不同倾角灌浆补强砂浆动态拉伸力学性能研究

0引言
混凝土材料具有来源广泛、抗压强度高、整体性好、经济价值高等诸多优点，至今在全世界建筑领域仍是用量最大、使用范围最广泛的建筑材料[1-2]。

众所周知，水泥基类材料的抗拉强度远小于抗压强度，建筑物在使用过程中往往会发生开裂，裂缝的出现不但会影响建筑自身美观，而且会使其结构性能下降，最终降低建筑的安全性、适应性、耐久性和使用寿命。

当前建筑物补强技术也是当前建筑行业的热门焦点，而灌浆补强技术操作性简单、效果显著而被专家学者广泛研究。

郭志敏等[3]以快硬硫铝酸盐水泥、氨基苯磺酸盐高效减水剂及RF 掺合料配制出了早期强度高、流动性好的路面补强料，并于实际应用过程中取得良好效果。

谢俊伟[4]等使用CNTs 等材料制备裂缝快速修复灌浆材料，该材料具有流动性好、黏接强度高、聚合固化快特点，在工程应用上有一定潜力。

林生凤等[5]利用部分工业废渣制备了高性能灌浆材料，并分析不同掺料试件强度及流
动性变化规律。

顾旭东等[6]
探究了添加外加剂灌浆料的流动性及凝结硬化时间，并通过试验研究了养护环境对灌浆料性能变化的影响规律，结果表明外加剂及养护环境均对
灌浆材料性能存在影响。

李青等[7]通过试验研究了水泥基灌浆料加固含孔洞混凝土梁力学性能，结果表明灌浆后试件承载能力得到显著提升。

曲广龙等[8]研究了灌浆孔短柱试件承载效果，结果表明灌浆后试件承载能力得到显著提
升。

苏炜焕等[9]
通过实践发现灌浆技术能够取得修复裂缝、提高裂缝区域的强度、防水防渗的优良效果。

灌浆补强技术能够有效的修复裂缝、增强建筑物的力学性能，但现有研究成果仅停留在静载作用阶段，对于动载作用下补强试件研究鲜有涉及，建筑物在使用阶段同样会承受部分动载作用，因此开展灌浆补强水泥基材料动态力学性能试验研究至关重要。

本文采用声波测量装置对不同补强宽度（0mm 、3mm 、5mm ）纵波波速进行测量，并结合SHPB 试验装置对不同冲击倾角（0°、30°、45°、60°、90°）下灌浆补强水泥砂浆试件开展动态劈裂拉伸试验，分析补强宽度、冲击倾角对试件纵波波速、动态应力应变曲线、峰值应力、弹性模量的影响规律，研究成果可填补动载作用下灌浆补强技术研究方面的空白。

1试验方案1.1试验材料及配合比试验配置普通水泥砂浆试件及水泥浆灌浆料，所需的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，河砂经孔径筛网进行筛——————————————————————
—基金项目:安徽省自然科学基金面上项目《综合管廊内部爆炸结
构损伤破坏机理与抗爆方法研究》（编号：
2008085ME163）。

作者简介:刘贵军（1983-），男，安徽滁州人，学士，高级工程师，研
究方向为道路工程。

不同倾角灌浆补强砂浆动态拉伸力学性能研究
Study on Dynamic Tensile Mechanical Properties of Grouting Reinforcing Mortar under Different
Inclination Angles
刘贵军LIU Gui-jun
（闽清县交通建设发展有限公司，闽清350800）
（Minqing County Transportation Construction Development Co.，Ltd.，Minqing 350800，China ）
摘要:为探究灌浆补强砂浆试件在不同冲击倾角下的动态劈裂拉伸物理力学性能变化，采用声波检测装置测量不同补强宽度试件纵波
波速变化规律，利用霍普金森压杆（SHPB ）装置对试件开展不同冲击倾角下的动态劈裂拉伸试验，分析补强宽度、倾角角度对试件纵波波速、峰值应力、弹性模量及峰值应变变化规律。

结果表明：①相较于未补强试件，补强3mm 、5mm 时试件纵波波速均值降幅分别为19.92%、33.20%，补强宽度的增大使得试件纵波波速降低；②冲击荷载作用前期试件应力呈迅速增大后又迅速降低，作用后期试件以变形为主，补强宽度的增加使得试件峰值应力降低；③随着冲击角度的增大，试件峰值应力、弹性模量均呈现先减小后增大的变化趋势，峰值应变呈先增大后减小的变化趋势，三者变化曲线均呈“U ”形状，倾角45°时试件承载能力最低，90°时承载能力最大。

