论文部分内容阅读
摘 要：将静态破碎剂在相同用量及相同拌合水温条件下，倒入强度等级分别为C20、C30、C40的混凝土预留孔中进行静态破碎试验，观察混凝土表面裂缝的扩展情况并记录反应过程中混凝土外表面应变变化规律。结果表明：随着混凝土强度等级的提高，混凝土外表面开始出现裂缝的时间逐渐推迟，裂缝扩展的宽度以及混凝土外表面出现裂缝的条数都随着混凝土强度等级的提高而逐渐缩小和减少。在反应过程中，随着混凝土强度等级的提高，混凝土外表面的应变出现明显波动的时间逐渐滞后，不同强度等级的混凝土的四个侧面中，始终有一个侧面产生拉应变，其余三个侧面产生压应变。
关键词：静态破碎剂；水剂比；膨胀
中图分类号：TU751.9 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）03-0021-04
静态破碎剂是一种利用材料膨胀力达到破碎切割脆性介质的新材料[1-2]，可广泛应用于岩石或者混凝土的破碎，具有无冲击波，无震动，无飞石，无噪音等特点。本试验是研究静态破碎剂在相同用量，相同的拌合水温度条件下，倒入不同强度的混凝土预留孔洞中，随着反应的进行，观察静态破碎剂的膨胀，混凝土的开裂，裂缝的扩展特性，分析应变片所采集到的应变数值变化特点等[3-4]。
1 不同强度的混凝土静态开裂试验
1.1 试验概况
试验首先制作强度等级为C20、C30、C40的标准混凝土立方体试块各三个，养护28天后量好尺寸，用冲击钻在混凝土立方体上表面中心打一个直径为24 mm的圆孔，圆孔贯穿立方体试块上下表面。用砂纸打磨混凝土试块的四个侧面，使其四个侧面平整，随后在四个侧面中心涂抹一层502胶，将应变片平整贴上，表面再覆盖保鲜膜，以避免灰尘落到应变片上造成测量不准，将四个应变片分别命名为1、2、3、4号应变片，四个应变片所对应的裂缝也就命名为1、2、3、4号裂缝，用万用表测量应变片连接情况，确保无短路和断路，最后将应变片连接到YE2538 程控静态应变仪上。用20 ℃自来水配置水剂比为0.3的静态破碎剂混合液倒入混凝土中心圆孔中，试验开始计时，每隔10 s记录一次应变仪上的数值，用游标卡尺测量混凝土表面裂缝的宽度，观察混凝土试块表面变化。
1.2 混凝土裂缝-时间曲线结果分析
通过三组对比试验结果显示，当把静态破碎剂溶液倒入混凝土内部时反应立刻进行，静态破碎剂内部的热量完全被混凝土所吸收，用手去触摸静态破碎剂，几乎和混凝土表面的温度相同，破碎剂温度的下降使得反应效果明显变慢，随着反应的进行，静态破碎剂溶液开始膨胀，部分溶液从混凝土试块中间的圆孔中溢出。混凝土的裂缝-时间曲线如图1～图3所示。
由图1可知，C20混凝土表面最后出现三条可见裂缝。当反应进行到336 min时，首先在C20混凝土的表面观察到一条可见细裂缝，此裂缝为1号主裂缝，这条裂缝由中心圆直裂通混凝土1号侧面，在纵向上也裂通整个混凝土试块，当反应进行到349 min时，裂缝2、裂缝3同时出现，一开始三条裂缝的扩展都很缓慢，其中裂缝3的扩展速度最慢。裂缝1的扩展速度比裂缝2、裂缝3要快，在裂缝1出现20 min后，其扩展速度迅速上升，由1.5 mm扩大到23.6 mm，在反应进行的最后30 min内裂缝1的扩展速度才明显减慢下来，只由23.6 mm扩大到26.2 mm。所以裂缝1的扩展特性是开始慢，中间快，最后慢。裂缝2是在出现后40 min内扩展速度很慢，当反应进行到389 min后裂缝2的扩展迅速增大，由1.8 mm扩大到20.4 mm，直到反应最后的10 min扩展速度减慢，裂缝2与裂缝1在一条直线上，贯穿整个混凝土试块，把混凝土劈成两半，所以裂缝2的扩展特性是开始慢，后来快。虽然裂缝3与裂缝2同时出现，但是裂缝3扩展速度最慢，在整个反应过程中都没有明显扩展，直到反应最后才有4.5 mm。所以裂缝3的扩展特性是从开始到最后都慢，整个反应进行了460 min。
