混凝土塊體靜態(tài)破碎試驗研究

姜智盛，鄭文忠，李瑞森，侯曉萌

(1.結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090；2.土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

靜態(tài)破碎技術(shù)是將按一定水灰比攪拌好的靜態(tài)破碎劑(static crushing agent，簡稱SCA)漿體灌入巖石或混凝土的鉆孔中，利用靜態(tài)破碎劑體積膨脹產(chǎn)生的環(huán)向膨脹壓力，使巖石與混凝土這類抗拉強(qiáng)度相對較低的脆性材料產(chǎn)生明顯的裂縫擴(kuò)展以實現(xiàn)破碎的技術(shù).靜態(tài)破碎技術(shù)自問世以來，先后用于：1)混凝土構(gòu)筑物安全拆除工程；2)基巖開挖工程；3)石材成型切割；4)孤石破碎；5)特殊區(qū)域的開采等方面[1].其中，靜態(tài)破碎技術(shù)在混凝土構(gòu)筑物拆除中的應(yīng)用較為廣泛，與傳統(tǒng)的爆破拆除、機(jī)械拆除和人工拆除手段相比，靜態(tài)破碎技術(shù)具有安全、施工簡單、無振動、無噪音、無粉塵、無有害氣體等優(yōu)點(diǎn)，適用于城鎮(zhèn)密集區(qū)域、重要交通干線、重要設(shè)施周圍等特殊區(qū)域的拆除.

為將靜態(tài)破碎技術(shù)高效地應(yīng)用于土木工程的拆除，學(xué)者們對靜態(tài)破碎技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究.鄭志濤等[2]通過電阻應(yīng)變測量法探究了孔徑對破碎劑產(chǎn)生膨脹力的影響，指出隨著孔徑的增大，膨脹力也隨之增大;Shang等[3]基于彈性理論和厚壁鋼管理論的數(shù)學(xué)模型探究了孔徑對破碎劑產(chǎn)生膨脹力的影響，也得出孔徑越大，膨脹力越大的結(jié)論;Laefer等[4]通過電阻應(yīng)變測量法探究了孔深對破碎劑產(chǎn)生膨脹力的影響，指出孔頂部的膨脹力幾乎不發(fā)展，孔中部的膨脹力要略高于孔底部的膨脹力;唐烈先等[5]完成了混凝土試塊的單孔靜態(tài)破碎試驗并用RFPA2D軟件進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)混凝土試塊主要按3條主裂縫的形式破壞，且不同混凝土試塊的裂紋方向不完全相同;楊仁樹等[6]完成了含對稱切槽預(yù)留孔的圓柱體砂漿試件的單孔靜態(tài)破碎試驗，采用高速攝像技術(shù)獲得了裂紋擴(kuò)展速度和加速度的變化規(guī)律，指出裂紋擴(kuò)展的速度和加速度均呈先上升后下降的趨勢;姜楠等[7]完成了40 mm與100 mm兩種孔徑的靜態(tài)破碎試驗與有限元數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)大孔徑孔與小孔徑孔相比破碎劑水化反應(yīng)的峰值溫度更高、膨脹力更大、應(yīng)力分布更廣;破碎劑的水化反應(yīng)為放熱過程，無法及時導(dǎo)出的大量水化熱會使破碎劑漿體中的水分迅速氣化而產(chǎn)生較大的蒸汽壓力，從而導(dǎo)致破碎劑從孔口噴出,武世亮等[8]通過電阻應(yīng)變測量法探究了孔徑對噴孔的影響，發(fā)現(xiàn)孔徑越大越有發(fā)生噴孔的可能.

明確孔徑與約束程度對破碎效果和開裂時間的影響對提高破碎效率、降低破碎費(fèi)用具有重要意義.因此本文從素混凝土單孔靜態(tài)破碎試驗入手，系統(tǒng)地探究了孔徑與約束程度對破碎效果和開裂時間的影響規(guī)律，希望能為靜態(tài)破碎技術(shù)的應(yīng)用提供參考.

