宮志穎，馬芹永,2

靜態(tài)破裂劑又稱無聲破裂劑(Soundless Cracking Agent，SCA)，是具有高膨脹性能的顆粒狀材料。靜態(tài)破裂技術(shù)具有無噪音、無振動(dòng)、無飛石、不產(chǎn)生有毒氣體、反應(yīng)后產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無害等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。但是SCA存在著破裂不易控制的問題[5-8]。

針對(duì)上面這些問題，文獻(xiàn)[9]使用RFPA軟件模擬靜態(tài)破裂技術(shù)作用下一些不同孔數(shù)模型的破壞過程，以此得到最佳鉆孔數(shù)量；文獻(xiàn)[10]在靜態(tài)破裂劑開采石材的斷裂面導(dǎo)向問題中提出幾種導(dǎo)向裝置，在開采石材中起到控制斷裂面方向的作用；文獻(xiàn)[11]通過混凝土靜態(tài)破裂主裂紋導(dǎo)向試驗(yàn)研究，探索出主裂紋導(dǎo)向在混凝土局部破裂中的應(yīng)用價(jià)值；文獻(xiàn)[12] 分析了氣溫和水溫對(duì)靜態(tài)破裂劑膨脹性能的影響；文獻(xiàn)[13]通過不同強(qiáng)度混凝土靜態(tài)破裂試驗(yàn)分析不同強(qiáng)度混凝土靜態(tài)破裂特點(diǎn)。

在一些工程中，尤其是混凝土局部破裂工程，使用導(dǎo)向破裂可以達(dá)到較好的破裂效果[14-15]。本實(shí)驗(yàn)以不同強(qiáng)度雙孔混凝土試塊進(jìn)行切縫PVC管導(dǎo)向靜態(tài)破裂試驗(yàn)和非導(dǎo)向靜態(tài)破裂試驗(yàn)，探索切縫PVC管在導(dǎo)向破裂混凝土?xí)r的致裂效果。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試塊制作與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)制作混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40和C50的混凝土試塊各3個(gè)。試塊尺寸為200mm×360mm×200mm，試塊上設(shè)置兩個(gè)藥孔，藥孔孔徑為32mm，每個(gè)藥孔中心到自由面的最小抵抗線都是100mm，孔間距為160mm，孔深為170mm。

水泥選用淮南市八公山水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料選用淮河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，粗骨料選用粒徑5～20mm級(jí)配碎石，試驗(yàn)用水選用自來水。試塊成型后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

進(jìn)行切縫PVC管導(dǎo)向靜態(tài)破裂試驗(yàn)時(shí)，在不同強(qiáng)度雙孔混凝土試塊藥孔中放入切縫PVC管導(dǎo)向裝置(PVC管采用浩龍塑業(yè)生產(chǎn)的PVC-V建筑用阻燃、絕緣冷彎電工套管，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：JG/T3050-1998，管厚1.5mm，開口寬2mm)，將其開口對(duì)準(zhǔn)藥孔中心連線方向。灌藥工作和非導(dǎo)向試驗(yàn)一樣，只需拌和好藥劑后灌入藥孔即可。

1.2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

在混凝土試塊上布置電阻應(yīng)變計(jì)，布置位置如圖1所示。在C30試塊上電阻應(yīng)變計(jì)編號(hào)為A1、A2、A3…A10，C40試塊上電阻應(yīng)變計(jì)編號(hào)為B1、B2、B3…B10，C50試塊上電阻應(yīng)變計(jì)編號(hào)為C1、C2、C3…C10，試驗(yàn)選用BX120-10AA電阻應(yīng)變計(jì)，Y2539靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(量程：0～15 000με)。

圖1 應(yīng)變計(jì)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切縫PVC管導(dǎo)向靜態(tài)破裂試驗(yàn)

試驗(yàn)開始后，配置水劑比為0.25的靜態(tài)破碎劑對(duì)C30、C40和C50混凝土試塊同時(shí)進(jìn)行快速灌孔，灌孔完成后開始試驗(yàn)計(jì)時(shí)，每隔15s通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀記錄一次數(shù)值。同時(shí)對(duì)混凝土試塊表面裂紋的擴(kuò)展以及裂紋的寬度進(jìn)行拍照和記錄。試驗(yàn)結(jié)束后破裂效果如圖2所示。通過圖2可以看出，使用切縫PVC管導(dǎo)向可以較好的控制主裂紋的方向，避免藥孔周圍出現(xiàn)其他裂紋。

