干噴和濕噴混凝土的力學(xué)性能、破裂失穩(wěn)機(jī)制及損傷規(guī)律研究分析

謝穎川 劉長(zhǎng)玲 劉 迪

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，南陽(yáng)473000；2.商丘師范學(xué)院建筑工程學(xué)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(nèi)襯及鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，目前根據(jù)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(yīng)用在多種施工場(chǎng)合，具有成本低廉、施工技術(shù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但也伴隨著污染大、強(qiáng)度低及穩(wěn)定性差等弊端，嚴(yán)重影響建筑質(zhì)量、危害人身安全［1-2］。為了解決以上弊端，近年來國(guó)際積極提倡運(yùn)用濕噴混凝土技術(shù)，因?yàn)橄啾雀蓢娀炷良夹g(shù)，濕噴混凝土技術(shù)污染小、強(qiáng)度高、均勻性好等，能夠顯著提升建筑工程施工質(zhì)量，尤其適用于較軟的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及施工擾動(dòng)大的復(fù)雜工程中，使建筑支護(hù)效果大大提升［3-5］。

學(xué)者們對(duì)于噴射混凝土施工的力學(xué)性能及失穩(wěn)機(jī)制展開了大量研究［6-7］，例如基于計(jì)算機(jī)電子掃描技術(shù)對(duì)噴射混凝土的破壞過程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到了噴射混凝土材料的損傷規(guī)律［8］。或基于遙感技術(shù)探測(cè)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(xué)者采用理論數(shù)值模擬方法對(duì)噴射混凝土損傷全過程進(jìn)行研究，分析了噴射混凝土損害過程中的應(yīng)力及失穩(wěn)機(jī)制［10］。綜合以上的研究可以發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于噴射混凝土的力學(xué)結(jié)構(gòu)、破裂失穩(wěn)以及損傷規(guī)律缺乏系統(tǒng)的研究，針對(duì)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(xué)性能入手，通過試樣制作及測(cè)試，對(duì)比干、濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能，隨后采用聲發(fā)射試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)混凝土破裂的全過程，對(duì)比分析干噴及濕噴混凝土的斷裂失穩(wěn)機(jī)制及其內(nèi)部損傷規(guī)律，為兩種類型噴射混凝土的支護(hù)設(shè)計(jì)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(duì)公路、隧道及住宅的斜坡面的保護(hù)，保證坡度平直。噴射混凝土的施工方式及施工場(chǎng)所與混凝土不盡相同，以下針對(duì)噴射混凝土的材料組成、配合比設(shè)計(jì)、施工方式等方面進(jìn)行介紹［13］。

1.1 材料組成及配合設(shè)計(jì)

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(duì)于骨材的使用與普通混凝土的質(zhì)量與試驗(yàn)方法相同，為使混凝土達(dá)到均勻性應(yīng)加強(qiáng)控制其材料的穩(wěn)定性，增加其施工效率，使用較小顆粒的骨材（<19 mm），但細(xì)骨材的細(xì)度模數(shù)應(yīng)較大，一般介于2.5～3.3 之間，以使粗細(xì)粒料分配趨近均勻［14-16］。噴射混凝土有時(shí)會(huì)使用速凝劑，而速凝劑中常含有氯化物，對(duì)鋼筋有侵蝕性，故其含量須加以限制，其性質(zhì)應(yīng)與使用的水泥調(diào)和一致，因此使用何種速凝劑，又應(yīng)添加多少，需根據(jù)噴射對(duì)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(cè)方法可采用美國(guó)ASTM D512規(guī)范D進(jìn)行測(cè)量。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

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(wěn)定的性能。水灰比的強(qiáng)度通常采用0.5～0.6，配合比設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性與水密性［17］。

1.3 施工設(shè)計(jì)

噴射混凝土的施工作業(yè)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(shí)，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(yīng)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(jié)構(gòu)物的連續(xù)澆筑。

噴射混凝土施工作業(yè)，除前述外，噴射氣壓及水壓對(duì)施工質(zhì)量的影響較大，噴射混凝土機(jī)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(zhì)量，應(yīng)參考所用噴射混凝土機(jī)的使用說明，采用適當(dāng)?shù)臍鈮?，而其濕?rùn)程度主要與供水環(huán)或供水針閥裝置有關(guān)。

