干喷和湿喷混凝土的力学性能、破裂失稳机制及损伤规律研究分析

谢颖川 刘长玲 刘 迪

（1.河南工业职业技术学院城市建设学院，南阳473000；2.商丘师范学院建筑工程学院，商丘476000）

0 引 言

喷射混凝土是一种采用压力喷枪喷涂混凝土的施工方法，主要用于内衬及钢结构的保护层，目前根据喷射工艺主要分为干喷和湿喷两种方式，干喷混凝土广泛应用在多种施工场合，具有成本低廉、施工技术简单等特点，但也伴随着污染大、强度低及稳定性差等弊端，严重影响建筑质量、危害人身安全［1-2］。为了解决以上弊端，近年来国际积极提倡运用湿喷混凝土技术，因为相比干喷混凝土技术，湿喷混凝土技术污染小、强度高、均匀性好等，能够显著提升建筑工程施工质量，尤其适用于较软的地质结构以及施工扰动大的复杂工程中，使建筑支护效果大大提升［3-5］。

学者们对于喷射混凝土施工的力学性能及失稳机制展开了大量研究［6-7］，例如基于计算机电子扫描技术对喷射混凝土的破坏过程进行仿真试验，得到了喷射混凝土材料的损伤规律［8］。或基于遥感技术探测喷射混凝土的损伤全过程，探究其中喷射混凝土压力及能量的变化［9］。还有学者采用理论数值模拟方法对喷射混凝土损伤全过程进行研究，分析了喷射混凝土损害过程中的应力及失稳机制［10］。综合以上的研究可以发现，目前对于喷射混凝土的力学结构、破裂失稳以及损伤规律缺乏系统的研究，针对干喷和湿喷混凝土的综合性能展开探讨的少之又少［11-12］，本研究从喷射混凝土的力学性能入手，通过试样制作及测试，对比干、湿喷混凝土抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度等综合力学性能，随后采用声发射试验，监测混凝土破裂的全过程，对比分析干喷及湿喷混凝土的断裂失稳机制及其内部损伤规律，为两种类型喷射混凝土的支护设计分析提供重要的理论参考。

1 喷射混凝土的性能介绍

喷射混凝土最早用于对公路、隧道及住宅的斜坡面的保护，保证坡度平直。喷射混凝土的施工方式及施工场所与混凝土不尽相同，以下针对喷射混凝土的材料组成、配合比设计、施工方式等方面进行介绍［13］。

1.1 材料组成及配合设计

喷射混凝土由水、水泥、砂石、掺料及附加剂等材料组合而成，其一般使用普通水泥，对于骨材的使用与普通混凝土的质量与试验方法相同，为使混凝土达到均匀性应加强控制其材料的稳定性，增加其施工效率，使用较小颗粒的骨材（<19 mm），但细骨材的细度模数应较大，一般介于2.5～3.3 之间，以使粗细粒料分配趋近均匀［14-16］。喷射混凝土有时会使用速凝剂，而速凝剂中常含有氯化物，对钢筋有侵蚀性，故其含量须加以限制，其性质应与使用的水泥调和一致，因此使用何种速凝剂，又应添加多少，需根据喷射对象、喷射混凝土材料、配比、施工方法具体来定，但氯化物通常以不超过速凝剂重量的1%，约为水泥量的2%～4%，速凝剂氯含量检测方法可采用美国ASTM D512规范D进行测量。

1.2 配合比设计

喷射混凝土配合比必须符合施工要求的工作性、安全性、耐久性及低透水性，且要具有稳定的性能。水灰比的强度通常采用0.5～0.6，配合比设计以重量比为主，为避免回弹，需控制其黏性，满足喷射混凝土的结构强度、耐久性与水密性［17］。

1.3 施工设计

喷射混凝土的施工作业分为干式及湿式，分别介绍如下［18］。

1.3.1 干喷法

先将干料（水泥和粒料）充分拌和，然后压缩空气将混合料从软管输送，水由喷射器的喷嘴加入，操作过程中，水量可由操作者手中的阀门来控制；与此同时，以高速将彻底拌匀的砂浆（或混凝土）从喷嘴射于工作面上。

1.3.2 湿喷法

所有的成分应事先拌和成砂浆或混凝土，然后利用压缩空气将浆体由软管输送至喷嘴，并以高速喷嘴射于工作面上。湿喷法的反弹与灰尘较少，且水灰比控制较容易，比较适用于大型结构物的连续浇筑。