同样由图2可知，C30混凝土表面最后也出现三条裂缝，当反应进行到366 min时，C30混凝土的表面观察到第一条可见细裂缝，此裂缝为4号主裂缝，比C20混凝土首条裂缝出现晚30 min， 裂缝出现后就迅速扩展， 当反应进行到384 min时，裂缝2、裂缝3同时出现， 其裂缝出现的位置与扩展特性与C20混凝土相似， 2号次裂缝迅速扩展，1号裂缝没出现明显扩展， 整个反应进行了590 min， C30混凝土裂缝的扩展速度比C20混凝土要慢， 4号主裂缝最后的宽度为29.9 mm，2号此裂缝的宽度为20.6 mm，2号和4号裂缝贯穿整个混凝土试块，1号裂缝只有2 mm。
由C40混凝土的裂缝-时间曲线可知，C40混凝土表面最后只出现两条可见裂缝，当反应进行到8小时30分钟时，C40混凝土的表面观察到第一条可见主裂缝，为1号裂缝，出现时间比C30混凝土要晚144 min，整个反应进行了750 min，1号主裂缝的宽度是18 mm，3号次裂缝的宽度为14 mm，随着混凝土强度等级的增加，混凝土出现裂缝的时间逐渐推迟，宽度逐渐缩小，条数也减少。
仔细观察C20、 C30、 C40混凝土的裂缝特性发现， 首条裂缝都是出现在由中心圆直裂到混凝土侧面的中间位置， 在纵向上也裂通整个混凝土试块， 分析原因： 裂缝首先出现的位置是圆孔距混凝土侧面最近的地方， 这可能是由于边界效应的作用， 因为计算圆孔不同位置到混凝土边界的距离是63～95 mm， 首条裂纹出现的位置正好是63 mm这条直线， 而圆形孔距混凝土侧面63 mm的位置总共有4个， 这是由于混凝土不是均质材料， 在其浇筑成型时内部会产生缺陷， 所以混凝土首先开裂的地方就是这四个侧面到圆孔中内部缺陷最多的地方，静态破碎剂会首先沿着最容易破坏的地方行进， 也就是混凝土内部缺陷较多的地方首先开始破坏， 并且破坏点一定会延伸到混凝土边界的中部。 1.3 混凝土应变-时间曲线结果分析
C20混凝土应变的情况如图4所示，应变片1、2、3、4开始只做小幅度的变化，前200 min内4个应变片的数值都在缓慢增大，说明一开始静态破碎剂在混凝土内部膨胀，产生的膨胀应力使混凝土的四个侧面同时被拉伸，且4个应变片测量的数值上升幅度无明显差异，混凝土内部的静态破碎剂已经开始膨胀，内部产生很多微观裂缝，但是贴在混凝土侧面的应变片只能测出混凝土表面的变形，无法测出内部的变形，所以一开始测的数据增幅都不明显。在200～300 min内，应变片1的数值突然增大，且增幅远远超过其他3个应变片，并且应变片2、3、4的数值都由正值迅速变小进而变成负值，说明在混凝土中裂缝1的侧面含有比其他侧面更多的缺陷，使得裂缝1的扩展速度比其他都快，裂缝扩展的越快，静态破碎剂就会越容易向这个方向膨胀，进一步加快这个方向的扩展。所以裂缝1所对应的面由于静态破碎剂的膨胀一直都受到拉伸，一旦开裂，这个侧面就会增大，进而压迫其余的3个面，其余的3个面受到的拉应变就会转化为压应变，而与裂缝1所对应的应变片1所在的面被拉开，使得应变片3这个面所受到的压应变最大，在300 min后由于大部分的膨胀应力都集中到了1号应变片的位置，使得1号应变片的应变迅速增大，进一步压迫3号应变片的位置，然后1、3两个面相互贯通，带着3号应变片的应变负向增大，在3号应变片负向增大开裂后，2、4号应变片应变才缓慢负向增大，其中4号应变片的应变要大于2号应变片的应变。