2 噴射混凝土的試樣制作及測(cè)試

噴射混凝土的試樣必須滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)噴射混凝土原材料的要求［19］，其中水泥應(yīng)選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度不得低于35 MPa，細(xì)骨料應(yīng)選用耐久性好的中砂或粗砂，粗骨料應(yīng)選擇強(qiáng)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(yīng)符合國(guó)家速凝劑標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合上述要求，本研究的試樣材料選擇P.C42.5R 水泥，細(xì)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(chǎn)品Sigunit-L510AF無(wú)堿液體速凝劑。

噴射混凝土的配合比嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(jù)速凝劑對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度的影響，選擇無(wú)堿速凝劑摻量為6%。

為了盡量保證試驗(yàn)條件和真實(shí)工廠環(huán)境一致，本研究在工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行干噴和濕噴混凝土的大板噴射，并切割成規(guī)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(gè)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量試樣的抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)，圖1和圖2為噴射混凝土大板以及現(xiàn)場(chǎng)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(xué)結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 抗壓強(qiáng)度分析

在噴射混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)中，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度為主要指標(biāo)之一［20］，也是混凝土強(qiáng)度等級(jí)的劃分依據(jù)，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度值是通過試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)30 天后，采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法得到極限壓力測(cè)試值乘以0.95獲得。試樣抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

式中：fcc為混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度；F 為破壞載荷；A為試樣的承載面積。

試驗(yàn)測(cè)試的干噴及濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度值如表1所示。

表1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of compression

由表1 的試驗(yàn)結(jié)果可知，濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)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(hù)能力大大提升。

3.2 軸心抗壓強(qiáng)度

對(duì)試樣的軸心抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試計(jì)算公式如下：

式中：fcp為混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度；F 為破壞載荷；A為試樣的承載面積。

試驗(yàn)測(cè)試的干噴及濕噴混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度值如表2所示。

表2 軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of axial compression

從表2 的試驗(yàn)結(jié)果可以看到，濕噴混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為24.3 MPa，干噴混凝土的軸心抗壓強(qiáng)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(hù)能力大大提升。

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

為了測(cè)試噴射混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密型，保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，本研究對(duì)噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，劈裂強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

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

試驗(yàn)測(cè)試的干噴及濕噴混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值如表3所示。

從表3 的測(cè)試結(jié)果可以看到，濕噴混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa，相比干噴混凝土的1.7 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了接近48%，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密型和吸附性大大提高，有效提升了噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.4 離散型分析

離散系數(shù)是測(cè)量數(shù)據(jù)離散型趨勢(shì)的常用指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

表3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of splitting tensile strength

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

表4 離散系數(shù)（CV）計(jì)算結(jié)果Table 4 Test results of coefficient of variation (MPa)

從表4 的離散系數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出，濕噴混凝土抗壓及抗拉強(qiáng)度的離散系數(shù)小于干噴混凝土的離散系數(shù)，表明濕噴混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一致性、均勻性及綜合力學(xué)性能均好于干噴混凝土。

4 噴射混凝土的破裂失穩(wěn)機(jī)制研究

4.1 聲發(fā)射技術(shù)介紹

聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）為一種廣泛應(yīng)用于金屬及非金屬結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)，當(dāng)材料受外部應(yīng)力作用后，會(huì)發(fā)生塑性變形、相變化或是破裂，部分內(nèi)儲(chǔ)應(yīng)變能量將突然釋放且以彈性應(yīng)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(xiàng)用于檢測(cè)材料損害或結(jié)構(gòu)性缺陷形成的技術(shù)，該方法已應(yīng)用在巖石、復(fù)合材料、金屬、混凝土等多種材料中。AE監(jiān)測(cè)技術(shù)是檢查材料在壓力的作用下本身開裂行為的一個(gè)有效方法，聲發(fā)射技術(shù)是指在材料里的能量迅速釋放產(chǎn)生瞬時(shí)彈性波。當(dāng)材料受到外部的某種影響（壓力負(fù)載、氣溫）時(shí)會(huì)引發(fā)局部釋放能量并傳遞到表面，在材料里面會(huì)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(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行記錄，AE的測(cè)試原理如圖3所示。