喷射混凝土施工作业，除前述外，喷射气压及水压对施工质量的影响较大，喷射混凝土机因种类不同，其喷射气压要求也不同，为确保喷射混凝土的质量，应参考所用喷射混凝土机的使用说明，采用适当的气压，而其湿润程度主要与供水环或供水针阀装置有关。

2 喷射混凝土的试样制作及测试

喷射混凝土的试样必须满足国家标准中对喷射混凝土原材料的要求［19］，其中水泥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度不得低于35 MPa，细骨料应选用耐久性好的中砂或粗砂，粗骨料应选择强度高的碎石，粒径要小于15 mm，另外混凝土中掺和的添加剂应符合国家速凝剂标准。结合上述要求，本研究的试样材料选择P.C42.5R 水泥，细骨料为河砂，粗骨料为粒径不大于10 mm的米石，速凝剂选用西卡公司速凝剂产品Sigunit-L510AF无碱液体速凝剂。

喷射混凝土的配合比严格按照国家标准给定，干喷混凝土的水泥、砂和石子比例为1∶2∶2，水灰比为0.5，湿喷混凝土在原有基础上，改变水泥、砂与石子的配比为1∶2∶1.8，水灰比为0.45，含砂率为50%，根据速凝剂对喷射混凝土强度的影响，选择无碱速凝剂掺量为6%。

为了尽量保证试验条件和真实工厂环境一致，本研究在工地现场进行干喷和湿喷混凝土的大板喷射，并切割成规范形状，试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，干喷和湿喷混凝土各取6个进行测试，测量试样的抗压强度、轴心抗压、劈裂抗拉强度等结构力学指标，图1和图2为喷射混凝土大板以及现场切割过程。

图1 干喷和湿喷混凝土大板Fig.1 Dry spray and wet spray concrete slab

图2 大板切割过程Fig.2 Large plate cutting process

3 喷射混凝土的力学结构性能分析

3.1 抗压强度分析

在喷射混凝土的力学性能指标中，喷射混凝土的抗压强度为主要指标之一［20］，也是混凝土强度等级的划分依据，喷射混凝土的抗压强度值是通过试样在标准条件下养护30 天后，采用标准测试方法得到极限压力测试值乘以0.95获得。试样抗压强度的计算公式如下：

式中：fcc为混凝土试样的抗压强度；F 为破坏载荷；A为试样的承载面积。

试验测试的干喷及湿喷混凝土的抗压强度值如表1所示。

表1 抗压强度试验结果Table 1 Test results of compression

由表1 的试验结果可知，湿喷混凝土的抗压强度为34.1 MPa，相比干喷混凝土的22.8 MPa，提高了近50%，混凝土支护能力大大提升。

3.2 轴心抗压强度

对试样的轴心抗压强度进行测试，轴心抗压强度测试计算公式如下：

式中：fcp为混凝土试样的抗压强度；F 为破坏载荷；A为试样的承载面积。

试验测试的干喷及湿喷混凝土的轴心抗压强度值如表2所示。

表2 轴心抗压强度试验结果Table 2 Test results of axial compression

从表2 的试验结果可以看到，湿喷混凝土的轴心抗压强度为24.3 MPa，干喷混凝土的轴心抗压强度为16.5 MPa，相比干喷混凝土的22.8 MPa，提高了近48%，混凝土支护能力大大提升。

3.3 劈裂抗拉强度试验

为了测试喷射混凝土内部结构的紧密型，保证内部结构的稳定，本研究对喷射混凝土的劈裂抗拉强度进行测试，劈裂强度的计算公式如下：

式中：fts为喷射混凝土的劈裂抗拉强度；F 为破坏载荷；A为试样的承载面积。

试验测试的干喷及湿喷混凝土的劈裂抗拉强度值如表3所示。

从表3 的测试结果可以看到，湿喷混凝土的劈裂抗拉强度达到2.5 MPa，相比干喷混凝土的1.7 MPa，劈裂抗拉强度提高了接近48%，混凝土的内部结构的紧密型和吸附性大大提高，有效提升了喷射混凝土支护结构的稳定性。

3.4 离散型分析

离散系数是测量数据离散型趋势的常用指标，其计算公式如下：

表3 劈裂抗拉强度试验结果Table 3 Test results of splitting tensile strength

根据式（4）和式（5）求解干喷及湿喷混凝土的抗压强度、单轴抗压强度以及抗拉强度，如表4所示。

表4 离散系数（CV）计算结果Table 4 Test results of coefficient of variation (MPa)

