基于荷載作用下的機制砂噴射混凝土動力特性分析

張藝心

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300350)

隨著我國基礎建設的不斷發展，越來越多的機制砂混凝土應用于相應的工程，對此學者們進行了大量的研究。范濤鏞等[1]對機制混凝土開展了模型實驗，實驗結果表明：混凝土的強度較低時，在沖擊荷載作用下混凝土的破壞呈現脆性破壞。薛艷杰[2]對隧道機制砂混凝土進行了實驗，結果表明：水灰比對混凝土的強度影響較大，在機制砂混凝土的應用中應當注重水灰比。李德豐[3]結合機制砂混凝土的成分對混凝土的性能進行了研究，結果表明：低溫條件下，石粉含量較高的機制砂混凝土更易受硫酸鹽侵蝕破壞。鄧斐等[4]通過氣泡泡徑對機制砂混凝土的性能進行了研究，結果表明：氣泡泡徑控制在一定范圍內，混凝土的坍落度能夠提高。陳迎周等[5]研究了機制砂石粉含量及MB值對高強混凝土性能的影響，結果表明：適量的石粉可在一定程度上彌補機制砂表面的粗糙，改善新拌混凝土的工作性。

學者們對機制砂混凝土的性能進行了大量的研究，然而沒有聚焦于機制砂噴射混凝土在不同荷載、沖擊次數等條件下的性能研究，對此，本文結合以上研究成果，開展機制砂噴射混凝土的性能研究。

1 試驗原材料與方法

1.1 人工機制砂

人工機制砂的選擇應按照項目需求、母材屬性以及混凝土的性質等對人工機制砂的顆粒級配和細度模數等進行確定，結合破碎設施和工藝等予以修正。此次試驗使用的機制砂的顆粒級配情況見表1，細度模數為2.6，物性參量見2，試驗采取的機制砂在相關參數指標上滿足GB/T 14684—2011的規定。

表1 試驗用機制砂顆粒級配

表2 試驗用機制砂物性參數 單位：%

1.2 機制砂噴射混凝土配合比設計

機制砂噴射混凝土配合比進行設計見表3。選擇P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥作為水泥熟料，采取5～10mm粒徑大小的碎石塊作為粗骨料，選擇人工機制砂作為細骨料。

表3 噴射混凝土配合比 單位：kg/m3

1.3 機制砂噴射混凝土試件制作

根據《噴射混凝土應用技術規程》，借助制備機對機制砂噴射混凝土試件進行制備，采用長寬高分別為800、800、120mm的模具制作，借助濕噴機將混凝土噴射到模具里面，制模工序結束后，通過保鮮膜將模具表面覆蓋，置于室溫環境下，時間設置為1d，再置于溫度和相對濕度分別為20℃和95%的養護環境中，時間設置為28d，養護結束之后借助鉆芯完成試件的制取。

養護過程中，被用來檢測抗壓強度的圓柱體試件對應大小都等于100mm的直徑與高度，測試結果表明，試件單軸抗壓強度和彈性模量分別等于28.5MPa和8.9GPa。被用于循環沖擊試驗的圓柱體試件的直徑與高度都等于抗壓強度測試用試件直徑和高度的一半。

1.4 試驗裝置與方案設計

采用霍普金森壓桿試驗裝置，裝置內為炮管、入射桿、透射桿、撞擊桿、能量吸收器以及氣壓元件等部件。桿件密度、波速、彈性模量、直徑、子彈長度、入射桿長度、透射桿長度以及耗能桿長度依次等于7850kg/m3、5172m/s、210GPa、50mm、0.4m、3m、2m和2m。

進行循環荷載沖擊試驗，依次采取1/10、1/5、3/10、2/5的試件抗壓強度作為軸壓荷載，荷載值依次等于6、8、10、12MPa。此外，分別按照5、6、7m/s的試件沖擊速度開展沖擊試驗。

2 結果與討論

2.1 破壞形態

完成循環荷載沖擊試驗后，可得到機制砂噴射混凝土的破壞樣貌受到軸壓荷載以及沖擊速度的影響程度。在軸壓荷載不變的情況下，提升沖擊速度，試件破碎程度降低，碎塊數量變多。

沖擊速度保持不變，提高軸壓荷載能夠增大試件破碎尺寸，碎塊數目減少。試件應變率與輸入能量同荷載沖擊速度之間呈正相關。提升荷載沖擊速度，試件會吸收更多的能量，損壞積累將變得更快。循環荷載沖擊試驗表明，提升荷載沖擊速度將造成試件里面微觀裂縫以較快的速度擴展，此外微觀裂縫數目變多，造成碎塊尺寸降低，碎塊數目變多。

研究機制砂噴射混凝土試件動應力和應變關系的基礎上可知，循環荷載沖擊試驗期間，提升沖擊次數，試件應變率會變高。軸壓載荷不變的情況下，試件沖擊速度和沖擊次數具備反比關系。沖擊速度不變的情況下，沖擊次數和軸壓載荷具備正比關系。

