混凝土静态破裂参数试验研究及数值模拟

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静态破碎剂(Soundless Cracking Agent简称SCA),是一种高膨胀性能的颗粒状粉末。按照一定的水剂比与水拌合后填充到被破裂体中,水化反应的进行会导致体积膨胀,当产生的膨胀力大于被破裂体的极限抗拉强度时,破裂体产生裂缝,破裂。静态破碎技术在大理石的开采,临时建筑物的拆除,硬岩开挖等工程领域有着广泛的应用。  论文分析了静态破碎剂的膨胀过程,研究了相同气温和拌合水温下不同水剂比对静态破碎剂体积膨胀率和反应温度的影响,综合考虑现场施工的情况,取合理的水剂比研究了静态破碎剂在6种气温(6℃、10℃、13℃、16℃、19℃和22℃)和3种水温(20℃、30℃、40℃)下的膨胀性能,获得了体积膨胀率和拌合物温度—时间曲线。试验观察到静态破碎剂膨胀时可分为拌合物硬化、裂纹扩展、体积快速膨胀和膨胀速度减慢四个过程。拌合物温度—时间曲线分为温度迅速上升、恒温、继续上升和下降四个阶段。通过对比不同水剂比的体积膨胀率,得出水剂比为0.30时膨胀效果较好,气温为16℃时体积膨胀率较大。采用高水温拌合可加快静态破碎剂的膨胀过程。  为研究布孔方式(梅花形和方格形)、静态破碎剂灌注方式(整体灌注和逐排灌注)以及孔内预留PVC管对破裂效果的影响,进行尺寸为1000mm×700mm×500mm的混凝土试件在不同破裂参数条件下的静态破裂试验,得到了破裂前后混凝土表面的应变—时间曲线,并对混凝土破裂前后应变的变化规律进行了分析。试验得出,试件破裂过程分为裂缝起裂,裂缝稳定扩展以及裂缝失稳扩展三个阶段,当以逐排灌注静态破碎剂的方式破裂混凝土时,混凝土会逐排破裂,裂缝大多出现在同一排的钻孔连线上,少部分出现在同一列的钻孔连线或其他位置,且新出现的裂缝有向之前出现的裂缝扩展的趋势。由应变—时间曲线可以看出,位于同排钻孔连线上和钻孔最小抵抗线位置的混凝土受拉应力作用,应变上升。混凝土起裂时,位于裂缝尖端的应变变化较快,出现应力集中现象,位于裂缝两边的应变—时间曲线在裂缝出现前后会出现两个拐点,一次为混凝土起裂的拐点,一次为开裂后应力释放出现的拐点。膨胀力主要用于裂缝的扩展,位于孔周边自由面的应变变化基本一致。当前一排灌注静态破碎剂时,产生的膨胀力对后一排的应变影响较小,当前一排开裂时,发生应力释放,会对下一排产生影响。  使用ANSYS对静态破碎剂在不同布孔条件下的应力场进行了数值模拟,得到了在不同布孔条件下应力场的分布规律。对不同静态破碎剂灌注方式下混凝土的破裂过程进行了数值模拟,得到了不同灌注方式情况下裂缝扩展规律和应变变化规律。数值模拟结果与试验结果较为一致,并观察到试验中不易发现的混凝土破损和裂缝萌生阶段,当以整体灌注静态破碎剂的方式破裂混凝土时,试件的破裂模式为“两排两列”型,当以逐排灌注静态破碎剂的方式破裂混凝土时,试件的破裂模式为“三排两列”型。
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