 计的依据落后于工程实践。 笔者团队在北京地铁 16 号线安家河段2014、 广州地铁交换站20182019 年等工程进行了相关 试验。 采用实验室试验与 AE 监测相结合的方法,着 重研究 2 种试样力学特性和基于定位监测破裂分析 的破坏机制。 1 2 种试样力学试验 1． 1 试样制作 试验材料为 P． C42． 5R 的水泥, 粒径为 5 12 mm 的碎石,细度模数大于 2． 5 的中、粗砂以及速 凝剂干喷为粉状铝酸盐速凝剂,湿喷为无碱液体速 凝剂。 其中水灰比为 0． 5,水泥 ∶ 砂子 ∶ 石子1 ∶ 2 ∶ 2,粉状铝酸盐速凝剂 ∶ 水泥0． 035 ∶ 1,无碱液 体速凝剂 ∶ 水泥0． 06 ∶ 1[4]。 根据岩土锚固与喷混凝土支护工程技术规 范GB500862011规定检验喷混凝土强度的标 准试块应在不小于 450 mm450 mm100 mm长 宽高的喷混凝土试验板上,用切割法或者钻芯法 取得。 大板尺寸为 500 mm500 mm100 mm,如图 1a所示。 喷制大板过程如下 1在作业面附近,将模具敞开一侧朝下,以 8772 第 8 期白金超等干、湿喷混凝土受载力学特性及破坏机制 80与水平面的夹角左右倾斜置于墙脚。 2在模具外的边墙上喷射,待操作正常后将喷 头移至模具位置,由下而上逐层向模具内喷满混凝 土。 3将喷满混凝土的模具移至安全地方,用三角 抹刀刮平混凝土表面。 4在潮湿环境中养护1 d 后,脱模本次采用洒 水养护,在巷道内养护 28 d 后运至地面。 现场喷射 的大板如图 1b所示。 根据岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规 范 GB50086 和普通混凝土力学性能试验方法标 准GB/ T 50081 规定的试样尺寸,对养护好的大板在 石材切割机上切割成各试验所需尺寸,其中抗压强 度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度试验试样各取 6 个, 共计 18 个。 试样尺寸分别为 100 mm 100 mm 100 mm长宽高、100 mm100 mm300 mm长 宽高和 50 mm50 mm直径高,如图 1c所 示。 图 1 试样制作过程 Fig． 1 Preparation process of specimens 1． 2 试验内容及测试方法 在实验室利用 RMT 岩石力学试验机对 2 种试样 分别进行6 组单轴抗压试验、轴心抗压试验和巴西劈 裂试验,试验加载速度为 0． 3 0． 5 MPa/ s。 该系统可 跟踪记录实时应力、应变值的大小,并可导出以时间为 自变量,应力、应变等为变量的原始数据。 此外,采用 美国贯入法混凝土强度检测仪 ASTMC803-82 分别测 试了2 种试样2 h 龄期的强度,每组测点为6 个。 该混 凝土强度检测仪依据标准贯入阻力的原理进行测试, 采用压缩弹簧施加载荷,把一钢制测钉贯入混凝土中, 依据测钉贯入的深度来判定混凝土的强度。 1． 3 试验结果分析 分别选取试样 5 抗压强度试验、试样 2 轴心抗压 强度试验和试样 3 巴西劈裂的试验数据,绘制应力- 应变曲线,分别如图 2 4 所示。 28 d 两种试样各试 件的单轴抗压强度、轴心抗压强度、巴西劈裂强度及 2 h 龄期强度测试结果见表 1。 由表 1 可知,干喷混凝土 7 个测点的 2 h 龄期的 强度平均为 0． 7 MPa,而湿喷混凝土 2 h 龄期早期强 度平均为1． 19 MPa,相对于干喷混凝土提高了70, 大大提高了喷混凝土的早期强度。 而湿喷混凝土的 早期强度的提高,可以快速增强巷道围岩的稳定性, 避免混凝土的开裂、剥落,从而更好的适应巷道围岩 的变形。 此外,6 组28 d 湿喷混凝土试样的单轴抗压 强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度平均值分别为 31． 8,22． 5 和 5． 90 MPa,而对应的 6 组 28 d 干喷混 图 2 试样 5 两种试样单轴抗压应力-应变曲线 Fig． 2 Stress-strain curves of specimen No． 5 of dry shotcrete and wet shotcrete under unconfined compression test 图 3 试样 2 两种试样轴心抗压应力-应变曲线 Fig． 3 Stress-strain curves of specimen No． 