Abstract:In order to investigate the changes of dynamic splitting tensile physical and mechanical properties of grouted reinforcement mortar specimens under different impact inclination angles,an acoustic detection device was used to measure the changes of longitudinal wave velocity of specimens with different reinforcement widths.The dynamic splitting tensile tests were carried out on specimens with different impact inclination angles using the Hopkinson pressure bar (SHPB)apparatus to analyze the changes of the patch width and inclination angle on the longitudinal wave velocity,peak stress,elastic modulus and peak strain of the specimens.The results show that:①compared with the un-reinforced specimen,the average decrease of longitudinal wave velocity of the specimen is 19.92%and 33.20%for 3and 5mm reinforcement respectively,and the increase of reinforcement width makes the longitudinal wave velocity of the specimen decrease;②the specimen stress is rapidly increasing and then decreasing in the early stage of impact loading,and the specimen is mainly deformed in the late stage of impact loading,and the increase of reinforcement width makes the peak stress of the specimen decrease;③with the increase of the impact angle,the peak stress and elastic modulus of the specimen showed the trend of decreasing and then increasing,and the peak strain showed the trend of increasing and then decreasing,and the change curves of all three were in the shape of "U",and the bearing capacity of the specimen was the lowest when the inclination angle was 45°and the maximum when it was 90°.
关键词:补强宽度；冲击倾角；灌浆料；纵波波速；峰值应力；弹性模量；峰值应变Key words:reinforcement width ；impact inclination ；grout ；longitudinal wave speed ；peak stress ；elastic modulus ；peak strain 中图分类号:TU528文献标识码:A 文章编号:1006-4311（2023）20-156-04doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.20.049
分，细度模数、颗粒集配及含泥量均满足要求，减水剂为萘系减水剂，外加剂为硅粉、粉煤灰拌合而成，拌合水来自实验室自来水。

根据《JGJ55-2011普通水泥砂浆配合比设计规程》的规定计算配合比，选用水泥砂浆配合比为水泥∶砂∶
水∶外加剂∶减水剂=1.2∶1∶0.39∶0.08∶0.01，灌浆料配合比为水
泥∶水∶外加剂=1∶0.3∶0.02。

通过搅拌机利用二次拌料法将砂浆各掺料搅拌均匀，将拌料置于100mm ×100mm ×100mm
的正方体模具中，经振荡、抹面后成型，将试件置于标准养
护环境28d 。

通过取芯、切割、打磨将试件制成直径50mm 、高度25mm 的标准圆柱体试件，利用波速测量仪挑选出波速相近的试件以开展后续试验[10]。

试件补强时先将挑选出砂浆试件沿中心线切割两半，将切割完成试件固定于模具并浇筑3mm 及5mm 的灌浆料，灌浆24h 后待试件成型后置于养护室养护28d ，所制得试件如图1所示。

1.2试验过程
纵波波速能够反映出材料内部结构的整体性及密实度[11]，将制作完成试件利用声波测试仪测量不同补强宽度试件纵波波速以反映原试件与补强试件内部结构的差异性。

冲击试验利用SHPB 试验装置，调整三种不同试件与杆件之间的夹角，选取夹角度数分别为0°、30°、45°、60°、90°，加载过程结构如图2所示。

试验前对试件开展不同冲击气压下的预实验，最终选取0.3MPa 冲击气压开展动态劈裂拉伸试验，此冲击气压下试件均可发生明显破坏，试
验获取数据采用二波法去处理[12]。

试件两端所受力F （t ）可
由采集到的入射波εi （t ）、反射波εr （t ）、透射波εt （t
）计
算得到[13]：
（1）式中：D 为压杆直径，m ；E 为压杆材料的弹性模量，MPa 。

试件中心处所受
拉应力为：（2）式中：d 为试件直径，m ；h 为试件高度，m 。

2结果与分析
2.1纵波波速变化
不同补强宽度试件每组选取6个平行试件，宽度分别为0、3、5mm 试件纵波波速变化如图3所示。

由图3可知随着补强宽度的增大，试件纵波波速整体
呈下降趋势。

补强宽度在0mm 、3mm 、5mm 时试件纵波波速均值分别为4829m/s 、3867m/s 、3226m/s ，相较于未补强试件，补强3mm 、
5mm 时试件纵波波速均值降幅分别为19.92%、
33.20%，补强后试件整体性存在显著降低。

一方面这是由于试件在切割过程中已经产生部分损伤，
整体性降低，
从而造成纵波波速的显著下降，另一方面是由于补浆材料是水泥浆，
其自身密度及整体性均要低于原砂浆试件，
因此试件纵波波速降低，且补强宽度越大，纵波波速降幅越显著。

2.2峰值强度变化规律补强宽度3mm 、5mm 试件在不同冲击角度下补强砂浆试件应力应变曲线变化如图4所示。

由试件应力应变曲线冲击拉伸荷载作用试件前期应力增幅较大，试件很快达到峰值强度之后迅速降低，但后
期应力降幅减小，
应变增幅显著增加。

说明外部荷载作用时荷载作用前期试件以应力变化为主，当
试件达到峰值强
（b ）灌浆补强水泥砂浆
图1制作完成的水泥砂浆及灌
浆补强试件
（a ）水泥砂浆
图2SHPB 冲击劈裂加载示意图
透射杆入射杆图3不同补强宽度试件纵波波速变化规律
0mm
3mm 5mm 均值
补强厚度/mm
度失去承载能力后试件以变形为主。

