不同強度混凝土靜態破碎試驗研究

李巖

摘 要：將靜態破碎劑在相同用量及相同拌合水溫條件下，倒入強度等級分別為C20、C30、C40的混凝土預留孔中進行靜態破碎試驗，觀察混凝土表面裂縫的擴展情況并記錄反應過程中混凝土外表面應變變化規律。結果表明：隨著混凝土強度等級的提高，混凝土外表面開始出現裂縫的時間逐漸推遲，裂縫擴展的寬度以及混凝土外表面出現裂縫的條數都隨著混凝土強度等級的提高而逐漸縮小和減少。在反應過程中，隨著混凝土強度等級的提高，混凝土外表面的應變出現明顯波動的時間逐漸滯后，不同強度等級的混凝土的四個側面中，始終有一個側面產生拉應變，其余三個側面產生壓應變。

關鍵詞：靜態破碎劑；水劑比；膨脹

中圖分類號：TU751.9 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1098（2014）03-0021-04

靜態破碎劑是一種利用材料膨脹力達到破碎切割脆性介質的新材料[1-2]，可廣泛應用于巖石或者混凝土的破碎，具有無沖擊波，無震動，無飛石，無噪音等特點。本試驗是研究靜態破碎劑在相同用量，相同的拌合水溫度條件下，倒入不同強度的混凝土預留孔洞中，隨著反應的進行，觀察靜態破碎劑的膨脹，混凝土的開裂，裂縫的擴展特性，分析應變片所采集到的應變數值變化特點等[3-4]。

1 不同強度的混凝土靜態開裂試驗

1.1 試驗概況

試驗首先制作強度等級為C20、C30、C40的標準混凝土立方體試塊各三個，養護28天后量好尺寸，用沖擊鉆在混凝土立方體上表面中心打一個直徑為24 mm的圓孔，圓孔貫穿立方體試塊上下表面。用砂紙打磨混凝土試塊的四個側面，使其四個側面平整，隨后在四個側面中心涂抹一層502膠，將應變片平整貼上，表面再覆蓋保鮮膜，以避免灰塵落到應變片上造成測量不準，將四個應變片分別命名為1、2、3、4號應變片，四個應變片所對應的裂縫也就命名為1、2、3、4號裂縫，用萬用表測量應變片連接情況，確保無短路和斷路，最后將應變片連接到YE2538 程控靜態應變儀上。用20 ℃自來水配置水劑比為0.3的靜態破碎劑混合液倒入混凝土中心圓孔中，試驗開始計時，每隔10 s記錄一次應變儀上的數值，用游標卡尺測量混凝土表面裂縫的寬度，觀察混凝土試塊表面變化。

1.2 混凝土裂縫-時間曲線結果分析

通過三組對比試驗結果顯示，當把靜態破碎劑溶液倒入混凝土內部時反應立刻進行，靜態破碎劑內部的熱量完全被混凝土所吸收，用手去觸摸靜態破碎劑，幾乎和混凝土表面的溫度相同，破碎劑溫度的下降使得反應效果明顯變慢，隨著反應的進行，靜態破碎劑溶液開始膨脹，部分溶液從混凝土試塊中間的圓孔中溢出。混凝土的裂縫-時間曲線如圖1～圖3所示。

由圖1可知，C20混凝土表面最后出現三條可見裂縫。當反應進行到336 min時，首先在C20混凝土的表面觀察到一條可見細裂縫，此裂縫為1號主裂縫，這條裂縫由中心圓直裂通混凝土1號側面，在縱向上也裂通整個混凝土試塊，當反應進行到349 min時，裂縫2、裂縫3同時出現，一開始三條裂縫的擴展都很緩慢，其中裂縫3的擴展速度最慢。裂縫1的擴展速度比裂縫2、裂縫3要快，在裂縫1出現20 min后，其擴展速度迅速上升，由1.5 mm擴大到23.6 mm，在反應進行的最后30 min內裂縫1的擴展速度才明顯減慢下來，只由23.6 mm擴大到26.2 mm。所以裂縫1的擴展特性是開始慢，中間快，最后慢。裂縫2是在出現后40 min內擴展速度很慢，當反應進行到389 min后裂縫2的擴展迅速增大，由1.8 mm擴大到20.4 mm，直到反應最后的10 min擴展速度減慢，裂縫2與裂縫1在一條直線上，貫穿整個混凝土試塊，把混凝土劈成兩半，所以裂縫2的擴展特性是開始慢，后來快。雖然裂縫3與裂縫2同時出現，但是裂縫3擴展速度最慢，在整個反應過程中都沒有明顯擴展，直到反應最后才有4.5 mm。所以裂縫3的擴展特性是從開始到最后都慢，整個反應進行了460 min。

