鄭文忠，李瑞森，徐笠博，侯曉萌

(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)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

中國城鎮(zhèn)建筑面積逾350億m2，城鎮(zhèn)人口近8億.預(yù)計(jì)2021年—2030年中國城鎮(zhèn)住房拆除率為8.4%，2031年—2040年城鎮(zhèn)住房拆除率為9.7%[1].拆除城鎮(zhèn)密集建筑，不但要確保生命財(cái)產(chǎn)安全，而且要控制噪聲污染、粉塵污染、振動污染.

目前，人工拆除與機(jī)械拆除，管理粗放、技術(shù)水平不高、拆除效率低下、基礎(chǔ)理論和核心技術(shù)研究成果不足.爆破拆除粉塵、振動和噪音污染大.因此，研發(fā)綠色安全拆除技術(shù)，綜合考慮建筑特點(diǎn)、拆除耗時(shí)、費(fèi)用、環(huán)境影響等關(guān)鍵參數(shù)的拆除優(yōu)化技術(shù)，形成城鎮(zhèn)密集區(qū)建筑拆除決策系統(tǒng)是大勢所趨.靜態(tài)破碎技術(shù)是將攪拌好的靜態(tài)破碎劑(static crushing agent，簡稱SCA)填充在巖石或混凝土的孔內(nèi)，利用靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生的膨脹壓力“靜悄悄”地使巖石或混凝土松散酥碎的技術(shù).靜態(tài)破碎劑是一種由膨脹性物質(zhì)、水硬性物質(zhì)、外加劑和礦物摻合料等組成的具有高體積膨脹性的黑灰色或灰白色粉末.靜態(tài)破碎技術(shù)具有安全、綠色、無噪聲的特點(diǎn)，不受結(jié)構(gòu)形式及建筑高度的限制，對周圍居民影響小，是實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)密集區(qū)、邊境區(qū)建筑拆除的有效方法之一.

靜態(tài)破碎技術(shù)在混凝土、巖石安全破碎，建筑結(jié)構(gòu)拆除等方面應(yīng)用較廣泛[2].具體如下：

1)靜態(tài)破碎技術(shù)可應(yīng)用于工作面小且無法進(jìn)行爆破的區(qū)域.靜態(tài)破碎過程中，不產(chǎn)生爆炸沖擊波、飛石、振動，可以將巖石、煤礦充分破碎，有效避免煤礦瓦斯爆炸、煤塵爆炸等.因此，可應(yīng)用于煤礦、礦山開采、隧道開挖、石材的切割成型、巨石破碎等.

2)應(yīng)用靜態(tài)破碎技術(shù)時(shí)采用適宜孔徑、密集孔距，可使巖石切割面平整，保證珍貴礦物的完整性，因此，可應(yīng)用于對環(huán)境有特殊要求的工程，如保護(hù)區(qū)內(nèi)的礦山開采、珍貴礦物的保護(hù)性開采等.

3)應(yīng)用靜態(tài)破碎技術(shù)可消除粉塵、噪聲污染，施工期不影響建筑正常使用功能，因此，可用于混凝土建筑物和構(gòu)筑物的拆除.特別適合于密集城鎮(zhèn)區(qū)域、國家邊境區(qū)域的建筑物，及各種機(jī)座、車站月臺、碼頭、大體積的混凝土構(gòu)筑物等[2].

為推動靜態(tài)破碎技術(shù)在工程中的應(yīng)用，為后繼研究與發(fā)展提供建議，本文從靜態(tài)破碎劑研究、靜態(tài)破碎工藝研究、存在問題、發(fā)展建議4個方面對靜態(tài)破碎技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)評述，介紹了靜態(tài)破碎劑的分類、膨脹機(jī)理、組分構(gòu)成、性能的影響因素及測試方法；分析了膨脹力作用下混凝土的開裂機(jī)理；考察了鉆孔工藝(孔形、孔深、孔徑、孔排距、孔間距等)及導(dǎo)向措施對裂紋開展的影響規(guī)律；展示了靜態(tài)破碎技術(shù)在工程中的應(yīng)用；指出了靜態(tài)破碎技術(shù)在應(yīng)用過程中的噴孔問題和混凝土靜態(tài)破碎研究的不足.

1 靜態(tài)破碎劑研究

不同類型的靜態(tài)破碎劑，性能、成分、應(yīng)用時(shí)間、應(yīng)用方法不同，具體分述如下.

1.1 靜態(tài)破碎劑發(fā)展概況

1968年，日本技研興業(yè)會社利用生石灰加水生成Ca(OH)2時(shí)的體積膨脹產(chǎn)生壓力、破碎混凝土，這一方法獲發(fā)明專利，標(biāo)志著靜態(tài)破碎劑的誕生[2].同時(shí)，日本學(xué)者也對靜態(tài)破碎劑的成分進(jìn)行了研究：通過添加延緩劑(如石膏)來降低CaO的溶解和反應(yīng)速度，進(jìn)而控制靜態(tài)破碎劑的反應(yīng)時(shí)間，提高其施工性能[2].20世紀(jì)70年代，中川等為提高靜態(tài)破碎劑的性能，開始研究混合型或復(fù)合型靜態(tài)破碎劑.1979年，小野田公司研發(fā)出 “Bristar”靜態(tài)破碎劑，即在含50%CaO的C3S-CaO-CaSO4系水泥熟料中用C3S和CaSO4-C3A-C4AF包裹CaO，以此為標(biāo)志，靜態(tài)破碎劑開始商品化并被推廣使用.1981年，日本建設(shè)省發(fā)布通告——關(guān)于利用膨脹壓力的破碎工法研究，推動了日本靜態(tài)破碎技術(shù)的發(fā)展[2].捷克學(xué)者對靜態(tài)破碎技術(shù)進(jìn)行了研究，并于1985年成功研發(fā)出“黏合劑與化學(xué)緩和劑的非爆炸混合物”.1986年，蘇聯(lián)研制出不同種類的靜態(tài)破碎劑[3].中國于20世紀(jì)80年代開始研發(fā)靜態(tài)破碎劑.1981年，中國建材院水泥科學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)水泥熟料中沒有參與合成礦物，而是以游離狀態(tài)存在的CaO反應(yīng)速度快、膨脹壓力大，所以，將游離氧化鈣(f-CaO)選作主要膨脹成分，研制成功靜態(tài)破碎劑[4].