1 試驗概況

靜態(tài)破碎試驗用13個素混凝土立方體試件的試件設(shè)計見表1，試件的示意圖見圖1.利用PVC管在試件中成形靜態(tài)破碎劑用孔.混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度的實測值為47.7 MPa.試驗用靜態(tài)破碎劑為施必達(dá)(大連)公司生產(chǎn)的S-611型無聲爆破劑，通過電阻應(yīng)變測量法(將破碎劑漿體灌入鋼管中，通過測定鋼管外表面的拉伸應(yīng)變來獲得破碎劑產(chǎn)生的環(huán)向膨脹壓力)獲得了破碎劑(水劑比為0.3)的膨脹力時程曲線(試驗用鋼管為45號鋼，鋼管內(nèi)徑為40 mm，鋼管外徑為50.7 mm，鋼管高度為500 mm)，見圖2.通過測溫鐵盒試驗獲得了破碎劑(水劑比為0.3)水化反應(yīng)的溫度時程曲線，見圖3.破碎劑的自由體積膨脹率為315 %.

按水劑比0.3拌合破碎劑，灌入破碎劑漿體后(未采取封孔措施)每隔12 h觀察現(xiàn)象并測量裂縫寬度.當(dāng)12 h間隔內(nèi)裂縫寬度的增長率小于5 %時，認(rèn)為裂縫發(fā)展已經(jīng)穩(wěn)定.本次試驗灌入破碎劑漿體的時間為2019年9月21日18:00，試驗期間白天的平均溫度為20 ℃，夜間的平均溫度為9 ℃.

表1 試件設(shè)計

圖1 混凝土試件示意

圖2 膨脹力時程曲線

圖3 溫度時程曲線

2 試驗現(xiàn)象及分析

試件1：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體72 h時試件上表面出現(xiàn)裂縫，此時裂縫貫通整個試件且呈“人”字形.此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大，96 h時發(fā)展穩(wěn)定.試件96 h的破碎狀態(tài)見圖4(a).

試件2：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體72 h時試件上表面出現(xiàn)微裂縫，此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大.96 h時發(fā)展穩(wěn)定，此時裂縫貫通整個試件且呈“十”字形.試件96 h的破碎狀態(tài)見圖4(b).

試件3：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體168 h時試件上表面出現(xiàn)微裂縫，此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大.216 h時發(fā)展穩(wěn)定，此時裂縫貫通整個試件且呈“人”字形.試件216 h的破碎狀態(tài)見圖4(c).

試件4：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體48 h時試件上表面出現(xiàn)裂縫，此時裂縫貫通整個試件且呈“人”字形.此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大，72 h時發(fā)展穩(wěn)定.試件72 h的破碎狀態(tài)見圖4(d).

試件5：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體72 h時試件上表面出現(xiàn)微裂縫，此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大.108 h時發(fā)展穩(wěn)定，此時裂縫貫通整個試件且呈“人”字形.試件108 h的破碎狀態(tài)見圖4(e).

試件6：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體36 h時試件上表面出現(xiàn)裂縫，此時裂縫貫通整個試件且呈“人”字形.此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大，72 h時發(fā)展穩(wěn)定.試件72 h的破碎狀態(tài)見圖4(f).

試件7：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體36 h時試件上表面出現(xiàn)兩條裂縫，其中一條主要裂縫將試件完全分割，另一條為與主要裂縫垂直的微裂縫.此后隨著時間的推移，裂縫按主要裂縫的方向擴(kuò)展，72 h時發(fā)展穩(wěn)定，全部裂縫呈“T”字形.試件72 h的破碎狀態(tài)見圖4(g).

試件8：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體36 h時試件上表面出現(xiàn)裂縫，此時具有一條貫通試件的主裂縫與3條微裂縫.此后隨著時間的推移，主裂縫寬度繼續(xù)擴(kuò)大其余3條裂縫也逐漸延長至試件邊緣，84 h時發(fā)展穩(wěn)定，全部裂縫呈“十”字形.試件84 h的破碎狀態(tài)見圖4(h).

