對(duì)混凝土剪力墻靜態(tài)破碎效果的試驗(yàn)研究

李瑞森，鄭文忠，姜智盛，郭常順，王 英

(1.結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

靜態(tài)破碎劑是一種粉狀或粒狀的化學(xué)材料，通常呈淺灰或黑色，具有非易燃、非易爆、吸濕等特性，靜態(tài)破碎劑與水混合形成漿體、發(fā)生放熱反應(yīng)并產(chǎn)生顯著的體積膨脹[1]。將靜態(tài)破碎劑漿體注入鉆孔后，伴隨著破碎劑漿體的膨脹結(jié)硬，沿孔環(huán)向會(huì)產(chǎn)生逐漸增大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力高于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，膨脹裂縫出現(xiàn)并發(fā)展，實(shí)現(xiàn)破碎[2]。與爆破拆除的瞬時(shí)破壞相比，從灌入靜態(tài)破碎劑漿體到實(shí)現(xiàn)破碎通常會(huì)經(jīng)過(guò)1～2 d的時(shí)間，類似于一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，幾乎不產(chǎn)生振動(dòng)、飛石、煙塵及噪音，也無(wú)高溫、高壓及明火產(chǎn)生，因此更為適用于城鎮(zhèn)建筑密集區(qū)建筑的拆除。

廖靜[3]制作了200 mm×200 mm×200 mm的鋼筋混凝土試塊和素混凝土試塊，鋼筋混凝土試塊采用直徑3.5 mm的鋼絲代替鋼筋，鋼絲通過(guò)焊接連接，配置8φ3.5的縱筋和φ3.5@140的箍筋，兩種試塊中央預(yù)留孔徑為25 mm的單孔，通過(guò)靜態(tài)破碎試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土膨脹裂縫的寬度小于素混凝土。崔年生等[4]制作了150 mm×150 mm×150 mm的素混凝土試塊并在試塊中部預(yù)留孔徑為30 mm、孔深為110 mm的圓孔，試塊的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C20、C25和C30，通過(guò)靜態(tài)破碎試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)混凝土強(qiáng)度相同、靜態(tài)破碎劑漿體水劑比在0.25～0.35之間變化時(shí)，水劑比越低，試件開(kāi)裂越早，裂縫擴(kuò)展越快。何翔[5]制作了200 mm×200 mm×200 mm和600 mm×200 mm×200 mm的素混凝土試件，并分別采用在試件中部?jī)H預(yù)留豎直孔、豎直孔與水平孔結(jié)合形成交叉孔兩種布孔方式，采用交叉孔的試件開(kāi)裂僅用1 h，比采用豎直孔的試件開(kāi)裂時(shí)間提前4 h。姜智盛等[6]制作了標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為47.7 MPa的13個(gè)素混凝土單孔試件并進(jìn)行了靜態(tài)破碎試驗(yàn)，將試件內(nèi)切圓內(nèi)混凝土的面積與注入破碎劑的鉆孔面積之比定義為約束比，發(fā)現(xiàn)孔徑和約束比對(duì)混凝土開(kāi)裂時(shí)間影響很大，開(kāi)裂時(shí)間隨著孔徑的增大而縮短，隨著約束比的增大而延長(zhǎng)。

到目前為止，素混凝土塊體的靜態(tài)破碎試驗(yàn)研究依舊占較大比重，對(duì)于鋼筋影響及混凝土構(gòu)件的靜態(tài)破碎研究較少。高層和超高層建筑大量應(yīng)用混凝土剪力墻，高層建筑絕大部分處于建筑密集區(qū)，開(kāi)展靜態(tài)破碎混凝土剪力墻的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)概況