1.2 靜態(tài)破碎劑分類

按靜態(tài)破碎劑使被破碎體開裂所需時(shí)間的不同，將其分為速效型靜態(tài)破碎劑(<4 h)、普通靜態(tài)破碎劑(4～30 h)、慢速型靜態(tài)破碎劑(>30 h).

按靜態(tài)破碎劑使用時(shí)環(huán)境溫度的不同，將其分為春秋型靜態(tài)破碎劑(10～30 ℃)、夏季型靜態(tài)破碎劑(25～40 ℃)、冬季型靜態(tài)破碎劑(-5～15 ℃).

按靜態(tài)破碎劑膨脹源的不同，將其分為石灰系列、氧化鎂系列和鈣礬石系列.試驗(yàn)表明，石灰系熟料膨脹應(yīng)力最高，廣泛應(yīng)用于靜態(tài)破碎劑的制作；雖然氧化鎂系列熟料固相體積增加率最大，但其反應(yīng)速度慢，不宜直接作為靜態(tài)破碎劑的膨脹源，一般配合石灰系靜態(tài)破碎劑使用；鈣礬石系熟料反應(yīng)受環(huán)境溫度影響小，膨脹性能最穩(wěn)定，但固相體積增加率最小，主要應(yīng)用于膨脹水泥或膨脹混凝土，很少直接用于制作靜態(tài)破碎劑[5-6].

按靜態(tài)破碎劑生產(chǎn)工藝的不同，將其分為復(fù)合型破碎劑和水泥膨脹破碎劑.制備前者時(shí)，將生石灰與水泥、石膏或與硫鋁酸鈣、赤泥等共同磨制而成，該種破碎劑需與緩凝劑配合使用，其易噴孔，膨脹力小.后者制備工藝則是“兩磨一燒”，將石灰石、黏土、石膏和鐵粉等磨成生料，經(jīng)高溫(1 350～ 1 450 ℃)鍛燒得熟料，再將熟料與石膏、緩凝劑、減水劑等共同粉磨而成，其質(zhì)量穩(wěn)定，膨脹速度快，膨脹力大，破碎效果好[6].

靜態(tài)破碎劑按使用方式的不同可分為膏狀靜態(tài)破碎劑(普通型)和粉狀靜態(tài)破碎劑(藥卷型).膏狀靜態(tài)破碎劑與水或?qū)Ｓ萌芤夯靹蚝蠹纯墒褂茫旌虾蟪矢酄?粉狀靜態(tài)破碎劑封存在透水性較好的藥卷中，使用時(shí)將藥卷放入水中浸泡幾分鐘，然后塞入孔中[7].

1.3 靜態(tài)破碎劑膨脹機(jī)理

靜態(tài)破碎劑的膨脹機(jī)理主要有3種理論.

1.3.1 物質(zhì)轉(zhuǎn)移理論[8]

在CaO與水的反應(yīng)過程中，會同時(shí)發(fā)生兩種方向相對的物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程.一種是CaO分子與進(jìn)入其內(nèi)部的水分子發(fā)生反應(yīng)，生成Ca(OH)2；二是原充水空間被反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2填充.由于CaO內(nèi)比表面積大，其與水反應(yīng)速度比Ca(OH)2轉(zhuǎn)移到充水空間的速度快.因此，CaO和水反應(yīng)時(shí)，Ca(OH)2還未被轉(zhuǎn)移便大量產(chǎn)生，使CaO周圍的Ca(OH)2大量堆積，沖破原來的反應(yīng)層，在宏觀上的表現(xiàn)即為靜態(tài)破碎劑的膨脹和開裂.

1.3.2 固相體積膨脹理論[8-10]

靜態(tài)破碎劑反應(yīng)時(shí)會產(chǎn)生體積膨脹并釋放熱量.CaO分子的體積為27.829×10-30m3，相對分子質(zhì)量為56，密度為3.35 g/cm3；Ca(OH)2的分子體積為54.477×10-30m3，相對分子質(zhì)量為76，密度為2.24 g/cm3；H2O的相對分子質(zhì)量為18，密度為1.0 g/cm3.若僅考慮固相體積變化，則反應(yīng)后的Ca(OH)2比CaO體積增加近一倍.若考慮H2O的體積，1 mol CaO完全反應(yīng)需要1 mol H2O，即16.62 cm3CaO會和18 cm3H2O完全反應(yīng).將反應(yīng)所需水的體積看作CaO的孔隙體積，反推所得CaO孔隙率為52.0%，CaO的密度為1.62 g/cm3，當(dāng)CaO的密度高于1.62 g/cm3時(shí)，靜態(tài)破碎劑與水反應(yīng)體積發(fā)生膨脹.

1.3.3 孔隙體積增長理論[8-12]

該理論認(rèn)為隨著CaO與水反應(yīng)生成Ca(OH)2，分子體積增加.同時(shí)，由于Ca(OH)2的晶體面光滑，難以與其他反應(yīng)產(chǎn)物充分交織，在Ca(OH)2晶體與其他反應(yīng)產(chǎn)物之間存在空隙；Ca(OH)2的“屏蔽作用”使其他反應(yīng)產(chǎn)物難以擴(kuò)散到Ca(OH)2的板狀結(jié)構(gòu)之間，Ca(OH)2板狀結(jié)構(gòu)之間也會存在空隙.因此，Ca(OH)2晶體越多，空隙越多，反映到宏觀即為孔隙體積的增加.所以，CaO與水反應(yīng)的體積膨脹由固相體積增加和孔隙體積的增加兩種因素組成.