試件9：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體60 h時試件上表面出現(xiàn)兩條裂縫，其中一條主要裂縫將試件完全分割，另一條為與主要裂縫垂直的微裂縫.此后隨著時間的推移，裂縫按主要裂縫的方向擴(kuò)展，84 h時發(fā)展穩(wěn)定，全部裂縫呈“T”字形.試件84 h的破碎狀態(tài)見圖4(i).

圖4 試件破碎狀態(tài)

試件10：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體24 h時試件上表面出現(xiàn)裂縫，此時裂縫貫通整個試件且呈“人”字形.此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大，60 h時發(fā)展穩(wěn)定，試件60 h的破碎狀態(tài)見圖4(j).

試件11：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體36 h時試件上表面出現(xiàn)裂縫，此時裂縫貫通整個試件且呈“十”字形.此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大，60 h時發(fā)展穩(wěn)定，試件60 h的破碎狀態(tài)見圖4(k).

試件12：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體72 h時試件上表面出現(xiàn)裂縫，此時裂縫貫通整個試件且呈“十”字形.此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大，120 h時發(fā)展穩(wěn)定.試件120 h的破碎狀態(tài)見圖4(l).

試件13：預(yù)留孔灌入破碎劑漿體72 h時試件上表面出現(xiàn)裂縫，此時裂縫貫通整個試件且呈“人”字形.此后隨著時間的推移，裂縫寬度逐漸增大，120 h時發(fā)展穩(wěn)定.試件120 h的破碎狀態(tài)見圖4(m).

分析13個試件的破碎狀態(tài)可發(fā)現(xiàn)：單孔下混凝土塊體破碎后一般會產(chǎn)生3條或4條裂縫，其中產(chǎn)生3條裂縫的情況居多，破碎后產(chǎn)生的裂縫均貫通整個塊體,裂縫發(fā)展穩(wěn)定后，其分布形態(tài)主要為“人”字形、“T”字形和“十”字形3種.“人”字形裂縫：隨著孔壁所受的膨脹力逐漸增大，沿混凝土塊體的最小抵抗線方向首先形成第一條裂縫，隨后破碎劑繼續(xù)膨脹，第二條和第三條裂縫相繼形成，裂縫按“人”字形延伸并擴(kuò)展，其中第二條和第三條裂縫的寬度要明顯小于第一條裂縫的寬度,試件1、3、4、5、6、10、13的裂縫分布形態(tài)為“人”字形.“T”字形裂縫：隨著孔壁所受的膨脹力逐漸增大，混凝土塊體的薄弱區(qū)域首先會形成一條將試件完全分割的主要裂縫和與主要裂縫垂直的次要微裂縫，裂縫沿“T”字形延伸并擴(kuò)展，其中次要裂縫的寬度明顯小于主要裂縫的寬度,試件7、9的裂縫分布形態(tài)為“T”字形.“十”字形裂縫：隨著孔壁所受的膨脹力逐漸增大，沿混凝土塊體的最小抵抗線方向首先形成第一條裂縫，隨后破碎劑繼續(xù)膨脹，第二條、第三條和第四條裂縫相繼形成，裂縫沿“十”字形延伸并擴(kuò)展，其中第二條、第三條和第四條裂縫的寬度要明顯小于第一條裂縫的寬度,試件2、8、11、12的裂縫分布形態(tài)為“十”字形.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 孔徑和約束程度對破碎效果的影響

混凝土塊體的破碎是由破碎劑的體積膨脹所引起的，破碎劑的體積膨脹越大，引起的破碎效果將會越明顯，文中以破碎劑的體積膨脹率表示混凝土塊體的破碎效果.假設(shè)混凝土塊體破碎后，孔的形狀仍近似為圓形，根據(jù)式(1)、(2)計算可得破碎劑在混凝土塊體中的體積膨脹率.

(1)

(2)

式中：r′為破碎后孔半徑，C為預(yù)留孔周長，ω為孔周裂縫總寬度，r為預(yù)留孔半徑，α為靜態(tài)破碎劑的體積膨脹率.