同樣由圖2可知，C30混凝土表面最后也出現三條裂縫，當反應進行到366 min時，C30混凝土的表面觀察到第一條可見細裂縫，此裂縫為4號主裂縫，比C20混凝土首條裂縫出現晚30 min， 裂縫出現后就迅速擴展， 當反應進行到384 min時，裂縫2、裂縫3同時出現， 其裂縫出現的位置與擴展特性與C20混凝土相似， 2號次裂縫迅速擴展，1號裂縫沒出現明顯擴展， 整個反應進行了590 min， C30混凝土裂縫的擴展速度比C20混凝土要慢， 4號主裂縫最后的寬度為29.9 mm，2號此裂縫的寬度為20.6 mm，2號和4號裂縫貫穿整個混凝土試塊，1號裂縫只有2 mm。

由C40混凝土的裂縫-時間曲線可知，C40混凝土表面最后只出現兩條可見裂縫，當反應進行到8小時30分鐘時，C40混凝土的表面觀察到第一條可見主裂縫，為1號裂縫，出現時間比C30混凝土要晚144 min，整個反應進行了750 min，1號主裂縫的寬度是18 mm，3號次裂縫的寬度為14 mm，隨著混凝土強度等級的增加，混凝土出現裂縫的時間逐漸推遲，寬度逐漸縮小，條數也減少。

仔細觀察C20、 C30、 C40混凝土的裂縫特性發現， 首條裂縫都是出現在由中心圓直裂到混凝土側面的中間位置， 在縱向上也裂通整個混凝土試塊， 分析原因： 裂縫首先出現的位置是圓孔距混凝土側面最近的地方， 這可能是由于邊界效應的作用， 因為計算圓孔不同位置到混凝土邊界的距離是63～95 mm， 首條裂紋出現的位置正好是63 mm這條直線， 而圓形孔距混凝土側面63 mm的位置總共有4個， 這是由于混凝土不是均質材料， 在其澆筑成型時內部會產生缺陷， 所以混凝土首先開裂的地方就是這四個側面到圓孔中內部缺陷最多的地方，靜態破碎劑會首先沿著最容易破壞的地方行進， 也就是混凝土內部缺陷較多的地方首先開始破壞， 并且破壞點一定會延伸到混凝土邊界的中部。endprint

1.3 混凝土應變-時間曲線結果分析

C20混凝土應變的情況如圖4所示，應變片1、2、3、4開始只做小幅度的變化，前200 min內4個應變片的數值都在緩慢增大，說明一開始靜態破碎劑在混凝土內部膨脹，產生的膨脹應力使混凝土的四個側面同時被拉伸，且4個應變片測量的數值上升幅度無明顯差異，混凝土內部的靜態破碎劑已經開始膨脹，內部產生很多微觀裂縫，但是貼在混凝土側面的應變片只能測出混凝土表面的變形，無法測出內部的變形，所以一開始測的數據增幅都不明顯。在200～300 min內，應變片1的數值突然增大，且增幅遠遠超過其他3個應變片，并且應變片2、3、4的數值都由正值迅速變小進而變成負值，說明在混凝土中裂縫1的側面含有比其他側面更多的缺陷，使得裂縫1的擴展速度比其他都快，裂縫擴展的越快，靜態破碎劑就會越容易向這個方向膨脹，進一步加快這個方向的擴展。所以裂縫1所對應的面由于靜態破碎劑的膨脹一直都受到拉伸，一旦開裂，這個側面就會增大，進而壓迫其余的3個面，其余的3個面受到的拉應變就會轉化為壓應變，而與裂縫1所對應的應變片1所在的面被拉開，使得應變片3這個面所受到的壓應變最大，在300 min后由于大部分的膨脹應力都集中到了1號應變片的位置，使得1號應變片的應變迅速增大，進一步壓迫3號應變片的位置，然后1、3兩個面相互貫通，帶著3號應變片的應變負向增大，在3號應變片負向增大開裂后，2、4號應變片應變才緩慢負向增大，其中4號應變片的應變要大于2號應變片的應變。

由于應變片是用502膠粘在混凝土的表面，在混凝土膨脹初期，應變片牢牢粘在混凝土表面，但是當混凝土開裂以后應變片也同樣被拉伸，當混凝土裂縫寬度超過大約5 mm時應變片就被拉斷，此后混凝土的裂縫繼續擴大，但是應變片已經無法再測量應變。所以應變片的測量范圍只在混凝土沒有開裂以前，和開裂后變形5 mm以內，當裂縫寬度超過5 mm以上的應變是測不到的。