為證明這個理論，需引入兩個假定：把粒子通過吸附游離水分子，在粒子表面形成的吸附水膜看作固相體積的增加；反應(yīng)前后所有粒子為等大球形顆粒，且以最緊密的方式堆積在一起.基于最緊密堆積理論，等大球最緊密堆積的孔隙率為25.95%.按照孔隙體積增長模型，1 mol CaO水化生成Ca(OH)2后，整個“孔隙-固相”體系的體積將會增大22.10 cm3，其中固體物質(zhì)的體積相對增大98.5%，即16.37 cm3，占體系體積增大的74.1%，而孔隙的體積增長占體系體積增長的25.9%，即5.73 cm3.本理論體積增長率高于固相體積膨脹理論，是對于固相體積膨脹理論的補(bǔ)充完善.

1.3.4 其他理論

馬志鋼等[7]和譚毅[5]認(rèn)為，靜態(tài)破碎劑和水最初生成Ca(OH)2膠體，而體積增長是因?yàn)镃a(OH)2膠體逐漸形成Ca(OH)2結(jié)晶.鄧敏等[13]和Chatterji[14]則認(rèn)為靜態(tài)破碎劑體積膨脹的主要原因是Ca(OH)2晶體的生長.

1.4 靜態(tài)破碎劑組分構(gòu)成

1.4.1 膨脹性物質(zhì)

膨脹性物質(zhì)是靜態(tài)破碎劑發(fā)生體積膨脹、產(chǎn)生膨脹壓力的主要來源.對膨脹性物質(zhì)的要求是產(chǎn)生較大體積膨脹、來源廣、無毒、安全、價(jià)格低，主要來源于高溫煅燒石灰石(CaCO3)得到的生石灰(CaO).影響CaO水化反應(yīng)速度的主要原因是CaO與水的接觸面積、煅燒溫度和粉末尺寸.煅燒溫度越高，CaO晶格收縮越大，晶體結(jié)構(gòu)越緊密，孔隙率越小，表觀密度就越大，水化反應(yīng)所需時(shí)間越長；而在較低溫度下煅燒所得的CaO結(jié)構(gòu)松散，與水接觸的面積較大，水化反應(yīng)較快.CaO粉末尺寸越小，則越分散，與水混合越充分，水化反應(yīng)越快[3,15-16].

1.4.2 水硬性物質(zhì)

通常使用的水硬性材料是水泥.水硬性物質(zhì)主要有兩方面作用：一是調(diào)節(jié)靜態(tài)破碎劑結(jié)硬的速度；二是給靜態(tài)破碎劑漿體提供強(qiáng)度.水硬性物質(zhì)對靜態(tài)破碎劑結(jié)硬速度的調(diào)節(jié)作用，使靜態(tài)破碎劑體積膨脹和強(qiáng)度發(fā)展相匹配.同時(shí)，水硬性物質(zhì)水化產(chǎn)生的強(qiáng)度組分對鉆孔中靜態(tài)破碎劑的豎向膨脹有一定約束作用，可抑制噴孔作用[17-18].

1.4.3 外加劑

常用外加劑有延緩劑、膨脹劑、減水劑等[16].

延緩劑可以通過降低CaO的溶解度、減緩CaO與水反應(yīng)的速度來調(diào)節(jié)靜態(tài)破碎劑的反應(yīng)速度，抑制噴孔現(xiàn)象.常用的延緩劑有石膏、醇類延緩劑、單糖、低聚糖等.

膨脹劑可以改善破碎劑膨脹性能，使靜態(tài)破碎劑的膨脹作用更強(qiáng).通常使用膨潤土作為膨脹增力劑.膨潤土具有吸濕性，可吸收大量水分，吸水后膨脹可達(dá)20倍.

減水劑有減少耗水量、降低水劑比和增加膨脹壓力的作用.CaO的理論水劑比為0.32，按理論水劑比施工時(shí)，漿料流動性不好，施工困難，但水過多會降低膨脹壓力，所以，有必要加入減水劑.

1.4.4 礦物摻合料

常用的礦物摻合料是粉煤灰.目前，粉煤灰通常作為填充物，起到降低成本、膠結(jié)破碎劑的作用.

1.5 靜態(tài)破碎劑性能的影響因素

靜態(tài)破碎劑的性能包含體積膨脹率、反應(yīng)速度、膨脹力等.其中膨脹力是評價(jià)靜態(tài)破碎劑性能的主要指標(biāo).對于膨脹力的要求已有標(biāo)準(zhǔn)，具體見表1.

表1 各齡期的膨脹壓[19]

1.5.1 外界因素

外界因素主要包括環(huán)境溫度、拌合水溫、水劑比等.

馬冬冬等[20]對靜態(tài)破碎劑反應(yīng)溫度、體積膨脹等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，靜態(tài)破碎劑的溫度時(shí)程曲線可分為4個階段：溫度快速上升、恒溫、溫度再次上升和溫度下降.因反應(yīng)熱用來蒸發(fā)液態(tài)水，恒溫階段溫度為100 ℃左右.水劑比越大，反應(yīng)的峰值溫度越低.反應(yīng)達(dá)到100 ℃后，升溫速率與水劑比呈負(fù)相關(guān).水劑比為0.30時(shí)破碎劑體積膨脹率最大.當(dāng)氣溫一定，拌合水溫在20，30，40 ℃變化時(shí)，隨水溫升高，靜態(tài)破碎劑反應(yīng)速度加快，但體積膨脹率并無明顯變化.當(dāng)水溫一定，環(huán)境溫度在6，10，13，16，19，22 ℃變化時(shí)，靜態(tài)破碎劑體積膨脹率變化較大且在16 ℃時(shí)達(dá)到峰值，但反應(yīng)速率受影響很小.