鋼管混凝土中，通常使用套箍系數(shù)[9]來體現(xiàn)鋼管對混凝土的約束作用，套箍系數(shù)越大，約束程度越好，鋼管混凝土的承載力越高.套箍系數(shù)為

(3)

式中：θ為鋼管混凝土的套箍系數(shù)，As為鋼管混凝土外部鋼管的截面面積，f為鋼材的抗拉強(qiáng)度，Ac為鋼管內(nèi)混凝土的截面面積，fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度.

靜態(tài)破碎過程中，可將孔中的破碎劑看作彈性圓柱體，孔周圍的混凝土視為對破碎劑的約束，便可使用鋼管混凝土中的套箍系數(shù)來表示外圍混凝土對破碎劑的約束程度.因4個角部的混凝土對破碎劑的約束程度較小，不考慮4個角部的混凝土對破碎劑的約束作用，取試件內(nèi)切圓內(nèi)的混凝土作為對破碎劑起主要約束作用的區(qū)域，示意圖見圖5.因本次試驗混凝土試件的強(qiáng)度相同、靜態(tài)破碎劑的種類和水劑比相同，混凝土的強(qiáng)度與靜態(tài)破碎劑的強(qiáng)度便可視為常數(shù)項不作考慮，外圍混凝土對破碎劑的約束程度可根據(jù)式(4)計算.文中以約束比表示外圍混凝土對破碎劑的約束程度.

圖5 約束比計算示意

(4)

式中：λ為外圍混凝土對破碎劑的約束比，B為試件上下表面邊長，D為孔徑.

為綜合分析時間、孔徑和約束比對破碎劑體積膨脹率的影響，基于13個試件試驗結(jié)果，以破碎劑體積膨脹率作為因變量，預(yù)留孔灌入破碎劑漿體后的時間、孔徑和約束比作為自變量進(jìn)行擬合，得到破碎劑體積膨脹率與預(yù)留孔灌入破碎劑漿體后的時間、孔徑和約束比的數(shù)學(xué)關(guān)系式(5).破碎劑體積膨脹率與破碎劑漿體灌入后的時間和約束比1.15/孔徑0.01呈二元二次函數(shù)關(guān)系，曲面擬合優(yōu)度R2=0.863,曲面見圖6.

(5)

式中t為預(yù)留孔灌入破碎劑漿體后的時間.

開裂后所有試件中的破碎劑體積膨脹率隨時間均呈二次拋物線的形式發(fā)展，前期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定.孔徑增大，破碎劑體積膨脹率隨之增大，破碎效果越好.約束比增大，破碎劑體積膨脹率隨之降低，破碎效果減弱.

基于試件3、5、8、11試驗結(jié)果，分析最小抵抗線長度(孔中心至試件邊緣的最短距離)相同(300 mm)、孔徑不同時破碎劑最終體積膨脹率和試件總裂縫寬度(所有裂縫寬度之和，其中一條裂縫的寬度為兩個端部和中部3個位置裂縫寬度的平均值)的變化規(guī)律，見圖7、8.最小抵抗線長度相同時，孔徑對破碎劑最終體積膨脹率和試件總裂縫寬度的影響趨勢相同，隨著孔徑增大，破碎劑最終體積膨脹率和試件總裂縫寬度均隨之增大.孔徑由32 mm增大至40 mm，破碎劑的體積用量提高162 860 mm3，破碎劑最終體積膨脹率提高2.62 %，試件總裂縫寬度增大9.79 mm.孔徑由50 mm增大至63 mm，破碎劑的

圖6 破碎劑體積膨脹率時程曲線

Fig.6 Time-history curve of volume expansion rate of crushing agent

圖7 不同孔徑的最終體積膨脹率

Fig.7 Final volume expansion rate under different pore diameters

圖8 不同孔徑的總裂縫寬度

體積用量提高415 350 mm3，破碎劑最終體積膨脹率提高28.20 %，試件總裂縫寬度增大26.01 mm.孔徑越大對破碎劑最終體積膨脹率和試件總裂縫寬度的提升越明顯.

3.2 孔徑和約束程度對開裂時間的影響

為綜合分析孔徑與約束比對開裂時間的影響，基于13個試件試驗結(jié)果，以試件的開裂時間作為因變量，孔徑和約束比作為自變量進(jìn)行擬合，得到開裂時間與孔徑和約束比的數(shù)學(xué)關(guān)系式(6).開裂時間與孔徑和約束比呈二元二次函數(shù)關(guān)系，曲面擬合優(yōu)度R2=0.960,曲面見圖9.