由于应变片是用502胶粘在混凝土的表面，在混凝土膨胀初期，应变片牢牢粘在混凝土表面，但是当混凝土开裂以后应变片也同样被拉伸，当混凝土裂缝宽度超过大约5 mm时应变片就被拉断，此后混凝土的裂缝继续扩大，但是应变片已经无法再测量应变。所以应变片的测量范围只在混凝土没有开裂以前，和开裂后变形5 mm以内，当裂缝宽度超过5 mm以上的应变是测不到的。
C30混凝土前200 min内4个应变片的数值变化不明显，应变片3数据没有明显变化，所以没有记录（见图5）。应变片4在试验进行到300 min时开始明显增大，在350 min时应变片1、2开始负向增大，但应变片1增大的数值不明显，在应变片4增大以后应变片2才开始增大，而应变片1在应变片2断裂后才开始有明显的增大。C30混凝土中4号面受到拉力，所以应变为正值，而1号面和2号面同时受到压应力，应变为负值。C30混凝土的应变特性和C20混凝土相似，但是破碎所需要的时间比C20混凝土破碎时间要长。
C40混凝土表面只出现两条裂缝，所以只研究1、3号面应变片的应变（见图6）。在前400 min内两个应变片的应变不明显，当水化反应进行到400 min后1号应变片的应变开始小幅增大，反应进行到490 min时应变片1的数值增大明显，并且持续了120 min的快速增长。1号面是受拉面，主裂缝的发展方向，3号裂缝与1号裂缝贯通，但是由于1号面受拉压迫其余3个面，使得3号面受压，所以3号应变片的应变为负值，在反应进行560 min以后应变片3的应变才有明显增大，也就是说在1号裂缝发展扩大以后3号应变才开始发展。C40混凝土裂缝出现时间要比C20、C30要晚，裂缝扩展时间比C20、C30要长，且裂缝扩展速度比C20、C30要慢，应变增长速度也要比C20、C30要慢。2号、4号应变片没有采集到较大的应变值，其应变都在小幅度的震荡。
1） 随着混凝土强度等级的提高，混凝土被静态破碎剂胀裂所需要的时间逐渐增加，裂缝的条数也逐渐减少。其裂缝扩展从微观上观察是不规则的由内向外扩展，开裂后从直观上看裂缝主要呈不规则直线型。
2） 裂缝扩展的特点是最先出现的裂缝为主裂缝，主裂缝首先快速扩展，当次裂缝出现时，主裂缝的扩展速度有所放缓，而此裂缝开始不断扩展，最后赶上主裂缝的宽度。主次裂缝连贯在一条直线上，将混凝土从中劈开。
3）由混凝土的应变-时间曲线可以得出，静态破碎剂所释放出来的是缓慢的力，其破坏力量很大，完全可以把混凝土破坏。混凝土受力特点是一个面受拉，另三个面受压。
参考文献：
[1] 马志钢，王瑾.试论静态破碎剂及其性能改进[J].煤矿爆破，2002（1）：4-6.
[2] 王建鹏.静态破碎剂破岩机理研究[J].中国矿业，2008（11）：90-92.
[3] 尹国伟，文香勇，曹大明.无声破碎剂在混凝土和钢筋混凝土拆除中的应用[J].黑龙江水专学报，2001，28（3）：78-80.
[4] 郭瑞平，杨永琦.静态破碎剂膨胀机理及可控性的研究[J].煤炭学报，1994，5（10）：478-485
[5] 杨仁树，孙中辉，佟强，等.静态破碎剂作用下裂纹扩展行为的动态分析[J].中国矿业，2010（9）：7-11.
