李艷霞，劉建強(qiáng)

（1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000；2. 神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

混凝土是橋梁、隧道、建筑、路面等多種施工工程中使用最為廣泛的原材料之一，因此混凝土在各個(gè)領(lǐng)域之中均發(fā)揮較為重要的作用[1]?；炷磷陨砭哂休^為顯著的脆弱性，長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)受到外力荷載的影響，持續(xù)荷載沖擊更是會(huì)導(dǎo)致混凝土壽命明顯縮短。并且混凝土構(gòu)件在生產(chǎn)、運(yùn)輸以及安裝過(guò)程中，容易出現(xiàn)構(gòu)件受損甚至斷裂的情況。混凝土構(gòu)件的邊角或者凸出部分受到較大的外力作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致試件的整體斷裂，嚴(yán)重降低了混凝土構(gòu)件的施工穩(wěn)定性，造成嚴(yán)重的安全隱患。

為了降低混凝土構(gòu)件的修復(fù)成本，降低報(bào)廢率，一般采用粘接材料對(duì)斷裂的混凝土構(gòu)件進(jìn)行粘接修復(fù)[2]。一般使用的粘接材料為環(huán)氧樹(shù)脂材料，這種材料具有粘接強(qiáng)度高、收縮小以及室溫固化的特點(diǎn)。混凝土粘接材料的斷裂性能直接影響混凝土的強(qiáng)度，因此需要對(duì)混凝土粘接材料展開(kāi)斷裂性試驗(yàn)研究[3]。

目前對(duì)于混凝土粘接材料性能的相關(guān)研究主要集中在力學(xué)性能的相關(guān)研究中，所使用的試驗(yàn)裝置多為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、落錘重?fù)粞b置以及平面撞擊裝置，這些試驗(yàn)裝置均具有通用性和易于控制的特點(diǎn)，能夠獲得大量有關(guān)混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果。但是對(duì)于需要研究高應(yīng)變率性能方面的試驗(yàn)時(shí)需要使用更高效的動(dòng)態(tài)荷載裝置[4-6]。沖擊荷載研究中混凝土粘接材料會(huì)出現(xiàn)較為顯著的粘塑性變形和嚴(yán)重?fù)p傷，可以得到較為精準(zhǔn)的混凝土粘接材料斷裂性試驗(yàn)結(jié)果。

1 材料方法

1.1 材料及設(shè)備

材料：硅酸鹽水泥，沈陽(yáng)市新美家建筑裝飾材料有限公司；粗骨料，河北潤(rùn)日礦產(chǎn)品有限公司：細(xì)骨料，鄭州春望新材料科技有限公司；粉煤灰，河北彭越礦產(chǎn)品貿(mào)易有限公司。

儀器設(shè)備：攪拌機(jī)（型號(hào)JRJB），成都源立機(jī)械有限公司；振動(dòng)臺(tái)（型號(hào)ASK-ZD-500），深圳市艾斯科儀器設(shè)備有限公司；分離式霍普金森壓桿（型號(hào)ALT1200），濟(jì)南騰茂貿(mào)易有限公司；動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀（型號(hào)DRA101C），日本東京測(cè)器研究所。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）試件制備

為方便試驗(yàn)開(kāi)展，試件樣式采用長(zhǎng)方體形狀，長(zhǎng)度約為40 cm，寬度約為20 cm。原材料為普通硅酸鹽水泥，細(xì)度與密度分別為4.2%與1 325 kg/m3，細(xì)骨料為建筑常用河砂，粗骨料選取粉碎后的石灰?guī)r，為滿足試驗(yàn)需求，分別選用粒徑為5～10 mm、5～15 mm、5～20 mm 的三種不同大小的原料，根據(jù)粗骨料粒徑大小差異，將試件的編號(hào)列為試件1、試件2 和試件3。適當(dāng)使用粉煤灰（總材料量的13%）與減水劑（總材料量的1.5%），各原料與水充分混合后，保證水膠比為0.35。配筋情況參考常見(jiàn)配筋標(biāo)準(zhǔn)[7-9]。