对比不同夹角可知在
3mm 补强宽度试件夹角为0°、30°、45°、60°、90°时试件峰值应力分别为12.09、9.19、7.81、8.88、15.03MPa ，在3mm 补强宽度试件夹角为0°、30°、45°、60°、90°时试件峰值应力分别为8.32MPa 、5.70MPa 、5.20MPa 、6.18MPa 、10.28MPa ，随着夹角的增加试件峰值应力呈现先降低后增加的变化趋势，且角度在90°时试件峰值应力最大。

对比不同补强宽度试件可知随着补强宽度的增加试件峰值强度逐渐降低，补强宽度0mm 时试件峰值应力达到16.93MPa ，角度在90°、补强宽度3mm 、5mm 时试件峰值应力分别为15.03MPa 、10.28MPa ，这与纵波波速变化趋势表现出一致性，尽管试件峰值应力存在降低，但补强试件依旧存在一定的抵抗外荷载能力，补强仍存在一定效果。

为进一步分析冲击角度与试件峰值应力间的关系，对相关数据进行拟合处理，补强宽度3mm 、5mm 试件峰值应力随夹角间的变化规律如图5所示。

由图5可知随着冲击角度的增大，试件峰值应力呈现先减小后增大的变化趋势，强度变化曲线呈“U ”形状，两者间呈良好的二次函数关系。

冲击角度在90°时试件峰值应力达到最大，冲击角度在45°时试件峰值强度达到最低值，说明冲击角度在45°时补强部位所能够承载效果最低，新生裂缝更易产生。

从0°~45°间试件承载能力不断降低，由于补强部位仍是试件承载的薄弱部位，说明在此角度变化阶段此薄弱部位受力程度更大，试件更易产生破坏。

随着角度从45°进一步增大，此薄弱区域承受应力降低，试件自身承载能力得到提升。

对比不同补强宽度下试件承载强度变化可知补强宽度0mm 时试件峰值应力达到16.93MPa ，在冲击角度在45°、补强宽度3mm 、5mm 时试件峰值应力分别为7.81MPa 、5.20MPa ，应力降幅达到53.87%、69.29%，因此冲击角度在45°补强试件强度达到最低值。

2.3弹性模量及峰值应变变化规律弹性模量、峰值应变是表征材料抵抗外荷载作用下变形能力的重要指标[14]，补强宽度3mm 、5mm 试件在不同冲击角度下补强砂浆试件弹性模量、峰值应变变化如图6、图7所示。

由图6、图7可知随着冲击角度的增大，试件弹性模量呈先增大后降低，弹性模量变化曲线呈“U ”形状，这与强度变化呈现相同变化规律。

试件峰值应变呈现增大后降低的变化趋势，同样在冲击角度为45°时试件弹性应力达到最低值，而峰值应变最大，说明试件在冲击角度为45°时抵抗外荷载作用下的变形能力最低。

冲击角度为90°时
（b ）裂缝宽度5mm 试件
图4不同冲击角度下灌浆补强水泥砂浆的应力-应变曲线
（a ）裂缝宽度3mm 试件
3GM-0°3GM-30°3GM-45°3GM-60°3GM-90°PM
应变/%
5GM-0°
5GM-30°5GM-45°5GM-60°5GM-90°PM
应变/%
（a ）补强宽度3mm 试件
（b ）补强宽度5mm 试件
图5试件峰值应力随夹角间的变化规律
角度/°
角度/°
y=0.0027x 2-0.21x+12.31（R 2=0.94）
y=0.0019x 2-0.15x+8.36（R 2=0.99）
试件弹性模量最高。

峰值应变最低，荷载与补强裂缝夹角
间90°时其抵抗外荷载作用下的变形能力最强。

3结论
①补强宽度的增大使得试件纵波波速整体呈下降趋势，补强宽度在0mm 、3mm 、5mm 时试件纵波波速均值分别为4829m/s 、3867m/s 、3226m/s ，切割裂缝的存在及灌浆料共同影响着试件纵波波速。

②冲击荷载作用试件前期应力增幅较大，试件在达到峰值强度之后迅速降低，后期应力降幅减小，应变增幅显著增加，补强试件动态拉伸强度显著低于未补强试件，随着补强宽度的增加试件峰值应力不断降低。

③随着冲击角度的增大，试件峰值应力、弹性模量均呈现先减小后增大的变化趋势，峰值应变呈先增大后减小的变化趋势，三者变化曲线均呈“U ”形状，且与冲击角度间呈二次函数相关。

冲击角度在45°时试件抵抗外荷载作用能力最弱，在90°时试件抵抗外荷载作用能力最强。

参考文献院
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（a ）补强宽度3mm 试件
（b ）补强宽度5mm 试件
图6试件弹性模量随夹角间的变化规律角度/°
y=0.0020x 2-0.15x+4.06（R 2=0.77）
角度/°
y=0.0018x 2-0.12x+2.99（R 2=0.79）
（b ）补强宽度5mm 试件
图7试件峰值应变随夹角间的变化规律
（a ）补强宽度3mm 试件
角度/°
y=0.00026x 2-0.027x+3.40（R 2=0.87）
角度/°
y=0.00064x 2-0.05x+3.84（R 2=0.83）。