本文試驗(yàn)的9個(gè)剪力墻試件的編號(hào)及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，配筋見(jiàn)圖1，保護(hù)層厚度20 mm。剪力墻試件所用混凝土邊長(zhǎng)100 mm的立方體的抗壓強(qiáng)度為35.95 MPa。表中W-n-H表示墻片編號(hào)為W-n，傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔；W-n-V表示墻片編號(hào)為W-n，豎直向下垂直于墻片頂面打孔。結(jié)合目前實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)及Huynh等[7]的建議，鉆孔深度取為擬破碎深度的80%(計(jì)劃破碎的深度為Δh0時(shí)，鉆孔深度取為80%(Δh0))，孔徑取手持鉆頭的最大直徑42 mm。根據(jù)劉紀(jì)峰等[8]總結(jié)的鉆孔參數(shù)，將兩孔之間的間距取為300 mm，孔邊距取為保護(hù)層厚度和一半孔間距之和，孔位布置見(jiàn)圖2。本試驗(yàn)所使用的靜態(tài)破碎劑為施必達(dá)(大連)公司生產(chǎn)的S-611-1石灰型無(wú)聲爆破劑，應(yīng)用氣溫范圍為20～40 ℃，使用時(shí)用自來(lái)水?dāng)嚢韬蠊嗳肟字?，利用徐笠博[9]提供的方法發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水劑比(質(zhì)量比)為0.3時(shí)，靜態(tài)破碎劑體積的自由膨脹率達(dá)到最大值310%。采用改進(jìn)后的“電阻應(yīng)變片法”[10-11]測(cè)量靜態(tài)破碎劑的徑向膨脹壓應(yīng)力，所用無(wú)縫鋼管的內(nèi)徑為40 mm、外徑為50.7 mm、高度為500 mm，鋼管底部焊接6 mm厚鋼板封堵，管口不做封堵，測(cè)量得到水劑比為0.3的靜態(tài)破碎劑在48 h時(shí)的最大徑向膨脹壓應(yīng)力為23.82 MPa。

表1 混凝土剪力墻設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of concrete shear walls

圖1 混凝土剪力墻片配筋(mm)Fig.1 Reinforcement of concrete shear wall (mm)

分析鋼筋混凝土柱墩和素混凝土試件的靜態(tài)破碎試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：鋼筋雖然無(wú)法避免混凝土在靜態(tài)破碎過(guò)程中的開(kāi)裂，但鋼筋骨架卻可以延緩混凝土的松散酥碎，同時(shí)鋼筋混凝土柱墩膨脹裂縫的寬度遠(yuǎn)小于素混凝土塊體[6,9]。因此，為提高靜態(tài)破碎的效果，本試驗(yàn)在進(jìn)行靜態(tài)破碎前對(duì)剪力墻試件內(nèi)的鋼筋進(jìn)行了“松綁”處理，即利用墻鋸將阻礙膨脹裂縫發(fā)展的鋼筋割斷：傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔的試件僅切斷鉆孔側(cè)的豎向分布鋼筋，豎直向下垂直于墻片頂面打孔的試件在豎孔兩側(cè)切斷墻片的水平分布鋼筋，割縫深度均為35 mm，具體處理方案見(jiàn)圖3。其中墻片W-9-V僅割裂混凝土，不割斷鋼筋，割縫深度為15 mm，與墻片W-8-V形成對(duì)照。

圖2 孔位布置Fig.2 Borehole arrangement

圖3 待破碎試件割縫示意Fig.3 Schematic of slits of specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔時(shí)靜態(tài)破碎的試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔的試件在靜態(tài)破碎過(guò)程中平放在地面，即墻厚方向與地面垂直，破碎過(guò)程中有代表性的照片見(jiàn)圖4。為方便描述，將鉆孔分為邊孔、角孔和中孔三類，割縫分為中縫和邊縫兩類，具體見(jiàn)圖3(a)。分析時(shí)所用割縫寬度均為表面寬度，割縫平均寬度為每條割縫取10個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。所有試件注入靜態(tài)破碎劑順序?yàn)橄茸⑷胫車?、再注入中心，同一個(gè)試件灌藥最大時(shí)間間隔1 min，由于靜態(tài)破碎劑反應(yīng)較慢，因此可以認(rèn)定為同時(shí)注入。

分析上述5片剪力墻在靜態(tài)破碎過(guò)程中的試驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)：

1)0 ～ 6.3 h，試件割縫寬度無(wú)明顯變化。

2)8.4 ～ 9.2 h，試件邊縫2寬度增大，中縫和邊縫1的寬度變化不大。試件W-5-H的割縫寬度明顯大于其他試件。

圖4 傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔墻片的破碎過(guò)程Fig.4 Crushing process of shear walls drilled on the side obliquely downwards

3)24.5 ～ 25.3 h，試件的割縫寬度明顯增大，邊縫2寬度大于中縫和邊縫1。試件W-3-H右側(cè)邊孔與角孔之間及中孔與下側(cè)邊孔之間的裂縫連通，見(jiàn)圖4(h)。