此外，我國(guó)的其他法律以及法律解釋對(duì)隱私法做了相應(yīng)的規(guī)定。未成年保護(hù)法中規(guī)定了對(duì)未成年人的隱私保護(hù)。未成年保護(hù)法第31條明確規(guī)定：對(duì)任何組織或者個(gè)人不得披露未成年人的個(gè)人隱私。2009年頒布的《侵權(quán)責(zé)任法》第2條規(guī)定，侵害民事權(quán)益，應(yīng)當(dāng)依照本法承擔(dān)侵權(quán)責(zé)任。該法律將隱私權(quán)包含在民事權(quán)益中，是我國(guó)法律正式確定隱私權(quán)的概念。

圖3 AE監(jiān)測(cè)技術(shù)原理Fig.3 AE monitoring technology principle

混凝土為復(fù)合材料，其破壞的模式屬于半脆性破壞，裂縫的發(fā)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?；炷恋钠屏研袨榛旧蠟榉蔷€性，這種非線性破裂主要源自于混凝土現(xiàn)有的裂縫前端，存在一個(gè)相對(duì)尺寸范圍較大的破裂過程帶（Fracture Process zone）以及非線性的應(yīng)力-應(yīng)變區(qū)，屬于破裂推進(jìn)區(qū)內(nèi)的混凝土則呈現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，此外，假設(shè)材料在裂縫延伸過程中達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)，施加壓力的局部區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生一個(gè)起始開裂點(diǎn)，經(jīng)此點(diǎn)繼續(xù)以垂直正交的方向持續(xù)開裂，開裂期間會(huì)持續(xù)形成一個(gè)非常明顯的聲音發(fā)射信號(hào)，稱為破裂過程帶。其會(huì)因?yàn)樵嚇映叽绲牟煌a(chǎn)生不同長(zhǎng)度的開裂，但是會(huì)發(fā)生在類似的區(qū)域里。

4.2 破裂試驗(yàn)步驟

采用前述實(shí)驗(yàn)中的噴射混凝土材質(zhì)及裝置，通過載重試驗(yàn)評(píng)估分析混凝土破壞特性與聲反射信號(hào)之間的相關(guān)性。在試驗(yàn)過程中，將經(jīng)由四個(gè)傳感器所接收到的AE 信號(hào)轉(zhuǎn)換成檔案記錄下來進(jìn)行后續(xù)處理，試驗(yàn)使用的聲反射監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)主機(jī)采用National Instruments 的NI PXI-1042 及Embedded Controller PXI-8176，在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析軟件提取數(shù)據(jù)后進(jìn)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(cè)試設(shè)備及分析軟件Fig.5 Test equipment and analysis software

根據(jù)試驗(yàn)加載的情況研究聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)量及強(qiáng)度，聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)量會(huì)因加載速率的不同產(chǎn)生變化，而聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)最主要是將試件內(nèi)部釋放的能量波（彈力波）經(jīng)由探頭接收后轉(zhuǎn)換成電壓的大小，直接在屏幕畫面上顯示出來。當(dāng)試驗(yàn)速率不同時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間拉長(zhǎng)或者縮短，噴射混凝土內(nèi)部均會(huì)產(chǎn)生不一樣的聲發(fā)射信號(hào)。在分析統(tǒng)計(jì)聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量之前，須要先設(shè)定其門坎值，用來過濾試驗(yàn)過程中所發(fā)生的噪聲，以免在統(tǒng)計(jì)分析時(shí)造成相對(duì)誤差，而在分析過程中，首先要分析整體信號(hào)，再進(jìn)一步觀察單一信號(hào)在時(shí)間域上的振幅變化，并將此信號(hào)經(jīng)由快速FFT轉(zhuǎn)換，從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域，分析每段聲音位置所產(chǎn)生的頻譜。