C30混凝土前200 min內4個應變片的數值變化不明顯，應變片3數據沒有明顯變化，所以沒有記錄（見圖5）。應變片4在試驗進行到300 min時開始明顯增大，在350 min時應變片1、2開始負向增大，但應變片1增大的數值不明顯，在應變片4增大以后應變片2才開始增大，而應變片1在應變片2斷裂后才開始有明顯的增大。C30混凝土中4號面受到拉力，所以應變為正值，而1號面和2號面同時受到壓應力，應變為負值。C30混凝土的應變特性和C20混凝土相似，但是破碎所需要的時間比C20混凝土破碎時間要長。

C40混凝土表面只出現兩條裂縫，所以只研究1、3號面應變片的應變（見圖6）。在前400 min內兩個應變片的應變不明顯，當水化反應進行到400 min后1號應變片的應變開始小幅增大，反應進行到490 min時應變片1的數值增大明顯，并且持續了120 min的快速增長。1號面是受拉面，主裂縫的發展方向，3號裂縫與1號裂縫貫通，但是由于1號面受拉壓迫其余3個面，使得3號面受壓，所以3號應變片的應變為負值，在反應進行560 min以后應變片3的應變才有明顯增大，也就是說在1號裂縫發展擴大以后3號應變才開始發展。C40混凝土裂縫出現時間要比C20、C30要晚，裂縫擴展時間比C20、C30要長，且裂縫擴展速度比C20、C30要慢，應變增長速度也要比C20、C30要慢。2號、4號應變片沒有采集到較大的應變值，其應變都在小幅度的震蕩。

1） 隨著混凝土強度等級的提高，混凝土被靜態破碎劑脹裂所需要的時間逐漸增加，裂縫的條數也逐漸減少。其裂縫擴展從微觀上觀察是不規則的由內向外擴展，開裂后從直觀上看裂縫主要呈不規則直線型。

2） 裂縫擴展的特點是最先出現的裂縫為主裂縫，主裂縫首先快速擴展，當次裂縫出現時，主裂縫的擴展速度有所放緩，而此裂縫開始不斷擴展，最后趕上主裂縫的寬度。主次裂縫連貫在一條直線上，將混凝土從中劈開。

3）由混凝土的應變-時間曲線可以得出，靜態破碎劑所釋放出來的是緩慢的力，其破壞力量很大，完全可以把混凝土破壞。混凝土受力特點是一個面受拉，另三個面受壓。

參考文獻：

[1] 馬志鋼，王瑾.試論靜態破碎劑及其性能改進[J].煤礦爆破，2002（1）：4-6.

[2] 王建鵬.靜態破碎劑破巖機理研究[J].中國礦業，2008（11）：90-92.

[3] 尹國偉，文香勇，曹大明.無聲破碎劑在混凝土和鋼筋混凝土拆除中的應用[J].黑龍江水專學報，2001，28（3）：78-80.

[4] 郭瑞平，楊永琦.靜態破碎劑膨脹機理及可控性的研究[J].煤炭學報，1994，5（10）：478-485

[5] 楊仁樹，孫中輝，佟強，等.靜態破碎劑作用下裂紋擴展行為的動態分析[J].中國礦業，2010（9）：7-11.

[6] 孫立新.靜態破碎劑的性能測試研究[J].建筑技術開發，2008（9）：41-42.

[7] 張愛莉，姚剛.靜態爆破的設計及應用[J]. 建筑技術，2002（6）：420-422.