[6] 孙立新.静态破碎剂的性能测试研究[J].建筑技术开发，2008（9）：41-42.
[7] 张爱莉，姚刚.静态爆破的设计及应用[J]. 建筑技术，2002（6）：420-422.
（责任编辑：何学华，吴晓红）
关键词：静态破碎剂；水剂比；膨胀
中图分类号：TU751.9 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）03-0021-04
静态破碎剂是一种利用材料膨胀力达到破碎切割脆性介质的新材料[1-2]，可广泛应用于岩石或者混凝土的破碎，具有无冲击波，无震动，无飞石，无噪音等特点。本试验是研究静态破碎剂在相同用量，相同的拌合水温度条件下，倒入不同强度的混凝土预留孔洞中，随着反应的进行，观察静态破碎剂的膨胀，混凝土的开裂，裂缝的扩展特性，分析应变片所采集到的应变数值变化特点等[3-4]。
1 不同强度的混凝土静态开裂试验
1.1 试验概况
试验首先制作强度等级为C20、C30、C40的标准混凝土立方体试块各三个，养护28天后量好尺寸，用冲击钻在混凝土立方体上表面中心打一个直径为24 mm的圆孔，圆孔贯穿立方体试块上下表面。用砂纸打磨混凝土试块的四个侧面，使其四个侧面平整，随后在四个侧面中心涂抹一层502胶，将应变片平整贴上，表面再覆盖保鲜膜，以避免灰尘落到应变片上造成测量不准，将四个应变片分别命名为1、2、3、4号应变片，四个应变片所对应的裂缝也就命名为1、2、3、4号裂缝，用万用表测量应变片连接情况，确保无短路和断路，最后将应变片连接到YE2538 程控静态应变仪上。用20 ℃自来水配置水剂比为0.3的静态破碎剂混合液倒入混凝土中心圆孔中，试验开始计时，每隔10 s记录一次应变仪上的数值，用游标卡尺测量混凝土表面裂缝的宽度，观察混凝土试块表面变化。
1.2 混凝土裂缝-时间曲线结果分析
通过三组对比试验结果显示，当把静态破碎剂溶液倒入混凝土内部时反应立刻进行，静态破碎剂内部的热量完全被混凝土所吸收，用手去触摸静态破碎剂，几乎和混凝土表面的温度相同，破碎剂温度的下降使得反应效果明显变慢，随着反应的进行，静态破碎剂溶液开始膨胀，部分溶液从混凝土试块中间的圆孔中溢出。混凝土的裂缝-时间曲线如图1～图3所示。
由图1可知，C20混凝土表面最后出现三条可见裂缝。当反应进行到336 min时，首先在C20混凝土的表面观察到一条可见细裂缝，此裂缝为1号主裂缝，这条裂缝由中心圆直裂通混凝土1号侧面，在纵向上也裂通整个混凝土试块，当反应进行到349 min时，裂缝2、裂缝3同时出现，一开始三条裂缝的扩展都很缓慢，其中裂缝3的扩展速度最慢。裂缝1的扩展速度比裂缝2、裂缝3要快，在裂缝1出现20 min后，其扩展速度迅速上升，由1.5 mm扩大到23.6 mm，在反应进行的最后30 min内裂缝1的扩展速度才明显减慢下来，只由23.6 mm扩大到26.2 mm。所以裂缝1的扩展特性是开始慢，中间快，最后慢。裂缝2是在出现后40 min内扩展速度很慢，当反应进行到389 min后裂缝2的扩展迅速增大，由1.8 mm扩大到20.4 mm，直到反应最后的10 min扩展速度减慢，裂缝2与裂缝1在一条直线上，贯穿整个混凝土试块，把混凝土劈成两半，所以裂缝2的扩展特性是开始慢，后来快。虽然裂缝3与裂缝2同时出现，但是裂缝3扩展速度最慢，在整个反应过程中都没有明显扩展，直到反应最后才有4.5 mm。所以裂缝3的扩展特性是从开始到最后都慢，整个反应进行了460 min。