(a) C30最終破裂效果圖 (b) C40最終破裂效果圖 (c) C50最終破裂效果圖圖2 切縫PVC管導(dǎo)向致裂最終效果圖

C30、C40和C50三種混凝土試塊使用切縫PVC管導(dǎo)向致裂后，破裂塊數(shù)、靜態(tài)破裂劑反應(yīng)完全后最大裂紋的寬度和裂紋條數(shù)如表1所示。

由表1可知，使用切縫PVC管導(dǎo)向致裂混凝土試塊，破裂完成后最大裂紋的寬度隨著混凝土試塊強(qiáng)度的提高而減小。

表1 使用切縫PVC管導(dǎo)向破裂效果對(duì)比

2.2 非導(dǎo)向靜態(tài)破裂試驗(yàn)

不使用導(dǎo)向技術(shù)，分別對(duì)C30、C40和C50的混凝土試塊進(jìn)行靜態(tài)破裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，不使用導(dǎo)向技術(shù)時(shí)三種不同強(qiáng)度的混凝土試塊破裂時(shí)主裂紋的方向很難控制，并且每個(gè)藥孔周圍都有隨機(jī)產(chǎn)生的裂紋，是由于混凝土的不均勻性以及膨脹的非均勻性導(dǎo)致的。因此不使用導(dǎo)向技術(shù)，混凝土靜態(tài)破裂時(shí)裂紋難以控制和預(yù)見。

(a) C30非導(dǎo)向最終破裂效果圖 (b) C40非導(dǎo)向最終破裂效果圖 (c) C50非導(dǎo)向最終破裂效果圖圖3 非導(dǎo)向最終破裂效果圖

C30、C40和C50三種混凝土破裂塊數(shù)、靜態(tài)破裂劑反應(yīng)完全后裂紋最大寬度和裂紋條數(shù)如表2所示。由表2可知，不使用導(dǎo)向技術(shù)破裂時(shí)，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，破裂完成時(shí)裂紋最大的寬度逐漸減小。

表2 不使用導(dǎo)向技術(shù)破裂效果對(duì)比

對(duì)比表1和表2，可以發(fā)現(xiàn)使用切縫PVC管導(dǎo)向靜態(tài)破裂在靜態(tài)破碎劑反應(yīng)完成后，各強(qiáng)度混凝土試塊表面的裂紋條數(shù)以及破碎塊數(shù)明顯低于非導(dǎo)向靜態(tài)破裂。因此使用切縫PVC管導(dǎo)向靜態(tài)破裂能夠有效避免鉆孔周圍出現(xiàn)除主裂紋外的其他裂紋。

3 應(yīng)變分析

圖4為C30混凝土試塊X和Y方向上測(cè)點(diǎn)記錄應(yīng)變-時(shí)間變化曲線。由圖4(a)可知，測(cè)點(diǎn)A7在448min時(shí)發(fā)生應(yīng)變值突變，由拉應(yīng)力作用變成受壓應(yīng)力作用。測(cè)點(diǎn)A1在585min時(shí)發(fā)生應(yīng)變值突變，由受拉力作用變成受壓力作用，這時(shí)裂紋3已經(jīng)快要擴(kuò)展到左側(cè)自由面。由圖4(b)可知，測(cè)點(diǎn)A4在456min時(shí)應(yīng)變值快速增加，在485min時(shí)達(dá)到最大值0.003。C30混凝土試塊裂紋可見時(shí)，發(fā)現(xiàn)裂紋3的走向就在測(cè)點(diǎn)A4的附近，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)A4應(yīng)變值變化較大。測(cè)點(diǎn)A10一直受壓應(yīng)力作用，在465min時(shí)發(fā)生應(yīng)變值突變，由于混凝土試塊表面出現(xiàn)裂紋時(shí)會(huì)導(dǎo)致試塊表面某些應(yīng)變計(jì)發(fā)生應(yīng)變值突變，結(jié)合測(cè)點(diǎn)A4和A7的變化以及在試驗(yàn)進(jìn)行460min時(shí)觀察到裂紋1和裂紋2出現(xiàn)，因此C30雙孔混凝土試塊的起裂時(shí)間為450min左右。