4.3 試驗(yàn)結(jié)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(yàn)如圖6 和7 所示，從圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)，干噴混凝土的開裂區(qū)段位于（93～203）k，此區(qū)段時(shí)間為0.1375 s，區(qū)段總長(zhǎng)度為13.6 cm，破壞集中段長(zhǎng)度為4.5 cm，破壞信號(hào)集中段時(shí)間為0.045 5 s，干噴混凝土劈裂破壞區(qū)段峰值如圖6（b）所示，將分析區(qū)段分為0～50 kHz 與50～100 kHz，比較兩者之間的破壞峰值。經(jīng)觀察可以發(fā)現(xiàn)，破壞峰值由0～50 kHz 所主導(dǎo)是聲音破壞的主頻率，而在50～100 kHz 時(shí)會(huì)在破壞峰值尖峰處出現(xiàn)波動(dòng)振蕩，顯示出高頻率聲響破壞存在于試樣內(nèi)部，但并無(wú)低頻聲響破壞之高。由圖可見，破壞峰值在瞬時(shí)破壞時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出三個(gè)破壞尖峰，與試樣的實(shí)際照片相互對(duì)比，試樣在破壞時(shí)出現(xiàn)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(yàn)分析Fig.6 Analysis of splitting failure test of dry shotcrete

從圖7（a）中可以發(fā)現(xiàn)，濕噴混凝土劈裂破壞信號(hào)區(qū)段位于（313～429）k，此區(qū)段時(shí)間為0.145 s，區(qū)段總長(zhǎng)度為13.6 cm，破壞集中段長(zhǎng)度為2.2 cm，破壞信號(hào)集中段時(shí)間為0.0235 s，在強(qiáng)度上明顯可見干噴混凝土破壞時(shí)間較濕噴混凝土長(zhǎng)，混凝土本身的延展性會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度的不同而有所區(qū)別，從而造成破壞時(shí)間上的不同。濕噴混凝土劈裂破壞區(qū)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(qū)段之間聲響為主頻率，這點(diǎn)與干噴混凝土不同，破壞峰值較平緩的部分時(shí)間點(diǎn)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(qiáng)度相關(guān)，在干噴混凝土中有三個(gè)破壞尖峰，在濕噴混凝土中呈現(xiàn)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(yàn)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(yàn)如圖8 圖9 所示，從圖8（a）可以發(fā)現(xiàn)，干噴混凝土拉拔破壞的區(qū)段位于（200～800）k，此區(qū)段時(shí)間為0.75 s，區(qū)段整體長(zhǎng)度為13.5 cm，破壞集中段長(zhǎng)度為5 cm，破壞信號(hào)集中段時(shí)間為0.277 8 s，試樣呈現(xiàn)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(qū)段的峰度分析如圖8（b）所示，破壞尖峰值以低頻聲音信號(hào)為主頻率，低頻信號(hào)在破壞尖峰時(shí)呈主導(dǎo)趨勢(shì)但在較緩和處時(shí)表現(xiàn)不明顯，而高頻聲音信號(hào)與之相反，在緩和處明顯突出，但在破壞峰值時(shí)并沒有明顯的聲響，強(qiáng)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(yàn)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(qū)段時(shí)間為0.75 s，區(qū)段整體長(zhǎng)度為13.5 cm，破壞集中段長(zhǎng)度為4.5 cm，破壞信號(hào)集中段時(shí)間則為0.25 s，試樣在瞬時(shí)開裂上呈現(xiàn)多次開裂且頻率較為密集。濕噴拉拔破壞區(qū)段的峰度分析如圖9（b）所示，與干噴混凝土拉拔區(qū)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(qiáng)度高于干噴混凝土，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)緊密度高，使得混凝土與濕噴混凝土只出現(xiàn)平行剪力裂縫，并無(wú)剝離，如圖9（c）所示。

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

5 噴射混凝土的損傷規(guī)律研究

5.1 噴射混凝土的損傷變量

混凝土材料產(chǎn)生的損傷主要包括裂縫及開孔。結(jié)構(gòu)的損傷會(huì)影響混凝土材料的力學(xué)性能，根據(jù)損傷力學(xué)的定義，損傷變量主要為了反映材料力學(xué)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(shù)量、長(zhǎng)度、面積等參量，宏觀方面主要是材料的質(zhì)量及密度等宏觀量的變化。材料損傷的分析角度不同，則對(duì)損傷變量的選擇也不同，本研究結(jié)合上一節(jié)的AE 試驗(yàn)，觀察AE 信號(hào)變化與結(jié)構(gòu)損傷的一致性，利用AE 參數(shù)研究噴射混凝土的損傷程度。