完成混凝土試件的制備與養(yǎng)護(hù)后將其斷開(kāi)，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下繼續(xù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)30 d，達(dá)到養(yǎng)護(hù)周期后，采用環(huán)氧樹(shù)脂粘接材料將斷裂混凝土試件進(jìn)行粘接[11]。

在高溫箱中對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂E-44 進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃左右時(shí)，向其中加入鄰苯二甲酸二丁酯，攪拌均勻并將溫度降低至室溫；再向其中加入RHODAFAC RS-610 表面活性劑與乙二胺并攪拌均勻，即可完成環(huán)氧樹(shù)脂粘接材料的制備。將所制備的環(huán)氧樹(shù)脂粘接材料注入斷裂的混凝土試件中，繼續(xù)進(jìn)行室內(nèi)靜置養(yǎng)護(hù)[12]。

上述材料的配比為m（環(huán)氧樹(shù)脂E-44）∶m（鄰苯二甲酸二丁酯）∶m（RHODAFAC RS-610 表面活性劑）∶m（乙二胺）=100∶15∶20∶10。

需要注意的是，在環(huán)氧樹(shù)脂粘接材料注入時(shí)，厚度不能超過(guò)2 mm，要粘接材料緊密注入斷裂的混凝土試件中，原混凝土斷裂試件之間相互擠壓，使粘接材料更加密實(shí)，并保證表面平整[13-14]。

用于測(cè)試的混凝土粘接試件如圖1 所示。

圖1 混凝土試件Fig. 1 The concrete specimen

使用分離式霍普金森壓桿實(shí)現(xiàn)沖擊荷載模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)開(kāi)展之前先對(duì)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀實(shí)行標(biāo)定，記錄波形，同時(shí)還要記錄下沒(méi)有試件情況下壓桿的空載波形，如果波形較為平穩(wěn)則說(shuō)明儀器沒(méi)有嚴(yán)重受到外部影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性較高[15-17]。儀器設(shè)備連接儲(chǔ)氣罐，通過(guò)氣壓變化調(diào)節(jié)沖擊波的大小，實(shí)現(xiàn)不同沖擊強(qiáng)度模擬實(shí)驗(yàn)。

沖擊荷載實(shí)驗(yàn)圖如圖2 所示。

借鑒Chowdhury and Min的實(shí)證研究結(jié)果，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與技術(shù)進(jìn)步呈正相關(guān)，且技術(shù)進(jìn)步與金融發(fā)展具有互動(dòng)關(guān)系，技術(shù)進(jìn)步分別與股權(quán)投資和銀行信用有關(guān)。[29]因此分別引入金融發(fā)展和金融結(jié)構(gòu)的交叉項(xiàng)，構(gòu)造公式表述如下：

圖2 沖擊荷載實(shí)驗(yàn)圖Fig. 2 The photo of impact load test

（2）不同強(qiáng)度沖擊荷載下混凝土粘接材料疲勞斷裂性試驗(yàn)

隨機(jī)選擇粒徑較小的試件1，設(shè)置三種沖擊荷載工況，測(cè)試不同強(qiáng)度沖擊荷載下混凝土粘接材料所呈現(xiàn)出的偏離斷裂特性。三種不同工況下軸壓比均為0.37。

工況1：作用時(shí)間為1.01 ms，沖擊荷載的沖擊波超壓為0.061 GPa。

工況2：作用時(shí)間為2.06 ms，沖擊荷載的沖擊波超壓為0.009 2 GPa。

工況3：作用時(shí)間為4.01 ms，沖擊荷載的沖擊波超壓為0.001 4 GPa。

（3）不同沖擊速度下混凝土粘接材料疲勞斷裂性試驗(yàn)