（責任編輯：何學華，吳曉紅）endprint

1.3 混凝土應變-時間曲線結果分析

C20混凝土應變的情況如圖4所示，應變片1、2、3、4開始只做小幅度的變化，前200 min內4個應變片的數值都在緩慢增大，說明一開始靜態破碎劑在混凝土內部膨脹，產生的膨脹應力使混凝土的四個側面同時被拉伸，且4個應變片測量的數值上升幅度無明顯差異，混凝土內部的靜態破碎劑已經開始膨脹，內部產生很多微觀裂縫，但是貼在混凝土側面的應變片只能測出混凝土表面的變形，無法測出內部的變形，所以一開始測的數據增幅都不明顯。在200～300 min內，應變片1的數值突然增大，且增幅遠遠超過其他3個應變片，并且應變片2、3、4的數值都由正值迅速變小進而變成負值，說明在混凝土中裂縫1的側面含有比其他側面更多的缺陷，使得裂縫1的擴展速度比其他都快，裂縫擴展的越快，靜態破碎劑就會越容易向這個方向膨脹，進一步加快這個方向的擴展。所以裂縫1所對應的面由于靜態破碎劑的膨脹一直都受到拉伸，一旦開裂，這個側面就會增大，進而壓迫其余的3個面，其余的3個面受到的拉應變就會轉化為壓應變，而與裂縫1所對應的應變片1所在的面被拉開，使得應變片3這個面所受到的壓應變最大，在300 min后由于大部分的膨脹應力都集中到了1號應變片的位置，使得1號應變片的應變迅速增大，進一步壓迫3號應變片的位置，然后1、3兩個面相互貫通，帶著3號應變片的應變負向增大，在3號應變片負向增大開裂后，2、4號應變片應變才緩慢負向增大，其中4號應變片的應變要大于2號應變片的應變。

由于應變片是用502膠粘在混凝土的表面，在混凝土膨脹初期，應變片牢牢粘在混凝土表面，但是當混凝土開裂以后應變片也同樣被拉伸，當混凝土裂縫寬度超過大約5 mm時應變片就被拉斷，此后混凝土的裂縫繼續擴大，但是應變片已經無法再測量應變。所以應變片的測量范圍只在混凝土沒有開裂以前，和開裂后變形5 mm以內，當裂縫寬度超過5 mm以上的應變是測不到的。

C30混凝土前200 min內4個應變片的數值變化不明顯，應變片3數據沒有明顯變化，所以沒有記錄（見圖5）。應變片4在試驗進行到300 min時開始明顯增大，在350 min時應變片1、2開始負向增大，但應變片1增大的數值不明顯，在應變片4增大以后應變片2才開始增大，而應變片1在應變片2斷裂后才開始有明顯的增大。C30混凝土中4號面受到拉力，所以應變為正值，而1號面和2號面同時受到壓應力，應變為負值。C30混凝土的應變特性和C20混凝土相似，但是破碎所需要的時間比C20混凝土破碎時間要長。

C40混凝土表面只出現兩條裂縫，所以只研究1、3號面應變片的應變（見圖6）。在前400 min內兩個應變片的應變不明顯，當水化反應進行到400 min后1號應變片的應變開始小幅增大，反應進行到490 min時應變片1的數值增大明顯，并且持續了120 min的快速增長。1號面是受拉面，主裂縫的發展方向，3號裂縫與1號裂縫貫通，但是由于1號面受拉壓迫其余3個面，使得3號面受壓，所以3號應變片的應變為負值，在反應進行560 min以后應變片3的應變才有明顯增大，也就是說在1號裂縫發展擴大以后3號應變才開始發展。C40混凝土裂縫出現時間要比C20、C30要晚，裂縫擴展時間比C20、C30要長，且裂縫擴展速度比C20、C30要慢，應變增長速度也要比C20、C30要慢。2號、4號應變片沒有采集到較大的應變值，其應變都在小幅度的震蕩。

1） 隨著混凝土強度等級的提高，混凝土被靜態破碎劑脹裂所需要的時間逐漸增加，裂縫的條數也逐漸減少。其裂縫擴展從微觀上觀察是不規則的由內向外擴展，開裂后從直觀上看裂縫主要呈不規則直線型。

2） 裂縫擴展的特點是最先出現的裂縫為主裂縫，主裂縫首先快速擴展，當次裂縫出現時，主裂縫的擴展速度有所放緩，而此裂縫開始不斷擴展，最后趕上主裂縫的寬度。主次裂縫連貫在一條直線上，將混凝土從中劈開。

3）由混凝土的應變-時間曲線可以得出，靜態破碎劑所釋放出來的是緩慢的力，其破壞力量很大，完全可以把混凝土破壞。混凝土受力特點是一個面受拉，另三個面受壓。

參考文獻：

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[7] 張愛莉，姚剛.靜態爆破的設計及應用[J]. 建筑技術，2002（6）：420-422.