同样由图2可知，C30混凝土表面最后也出现三条裂缝，当反应进行到366 min时，C30混凝土的表面观察到第一条可见细裂缝，此裂缝为4号主裂缝，比C20混凝土首条裂缝出现晚30 min， 裂缝出现后就迅速扩展， 当反应进行到384 min时，裂缝2、裂缝3同时出现， 其裂缝出现的位置与扩展特性与C20混凝土相似， 2号次裂缝迅速扩展，1号裂缝没出现明显扩展， 整个反应进行了590 min， C30混凝土裂缝的扩展速度比C20混凝土要慢， 4号主裂缝最后的宽度为29.9 mm，2号此裂缝的宽度为20.6 mm，2号和4号裂缝贯穿整个混凝土试块，1号裂缝只有2 mm。
由C40混凝土的裂缝-时间曲线可知，C40混凝土表面最后只出现两条可见裂缝，当反应进行到8小时30分钟时，C40混凝土的表面观察到第一条可见主裂缝，为1号裂缝，出现时间比C30混凝土要晚144 min，整个反应进行了750 min，1号主裂缝的宽度是18 mm，3号次裂缝的宽度为14 mm，随着混凝土强度等级的增加，混凝土出现裂缝的时间逐渐推迟，宽度逐渐缩小，条数也减少。
仔细观察C20、 C30、 C40混凝土的裂缝特性发现， 首条裂缝都是出现在由中心圆直裂到混凝土侧面的中间位置， 在纵向上也裂通整个混凝土试块， 分析原因： 裂缝首先出现的位置是圆孔距混凝土侧面最近的地方， 这可能是由于边界效应的作用， 因为计算圆孔不同位置到混凝土边界的距离是63～95 mm， 首条裂纹出现的位置正好是63 mm这条直线， 而圆形孔距混凝土侧面63 mm的位置总共有4个， 这是由于混凝土不是均质材料， 在其浇筑成型时内部会产生缺陷， 所以混凝土首先开裂的地方就是这四个侧面到圆孔中内部缺陷最多的地方，静态破碎剂会首先沿着最容易破坏的地方行进， 也就是混凝土内部缺陷较多的地方首先开始破坏， 并且破坏点一定会延伸到混凝土边界的中部。 1.3 混凝土应变-时间曲线结果分析
C20混凝土应变的情况如图4所示，应变片1、2、3、4开始只做小幅度的变化，前200 min内4个应变片的数值都在缓慢增大，说明一开始静态破碎剂在混凝土内部膨胀，产生的膨胀应力使混凝土的四个侧面同时被拉伸，且4个应变片测量的数值上升幅度无明显差异，混凝土内部的静态破碎剂已经开始膨胀，内部产生很多微观裂缝，但是贴在混凝土侧面的应变片只能测出混凝土表面的变形，无法测出内部的变形，所以一开始测的数据增幅都不明显。在200～300 min内，应变片1的数值突然增大，且增幅远远超过其他3个应变片，并且应变片2、3、4的数值都由正值迅速变小进而变成负值，说明在混凝土中裂缝1的侧面含有比其他侧面更多的缺陷，使得裂缝1的扩展速度比其他都快，裂缝扩展的越快，静态破碎剂就会越容易向这个方向膨胀，进一步加快这个方向的扩展。所以裂缝1所对应的面由于静态破碎剂的膨胀一直都受到拉伸，一旦开裂，这个侧面就会增大，进而压迫其余的3个面，其余的3个面受到的拉应变就会转化为压应变，而与裂缝1所对应的应变片1所在的面被拉开，使得应变片3这个面所受到的压应变最大，在300 min后由于大部分的膨胀应力都集中到了1号应变片的位置，使得1号应变片的应变迅速增大，进一步压迫3号应变片的位置，然后1、3两个面相互贯通，带着3号应变片的应变负向增大，在3号应变片负向增大开裂后，2、4号应变片应变才缓慢负向增大，其中4号应变片的应变要大于2号应变片的应变。