仍舊隨機(jī)選擇粒徑較小的試件1 開(kāi)展本節(jié)試驗(yàn)，模擬不同沖擊速度下試件局部位置的應(yīng)力變化云圖，沖擊速度分別設(shè)置為4 m/s、8 m/s、1.2 m/s，模擬混凝土試件局部變化效果。

（4）不同粗骨料粒徑下沖擊速度與粘接材料應(yīng)力變化關(guān)系

模擬三種不同粗骨料粒徑試件在不同沖擊速度之下粘接材料的應(yīng)力變化。粗骨料粒徑分別為5～10 mm、5～15 mm、5～20 mm，沖擊速度由4 m/s 至11 m/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同強(qiáng)度沖擊荷載下混凝土粘接材料疲勞斷裂結(jié)果

通過(guò)實(shí)際試件加載與結(jié)果的模擬，獲得不同沖擊荷載之下混凝土粘接材料的疲勞斷裂結(jié)果，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同沖擊荷載之下混凝土粘接材料疲勞斷裂情況分析Fig. 3 The analysis of fatigue fracture of concrete bonding materials under different impact loads

不同時(shí)刻下，混凝土粘接材料所發(fā)生的位移情況見(jiàn)圖4。

圖4 不同時(shí)刻下混凝土粘接材料位移變化Fig. 4 The displacement change of concrete bonding material at different times

通過(guò)分析圖3 與圖4 可知，受到不同強(qiáng)度的沖擊荷載沖擊后，各個(gè)試件內(nèi)的粘接材料均出現(xiàn)不同程度的疲勞斷裂情況。工況1 中，爆炸沖擊波的超壓幅值最大，這種爆炸沖擊波威力較大，對(duì)于混凝土造成的沖擊也較為嚴(yán)重，所以即使較短時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致混凝土粘接材料出現(xiàn)較為嚴(yán)重的斷裂情況；工況2 中，這種沖擊破壞也是一種剪應(yīng)力作用，在這種破壞作用之下，混凝土試件內(nèi)的粘接材料出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)嗔选Ｓ蓤D4 可知，約在3 ms 左右時(shí)粘接材料出現(xiàn)嚴(yán)重位移，也就是說(shuō)，該時(shí)刻下，混凝土粘接材料出現(xiàn)疲勞斷裂，由此可知，該工況下，混凝土粘接材料也會(huì)快速出現(xiàn)疲勞斷裂；工況3 中，混凝土上下兩端位置在沖擊荷載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力之下最先出現(xiàn)疲勞斷裂，這種斷裂較為輕微，未對(duì)粘接材料位移產(chǎn)生嚴(yán)重影響，從圖3（c）中可以看出，混凝土試件的塑性平衡位置受到?jīng)_擊波的影響作用，發(fā)生振動(dòng)，伴隨這種振動(dòng)，混凝土試件同時(shí)發(fā)生彎曲，這種工況作用時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致彎曲振動(dòng)的周期也較長(zhǎng)，但是相比其他兩種情況，對(duì)于混凝土粘接材料造成的破壞最為輕微。

2.2 不同沖擊荷載速度下混凝土粘接材料疲勞斷裂結(jié)果

圖5 為不同沖擊速度之下，各個(gè)時(shí)刻試件1 混凝土粘接材料在不同時(shí)刻下的應(yīng)力云圖變化情況。

圖5 不同沖擊荷載速度下混凝土粘接材料局部應(yīng)力云圖Fig. 5 The local stress nephogram of concrete bonding material under different impact load speeds

從圖5（a）和圖5（b）中能夠看出，4 m/s 沖擊波速度之下，即使在500 ms 時(shí)刻下，粘接材料仍舊沒(méi)有發(fā)生明顯斷裂損傷；8 m/s 與12 m/s 沖擊速度之下，粘接材料出現(xiàn)較為明顯的疲勞斷裂，圖5（d）與圖5（f）的右側(cè)和左上角位置均出現(xiàn)一個(gè)較為明顯的破壞集中區(qū)，由此可以確定，沖擊速度越大，粘接材料斷裂區(qū)域數(shù)量增加破碎膠體的大小也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，8 m/s 沖擊速度下，第90 ms 時(shí)粘接材料已經(jīng)出現(xiàn)斷裂，12 m/s 沖擊速度下，粘接材料在第35 ms時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)斷裂，說(shuō)明沖擊速度較大的情況下，會(huì)加劇混凝土粘接材料的斷裂情況。