Hinze和Brown[21]發(fā)現(xiàn)相較拌合水溫，環(huán)境溫度和水劑比對膨脹壓力影響更大，且環(huán)境溫度的影響最大.當(dāng)水劑比較低(30%)，溫度較高時(shí)(34 ℃)，可產(chǎn)生較高的膨脹壓力.

薛志翔[22]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度和水劑比對破碎劑的體積膨脹率影響較大，當(dāng)水劑比為0.32，環(huán)境溫度為14 ℃時(shí)體積膨脹率達(dá)到最大值.

1.5.2 配合比

李鵬等[17-18]分別研究了CaO、水泥、石膏、膨脹土摻入量對膨脹壓力的影響.其影響程度大小為：生石灰>膨潤土>水泥>石膏.膨脹壓力隨CaO和膨潤土的摻量增加而增大，隨水泥摻入量增加先增大后減小.

孫立新[8]發(fā)現(xiàn)靜態(tài)破碎劑的膨脹壓隨鈉基膨潤土摻量的增加而增大.

將上述文獻(xiàn)所確定的靜態(tài)破碎劑最佳配合比列于表2.

表2 靜態(tài)破碎劑最佳配合比

Hinze等[23]發(fā)現(xiàn)當(dāng)砂與破碎劑漿體質(zhì)量比為1∶2時(shí)，膨脹壓力降低14%，但添加砂可在降低SCA成本的同時(shí)更好地控制靜態(tài)破碎劑的反應(yīng)速度；添加高效減水劑能使SCA在相同流動性下膨脹壓力增大20%.

De silva等[24]為了拓展SCA在水利工程中的應(yīng)用，利用增速劑(CaCl2)、增黏劑(VEA)和高效減水劑(HRWR)對其進(jìn)行改性，提高了SCA的抗沖刷性能和前期反應(yīng)速度.試驗(yàn)表明，當(dāng)加入2%的CaCl2、0.1%VEA和2.5%的HRWR時(shí)，SCA的膨脹力發(fā)展速率增加44%，膨脹力發(fā)展開始時(shí)間縮減52%，沖刷質(zhì)量損失(攪拌5 min時(shí)測量)降低79%，而流動性(攪拌5 min時(shí)測量)僅降低12%.

1.6 靜態(tài)破碎劑性能的測試方法

1.6.1 膨脹壓力測試方法

電阻應(yīng)變片測量法[19,25]：采用內(nèi)徑40 mm、壁厚4 mm、長500 mm的Q235鋼管，鋼管底部用4 mm厚鋼板焊接封閉.在鋼管外徑貼好應(yīng)變片，將鋼管裝入塑料袋后放入水槽中，之后拌好試樣灌入鋼管，用鋼棍搗實(shí)，開始測量，并按照式(1)計(jì)算靜態(tài)破碎劑膨脹壓力，如圖1所示.

P=Es(K2-1)[εθ/(2-υ)].

(1)

式中：P為膨脹壓力，MPa；Es為鋼管的彈性模量，GPa；εθ為鋼管的圓周方向應(yīng)變量；υ為鋼管的泊松比.K=γθ/γi，γθ為鋼管的外徑，mm；γi為鋼管的內(nèi)徑，mm.

圖1 電阻應(yīng)變片法示意[19](mm)

戴星航等[26]采用軸向輸出法測量膨脹壓力.利用壓力傳感器將膨脹壓力轉(zhuǎn)化為軸向壓力的測量，測量裝置如圖2所示，并按照式(2)計(jì)算靜態(tài)破碎劑的軸向膨脹壓.

Pz=10Fz/S.

(2)

式中：Pz為軸向膨脹壓，MPa；Fz為軸向力，kN；S為鋼筒活塞橫截面積，cm2.

圖2 軸向輸出法示意[26]

同時(shí)將SL定義為軸向輸出系數(shù)，即軸向膨脹壓與徑向膨脹壓的比值，并假設(shè)靜態(tài)破碎劑內(nèi)任意一點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力相等，則經(jīng)理論推導(dǎo)得SL=2μj，μj為靜態(tài)破碎劑泊松比.試驗(yàn)表明，當(dāng)孔徑≥150 mm時(shí)，軸向輸出系數(shù)SL接近于1.

李鵬等[17]采用壓力環(huán)測試系統(tǒng)測量膨脹壓力.約束破碎劑徑向膨脹，利用壓力環(huán)測試系統(tǒng)直接讀出軸向壓力，并依據(jù)公式計(jì)算，如圖3所示.

P=F/S.

(3)

式中：P為膨脹壓力，MPa；F為測力環(huán)所得壓力，N；S為孔截面面積，mm2.

圖3 壓力環(huán)測試系統(tǒng)示意[17]

孫立新[8]采用液壓式平衡測壓儀測量膨脹壓力.依據(jù)力的平衡，在保持指針不動的條件下，記錄液壓數(shù)值，將液壓乘以物料缸和油缸的面積比2.25即能求得破碎劑膨脹壓力，如圖4所示.

圖4 液壓式平衡測壓儀示意[8](mm)

鄭文忠等[27]利用環(huán)向應(yīng)變測量膨脹壓力，利用千分表測量插入孔的金屬片的位移，即可由式(4)換算得到環(huán)向應(yīng)變：

ε=(Δ1+Δ2)/D.

(4)

式中:ε為孔環(huán)向應(yīng)變，Δ1為第一金屬片位移，Δ2為第二金屬片位移，D為孔直徑.之后將環(huán)向應(yīng)變ε與材料的彈性模量E相乘，即可得到環(huán)向應(yīng)力，如圖5所示.

1.6.2 反應(yīng)速度測試方法

靜態(tài)破碎劑主要成分CaO與水的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，可以通過測量反應(yīng)過程中的溫度變化間接得到靜態(tài)破碎劑反應(yīng)速度與時(shí)間的關(guān)系.周字華等[3，22，28]測量了靜態(tài)破碎劑的反應(yīng)速度.將藥劑倒入尺寸為200 mm×200 mm×150 mm的鐵盒，并插入溫度計(jì)探頭開始測溫，記錄溫度的變化過程.