2.2 峰值應力與應變規律

設置多個沖擊速度開展沖擊試驗，圖1為機制砂噴射混凝土的峰值應力、軸壓載荷以及循環荷載沖擊次數的關聯情況。由圖1可知，在荷載沖擊速度與軸壓載荷保持不變的情況下，峰值應力和荷載沖擊次數具備反比關系，說明此時機制砂噴射混凝土抵抗外界沖擊的能力減弱，反映了機制砂噴射混凝土受循環載荷沖擊作用時的材料強度減弱的情況。沖擊速度不變，試件峰值應力的減小幅度和軸壓載荷呈負相關，表明軸壓載荷的增大能夠使得試件具備抵抗外界循環沖擊載荷的更強能力和屬性。同時，在軸壓載荷不變的情況下，增大沖擊速度能夠提升試件的峰值應力[6-8]。

圖1 峰值應力與沖擊次數的關系

各種沖擊速度作用下機制砂噴射混凝土的峰值應變、軸壓載荷以及循環荷載沖擊次數的關聯情況如圖2所示。由圖2可知，沖擊速度與軸壓荷載不變，增大沖擊次數能夠提升試件的峰值應變。沖擊速度不變，峰值應變增幅和軸壓荷載呈負相關。同時，在軸壓荷載不變時，增大沖擊速度能夠提升峰值應變。

圖2 峰值應變與沖擊次數的關系

2.3 動彈性模量

從試件的應力—應變規律變化曲線中可以看出，曲線上升段表現出了較為明顯的線彈性規律。因此，循環沖擊荷載作用下機制砂噴射混凝土的動彈性模量可用式(1)表示。

會計核算是企業重要組成部分，一定程度影響會計信息質量和會計信息真實性。目前企業會計核算普遍存在的問題之一即缺乏規范的會計基礎工作，之所以出現這種問題多和以下方面有關：首先原始憑證填寫缺乏完整；部分企業在會計核算中填寫原始憑證時存在不填、少填和漏填現象，完全不符規定原始憑證填寫要求，導致會計信息不準。其次原始憑證存在虛假現象；會計原始憑證填寫在企業中必須符合實際發生項目內容，當前部分企業原始憑證填寫存在違規編制虛假情況。第三記賬憑證缺乏規范；企業會計記賬憑證若不規范則對會計信息準確性產生直接影響。

(1)

式中，E50、σ50、ε50—一般峰值應力的數值和在該應力情況下的應變值。

各種沖擊速度情況下試件動彈性模量、軸壓載荷以及沖擊次數的關聯情況如圖3所示。沖擊速度與軸壓荷載不變，增大沖擊次數會使得試件動彈性模量減小，由于試件中的裂縫會隨著循環荷載沖擊試驗的進行逐漸拓展，造成試件對外界沖擊的抵御能力減弱，材料力學性能變差。

圖3 混凝土動彈性模量與沖擊次數作用規律

2.4 能量演化規律分析

開展循環荷載沖擊試驗前，借助潤滑油減少沖擊桿和試件接觸界面的能量損耗。通過下面的公式來計算入射波能量、反射波能量、透射波能量和試件吸收的能量：

(2)

(3)

(4)

QI=QI-QR-QT

(5)

QI=QS/VS

(6)

式中，QI、QR、QT、QS、Ev、VS—入射波能量、反射波能量、透射波能量、試件吸收能量、能量吸收值以及試件的體積大小。

各種沖擊速度情況下試件比能量吸收值、軸壓荷載以及沖擊次數的關聯情況如圖4所示。試件比能量吸收值在很大程度上取決于沖擊速度與軸壓荷載。沖擊速度與軸壓荷載不變，增大沖擊次數能夠提升試件比能量吸收值。沖擊速度不變，較高的軸壓荷載能夠對試件比能量吸收值產生更大影響。沖擊速度較高時，比能量吸收值會以更大的幅度增長。

圖4 比能量吸收值與沖擊次數的關系

為了對循環荷載沖擊試驗中試件吸收能的變化規律進行反映，按照下列方式對累計比能量吸收值δ[5-6]進行定義和計算：

(7)

式中，δ、n—試件累計比能量吸收值和沖擊次數。

各種沖擊速度情況下試樣累計比能量吸收值、軸壓荷載及沖擊次數的關聯情況如圖5所示。增大沖擊次數能夠提升累計比能量吸收值。沖擊速度不變，試樣被破壞的過程中，增大軸壓荷載能夠提升試樣累計比能量吸收值，換句話來講，軸壓荷載與試樣吸收外界能量的水平和能力呈正相關。

圖5 累計比能量吸收值與沖擊次數的規律特征

3 結語

本文通過實驗分析了沖擊次數、沖擊速度對機制砂噴射混凝土試件破壞過程及機理，得到以下結論：

(1)混凝土試塊在沖擊荷載作用下，試件內部微觀裂縫逐漸增加，出現的破壞試塊主要為小碎塊，荷載越大，小碎塊的數量增多。

(2)相同荷載沖擊速度和軸壓荷載作用下，峰值應力與荷載沖擊次數成反比關系；相同軸壓荷載作用下，試件峰值應力沖擊速度成正比。

(3)軸壓荷載作用下，峰值應變沖擊次數越多，峰值應變值越大；動彈性模量越大，相應的試塊能夠承受的沖擊次數越小，反之相反。

(4)試件破壞時軸壓荷載越大，試塊吸引的能量值越大?；炷恋氖褂眠^程中應減小沖擊荷載，延長使用壽命。