从表4 的离散系数计算结果可以看出，湿喷混凝土抗压及抗拉强度的离散系数小于干喷混凝土的离散系数，表明湿喷混凝土内部结构的一致性、均匀性及综合力学性能均好于干喷混凝土。

4 喷射混凝土的破裂失稳机制研究

4.1 声发射技术介绍

声发射（Acoustic Emission，AE）为一种广泛应用于金属及非金属结构监测技术，当材料受外部应力作用后，会发生塑性变形、相变化或是破裂，部分内储应变能量将突然释放且以弹性应力波的形式释放出来，这就是所谓的声波反射行为［21］。AE 是一项用于检测材料损害或结构性缺陷形成的技术，该方法已应用在岩石、复合材料、金属、混凝土等多种材料中。AE监测技术是检查材料在压力的作用下本身开裂行为的一个有效方法，声发射技术是指在材料里的能量迅速释放产生瞬时弹性波。当材料受到外部的某种影响（压力负载、气温）时会引发局部释放能量并传递到表面，在材料里面会伴随着裂缝的增加、纤维破坏和许多其他损害的声音，通过探头和AE 监测设备进行记录，AE的测试原理如图3所示。

此外，我国的其他法律以及法律解释对隐私法做了相应的规定。未成年保护法中规定了对未成年人的隐私保护。未成年保护法第31条明确规定：对任何组织或者个人不得披露未成年人的个人隐私。2009年颁布的《侵权责任法》第2条规定，侵害民事权益，应当依照本法承担侵权责任。该法律将隐私权包含在民事权益中，是我国法律正式确定隐私权的概念。

图3 AE监测技术原理Fig.3 AE monitoring technology principle

混凝土为复合材料，其破坏的模式属于半脆性破坏，裂缝的发展路径有两种：一为沿着骨材表面开裂；另一种为从骨材本身断裂，如图4 所示。混凝土的破裂行为基本上为非线性，这种非线性破裂主要源自于混凝土现有的裂缝前端，存在一个相对尺寸范围较大的破裂过程带（Fracture Process zone）以及非线性的应力-应变区，属于破裂推进区内的混凝土则呈现应变软化现象，此外，假设材料在裂缝延伸过程中达到最大应力时，施加压力的局部区域将会产生一个起始开裂点，经此点继续以垂直正交的方向持续开裂，开裂期间会持续形成一个非常明显的声音发射信号，称为破裂过程带。其会因为试样尺寸的不同产生不同长度的开裂，但是会发生在类似的区域里。

4.2 破裂试验步骤

采用前述实验中的喷射混凝土材质及装置，通过载重试验评估分析混凝土破坏特性与声反射信号之间的相关性。在试验过程中，将经由四个传感器所接收到的AE 信号转换成档案记录下来进行后续处理，试验使用的声反射监测设备系统主机采用National Instruments 的NI PXI-1042 及Embedded Controller PXI-8176，在数据采集卡中，采用NI PXI-6120，探头采用Physical Acoustic Co.的Integral Preamp Sensor Model i150，通过数据分析软件提取数据后进行分析。

图4 混凝土的破坏断裂形式Fig.4 Destructive fracture form of concrete

图5 测试设备及分析软件Fig.5 Test equipment and analysis software

根据试验加载的情况研究声发射信号的数量及强度，声发射信号的数量会因加载速率的不同产生变化，而声发射信号监测最主要是将试件内部释放的能量波（弹力波）经由探头接收后转换成电压的大小，直接在屏幕画面上显示出来。当试验速率不同时，试验时间拉长或者缩短，喷射混凝土内部均会产生不一样的声发射信号。在分析统计声发射信号数量之前，须要先设定其门坎值，用来过滤试验过程中所发生的噪声，以免在统计分析时造成相对误差，而在分析过程中，首先要分析整体信号，再进一步观察单一信号在时间域上的振幅变化，并将此信号经由快速FFT转换，从时域转换成频域，分析每段声音位置所产生的频谱。