圖5 環(huán)向應(yīng)變測量裝置[27]

1.6.3 體積膨脹測試方法

現(xiàn)階段方法均測量體積膨脹終值，一般通過記錄容器中靜態(tài)破碎劑反應(yīng)前后的高度(反應(yīng)前后需將藥劑整平)，將體積比轉(zhuǎn)化為高度比，從而得出體積膨脹率.具體公式為[22]

β1=h2/h1.

(5)

式中：β1為體積膨脹率；h1為反應(yīng)前靜態(tài)破碎劑的高度，mm；h2為反應(yīng)后靜態(tài)破碎劑的高度，mm.尚缺乏體積膨脹的實(shí)時(shí)測量方法.

2 靜態(tài)破碎工藝研究

2.1 靜態(tài)破碎施工程序

2.1.1 建筑工程

建筑工程中靜態(tài)破碎施工程序一般為：破碎結(jié)構(gòu)調(diào)研與設(shè)計(jì)→鉆孔→選擇并攪拌破碎劑→充填灌注→養(yǎng)護(hù)→清理[29-31].

1)破碎設(shè)計(jì).主要包含藥量計(jì)算、鉆孔設(shè)計(jì)，其中鉆孔設(shè)計(jì)包含孔深、孔徑、孔間距、孔排距、孔邊距等內(nèi)容.鉆孔設(shè)計(jì)需要遵循的原則有：盡可能多地創(chuàng)造自由面，自由面越多破碎速度越快，且至少保證有兩個自由面；多鉆垂直孔，少鉆水平孔；一次鉆多孔，多孔同時(shí)灌漿.

2)攪拌破碎劑、充填灌注.以不同水劑比將破碎劑和清潔水在容器中攪拌成均勻的流動性漿體，并將其灌注入孔中.有逐排灌注和隔排灌注等方式，灌注之前應(yīng)清孔.同時(shí)，對干燥且吸水性強(qiáng)的孔壁，為避免其大量吸收破碎劑中的水分，影響破碎效果，應(yīng)對其進(jìn)行潤濕處理或攪拌破碎劑時(shí)適量加水.對于非垂直孔，可泵送灌孔，并迅速封堵；或控制用水量使?jié){體呈塑性，將破碎劑搓條塞孔并搗實(shí)；或用袋子分裝漿體，將袋子和漿體一起送入孔內(nèi).

3)養(yǎng)護(hù).10 ℃以下時(shí)用草袋等覆蓋保溫.在負(fù)溫下施工時(shí)，除覆蓋保溫外，為使反應(yīng)能正常進(jìn)行，應(yīng)將電熱絲插入孔中通電加熱，或用溫水?dāng)嚢璨⒃谄扑閯┲屑尤?%～2%的鹽.裂縫出現(xiàn)后，在孔上噴熱水，可加速裂紋的生長.

4)二次破碎.當(dāng)經(jīng)過上述施工程序(即一次破碎)后，被破碎體并未達(dá)到預(yù)期的破碎效果.則可在一次破碎所鉆孔內(nèi)部繼續(xù)鉆孔，灌注SCA進(jìn)行破碎，稱之為二次破碎.

2.1.2 巖土工程

巖土工程的靜態(tài)破碎施工程序與建筑工程類似，一般為：被破碎體調(diào)研→破碎設(shè)計(jì)→成孔→拌藥→填藥→養(yǎng)護(hù)→清理[16].

破碎設(shè)計(jì)之前，應(yīng)了解地質(zhì)構(gòu)造、巖質(zhì)、走向、地下水條件、巖石抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等.破碎設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)順著巖石紋理鉆孔，且大塊破碎時(shí)被破碎體周邊的鉆孔孔距應(yīng)適當(dāng)減小，保證破碎體周邊先破壞.巖土工程中還包括最小抵抗線的設(shè)計(jì).抵抗線指孔邊與各自由面的距離，最小抵抗線W則是孔邊與各自由面距離的最小值.通常破碎軟質(zhì)巖石(飽和單軸抗壓強(qiáng)度小于30 MPa)時(shí)W取40 ～60 cm，破碎中硬質(zhì)巖石(飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30～60 MPa)時(shí)W取30～40 cm.

2.2 孔徑、孔深、孔距對靜態(tài)破碎的影響

2.2.1 孔徑

姜楠等[32]分別用直徑40，100 mm的鋼管完成不同孔徑下膨脹壓力試驗(yàn)，結(jié)果表明，孔徑越大，產(chǎn)生的膨脹壓力越大.

許蘭保等[33]完成了不同鋼管直徑(32，38，48，58，72 mm)下膨脹壓力試驗(yàn).結(jié)果表明：其他條件不變時(shí)，孔徑變化對反應(yīng)速率影響不大.試驗(yàn)中58和72 mm的鋼管發(fā)生了噴孔，說明孔徑越大，噴孔現(xiàn)象越易發(fā)生.

馮彧雷[16]指出：孔徑選擇應(yīng)該兼顧破碎效果和鉆孔成本.對一般巖石而言，孔徑不宜小于20 mm，不宜大于50 mm，一般選用32或42 mm.而破碎鋼筋混凝土?xí)r，孔徑一般為35～50 mm.

Gambatese[34]對小孔徑(3.18，4.76，6.35 mm)中SCA的破碎效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)孔深與孔徑之比在6～12，孔距與孔徑之比在4～10時(shí)，即使孔徑為3.18 mm，靜態(tài)破碎劑仍可脹裂混凝土.