5.2 噴射混凝土的損傷試驗(yàn)分析

噴射混凝土在外載荷下的內(nèi)部損傷從微觀變形擴(kuò)展到最后的裂縫貫通損壞的全過程，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，在噴射混凝土破壞過程中應(yīng)變能以應(yīng)力波的形式傳播，通過聲發(fā)射信號(hào)采集，信號(hào)的頻率和強(qiáng)弱表征了材料的損傷過程，進(jìn)而找出損傷規(guī)律。

5.2.1 聲發(fā)射信號(hào)特征量與損傷程度

在AE 試驗(yàn)中，振鈴計(jì)數(shù)及撞擊計(jì)數(shù)是衡量聲發(fā)射信號(hào)的兩個(gè)重要特征量，振鈴計(jì)數(shù)用來表征聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，撞擊計(jì)數(shù)用來表征聲發(fā)射信號(hào)的總量和頻度，干噴及濕噴混凝土的聲發(fā)射信號(hào)特征與損傷程度的試驗(yàn)分析如圖10所示。

圖10 噴射混凝土的AE信號(hào)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(gè)聲發(fā)射階段，振鈴計(jì)數(shù)和撞擊計(jì)數(shù)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，都在B 點(diǎn)和C點(diǎn)產(chǎn)生突變，表征混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。通常將混凝土損傷階段分為OA 段（初始?jí)好茈A段），AB段（線彈性階段），BC段（微裂隙產(chǎn)生及擴(kuò)展階段）以及CD 段（斷裂失穩(wěn)階段），從各階段損傷程度對(duì)應(yīng)的AE信號(hào)特征量可以看到：

（1）干噴混凝土的初始?jí)好茈A段（OA）更短，聲發(fā)射信號(hào)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(shí)，因此初始?jí)好茈A段（OA）較長(zhǎng)，聲發(fā)射信號(hào)也較為顯著。

（2）干噴混凝土在線彈性階段（AB）和微裂隙產(chǎn)生及擴(kuò)展階段（BC）的聲發(fā)射信號(hào)一直處于迅速增長(zhǎng)階段，振鈴計(jì)數(shù)和撞擊計(jì)數(shù)都出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，表明內(nèi)部的裂隙處于快速發(fā)展階段，而濕噴混凝土在線彈性階段（AB）和微裂隙產(chǎn)生及擴(kuò)展階段（BC）的聲發(fā)射信號(hào)較為稀疏，曲線斜率較小，受力結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，裂縫擴(kuò)展也較少。

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

5.2.2 聲發(fā)射信號(hào)幅值能量與損傷程度

聲發(fā)射信號(hào)的幅值能量為每次信號(hào)電壓的最大值，代表?yè)p傷的強(qiáng)度特征，曲線以下的包絡(luò)線面積為聲發(fā)射信號(hào)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(gè)AE 試驗(yàn)過程中幅值及累計(jì)能量變化的曲線，從曲線的發(fā)展趨勢(shì)來看，與聲發(fā)射信號(hào)的特征量較為一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了前面對(duì)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(xué)結(jié)構(gòu)性能更好，材料的初始強(qiáng)度較高，這也與前面的聲發(fā)射特征量的分析結(jié)論一致。

6 結(jié) 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(hù)，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(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致力學(xué)性能及損傷破壞規(guī)律也有區(qū)別，本研究基于力學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及聲發(fā)射技術(shù)對(duì)干噴及濕噴混凝土的力學(xué)性能及損傷規(guī)律進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下：

（1）濕噴混凝土的抗壓及抗拉強(qiáng)度大于干噴混凝土，顯示了濕噴混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一致性及均勻性較好，因此綜合力學(xué)性能均好于干噴混凝土。

（2）干噴混凝土破壞時(shí)間較濕噴混凝土長(zhǎng)，且干噴與濕噴混凝土的破壞尖峰處與試樣的強(qiáng)度相關(guān)，在干噴混凝土中呈現(xiàn)三個(gè)破壞尖峰，在濕噴混凝土中呈現(xiàn)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(fā)射信號(hào)的特征量及幅值能量趨勢(shì)較為一致，干噴混凝土的聲發(fā)射信號(hào)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(xué)結(jié)構(gòu)性能更好，材料的基礎(chǔ)強(qiáng)度較高。