由于应变片是用502胶粘在混凝土的表面，在混凝土膨胀初期，应变片牢牢粘在混凝土表面，但是当混凝土开裂以后应变片也同样被拉伸，当混凝土裂缝宽度超过大约5 mm时应变片就被拉断，此后混凝土的裂缝继续扩大，但是应变片已经无法再测量应变。所以应变片的测量范围只在混凝土没有开裂以前，和开裂后变形5 mm以内，当裂缝宽度超过5 mm以上的应变是测不到的。
C30混凝土前200 min内4个应变片的数值变化不明显，应变片3数据没有明显变化，所以没有记录（见图5）。应变片4在试验进行到300 min时开始明显增大，在350 min时应变片1、2开始负向增大，但应变片1增大的数值不明显，在应变片4增大以后应变片2才开始增大，而应变片1在应变片2断裂后才开始有明显的增大。C30混凝土中4号面受到拉力，所以应变为正值，而1号面和2号面同时受到压应力，应变为负值。C30混凝土的应变特性和C20混凝土相似，但是破碎所需要的时间比C20混凝土破碎时间要长。
C40混凝土表面只出现两条裂缝，所以只研究1、3号面应变片的应变（见图6）。在前400 min内两个应变片的应变不明显，当水化反应进行到400 min后1号应变片的应变开始小幅增大，反应进行到490 min时应变片1的数值增大明显，并且持续了120 min的快速增长。1号面是受拉面，主裂缝的发展方向，3号裂缝与1号裂缝贯通，但是由于1号面受拉压迫其余3个面，使得3号面受压，所以3号应变片的应变为负值，在反应进行560 min以后应变片3的应变才有明显增大，也就是说在1号裂缝发展扩大以后3号应变才开始发展。C40混凝土裂缝出现时间要比C20、C30要晚，裂缝扩展时间比C20、C30要长，且裂缝扩展速度比C20、C30要慢，应变增长速度也要比C20、C30要慢。2号、4号应变片没有采集到较大的应变值，其应变都在小幅度的震荡。
1） 随着混凝土强度等级的提高，混凝土被静态破碎剂胀裂所需要的时间逐渐增加，裂缝的条数也逐渐减少。其裂缝扩展从微观上观察是不规则的由内向外扩展，开裂后从直观上看裂缝主要呈不规则直线型。
2） 裂缝扩展的特点是最先出现的裂缝为主裂缝，主裂缝首先快速扩展，当次裂缝出现时，主裂缝的扩展速度有所放缓，而此裂缝开始不断扩展，最后赶上主裂缝的宽度。主次裂缝连贯在一条直线上，将混凝土从中劈开。
3）由混凝土的应变-时间曲线可以得出，静态破碎剂所释放出来的是缓慢的力，其破坏力量很大，完全可以把混凝土破坏。混凝土受力特点是一个面受拉，另三个面受压。
参考文献：
[1] 马志钢，王瑾.试论静态破碎剂及其性能改进[J].煤矿爆破，2002（1）：4-6.
[2] 王建鹏.静态破碎剂破岩机理研究[J].中国矿业，2008（11）：90-92.
[3] 尹国伟，文香勇，曹大明.无声破碎剂在混凝土和钢筋混凝土拆除中的应用[J].黑龙江水专学报，2001，28（3）：78-80.
[4] 郭瑞平，杨永琦.静态破碎剂膨胀机理及可控性的研究[J].煤炭学报，1994，5（10）：478-485
[5] 杨仁树，孙中辉，佟强，等.静态破碎剂作用下裂纹扩展行为的动态分析[J].中国矿业，2010（9）：7-11.
[6] 孙立新.静态破碎剂的性能测试研究[J].建筑技术开发，2008（9）：41-42.
[7] 张爱莉，姚刚.静态爆破的设计及应用[J]. 建筑技术，2002（6）：420-422.
（责任编辑：何学华，吴晓红）