4.3 试验结果分析

4.3.1 劈裂破坏分析

干喷及湿喷混凝土的劈裂破坏试验如图6 和7 所示，从图6（a）可以发现，干喷混凝土的开裂区段位于（93～203）k，此区段时间为0.1375 s，区段总长度为13.6 cm，破坏集中段长度为4.5 cm，破坏信号集中段时间为0.045 5 s，干喷混凝土劈裂破坏区段峰值如图6（b）所示，将分析区段分为0～50 kHz 与50～100 kHz，比较两者之间的破坏峰值。经观察可以发现，破坏峰值由0～50 kHz 所主导是声音破坏的主频率，而在50～100 kHz 时会在破坏峰值尖峰处出现波动振荡，显示出高频率声响破坏存在于试样内部，但并无低频声响破坏之高。由图可见，破坏峰值在瞬时破坏时间内呈现出三个破坏尖峰，与试样的实际照片相互对比，试样在破坏时出现多层次的破裂面，如图6（c）所示。

图6 干喷混凝土的劈裂破坏试验分析Fig.6 Analysis of splitting failure test of dry shotcrete

从图7（a）中可以发现，湿喷混凝土劈裂破坏信号区段位于（313～429）k，此区段时间为0.145 s，区段总长度为13.6 cm，破坏集中段长度为2.2 cm，破坏信号集中段时间为0.0235 s，在强度上明显可见干喷混凝土破坏时间较湿喷混凝土长，混凝土本身的延展性会因为强度的不同而有所区别，从而造成破坏时间上的不同。湿喷混凝土劈裂破坏区段峰值分析如图7（b）所示，在劈裂上的破坏峰值都与0～50 kHz 区段之间声响为主频率，这点与干喷混凝土不同，破坏峰值较平缓的部分时间点是由50～100 kHz 为主频率，另外干喷与湿喷混凝土的破坏尖峰处与试样的强度相关，在干喷混凝土中有三个破坏尖峰，在湿喷混凝土中呈现单一明显尖峰，由试样破坏的照片可以看出破裂面明显小于干喷混凝土，如图7（c）所示。

图7 湿喷混凝土的劈裂破坏试验分析Fig.7 Analysis of splitting failure test of wet-sprayed concrete

4.3.2 拉拔破坏分析

干喷及湿喷混凝土的劈裂破坏试验如图8 图9 所示，从图8（a）可以发现，干喷混凝土拉拔破坏的区段位于（200～800）k，此区段时间为0.75 s，区段整体长度为13.5 cm，破坏集中段长度为5 cm，破坏信号集中段时间为0.277 8 s，试样呈现多次开裂，频率较为松散，且裂缝释放的能量有大小之分。干喷混凝土的拉拔破坏区段的峰度分析如图8（b）所示，破坏尖峰值以低频声音信号为主频率，低频信号在破坏尖峰时呈主导趋势但在较缓和处时表现不明显，而高频声音信号与之相反，在缓和处明显突出，但在破坏峰值时并没有明显的声响，强度比在0.1～0.3之间；另外在试样断裂面上看到主要以多层拉伸摩擦裂缝为主，如图8（c）所示。

图8 干喷混凝土的拉拔破坏试验分析Fig.8 Analysis of pull-out failure test of dry-blasted concrete

从图9（a）可以看到，湿喷混凝土拉拔破坏的区段时间为0.75 s，区段整体长度为13.5 cm，破坏集中段长度为4.5 cm，破坏信号集中段时间则为0.25 s，试样在瞬时开裂上呈现多次开裂且频率较为密集。湿喷拉拔破坏区段的峰度分析如图9（b）所示，与干喷混凝土拉拔区段分析比较，湿喷混凝土破坏尖峰只有单一尖峰，这是由于湿喷混凝土强度高于干喷混凝土，内部的结构紧密度高，使得混凝土与湿喷混凝土只出现平行剪力裂缝，并无剥离，如图9（c）所示。

图9 湿喷混凝土的拉拔破坏试验分析Fig.9 Analysis of pull-out failure test of wet-sprayed concrete

5 喷射混凝土的损伤规律研究

5.1 喷射混凝土的损伤变量

混凝土材料产生的损伤主要包括裂缝及开孔。结构的损伤会影响混凝土材料的力学性能，根据损伤力学的定义，损伤变量主要为了反映材料力学中的非线性行为，损伤变量类型大致分为两类，一类是微观变量，一类是宏观变量。微观方面主要采用材料裂缝的数量、长度、面积等参量，宏观方面主要是材料的质量及密度等宏观量的变化。材料损伤的分析角度不同，则对损伤变量的选择也不同，本研究结合上一节的AE 试验，观察AE 信号变化与结构损伤的一致性，利用AE 参数研究喷射混凝土的损伤程度。

5.2 喷射混凝土的损伤试验分析

喷射混凝土在外载荷下的内部损伤从微观变形扩展到最后的裂缝贯通损坏的全过程，是一个动态变化过程，在喷射混凝土破坏过程中应变能以应力波的形式传播，通过声发射信号采集，信号的频率和强弱表征了材料的损伤过程，进而找出损伤规律。