2 of dry shotcrete and wet shotcrete under axial compression test 9772 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 4 试样 3 两种试样抗拉强度应力-应变曲线 Fig． 4 Stress-strain curves of specimen No． 3 of dry shotcrete and wet shotcrete under Brazilian tensile test 凝土试样的单轴抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉 强度平均值分别为 20． 9,15． 3 和 3． 17 MPa,湿喷混 凝土试样相对于干喷混凝土试样的单轴抗压强度、轴 心抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高了 52． 15, 47． 06和 86． 12。 由此可知,湿喷混凝土的最终 强度与干喷混凝土相比也显著增强,故湿喷混凝土长 期支护强度明显大于干喷混凝土。 湿喷混凝土的力 学性能不仅在早期有明显的增强,对于长期力学性能 也有显著提升,有利于控制变形。 如图 2,3 所示,2 种试样在单轴加载和轴心加载 下应力-应变曲线与脆性岩石在相同加载形式下的 类似,都经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和峰后 破坏 4 个阶段。 2 种试样的巴西劈裂试验的应力-应变曲线如图 4 所示,在抗拉强度峰值应力之前,应力-应变成线性 关系,达到峰值应力之后,混凝土试样劈裂破坏,强度 立即降为 0。 整个过程的应力-应变曲线与岩石的巴 西劈裂试验的应力-应变曲线类似。 因此,2 种试样 的力学变形性质与岩石类似,可以看成脆性岩石进行 分析。 表 1 试验结果统计 Table 1 Test results statistics 试样 28 d 单轴抗压强度/ MPa 干喷湿喷 28 d 轴心抗压强度/ MPa 干喷湿喷 28 d 劈裂抗拉强度/ MPa 干喷湿喷 2 h 龄期的强度/ MPa 干喷湿喷 120． 631． 615． 122． 53． 826． 120． 711． 13 222． 631． 214． 522． 03． 625． 750． 631． 18 321． 430． 916． 222． 13． 206． 000． 861． 24 419． 331． 513． 923． 03． 105． 800． 631． 21 522． 634． 015． 622． 62． 585． 900． 591． 16 618． 931． 816． 522． 82． 685． 820． 771． 22 x平均值 20． 931． 815． 322． 53． 175． 900． 701． 19 S2方差0． 5140． 0220． 1480． 0240． 2030． 0160． 430． 001 最后,为了比较 2 种试样的均质性,分别计算 4 种试验各强度的方差,计算结果见表 1,表明干喷混 凝土 28 d 龄期单轴抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗 拉强度及 2 h 龄期早期强度方差均明显高于湿喷混 凝土,说明干喷混凝土强度离散性明显大于湿喷混凝 土,干喷混凝土均质性较差,而湿喷混凝土均质性明 显提高。 综上所述,2 种试样的力学变形性质均与岩石类 似,进行相关分析和处理时可以等同于岩石。 湿喷混 凝土无论是早期强度、最终强度还是均质性都大于干 喷混凝土,由此表明湿喷混凝土支护效果好于干喷混 凝土,但 2 种试样在载荷作用下内部空间裂纹萌生、 扩展、贯通的演化机理尚不清晰,本文通过 2 种试样 单轴压缩的 AE 试验,根据试样的 AE 信号特征和定 位技术,研究 2 种试样的失稳破坏过程。 2 干喷与湿喷混凝土单轴加载 AE 试验 2． 1 试样制作 试验大板的制作与前述大板制作方法一致,试样 制作完成后运至实验室进行钻芯取样、双端面磨平, 加工成尺寸为 50 mm100 mm直径高的试样,如 图 5 所示。 加工 2 种试样每组各 6 个试验试样,分别 编号为 G-1 G-6,S-1 S-6。 2． 2 试验内容及测试方法 试验采用加载控制系统与 AE 监测系统 2 套装 置。 