4)30.1 ～ 30.9 h，所有試件的割縫寬度繼續(xù)增大。試件W-2-H左側(cè)角孔與邊孔之間的裂縫連通，試件W-3-H左下和右下角孔處裂縫延伸至試件邊緣，試件W-4-H右側(cè)邊孔和左下角孔處裂縫延伸至試件邊緣。

5)50.8 ～ 51.5 h，所有試件的割縫寬度無(wú)明顯變化。試件W-1-H右上角孔處裂縫延伸至試件邊緣，試件W-2-H右下角孔處出現(xiàn)裂縫但并未延伸至試件邊緣。

W-1-H、W-2-H、W-3-H、W-4-H 、W-5-H在靜態(tài)破碎劑作用下破碎過(guò)程見(jiàn)圖5。

以注入靜態(tài)破碎劑漿體后時(shí)間為橫軸，割縫平均寬度為縱軸，建立各試件割縫平均寬度時(shí)程曲線見(jiàn)圖6。

由試件的割縫平均寬度時(shí)程曲線可以看出：0～7 h時(shí)割縫的平均寬度增長(zhǎng)較為緩慢； 7～35 h時(shí)割縫的平均寬度增長(zhǎng)迅速；35～52 h時(shí)割縫的平均寬度增長(zhǎng)減緩、發(fā)展趨于停滯。

5個(gè)墻片注入靜態(tài)破碎劑漿體52 h時(shí)割縫表面平均寬度-墻厚關(guān)系曲線見(jiàn)圖7。

圖5 傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔墻片的側(cè)面破碎過(guò)程Fig.5 Crushing process of the side of shear walls drilled on the side obliquely downwards

圖6 傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔墻片的割縫平均寬度時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curves of average slit width of shear walls drilled on the side obliquely downwards

圖7 注入靜態(tài)破碎劑漿體52 h時(shí)傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔墻片的割縫平均寬度與墻厚關(guān)系曲線Fig.7 Relation between average slit width and wall thickness of shear walls after drilling on the side obliquely downwards and injecting static crushing agent for 52 h

由于試件W-3-H的中縫和邊縫1處存在未割斷的鋼筋，因此割縫平均寬度較小。由圖7可知，除試件W-1-H的邊縫2、試件W-3-H的邊縫1及中縫之外，割縫平均寬度隨著墻厚的增加呈增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)楸驹囼?yàn)僅切斷了墻片鉆孔側(cè)的豎向分布筋，而墻片另一側(cè)完好的鋼筋網(wǎng)片會(huì)對(duì)整個(gè)墻片產(chǎn)生一定的約束作用，但完好鋼筋網(wǎng)片對(duì)有割縫側(cè)面的約束作用隨墻片厚度的增加而降低，因此墻片割縫的平均寬度越來(lái)越大。

2.2 豎直向下垂直于墻片頂面打孔時(shí)靜態(tài)破碎的試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

W-6-V、W-7-V、W-8-V、W-9-V四個(gè)試件垂直于墻片頂面豎直向下打孔靜態(tài)破碎。靜態(tài)破碎過(guò)程中有代表性的照片見(jiàn)圖8，試件頂面的破碎情況見(jiàn)圖9。為方便描述，將鉆孔分為邊孔和中孔兩類，割縫分為中縫和邊縫兩類，其中與邊縫1相對(duì)的另一面的邊縫命名為邊縫1′， 與邊縫2相對(duì)的另一面的邊縫命名為邊縫2′，與中縫1相對(duì)的另一面的中縫命名為中縫1′，具體見(jiàn)圖3(b)。

圖8 垂直于墻片頂面豎向打孔并注入靜態(tài)破碎劑后墻片的側(cè)面破碎過(guò)程Fig.8 Crushing process of the side of shear walls drilled perpendicular to the top surface of the wall

由圖8、9可以發(fā)現(xiàn)：除試件W-9-V之外，所有試件的割縫寬度均有明顯發(fā)展，但孔與孔之間未出現(xiàn)連通的裂縫。雖然試件W-9-V割縫寬度變化不大，但其頂面每?jī)蓚€(gè)鉆孔之間的裂縫均連通。此外，試件W-6-V和W-8-V在兩側(cè)面對(duì)稱分布的每?jī)蓷l割縫中僅有一條割縫寬度增大，另一條割縫變化不大，而試件W-7-V每組對(duì)稱分布的兩條割縫的寬度均在增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是：1)鉆孔中心偏移(位)，致使距離鉆孔中心較近一側(cè)的割縫寬度率先發(fā)展；2)在給鋼筋“松綁”時(shí)，某一側(cè)割縫未將鋼筋全部切斷，未被切斷的鋼筋起到了“鉸”的作用，使試件在靜態(tài)破碎過(guò)程中繞“鉸”轉(zhuǎn)動(dòng)，一側(cè)割縫寬度不斷增加，另一側(cè)割縫寬度反而不斷減小。