5.2.1 声发射信号特征量与损伤程度

在AE 试验中，振铃计数及撞击计数是衡量声发射信号的两个重要特征量，振铃计数用来表征声发射信号的强度，撞击计数用来表征声发射信号的总量和频度，干喷及湿喷混凝土的声发射信号特征与损伤程度的试验分析如图10所示。

图10 喷射混凝土的AE信号特征量与损伤程度分析Fig.10 Analysis of the characteristic quantity and damage degree of AE signal of shotcrete

从图10 中可以看到，在整个声发射阶段，振铃计数和撞击计数存在对应关系，都在B 点和C点产生突变，表征混凝土结构出现损伤。通常将混凝土损伤阶段分为OA 段（初始压密阶段），AB段（线弹性阶段），BC段（微裂隙产生及扩展阶段）以及CD 段（断裂失稳阶段），从各阶段损伤程度对应的AE信号特征量可以看到：

（1）干喷混凝土的初始压密阶段（OA）更短，声发射信号更加微弱，这是由于干喷混凝土的填充空隙较为稀疏，而由于湿喷混凝土颗粒之间的空隙填充更为密实，因此初始压密阶段（OA）较长，声发射信号也较为显著。

（2）干喷混凝土在线弹性阶段（AB）和微裂隙产生及扩展阶段（BC）的声发射信号一直处于迅速增长阶段，振铃计数和撞击计数都出现快速增长，表明内部的裂隙处于快速发展阶段，而湿喷混凝土在线弹性阶段（AB）和微裂隙产生及扩展阶段（BC）的声发射信号较为稀疏，曲线斜率较小，受力结构更加稳固，裂缝扩展也较少。

（3）干喷混凝土在断裂失稳阶段（CD）的声发射信号突变幅度小于湿喷混凝土，说明湿喷混凝土损伤的产生在时域上更为集中，会伴随着颗粒骨料破坏和水泥浆体破裂而产生大量的声发射事件。

5.2.2 声发射信号幅值能量与损伤程度

声发射信号的幅值能量为每次信号电压的最大值，代表损伤的强度特征，曲线以下的包络线面积为声发射信号的幅值能量，直观表征试件损伤过程的演化特征。

图11 为喷射混凝土在整个AE 试验过程中幅值及累计能量变化的曲线，从曲线的发展趋势来看，与声发射信号的特征量较为一致，进一步验证了前面对损伤阶段的分析。从图11 中还可以看到，干喷混凝土的幅值及能量变化较大，表明材料的损伤程度在不断加深，而湿喷混凝土除了最后破裂损坏阶段的能量飙升外，其他阶段都较为平缓，说明材料的破坏过程较为缓慢，湿喷混凝土的力学结构性能更好，材料的初始强度较高，这也与前面的声发射特征量的分析结论一致。

6 结 论

图11 喷射混凝土的AE幅值能量与损伤程度分析Fig.11 Analysis of AE amplitude energy and damage degree of shotcrete

喷射混凝土最早用在公路、隧道及住宅斜坡面的保护，为了保证坡度平直而采用喷射混凝土施工。喷射混凝土根据喷射方式分为干喷及湿喷两种，干喷混凝土和湿喷混凝土由于内部结构的不同导致力学性能及损伤破坏规律也有区别，本研究基于力学结构试验及声发射技术对干喷及湿喷混凝土的力学性能及损伤规律进行研究，得到结论如下：

（1）湿喷混凝土的抗压及抗拉强度大于干喷混凝土，显示了湿喷混凝土内部结构的一致性及均匀性较好，因此综合力学性能均好于干喷混凝土。

（2）干喷混凝土破坏时间较湿喷混凝土长，且干喷与湿喷混凝土的破坏尖峰处与试样的强度相关，在干喷混凝土中呈现三个破坏尖峰，在湿喷混凝土中呈现单一明显尖峰，湿喷混凝土的破裂面明显小于干喷混凝土。

（3）声发射信号的特征量及幅值能量趋势较为一致，干喷混凝土的声发射信号特征量与幅值能量变化较大，表明材料损伤程度在不断加深，而湿喷混凝土除了最后破裂损坏阶段的能量飙升外，其他阶段都较为平缓，表明材料的破坏过程较为缓慢，湿喷混凝土的力学结构性能更好，材料的基础强度较高。