鋼筋混凝土試塊靜態(tài)破裂試驗(yàn)研究

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，建筑工程設(shè)施的更新越來越快，然而在城市人口密集區(qū)，建筑的拆除由于受到地理位置等因素的影響，不宜采用傳統(tǒng)的爆破方式，靜態(tài)破碎技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決這類問題。岳中文等在圓柱體混凝土試樣中加入靜態(tài)破碎劑，并對其破壞形式和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，得到靜態(tài)破碎劑在混凝土中應(yīng)用后的破壞數(shù)據(jù)[1]；翟成等對靜態(tài)爆破進(jìn)行了研究，通過單孔破碎、雙控破碎以及導(dǎo)向孔破碎等方法，得到了不同影響因素下的爆破效果[2]；尹國偉等對靜態(tài)爆破進(jìn)行了研究，并將普通的混凝土和鋼筋混凝土的破碎效果進(jìn)行了對比[3]。目前，建筑中基本上多采用鋼筋混凝土，鋼筋混凝土具有較大的承載力，但對于鋼筋混凝土在靜態(tài)爆破中的應(yīng)用研究卻較少，使得現(xiàn)場鋼筋混凝土的靜態(tài)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)也相對較少?；诖?，本文以鋼筋混凝土試塊和普通混凝土試塊為研究對象，設(shè)定不同條件，在同等條件下進(jìn)行靜態(tài)破碎試驗(yàn)，并對試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，以研究鋼筋混凝土試塊在靜態(tài)破碎劑作用下的破裂情況。同時(shí)，本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)對鋼筋混凝土靜態(tài)破裂試驗(yàn)進(jìn)行了補(bǔ)充，可為同類工程提供借鑒。

2.靜態(tài)破碎劑體積膨脹率測定

2.1 靜態(tài)破碎劑與鋼筋混凝土的作用機(jī)理

靜態(tài)破碎劑遇水后發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而體積增大產(chǎn)生膨脹，這個(gè)膨脹力是混凝土發(fā)生破壞的源動(dòng)力。由于混凝土中存在許多孔隙，加入靜態(tài)破碎劑后，破碎劑遇水產(chǎn)生膨脹力，從而使得在混凝土的內(nèi)部形成一定的張拉力?；炷潦悄蛪翰荒屠牟牧希虼?，在靜態(tài)破碎劑的作用下很容易產(chǎn)生張拉破壞。但是對于鋼筋混凝土而言，靜態(tài)破碎劑的破壞作用會(huì)受到很大的限制，因?yàn)殪o態(tài)破碎劑產(chǎn)生的張拉力遠(yuǎn)小于鋼筋所能承受的抗拉力。因此，靠靜態(tài)破碎劑的作用去使鋼筋達(dá)到屈服狀態(tài)是不太現(xiàn)實(shí)的，但是可以通過不同的布孔方式使混凝土先破壞，從而使混凝土與鋼筋產(chǎn)生剝離，最終達(dá)到鋼筋混凝土整體破壞的目的。

2.2 膨脹率測定

試驗(yàn)之前要對靜態(tài)破碎劑的體積膨脹率進(jìn)行測定，一般而言，溫度和水劑比是影響靜態(tài)破碎劑膨脹率的最主要的兩個(gè)因素。試樣的質(zhì)量均取2kg，分別按照不同的溫度和不同的水劑比進(jìn)行分類測試，其中測試溫度分別為14℃、22℃、30℃，水劑比分別為0.30、0.32。最終試驗(yàn)結(jié)果表明：在以14℃、水劑比0.32的情況下，體積膨脹率最高為4.85。

3.鋼筋混凝土試塊制作

采用普通硅酸鹽水泥、級配5mm～20mm的粗骨料、沙、水，制作成尺寸為200mm×200mm×200mm鋼筋混凝土試塊和普通混凝土試塊。其中，鋼筋混凝土試塊中加入直徑為3.5mm的鋼絲來充當(dāng)鋼筋，左右兩側(cè)分別設(shè)置2根和4根，上下部分別做成鋼筋套箍。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

混凝土試塊制作時(shí)，要預(yù)留一定直徑的圓孔，方便后續(xù)的靜態(tài)破裂試驗(yàn)，本次試驗(yàn)中預(yù)留孔徑直徑為25mm。此外，還要在試塊上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，安裝應(yīng)變計(jì)，收集靜態(tài)破碎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)留孔徑及監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置如圖1所示。

4.試塊靜態(tài)破裂分析

4.1 鋼筋混凝土試塊破裂分析

鋼筋混凝土試塊在加入靜態(tài)破碎劑后對其進(jìn)行監(jiān)測，時(shí)間計(jì)為0。鋼筋混凝土靜態(tài)破碎試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)的“應(yīng)變－時(shí)間”曲線，如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土應(yīng)變－時(shí)間曲線

由圖2可知，在反應(yīng)初期，前400min各測點(diǎn)的應(yīng)變變化較小，此時(shí)的破碎面并未出現(xiàn)裂紋。在靜態(tài)破碎劑反應(yīng)進(jìn)行400min后，膨脹力逐漸增加，主要表現(xiàn)為G1、G2兩測點(diǎn)的應(yīng)變減小。在600min左右，G2測點(diǎn)的應(yīng)變達(dá)到最小值開始反彈；在600min內(nèi)，除了G1、G2、G7測點(diǎn)外，其他測點(diǎn)的反應(yīng)不大。在1100min時(shí)，混凝土表面出現(xiàn)裂紋a，此時(shí)各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變均出現(xiàn)變化。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到1500min時(shí)，裂紋a的寬度增大，且Y軸負(fù)方向上的a1出現(xiàn)擴(kuò)展裂紋b1，此外在X軸的正負(fù)方向上分別出現(xiàn)裂紋b2和裂紋c；此時(shí)G4測點(diǎn)的應(yīng)變達(dá)到最大值，G5測點(diǎn)的應(yīng)變達(dá)到最小值，二點(diǎn)均出現(xiàn)較大波動(dòng)。但是處于中部的G2、G3測點(diǎn)的應(yīng)變變化不大，這主要是由于鋼筋的回單應(yīng)力所致。