T=138.76-1.47D-1.11λ-0.001 4D2+

0.002 7λ2+0.012Dλ，

(6)

式中T為試件的開裂時間.

當(dāng)約束比較小時，孔徑對開裂時間起主要影響，孔徑增大，開裂時間提前.當(dāng)約束比較大時，約束比對開裂時間起主要影響，約束比增大，開裂時間延后.

基于試件3、5、8、11試驗結(jié)果，分析最小抵抗線長度(孔中心至試件邊緣的最短距離)相同(300 mm)、孔徑不同時開裂時間的變化規(guī)律，見圖10.最小抵抗線長度相同，孔徑在32至63 mm變化時，孔徑增大會縮短試件的開裂時間.孔徑為32 mm時，預(yù)留孔灌入破碎劑漿體168 h發(fā)現(xiàn)開裂;

圖9 約束比和孔徑對開裂時間的影響

Fig.9 Effect of constraint ratio and pore diameter on cracking time

圖10 不同孔徑的開裂時間

孔徑為40 mm時，預(yù)留孔灌入破碎劑漿體72 h發(fā)現(xiàn)開裂;孔徑為50與63 mm時，預(yù)留孔灌入破碎劑漿體36 h發(fā)現(xiàn)開裂.但當(dāng)孔徑繼續(xù)增大時，開裂時間不會明顯縮短，分析原因為:破碎劑的水化反應(yīng)產(chǎn)生能使混凝土塊體破碎的膨脹力需要一定的時間.

基于試件6、7、8、9試驗結(jié)果，分析孔徑相同(50 mm)、約束比不同時開裂時間的變化規(guī)律，見圖11.孔徑不變，隨著約束比增大，開裂時間隨之延長.孔徑為50 mm，約束比為63、99和143時，預(yù)留孔灌入破碎劑漿體36 h發(fā)現(xiàn)開裂，約束比增大到195，預(yù)留孔灌入破碎劑漿體60 h發(fā)現(xiàn)開裂.若約束比繼續(xù)增大，開裂時間繼續(xù)延長，甚至出現(xiàn)無法開裂的可能.

圖11 不同約束比的開裂時間

圖11前3個約束比下的開裂時間幾乎一樣，后一個約束比下的開裂時間突增，分析原因為：約束比為63、99和143時，預(yù)留孔灌入破碎劑漿體36 h發(fā)現(xiàn)開裂，開裂時間在24 h至36 h之間.當(dāng)約束比較小時，約束比的增大對開裂時間的延長影響不明顯，當(dāng)約束比較大時，約束比的增大會對開裂時間的延長影響較為明顯.

4 結(jié) 論

1)靜態(tài)破碎是一個持續(xù)過程，破碎劑的體積膨脹會使孔壁所受的環(huán)向膨脹壓力逐漸增大.當(dāng)混凝土所受的拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時，混凝土中出現(xiàn)裂縫，并且產(chǎn)生的裂縫均會近乎貫通整個試件.試件開裂后，破碎劑體積膨脹率隨時間呈二次拋物線的形式發(fā)展，前期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定.

2)單孔下混凝土塊體破碎后一般產(chǎn)生3條或4條裂縫，產(chǎn)生3條裂縫的情況居多.裂縫發(fā)展穩(wěn)定后，其分布形態(tài)為“人”字形、“T”字形和“十”字形.

3)孔徑和約束比均對破碎劑體積膨脹率有明顯影響：孔徑增大，破碎劑體積膨脹率隨之增大，破碎效果越好；約束比增大，破碎劑體積膨脹率隨之減小，破碎效果減弱.最小抵抗線長度相同時，孔徑越大對破碎效果的提升越明顯.

4)當(dāng)約束比較小時，孔徑對開裂時間起主要影響，孔徑越大，開裂時間越短.當(dāng)約束比較大時，約束比對開裂時間起主要影響，約束比越大，開裂時間越長.