(a) C30混凝土試塊X方向上應(yīng)變-時(shí)間曲線

(b) C30混凝土試塊Y方向上應(yīng)變-時(shí)間曲線圖4 C30混凝土試塊的應(yīng)變-時(shí)間曲線

圖5為C40雙孔混凝土試塊X和Y方向上測(cè)點(diǎn)記錄應(yīng)變-時(shí)間變化曲線。由圖5可知，596min時(shí)測(cè)點(diǎn)B1、B3、B7和B9發(fā)生應(yīng)變值突變。結(jié)合Y方向上B2、B4、B8和B10都在596min時(shí)發(fā)生應(yīng)變值突變以及600min時(shí)觀察到裂紋1、2、3出現(xiàn)，因此C40混凝土試塊的起裂時(shí)間為596min。B7在864min時(shí)由于裂紋2擴(kuò)展到下方，導(dǎo)致應(yīng)變片被破壞，應(yīng)變值達(dá)到可測(cè)最大值。在Y方向上測(cè)點(diǎn)B2、B8和B10前期都是受拉應(yīng)力作用，測(cè)點(diǎn)B4和B6都是受壓應(yīng)力作用。試驗(yàn)進(jìn)行650min左右，測(cè)點(diǎn)B2、B8和B10應(yīng)變值同樣陸續(xù)發(fā)生突變。結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行660min時(shí)觀察到裂紋4開始萌發(fā)，判斷在650min左右由于裂紋4的出現(xiàn)使得測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值發(fā)生突變。

圖6為C50雙孔混凝土試塊X和Y方向上測(cè)點(diǎn)記錄應(yīng)變-時(shí)間變化曲線。由圖6可知，測(cè)點(diǎn)C1、C3、C9、C5在594min時(shí)由于試塊表面出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致應(yīng)變值發(fā)生大幅度突變。Y方向上的測(cè)點(diǎn)C2、C4、C6、C8和C10同樣也都是在594min時(shí)應(yīng)變值發(fā)生大幅度突變。結(jié)合600min時(shí)觀察到C50試塊出現(xiàn)明顯裂紋1和裂紋2，因此C50混凝土試塊的起裂時(shí)間為594min。測(cè)點(diǎn)C2在594min時(shí)由于裂紋出現(xiàn)在應(yīng)變計(jì)方位導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)被拉斷使得應(yīng)變值達(dá)到可測(cè)最大值。

(a) C40混凝土試塊X方向上應(yīng)變-時(shí)間曲線

(b) C40混凝土試塊Y方向上應(yīng)變-時(shí)間曲線圖5 C40混凝土試塊的應(yīng)變-時(shí)間曲線

(a) C50混凝土試塊X方向上應(yīng)變-時(shí)間曲線

(b) C50混凝土試塊Y方向上應(yīng)變-時(shí)間曲線圖6 C50混凝土試塊的應(yīng)變-時(shí)間曲線

混凝土強(qiáng)度等級(jí)導(dǎo)向起裂時(shí)間/min非導(dǎo)向起裂時(shí)間/minC30450348C40596420C50594569

不同強(qiáng)度混凝土試塊使用切縫PVC管導(dǎo)向致裂的起裂時(shí)間和非導(dǎo)向起裂時(shí)間如表3所示。使用切縫PVC管導(dǎo)向致裂混凝土試塊的起裂時(shí)間比非導(dǎo)向破裂時(shí)延長，裂紋寬度減少。這是因?yàn)镻VC管是塑性材料，靜態(tài)破碎劑通過PVC管對(duì)混凝土試塊施加作用力，這個(gè)過程中間會(huì)消耗一部分能量。另外由于使用切縫PVC管導(dǎo)向致裂時(shí)，靜態(tài)破碎劑反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹力可以通過PVC管均勻的傳至孔壁，并且會(huì)在PVC管切縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中，避免了非切縫方向出現(xiàn)裂紋。由于混凝土的不均勻性，當(dāng)混凝土試塊在導(dǎo)向方向內(nèi)部缺陷并非最少區(qū)域時(shí)，則破裂需要更長的時(shí)間積累更多能量。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)比不使用導(dǎo)向技術(shù)，切縫PVC管在導(dǎo)向靜態(tài)致裂混凝土試塊時(shí)可以達(dá)到較好產(chǎn)生主裂紋方向的作用，同時(shí)可以有效減少藥孔周圍出現(xiàn)非PVC管切縫方向的裂縫，可適用于巖石、混凝土等脆性材料的定向破裂和切割。

(2)使用切縫PVC管導(dǎo)向靜態(tài)破裂混凝土試塊相比不使用導(dǎo)向技術(shù)，裂紋數(shù)目減少，起裂時(shí)間延長，破裂完成時(shí)最大裂紋寬度減小。

(3)試驗(yàn)應(yīng)變-時(shí)間曲線驗(yàn)證了切縫PVC管導(dǎo)向靜態(tài)破裂不同強(qiáng)度混凝土試塊的主裂紋產(chǎn)生過程。

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