在反應(yīng)的整個(gè)過程中，G6、G7測點(diǎn)由于離鉆孔較遠(yuǎn)，所受影響較小，應(yīng)變曲線隨時(shí)間變化不大；G2、G3由于受到鋼筋回彈力的影響，曲線整體波動(dòng)亦不大；剩余的G0、G1、G4、G5四個(gè)測點(diǎn)上下浮動(dòng)較大。但是，在試驗(yàn)進(jìn)行2200min以后，靜態(tài)破碎劑反應(yīng)的膨脹力減弱，所有測點(diǎn)的應(yīng)變值均向著0點(diǎn)回落。

4.2 普通混凝土試塊破裂分析

為了與鋼筋混凝土形成對比，在同樣的條件下對普通混凝土進(jìn)行了靜態(tài)破碎試驗(yàn)。普通混凝土各測點(diǎn)的“應(yīng)變－時(shí)間”曲線，如圖3所示。

圖3 普通混凝土應(yīng)變－時(shí)間曲線

由圖3可知，無論是X軸方向還是Y軸方向，前600min內(nèi)所有測點(diǎn)的應(yīng)變值變化不大。在800min時(shí)，離鉆孔較近的P0、P1、P2、P3四點(diǎn)開始出現(xiàn)波動(dòng)，其中，P0、P1受壓應(yīng)力作用，P2、P3受拉應(yīng)力作用。此時(shí)在Y軸正負(fù)方向上分別出現(xiàn)裂紋a和裂紋b。在反應(yīng)進(jìn)行到900min時(shí)，裂紋b向外擴(kuò)展，出現(xiàn)新的裂紋c，P2測點(diǎn)達(dá)到應(yīng)變峰值，P0、P1、P3的應(yīng)變波動(dòng)不大。1500min時(shí)，P0點(diǎn)的應(yīng)變達(dá)到最小值，隨后至2100min時(shí)間內(nèi)，應(yīng)變持續(xù)增長，從受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)向受拉狀態(tài)；由于膨脹力的快速增大，使得鉆孔附近出現(xiàn)新的三條裂紋 d、e、f，期間 P0、P3分別達(dá)到其最大應(yīng)變值1670μ ε和2320μ ε。

試驗(yàn)進(jìn)行到2700min時(shí)，試驗(yàn)接近結(jié)束，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，由于P4、P5離鉆孔較遠(yuǎn)，應(yīng)變隨時(shí)間始終變化不大，其余四點(diǎn)P0、P1、P2、P3變化較大，且P0點(diǎn)在試驗(yàn)期間從受壓向受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變；鉆孔周邊裂紋較多，其中以平行Y軸方向的裂紋a和裂紋b寬度最寬。

4.3 對比分析

試驗(yàn)結(jié)束后，對鋼筋混凝土靜態(tài)破碎試驗(yàn)和普通混凝土靜態(tài)破碎試驗(yàn)進(jìn)行對比研究，所得到的數(shù)據(jù)如表1所示。鋼筋混凝土的裂紋出現(xiàn)時(shí)間遠(yuǎn)大于普通混凝土的起裂時(shí)間，這主要是由于鋼筋混凝土中的鋼筋套箍對混凝土材料起到了很好的束縛作用，延遲了起裂時(shí)間，增強(qiáng)了混凝土材料的穩(wěn)定性。鋼筋混凝土中的鋼筋有效地吸收了靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生的膨脹力，減緩了破碎時(shí)間，同時(shí)減少了裂縫的數(shù)量，從表中可以看出，普通混凝土的裂縫數(shù)量有6條，是鋼筋混凝土裂縫數(shù)量的2倍。就裂縫最大寬度的角度而言，普通混凝土裂縫的最大寬度將近是鋼筋混凝土最大裂縫寬度的4倍。整體試驗(yàn)說明內(nèi)置鋼筋的套箍約束作用影響到了靜態(tài)破碎試驗(yàn)的破碎效果。

表1 破裂效果對比

5.結(jié)語

本文以鋼筋混凝土試塊和普通混凝土試塊為研究對象，通過設(shè)定不同條件，在同等條件下進(jìn)行靜態(tài)破碎試驗(yàn)，并對試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，得出以下結(jié)論：

鋼筋混凝土的靜態(tài)破碎起裂時(shí)間為800min，而普通混凝土的靜態(tài)破碎起裂時(shí)間為600min，鋼筋混凝土的靜態(tài)破碎起裂時(shí)間小于普通混凝土；鋼筋混凝土的裂紋數(shù)量和最大裂縫寬度均小于普通混凝土，其中鋼筋混凝土最大裂縫寬度約為普通混凝土最大裂縫寬度的1/4；鋼筋混凝土中的鋼筋套箍在很大程度上增強(qiáng)了鋼筋混凝土材料整體的穩(wěn)定性；鋼筋混凝土材料破壞過程中的應(yīng)變離散性小于普通混凝土材料，鋼筋混凝土材料的穩(wěn)定性更強(qiáng)。