2.2.2 孔深

破碎巖石時(shí)，實(shí)際孔深受破碎面高度和被破碎體約束程度的影響.當(dāng)破碎面為節(jié)理面或斷裂面等易裂面時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減少實(shí)際孔深，即L=0.9H(L為實(shí)際孔深，H為設(shè)計(jì)深度).當(dāng)破裂面處無節(jié)理面等易裂面時(shí)，為保證破碎效果，則應(yīng)適當(dāng)加大孔深，一般比設(shè)計(jì)深度大5%[16].

石材開采時(shí)，孔深越大則破碎效果越好，但受鉆孔設(shè)備能力、施工難易程度、運(yùn)輸和加工設(shè)備對體積的限制、成本因素等影響，孔深不易過大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般控制在1.5～1.8 m[35].

Huyn等[36]提出“70%深度準(zhǔn)則”以確定孔深.即擬破碎深度為h時(shí)，應(yīng)鉆孔深為70%h.

2.2.3 孔間距

周字華[3]使用C30、C40、C50的混凝土分別制作了300和400 mm孔間距的試件，對其進(jìn)行靜態(tài)破碎試驗(yàn).發(fā)現(xiàn)試件破裂過程分為3個階段：裂縫起裂、裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展和裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展.孔距為400 mm時(shí)，在每個孔的周圍產(chǎn)生3條裂縫，且3條裂縫方向隨機(jī)，但最小抵抗線方向裂縫開展最深；而孔距為300 mm時(shí)，兩孔間出現(xiàn)一條裂縫，其他裂縫隨機(jī)分布.但試驗(yàn)并未找出雙孔和單孔影響的臨界點(diǎn).

唐烈先等[37]通過雙孔和3孔混凝土試驗(yàn)，并結(jié)合RFPA2D軟件進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)破碎過程中的破壞總是優(yōu)先發(fā)生在抵抗線最小處.靜態(tài)破碎劑的破碎能力范圍大于最小抵抗線時(shí)，裂縫優(yōu)先沿著最小抵抗線方向開展；最小抵抗線超出靜態(tài)破碎劑破碎能力范圍時(shí)，裂縫開展與單孔混凝土的情況類似.

當(dāng)孔間距越小時(shí)，作用于兩個孔之間的力就越大，切割效果越好，速度越快.若要充分發(fā)揮破碎劑能力，降低成本，應(yīng)依據(jù)孔徑將孔間距控制在一個相對合理的范圍內(nèi)，詳見表3[35].

表3 孔間距與孔徑的配合范圍[35]

劉繼峰等[38]根據(jù)已有的施工經(jīng)驗(yàn)[39-41]，總結(jié)了鉆孔參數(shù)，如表4所示.

表4 破碎設(shè)計(jì)參數(shù)[38]

Arshadnejad等[42]利用量綱分析和數(shù)值模擬方法，提出確定孔距的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停摻?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎门蛎泬毫?、巖石抗拉強(qiáng)度、孔徑、巖石彈性模量、靜態(tài)破碎劑注入時(shí)長以及巖石的斷裂韌性來確定孔間距.公式具體形式為

S=[-0.285(P/σt)2+3.5(P/σt)-7.2]·

(6)

式中：S為孔距，m；P為膨脹壓力，MPa；σt為巖石軸心抗拉強(qiáng)度，MPa；t為靜態(tài)破碎劑注入時(shí)長，h；E為巖石彈性模量，GPa；d為孔徑，m；KIC為巖石斷裂韌性，MPa·m1/2.

2.3 靜態(tài)破碎中的裂紋

2.3.1 開裂機(jī)理

靜態(tài)破碎劑的應(yīng)力產(chǎn)生如圖6所示，裝在孔中的靜態(tài)破碎劑體積膨脹，由于孔壁的限制，這種膨脹壓力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力[16].通常脆性材料抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，當(dāng)膨脹壓力在微元體上產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力σθ大于材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，微元體在垂直于拉應(yīng)力σθ的方向開裂.開裂之后，在裂縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中，使與裂縫相鄰的單元有更高的概率開裂.此過程反復(fù)出現(xiàn)，裂縫不斷發(fā)展.但孔周圍混凝土單元抗拉強(qiáng)度具有隨機(jī)性，裂縫出現(xiàn)位置也呈現(xiàn)隨機(jī)性.

圖6 孔壁處應(yīng)力狀態(tài)[16,28]

姜楠等[32]結(jié)合彈性力學(xué)中的厚壁圓筒理論得到靜態(tài)破碎劑在被破碎體中產(chǎn)生的應(yīng)力分布模型：

σr=-a2P/r2,σθ=a2P/r2.

(7)

式中：σr為徑向應(yīng)力，MPa；σθ為切向應(yīng)力，MPa；P為膨脹力，MPa；a為孔徑，mm；r為被破碎材料內(nèi)某點(diǎn)與破碎劑中心的距離，mm.該公式認(rèn)為在無限介質(zhì)中被破碎材料外徑b→∞，且僅在彈性范圍內(nèi)適用.同時(shí)，Natanzi等[43]也認(rèn)為破碎劑在混凝土孔附近某點(diǎn)處產(chǎn)生的應(yīng)力與該點(diǎn)至孔邊緣距離的平方呈反比.

馮彧雷[16]在式(7)的基礎(chǔ)上結(jié)合第二強(qiáng)度理論，給出了被破碎材料的孔壁開裂條件：

σt=(1+υ)Pr≥RtB.

(8)

式中：Pr為膨脹壓力，MPa；υ為材料的泊松比；Rt為被破碎材料抗拉強(qiáng)度，MPa；B為開裂系數(shù)，用來表征材料的內(nèi)部缺陷.

王建鵬[44]對有雙邊裂縫的單孔斷裂模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)，隨初始裂紋長度的增加，裂紋開展單位長度時(shí)所需膨脹力增大.即對應(yīng)某一膨脹力，隨著靜態(tài)破碎劑體積的擴(kuò)張和被破碎體裂紋的擴(kuò)展，膨脹壓力逐漸被釋放，當(dāng)開裂一定距離之后，膨脹壓力被釋放完畢，裂紋停止擴(kuò)展，而要使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，則需增加膨脹壓力.這就造成破碎一定體積的物體時(shí)，所需膨脹壓力遠(yuǎn)大于被破碎體開裂強(qiáng)度.