试验加载在 RMT 岩石力学试验机进行,该系统 可跟踪记录实时应力、应变值的大小,并可导出以时 间为自变量,应力、应变等为变量的原始数据。 AE 监 0872 第 8 期白金超等干、湿喷混凝土受载力学特性及破坏机制 测系统具有自动存储、计算 AE 各种参数的功能,如 图 6a所示。 AE 信号采集时采用 8 个传感器,固定 于试样表面,实现对 AE 信号的实时监控和三维定 位,传感器布置如图 6b所示。 图 5 试样制作过程 Fig． 5 Preparation process of specimens 图 6 AE 试验示意 Fig． 6 AE test schematic 为保证 AE 传感器与试样良好接触,增强 AE 测 试效果,使用凡士林作为耦合剂,将 AE 传感器粘贴 于试样表面,并用橡皮筋进行固定。 试验前,先以铅 笔芯为模拟源进行预试验,检查其对信号源的响应程 度,同时排除外部的撞击、摩擦等机械噪音的干扰,调 试正常后再开始试验。 试验时,单轴加载试验和 AE 试验同时进行,加载系统采用轴向位移控制加载,加 载速率为 210 -6 m/ s。 加载系统自动记录力学试验 过程参数,AE 仪器内部所配软件通过对 8 个传感器 接收到的信号进行处理,得到红色 AE 源定位标记。 2． 3 试验结果分析 2． 3． 1 应力、撞击数、能量与时间关系 选取 AE 参数中具有代表性的撞击数和能量参 数,分别反映 AE 信号的活度和强度。 AE 一个通道 上所探测到的 AE 信号数量称为撞击数,用于评价 AE 活动。 AE 能量是表征信号源强弱的特征参数, 根据试验数据分别做出干喷混凝土试样 G-3 和湿喷 混凝土试样 S-3 的应力、撞击数、能量与应变的关系 图如图 7 所示。 图 7 G-3 和 S-3 试样的应力、撞击数、能量与应变的关系 Fig． 7 Relation between stress,hit number,energy and strain of G-3 and S-3 specimen 由图 7 可知,干喷混凝土 G-3 试样和湿喷混凝 土 S-3 试样在单轴压缩下破裂过程中 AE 信号基本 特征一致,可划分为 3 个不同的阶段。 第 1 阶段为初 始压密阶段图 7 中Ⅰ阶段,大约在峰值应力的 0 20,此阶段 AE 比较活跃,但 AE 信号强度比 较低。 AE 信号主要来源于初始缺陷的闭合效应及少 1872 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 量的微破裂。 但在Ⅰ阶段中干喷混凝土 G-3 试样的 撞击数明显大于湿喷混凝土 S-3 试样的撞击数,说 明 G-3 试样的初始缺陷明显多于 S-3 试样,可能是 由于干喷作业时干料输送到喷头处与水接触时间短 暂,水灰比极不稳定,混凝土混合不均匀导致的。 此 外,干喷混凝土 G-3 试样和湿喷混凝土 S-3 试样Ⅰ 阶段的 AE 特征也验证了前面力学试验得出的湿喷 混凝土的均质性明显好于干喷混凝土的结论。 第 2 阶段为 AE 平静阶段,大约在峰值应力的 20 80图 7 中Ⅱ阶段,此阶段两试样的 AE 特征基本 一致,均为 AE 活动性明显减小阶段,且变化不大,AE 能量仍然较低。 说明在此阶段试样内初始缺陷已经 压密,内部微裂纹处于相对稳定和缓慢发展阶段。 微 裂纹由第 1 阶段在骨料与水泥的黏结面上扩展延伸 到骨料和砂浆[15-16],但由于骨料强度较高,裂纹尖端 的应力集中尚不足以使其产生裂纹,限制了裂纹扩 展,试样内积聚能量。 第三阶段为 AE 增长阶段,大 约在峰值应力的 80后图 7 中Ⅲ阶段,此阶段 AE 活动性迅速增大,当荷载增加到峰值应力时,主裂纹 迅速贯通,AE 能量突然增大,之前积聚的能量瞬时释 放,造成试样破坏,试样宏观破坏后,AE 能量和撞击 数逐渐减小。 干喷混凝土 G-3 试样的峰值后应力较 湿喷混凝土 S-3 迅速降低,这是因为湿喷混凝土具 有较好的均质性缓解了裂纹尖端的应力集中,裂纹的 汇聚和扩展较缓慢。 而干喷混凝土在荷载达到峰值 应力时,由于其自身均质性较差,其主裂纹迅速贯通, 承载能力快速下降,表现出明显的脆性破坏特征。 这 也是干喷混凝土经常出现喷层易开裂、剥离、片落等 问题的主要原因。 2． 3． 2 AE 事件定位结果与分析 图 8 和 9 分别为 2 种试样各试样处于不同应力 状态时 AE 试验定位结果。 图 8 干喷混凝土 G-1 G-4 试样破裂过程中 AE 试验的定位结果 Fig． 