2.3 不同粒徑下沖擊速度與混凝土材料應(yīng)力關(guān)系

混凝土試件的粗骨料大小會(huì)導(dǎo)致混凝土中的材料之間的縫隙大小不同，也就導(dǎo)致這些粘接材料受到不同沖擊荷載后表現(xiàn)出的斷裂性能不同。

通過(guò)圖6 獲知不同沖擊速度之下，粗骨料粒徑存在差異時(shí)，粘接材料應(yīng)力變化情況。從圖中能夠明顯看出沖擊速度越快，粘接材料的峰值應(yīng)力越高。經(jīng)過(guò)上文研究可以確定，沖擊速度較小的情況下，沖擊荷載所產(chǎn)生的能量也較小，這種情況下，粘接材料只會(huì)出現(xiàn)疲勞位移，并不會(huì)出現(xiàn)明顯的斷裂情況，裂紋之間沒(méi)有較為明顯的相關(guān)作用，這種沖擊速度之下，混凝土展現(xiàn)出較低的峰值應(yīng)力結(jié)果。假如沖擊速度較快，沖擊荷載作用于混凝土的能量也更大，這種沖擊荷載之下沒(méi)有為粘接材料裂縫擴(kuò)展留下足夠時(shí)間，幾乎是相同時(shí)間所有裂縫都發(fā)生相互作用，此時(shí)粘接材料會(huì)出現(xiàn)較高峰值應(yīng)力，這種高速的沖擊荷載也導(dǎo)致混凝土粘接材料出現(xiàn)嚴(yán)重疲勞斷裂。從圖6 中還能夠看出，粗骨料粒徑較小時(shí)，粘接材料的峰值應(yīng)力更低，而粗骨料的粒徑越大的情況下，粘接材料的峰值應(yīng)力越高，這種情況也是由于粒徑越大，混凝土中的縫隙越不能承受更多的能量，所以粒徑較小情況下粘接材料出現(xiàn)疲勞斷裂的可能性更小。

圖6 不同粒徑下沖擊速度與粘接材料應(yīng)力關(guān)系Fig. 6 The relationship between impact speed and stress of bonding material under the conditions of different particle sizes

3 結(jié)論

制備混凝土試件與環(huán)氧樹(shù)脂粘接材料，進(jìn)行不同沖擊荷載與沖擊速度之下，混凝土粘接材料的斷裂性能試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究獲知，沖擊波超壓較大且作用時(shí)間較短的沖擊荷載之下，混凝土粘接會(huì)迅速發(fā)生斷裂，斷裂情況較為嚴(yán)重，在工況1 下混凝土粘接材料在1 ms 時(shí)出現(xiàn)了最大位移，為1.2 mm；沖擊波超壓與作用時(shí)間均較適中的情況下，混凝土端部會(huì)率先出現(xiàn)疲勞斷裂，而較低沖擊荷載影響下，混凝土粘接材料不會(huì)發(fā)生明顯斷裂。試驗(yàn)結(jié)果還顯示出，沖擊荷載速度較小時(shí)，幾乎不會(huì)導(dǎo)致混凝土粘接材料出現(xiàn)明顯斷裂，沖擊速度較快，會(huì)導(dǎo)致混凝土粘接材料出現(xiàn)較為顯著的疲勞斷裂，12 m/s 沖擊速度下，粘接材料在第35 ms 時(shí)出現(xiàn)斷裂，因此說(shuō)明沖擊荷載較大或者速度較快時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致混凝土粘接材料受到嚴(yán)重影響。