2.3.2 裂紋開展及控制

前蘇聯(lián)建材研究所為改善破碎效果，控制開裂方向，開發(fā)出一種楔形孔鉆孔工藝[2].楊仁樹等[45]觀察了楔形孔在破碎劑作用下的裂紋開展.發(fā)現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋開展的速度和加速度基本上先增加后減小.裂紋擴(kuò)展加速度要比裂紋擴(kuò)展速度更早達(dá)到最大值.

唐烈先等[46]發(fā)現(xiàn)在4個方向上具有相等抵抗線的方形單孔混凝土試件在膨脹力作用下以3條主裂紋的形式破壞.但在鉆孔中放入強(qiáng)度較高的薄板(如鋼板)時(shí)，混凝土試件以兩條主裂紋的形式破壞，且主裂紋方向與薄板方向一致.而放入強(qiáng)度較低的薄板(如木板)時(shí)，無裂紋導(dǎo)向作用，且會降低破碎效果[47]，如圖7所示.

圖7 方形單孔混凝土試塊破壞形式[47]

2.4 靜態(tài)破碎拆除工程案例

靜態(tài)破碎技術(shù)應(yīng)用越來越多.以下靜態(tài)破碎拆除工程案例展示了靜態(tài)破碎工程的應(yīng)用范圍和應(yīng)用優(yōu)勢.

由于日本山地多、人口密集，人均建筑用地少，在人口密集區(qū)無法使用炸藥開山，靜態(tài)破碎技術(shù)主要應(yīng)用于破碎巖石，增加建筑用地.此外，日本應(yīng)用靜態(tài)破碎技術(shù)破碎了地上、地下混凝土及水下混凝土，都達(dá)到了預(yù)期工程目標(biāo).南非、沙特阿拉伯及巴西等國家也采用靜態(tài)破碎技術(shù)進(jìn)行了大理石和花崗巖等石材開采[6].

1999年，美國卡內(nèi)基音樂廳主廳下要建造一個可容納600人的禮堂，整個工程需要開挖4 600 m3的巖石，場地臨近地鐵和主要水渠.由于音樂廳有百年以上的歷史，同時(shí)開挖工程也不能影響音樂廳日常排練，需減小施工中的振動與噪音.最終確定了小范圍爆破、機(jī)械挖掘及靜態(tài)破碎相結(jié)合的方法，取得了良好的施工效果[48].

安徽馬鋼動力廠在不影響生產(chǎn)的前提下利用靜態(tài)破碎技術(shù)拆除了3號電動風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)[30].山東省的翟鎮(zhèn)井田用靜態(tài)破碎技術(shù)穿透了煤礦開采中3～5 m的巖石斷層，與采用爆破方法相比節(jié)省1 320萬元[49].

2006年，北京市在綜合治理河段時(shí)，采用機(jī)械與靜態(tài)破碎相結(jié)合的方式在規(guī)定工期內(nèi)拆除了部分護(hù)城河擋墻.拆除完成后，所保留的部分原擋墻的使用功能不受影響，與新建擋墻形成了可靠連接[38].

2016年的上海浦東國際機(jī)場T1航站樓改造工程，在不影響航站樓正常使用的前提下，通過實(shí)施靜態(tài)破碎技術(shù)完成了原有連廊層的鋼筋混凝土梁和樓板結(jié)構(gòu)的拆除工作，有效控制了拆除過程中的粉塵、噪聲等，且整個結(jié)構(gòu)的變形也在允許范圍內(nèi)[50].

3 靜態(tài)破碎拆除技術(shù)現(xiàn)存問題

3.1 噴孔問題

由于靜態(tài)破碎反應(yīng)是放熱反應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用該方法時(shí)，反應(yīng)是在空間狹小且導(dǎo)熱性較差的孔中進(jìn)行.隨著破碎劑的水化，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的大量水化熱無法及時(shí)通過周圍介質(zhì)導(dǎo)出，致使靜態(tài)破碎劑漿體中的水分迅速氣化，產(chǎn)生較大的蒸汽壓力.當(dāng)產(chǎn)生的蒸汽壓力大于破碎劑漿體和孔壁之間的黏結(jié)力時(shí)，發(fā)生破碎劑從孔口噴出的現(xiàn)象.巴惠鵬等[51]通過試驗(yàn)和理論分析得出，孔徑越大，越容易發(fā)生噴孔.

針對這一問題，一般從內(nèi)部和外部兩個方面解決：1)內(nèi)部.由于噴孔是因?yàn)殪o態(tài)破碎劑反應(yīng)放熱致使蒸汽壓力驟然增大而引起的，可在靜態(tài)破碎劑中摻入一定量的延緩劑，通過延緩反應(yīng)放熱的速度來緩解蒸汽壓力，從而達(dá)到防止其噴孔的目的.2)外部.現(xiàn)在工程應(yīng)用中常用石塊、塞子等對孔進(jìn)行封堵，在一定程度上能起到抑制噴孔的作用.

解北京等[52]針對破碎劑反應(yīng)時(shí)溫度快速升高的問題，制作出一種防噴孔裝置，如圖8所示，即通過向一端開口的鋼管中注入水，利用水和鋼質(zhì)材料傳導(dǎo)大量水化熱達(dá)到防噴孔的目的.試驗(yàn)結(jié)果表明：不使用防噴孔裝置時(shí)，破碎劑反應(yīng)過程中溫度迅速升高，發(fā)生噴孔；使用防噴孔裝置時(shí)，破碎劑溫升速度顯著降低，但最終達(dá)到的膨脹力無顯著變化，噴孔現(xiàn)象也沒有出現(xiàn).