8 AE events location results of G-1,2,3,4 specimens of dry shotcrete 从图 8 可以看出,干喷混凝土试样在峰值应力的 0 10 时,试样内的 AE 定位分布规律呈现一种离 散、无序、随机的出现方式。 当载荷超过 0． 35σc之 后,试样内部 AE 定位事件明显开始向局部区域集 中,说明此处试样内部已经产生了初始裂纹,出现明 显的应力集中现象。 同时从加载试样也可以看出,当 载荷为 0． 70σc时试样表面应力集中部位出现肉眼可 见的细小裂纹。 此后,当荷载达到 σc时,试样内的 AE 定位事件数明显增加,并沿主破裂面快速扩展直 至内部裂纹全部贯通,最终在 AE 定位事件集中区域 出现明显的贯通裂纹,如图 10 所示。 而从图 9 可以 看出,湿喷混凝土试样在整个加载压缩过程中 AE 定 位事件均未出现明显的局部集中区域,且当达到峰值 载荷 σc时,AE 定位事件仍呈离散分布,未集中在某 一区域,说明湿喷混凝土均质性优于干喷混凝土。 对比干喷混凝土 G-1 G-4 试样破坏 AE 定位 图 8 和湿喷混凝土 S-1 S-4 试样破坏 AE 定位图 9 可得出 1在低荷载作用下0． 10σc以内干喷混凝土 产生的 AE 定位事件明显多于湿喷混凝土,而由于这 一阶段加载荷载很小,混凝土内部产生新裂纹的可能 性较小,主要由于原始缺陷的闭合效应及极弱裂隙扩 2872 第 8 期白金超等干、湿喷混凝土受载力学特性及破坏机制 图 9 湿喷混凝土 S-1 S-4 试样破裂过程中 AE 试验的定位结果 Fig． 9 AE events location results of S-1,2,3,4 specimens of wet shotcrete 图 10 干喷混凝土 G-1 G-4 试样定位结果与实际破裂结果对比 Fig． 10 Comparison of AE events location results with experimental results of G-1,2,3,4 specimens of dry shotcrete 展导致。 由此说明干喷混凝土内部原始缺陷明显多 于湿喷混凝土,该结果与图 7 得出的 2 种试样Ⅰ阶段 AE 信号特征一致。 2干喷混凝土试样 AE 定位事件主要集中在 某一区域内,出现了明显的空白区,而湿喷混凝土 AE 定位事件大多呈离散分布,试样内没有出现 AE 定位事件的空白区。 由此可见,干喷混凝土均质性 很差,加载破裂过程中试样内部应力分布不均,容 易出现应力集中区域,应力集中区域易发生微破 裂,形成 AE 定位事件集中区,而在应力水平较低的 区域易形成 AE 定位事件空白区。 在应力集中区微 破裂快速扩展直至裂纹全部贯通,试样失去整体承 载作用,这也是干喷混凝土强度低的主要问题,而 湿喷混凝土均质性较好,加载破裂过程内部应力分 布较均匀,微破裂比较分散,抵御载荷能力增强,湿 喷混凝土强度较干喷混凝土明显提高。 该结果与 前面得出的2 种试样力学性质一致。 造成2 种试样 均质性差异大的主要原因是干喷混凝土干料在喷 头处与水短暂接触,水灰比不稳定,喷射前未与水 充分拌合,而湿喷混凝土在喷射前骨料、水泥、水经 过充分搅拌,试样拌合均匀。 3干喷混凝土试样内部定位事件比较集中,实 际主破裂往往出现在 AE 定位事件集中区域,如图 10 所示。 而湿喷混凝土 AE 定位事件呈离散分布,湿喷 混凝土均质性较干喷混凝土为好,抗压强度和抗拉强 度均高于干喷混凝土,当试样内部发生损伤时微裂隙 的扩展也较干喷混凝土缓慢,且裂隙的长度和宽度也 相对较小,因此裂隙贯通的概率也较小,完整性相对 较好且呈离散分布,而干喷混凝土则较为集中,由此 得出基于破裂分布的破坏机制。 3872 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 3 破裂能量的损伤变量与损伤比较 3． 1 损伤变量的确定 20 世纪 50 年代末,H RUSCH[17]首次将 AE 技术 应用到混凝土研究中,并指出混凝土试样凯撒效应仅 存在于极限应力的 80以下的范围内。 自此国内外 很多学者开始关注并开展混凝土试样的 AE 特征研 究,如文献[18]研究了混凝土试样破裂全过程的 AE 特征,探讨了频谱特征、能量变化、AE 试件计数率等 与试 样 失 稳 破 坏 过 程 各 阶 段 的 对 应 关 系; 文 献[19-22]论证了 AE 事件累计计数、撞击数和信号 幅值可以很好描述试样损伤破坏过程;文献[23-24] 考虑不同 AE 信号达到时间不同对混凝土结构中的 损伤进行定位;文献[25-26]利用 AE 对混凝土的破 坏机理进行了研究,通过 AE 信号区分混凝土的破坏 模式。 