圖9 垂直于墻片頂面豎向打孔并注入靜態(tài)破碎劑后墻片的頂面破碎過(guò)程Fig.9 Crushing process of the top of shear walls drilled perpendicular to the top surface of the wall

裂縫趨向于在試件W-9-V的兩孔之間產(chǎn)生并連通，說(shuō)明在鋼筋網(wǎng)片的影響下，墻截面高度方向的約束遠(yuǎn)大于墻厚方向。同時(shí)，由于拉筋的存在，試件W-9-V邊孔和中孔之間的裂縫寬度發(fā)展較慢。

以灌入靜態(tài)破碎劑漿體后的時(shí)間為橫軸，割縫平均寬度為縱軸，建立各試件割縫平均寬度時(shí)程曲線見(jiàn)圖10，割縫1定義為邊縫1和邊縫1′寬度的平均值，割縫2定義為中縫1和中縫1′寬度的平均值，割縫3定義為邊縫2和邊縫2′寬度的平均值，裂縫1和裂縫2分別為試件W-9-V橫截面上的裂縫開(kāi)展情況。

圖10 垂直于墻片頂面豎向打孔并注入靜態(tài)破碎劑后墻片的割縫平均寬度時(shí)程曲線Fig.10 Time-history curves of average slit width of shear walls after drilling perpendicular to the top surface of the wall and injecting static crushing agent

由圖10可以看出，除試件W-9-V的割縫平均寬度無(wú)明顯變化之外，其余試件割縫平均寬度發(fā)展情況為：0～3 h時(shí)割縫的平均寬度增長(zhǎng)緩慢；3～10 h時(shí)割縫的平均寬度增長(zhǎng)迅速；10～52 h時(shí)割縫的平均寬度增長(zhǎng)速率減緩、發(fā)展趨于停滯。與傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔并靜態(tài)破碎相比，豎直向下垂直于墻片頂面打孔試件的割縫平均寬度較大、發(fā)展速率較快。

注入靜態(tài)破碎劑漿體52 h后試件W-6-V、W-7-V和W-8-V的割縫平均寬度-墻厚關(guān)系曲線見(jiàn)圖11。

圖11 注入靜態(tài)破碎劑漿體52 h后豎直向下垂直于墻片頂面打孔墻片的割縫平均寬度與墻厚關(guān)系曲線Fig.11 Relation between average slit width and wall thickness of shear walls after drilling perpendicular to the top surface of the wall and injecting static crushing agent for 52 h

由圖9、12結(jié)合可知，試件W-6-V和W-8-V均是僅有一側(cè)割縫的寬度在發(fā)展，試件W-7-V兩側(cè)割縫的寬度均在發(fā)展，因此試件W-7-V的割縫平均寬度明顯大于試件W-6-V和W-8-V。試件W-6-V和W-8-V的割縫平均寬度相差不大，說(shuō)明在墻片頂面打孔進(jìn)行破碎時(shí)墻厚與割縫的平均寬度無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。

3 結(jié) 論

1)傾斜向下斜交于墻片側(cè)面打孔、沿孔水平連線切斷墻片一側(cè)的豎向分布鋼筋后，向孔內(nèi)注入靜態(tài)破碎劑漿體，隨著時(shí)間的推移可將剪力墻片水平分割成若干條帶；垂直于墻片頂面豎向打孔并注入靜態(tài)破碎劑,隨著時(shí)間的推移可將剪力墻片豎向分割成若干條帶。將剪力墻片分割成水平或豎向若干條帶，為進(jìn)一步破碎提供了方便。

2)垂直于墻片頂面豎向打孔并注入靜態(tài)破碎劑，破碎效果的先后順序?yàn)椋弘p側(cè)割縫寬度發(fā)展>僅切割混凝土、不切斷鋼筋>單側(cè)割縫寬度發(fā)展。

3)不論從破碎施工難易程度，還是破碎效果，垂直于墻片頂面豎向打孔并注入靜態(tài)破碎劑進(jìn)行破碎,好于斜交于墻片側(cè)面傾斜向下打孔并注入靜態(tài)破碎劑。