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1.3 混凝土應變-時間曲線結果分析

C20混凝土應變的情況如圖4所示，應變片1、2、3、4開始只做小幅度的變化，前200 min內4個應變片的數值都在緩慢增大，說明一開始靜態破碎劑在混凝土內部膨脹，產生的膨脹應力使混凝土的四個側面同時被拉伸，且4個應變片測量的數值上升幅度無明顯差異，混凝土內部的靜態破碎劑已經開始膨脹，內部產生很多微觀裂縫，但是貼在混凝土側面的應變片只能測出混凝土表面的變形，無法測出內部的變形，所以一開始測的數據增幅都不明顯。在200～300 min內，應變片1的數值突然增大，且增幅遠遠超過其他3個應變片，并且應變片2、3、4的數值都由正值迅速變小進而變成負值，說明在混凝土中裂縫1的側面含有比其他側面更多的缺陷，使得裂縫1的擴展速度比其他都快，裂縫擴展的越快，靜態破碎劑就會越容易向這個方向膨脹，進一步加快這個方向的擴展。所以裂縫1所對應的面由于靜態破碎劑的膨脹一直都受到拉伸，一旦開裂，這個側面就會增大，進而壓迫其余的3個面，其余的3個面受到的拉應變就會轉化為壓應變，而與裂縫1所對應的應變片1所在的面被拉開，使得應變片3這個面所受到的壓應變最大，在300 min后由于大部分的膨脹應力都集中到了1號應變片的位置，使得1號應變片的應變迅速增大，進一步壓迫3號應變片的位置，然后1、3兩個面相互貫通，帶著3號應變片的應變負向增大，在3號應變片負向增大開裂后，2、4號應變片應變才緩慢負向增大，其中4號應變片的應變要大于2號應變片的應變。

由于應變片是用502膠粘在混凝土的表面，在混凝土膨脹初期，應變片牢牢粘在混凝土表面，但是當混凝土開裂以后應變片也同樣被拉伸，當混凝土裂縫寬度超過大約5 mm時應變片就被拉斷，此后混凝土的裂縫繼續擴大，但是應變片已經無法再測量應變。所以應變片的測量范圍只在混凝土沒有開裂以前，和開裂后變形5 mm以內，當裂縫寬度超過5 mm以上的應變是測不到的。

C30混凝土前200 min內4個應變片的數值變化不明顯，應變片3數據沒有明顯變化，所以沒有記錄（見圖5）。應變片4在試驗進行到300 min時開始明顯增大，在350 min時應變片1、2開始負向增大，但應變片1增大的數值不明顯，在應變片4增大以后應變片2才開始增大，而應變片1在應變片2斷裂后才開始有明顯的增大。C30混凝土中4號面受到拉力，所以應變為正值，而1號面和2號面同時受到壓應力，應變為負值。C30混凝土的應變特性和C20混凝土相似，但是破碎所需要的時間比C20混凝土破碎時間要長。

C40混凝土表面只出現兩條裂縫，所以只研究1、3號面應變片的應變（見圖6）。在前400 min內兩個應變片的應變不明顯，當水化反應進行到400 min后1號應變片的應變開始小幅增大，反應進行到490 min時應變片1的數值增大明顯，并且持續了120 min的快速增長。1號面是受拉面，主裂縫的發展方向，3號裂縫與1號裂縫貫通，但是由于1號面受拉壓迫其余3個面，使得3號面受壓，所以3號應變片的應變為負值，在反應進行560 min以后應變片3的應變才有明顯增大，也就是說在1號裂縫發展擴大以后3號應變才開始發展。C40混凝土裂縫出現時間要比C20、C30要晚，裂縫擴展時間比C20、C30要長，且裂縫擴展速度比C20、C30要慢，應變增長速度也要比C20、C30要慢。2號、4號應變片沒有采集到較大的應變值，其應變都在小幅度的震蕩。

1） 隨著混凝土強度等級的提高，混凝土被靜態破碎劑脹裂所需要的時間逐漸增加，裂縫的條數也逐漸減少。其裂縫擴展從微觀上觀察是不規則的由內向外擴展，開裂后從直觀上看裂縫主要呈不規則直線型。

2） 裂縫擴展的特點是最先出現的裂縫為主裂縫，主裂縫首先快速擴展，當次裂縫出現時，主裂縫的擴展速度有所放緩，而此裂縫開始不斷擴展，最后趕上主裂縫的寬度。主次裂縫連貫在一條直線上，將混凝土從中劈開。

3）由混凝土的應變-時間曲線可以得出，靜態破碎劑所釋放出來的是緩慢的力，其破壞力量很大，完全可以把混凝土破壞。混凝土受力特點是一個面受拉，另三個面受壓。

參考文獻：

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[6] 孫立新.靜態破碎劑的性能測試研究[J].建筑技術開發，2008（9）：41-42.

[7] 張愛莉，姚剛.靜態爆破的設計及應用[J]. 建筑技術，2002（6）：420-422.

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