圖8 防噴孔裝置[52]

3.2 靜態(tài)破碎劑計(jì)算模型

在靜態(tài)破碎劑性能方面，對于靜態(tài)破碎劑模量、強(qiáng)度和溫度等關(guān)鍵指標(biāo)隨時(shí)間發(fā)展的研究不足，對于靜態(tài)破碎劑反應(yīng)過程中體積膨脹和膨脹力發(fā)展之間的關(guān)系認(rèn)知仍不清晰.

對靜態(tài)破碎劑膨脹性能及破碎效果缺乏統(tǒng)一的定量標(biāo)準(zhǔn)，為理論計(jì)算和破碎劑的優(yōu)化比選帶來了困難.在靜態(tài)破碎過程中，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)靜態(tài)破碎劑或結(jié)硬成為彈性柱體，或維持粉末狀態(tài)，對產(chǎn)生這種區(qū)別的原因認(rèn)識仍欠缺.

3.3 計(jì)算方法與適用性

現(xiàn)階段靜態(tài)破碎技術(shù)的鉆孔設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)為主，尚無相應(yīng)的理論計(jì)算公式.對孔周邊應(yīng)力場的分析以彈性理論為主，在混凝土開裂后并不適用，無成型理論判斷裂縫的走向及延伸范圍.

孔徑、孔深、孔間距、孔邊距、孔端距等關(guān)鍵因素對破碎效果的影響以定性規(guī)律為主，缺少量化表達(dá).

在靜態(tài)破碎工藝方面，現(xiàn)階段的研究多以石材和素混凝土為主，缺乏鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件靜態(tài)破碎試驗(yàn)與破碎規(guī)律.素混凝土相對鋼筋混凝土偏于各向同性，所得出的規(guī)律并不一定適用于鋼筋混凝土，而實(shí)際工程中鋼筋混凝土應(yīng)用較多.

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

1)靜態(tài)破碎劑是由膨脹性物質(zhì)、水硬性物質(zhì)、外加劑和礦物摻合料等組成的具有高體積膨脹性的黑灰色或灰白色粉末.靜態(tài)破碎劑的體積膨脹主要由固相體積增加和孔隙體積增加兩部分組成.水泥膨脹破碎劑的穩(wěn)定性及膨脹力優(yōu)于混配型靜態(tài)破碎劑.

2)靜態(tài)破碎劑的膨脹力及反應(yīng)速度受組分構(gòu)成、配合比等內(nèi)部因素和環(huán)境溫度、拌合水溫等外部因素影響較大.組分構(gòu)成對膨脹力影響的大小程度為：CaO>膨潤土>水泥>石膏，隨環(huán)境溫度升高，靜態(tài)破碎劑反應(yīng)速度明顯加快.

3)目前對靜態(tài)破碎劑膨脹力的測量有電阻應(yīng)變片法、軸向輸出法、壓力環(huán)測試法等，破碎劑的反應(yīng)速度及體積膨脹測量可以分別通過熱電偶及鋼尺進(jìn)行，但仍無測量靜態(tài)破碎劑強(qiáng)度和模量的方法.

4)孔徑破碎劑反應(yīng)速率的影響較小，對膨脹壓力影響較大，孔徑越大膨脹壓力越大，但噴孔現(xiàn)象發(fā)生概率也隨之增加；孔深對膨脹力的影響尚未明確，為保證破碎效果，孔深不易過小，一般應(yīng)在30 cm以上；孔間距越小，兩孔間的裂縫越容易連通，形成的切割面越平整.

5)破碎參數(shù)(孔徑、孔深、孔間距等)對膨脹力及破碎效果的影響尚無明確的定量關(guān)系，現(xiàn)階段鉆孔設(shè)計(jì)一般應(yīng)用總結(jié)得來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值.

6)由于靜態(tài)破碎技術(shù)安全、綠色、靈活，對作業(yè)面要求小，即可利用小孔進(jìn)行精細(xì)作業(yè)，又可通過大孔進(jìn)行快速拆除，還能與任何一種其他的拆除方式相結(jié)合，在混凝土、巖石安全破碎、建筑結(jié)構(gòu)拆除等方面具有廣闊的應(yīng)用前景.

4.2 建 議

1)優(yōu)選高效混凝土靜態(tài)破碎劑，提出靜態(tài)破碎劑的膨脹量化指標(biāo)、膨脹發(fā)展時(shí)變模型、強(qiáng)度發(fā)展的時(shí)變模型和模量發(fā)展時(shí)變模型，提出靜態(tài)破碎劑膨脹應(yīng)力、反應(yīng)速度的控制方法.

2)研究不同反應(yīng)速度及膨脹力的破碎劑對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件破碎效果的影響規(guī)律，完善靜態(tài)破碎鉆孔設(shè)計(jì)理論，最終建立以破碎效果為目標(biāo)函數(shù)，以孔徑、孔深、孔邊距、孔排距、混凝土強(qiáng)度、鋼筋配置、構(gòu)件破碎單元尺寸等為自變量的數(shù)學(xué)表達(dá).形成以破碎效果為目標(biāo)函數(shù)，以各關(guān)鍵參數(shù)為自變量的混凝土靜態(tài)破碎決策系統(tǒng).

3)開展混凝土構(gòu)件靜態(tài)破碎試驗(yàn)，研究關(guān)鍵參數(shù)對破碎過程的影響規(guī)律，優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件切割工藝與鋼筋拆除方法，研發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)靜態(tài)無噪聲拆除技術(shù).

4)中國煤礦多屬于井工煤礦，隨著開采深度不斷增加，煤層條件復(fù)雜，無法采用機(jī)械開采和爆破開采時(shí)，靜態(tài)破碎開采是解決方法.然而，煤層及巖石力學(xué)特征、破碎特征與混凝土明顯不同，混凝土靜態(tài)破碎技術(shù)不能滿足煤礦開采需求，因此，需研發(fā)基于靜態(tài)破碎的煤礦開采技術(shù).