前人研究得到 AE 信号的变化与损伤具有一致 性,能直接反应试样内部的损伤,故可利用 AE 参数 来衡量混凝土损伤程度[27]。 AE 能量是 AE 信号的量化体现,可综合反映 AE 振幅、振铃计数等 AE 信号参数。 通过 AE 能量去分 析试样的力学性能更为直观和更有说服力。 定义损伤变量 D 为断面上微缺陷面积 Ad与无 损时断面面积 A 的比值,即 DAd/ A。 假定试样无初始损伤,截面面积为 A,截面完全 破坏时累积 AE 能量为 Nm,则单位面积微元破坏时 的 AE 能量为nNm/ A。 受压过程中,混凝土截面为 Ad时,累积 AE 能量 为NnAd N mAd/ A。 联立上述关系式可知 N-D 关系,即 D N/ Nm。 根据 N-D 关系式,求 AE 累计能量与总累计能量比 值,可得 D 随轴向应变 ε 的变化关系曲线。 3． 2 损伤变量拟合与分析 根据图 11,12 拟合试验数据,得到关系式,比较 2 种材料的损伤。 为更具代表性,进一步对图 11,12 应力应变曲线对应的损伤变量进行拟合。 由干喷混凝土拟合得到近似关系式 ln DG- exp[ - aε - b] 其中,a,b 与干喷混凝土内部损伤有关,a2． 389,b 0． 475;DG为干喷混凝土的损伤变量。 由湿喷混凝土拟合得到近似关系式 DS 1 - 1 1 exp[ε - c / d] 其中,c,d 与湿喷混凝土内部损伤有关,c0． 324,d 0． 690;DS为湿喷混凝土的损伤变量。 图 11 干喷混凝土损伤变量、应力与应变对应关系曲线 Fig． 11 Relationship between damage variable and stress to strain of dry sprayed concrete 图 12 湿喷混凝土损伤变量、应力与应变对应关系曲线 Fig． 12 Relationship between damage variable and stress to strain of wet sprayed concrete 分别对关系式进行求导,得一阶、二阶导数 干喷混凝土 D′ G D Gaexp[ - aε - b] D″ G a 2D Gexp[ - aε - b]{exp[ - aε - b] - 1} 湿喷混凝土 D′ S d-1 1 exp[ε - c / d] -2 exp[ε - c / d] D″ S d-2 1 exp ε - c d -2 exp ε - c d 1 - 2 1 exp ε - c d -1 exp ε - c d {} 结合损伤变量、应力对应变的曲线和数学关系表 达式,讨论 2 种试样损伤变量与力学性能指标之间的 关系及二者的共性与不同。 从数学表达式入手讨论, 能从视觉感性认识转化到数学表达式上的理性认知。 3． 2． 1 喷射混凝土破裂一般规律 1在 2 种试样损伤变量、应力对应变的曲线 中,以损伤变量表示的 AE 能量与应变变化有明显的 对应关系,两者的一阶导数均大于 0,则表示随着应 变的增加损伤变量均呈增大的趋势,这是由于随着应 变的增加,2 种试样内部都经历由最初的初始缺陷的 闭合效应及少量的微破裂,到裂纹缓慢发展阶段,再 到主裂纹贯通造成试样的宏观破坏这 3 个过程,同时 4872 第 8 期白金超等干、湿喷混凝土受载力学特性及破坏机制 试样内部表征损伤的损伤变量也在逐步增大。 2分析 2 种试样损伤变量的二阶导数可知,当 εGb 和 εSc 时,两者的二阶导数均为 0,即曲线均 出现拐点,这是由于干、湿混凝土应变分别达到 b,c 时,其裂纹扩展开始慢慢向裂纹贯通发展。 在 2 种试样试验中,以损伤变量表示的 AE 能量 随应变的增加而增大,且均经历初始缺陷闭合效应、 裂纹发展阶段和裂缝贯通 3 个阶段,两者均在各自特 定的应变下试样内部裂纹开始逐步贯通。 3． 2． 2 2 种试样损伤特性 1应力应变曲线出现拐点的坐标不同,这是由 于湿喷混凝土的单轴抗压、轴心抗压和劈裂抗拉强度 均高于干喷混凝土,其峰值应力所对应的峰值应变也 较大,当裂纹扩展至贯通时,湿喷混凝土所对应的应 变要大于干喷混凝土。 22 种试样损伤变量、应力应变对应关系拟合 曲线上拐点左侧的变化率不同,干喷混凝土的增长率 较湿喷混凝土的增长率大,这是因为干喷混凝土干料 在喷头处与水短暂接触,水灰比不稳定,喷射前未与 水充分拌合