混凝土试块不同导向装置静态破裂试验研究

李 敏，马芹永，2

静态破碎剂又称无声破碎剂，是具有高膨胀性能的颗粒状材料。静态破碎技术具有无振动、无有害气体、无噪音、无飞石、无粉尘等优点[1-2]。对混凝土静态破碎的研究，文献[3-4]研究了静态破碎剂膨胀性能以及其影响因素；文献[5]通过静态破碎剂在开采石材断裂面的导向并提出了对导向技术的深入研究；文献[6-7]开展了混凝土静态破碎裂纹导向技术的试验研究；文献[8-11]研究了静态破碎剂膨胀作用下试件裂纹的扩展以及相关扩展规律试验；文献[12]探索了孔距对混凝土块体静态破碎效果的影响；文献[13]研究了钢筋混凝土试件的静态破裂试验；文献[14]研究了不同强度等级混凝土试件的静态破裂；文献[15-17]探索了在静态破碎技术在工程实际应用上的运用。

前人的研究成果多集中在静态破碎剂膨胀性能和静态破碎裂纹的扩展研究、静态破碎技术应用等方面。对于静态破碎导向方面的研究，相对较少。本文通过采用两种不同的导向装置(钢管导向装置和内置钢片)，研究导向装置对单孔和双孔混凝土试块裂纹扩展规律、应变变化、以及破裂形态的影响。

1 试块的制作

水泥选用淮南市八公山水泥厂生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥，砂子选用淮河细砂，粗骨料选用粒径5～20mm级配碎石，试验用水选用自来水。

试验中选用两种混凝土试块尺寸：200mm×200mm×200mm、380mm×200mm×200mm的试块。两种均为C40强度等级的混凝土试块。第一种混凝土试块中心位置设置直径33.00mm、深度180.00mm的灌药孔，最小抵抗线W(灌药孔中心到最近自由面的最短距离)为100.00mm。第二种混凝土试块是在距两侧相同抵抗线的位置设置直径33.00 mm的两个孔，两孔之间的孔距为180.00mm，最小抵抗线W为100.00mm。

2 试验材料与导向装置

将制作的尺寸为150mm×150mm×150mm素混凝土立方体试块在标准养护条件下养护28d后，按GB/T50081-2002《素混凝土力学性能试验方法标准》测得立方体的抗压强度为48.27MPa。

立方体试块单位体积试验材料用量：水488.09kg、石子1 122.96kg、砂子583.95kg、水206.00kg，得出水胶比0.42，砂率为34.21。

图1为两种不同的导向装置。图1(a)是一种两个半钢管式的导向装置，外径直径为33.00mm，它的特点是中间预留的开口刚好把完整钢管对半分开并且此处预留的缝隙约为1.00mm；图1(b)是一种薄片式的钢片，它的宽度为33.00mm，厚度为1.00mm。

(a) 导向钢管 (b) 内置钢片图1 两种不同的导向装置

3 静态破碎剂体积膨胀率的测定

静态破碎剂选用中怀化工厂生产的细粉末状的冬季型破碎剂，颜色呈浅灰色。使用尺寸为200mm×200mm×150mm静态破碎剂测温盒测量分别在10℃、15℃、20℃环境温度下SCA的体积膨胀率，确定SCA最佳水剂比，结果如表1所示。

表1 静态破碎剂体积膨胀率试验

由试验结果可得，水剂比和环境温度对静态破碎剂的体积膨胀率影响较大，试验中水剂比为0.28，环境温度为15℃条件下，静态破碎剂的体积膨胀率达到最大，为4.02。

4 单孔混凝土不同导向与无导向对比

在环境温度15℃的情况下，称取一定量的静态破碎剂，加8℃的自来水拌合均匀，达到水剂比0.28并快速灌入设有两种导向装置和无导向装置的单孔混凝土试块的灌孔中。并对试块破裂面的破裂情况进行拍照和记录(见图2)。

(a) 钢管导向破裂状态 (b) 内置钢片破裂状态 (c) 无导向破裂状态图2 单孔混凝土不同导向的破裂状态

从图2可以看出，单孔条件下，内置钢片时混凝土的破裂状态与无导向基本相同，但使用钢管导向的方法能够明显控制混凝土的破裂状态。在灌孔中放置开口的导向钢管装置，使静态破碎剂水化反应产生的膨胀压力在开口处形成应力集中，在一定程度上使得裂缝按预定的要求形成。图2所示为三种情况下，不同单孔混凝土试块破裂形态对比。

5 双孔混凝土对比与分析

5.1 双孔混凝土试块应变片的布置与试验测试

由单孔混凝土试块的破裂效果，相同的试验条件下，分析在双孔混凝土试块中导向钢管与内置钢片的导向作用。

试验选用BX120-20AA的电阻应变片，Y2539静态电阻应变仪(量程：0～15 000με)，K型热电偶温度计(-50～1 300℃，精度0.1℃)。按应变片布置方法在破裂面分别布置电阻应变片，如图3所示，钢管导向装置的混凝土试块应变片布置为G1、G3、G5、G7、G9、G11、G13和G2、G4、G6、G8、 G10、G12、G14；钢片导向装置的混凝土试块应变片布置为P1、P3、P5、P7、P9、P11、P13和P2、P4、P6、P8、P10、P12、P14。 相同的条件下，在环境温度为15 ℃的情况下，称取一定量的静态破碎剂，加8℃的水拌合均匀，快速灌入设有两种导向装置的双孔混凝土试块的孔中。对试块破裂面的破裂情况进行拍照和记录，采用静态电阻应变仪对试验试块的应变变化进行实时监测。

(a) 钢管导向装置混凝土试块应变片布置图 (b) 内置钢片混凝土试块应变片布置图图3 双孔混凝土试块应变片布置图

5.2 钢管导向双孔混凝土试块的破裂过程分析

钢管导向装置混凝土试块G.K-180(孔距180mm)的双孔破裂过程如图4所示。在与单孔灌药相同的条件下，灌药后780min时试块在经过长时间的膨胀应力作用下，瞬间出现一条贯穿两孔之间的裂纹且在左孔的下方也出现一条细小的裂纹。1 000min时，初始裂缝最大宽度增大到11.00mm，左孔下方的裂缝同样在增大。并且在这个过程中左孔上方出现了第三条细小的裂纹，但这条裂缝基本没有发展，如图4(b)所示。1 400min时，试块基本沿着主裂缝被切成两部分，两孔之间裂缝的最大宽度达到19.52mm。

(a) 灌药后780min (b) 灌药后1 000min (c) 灌药后1 400min图4 G.K-180破碎状态

5.3 内置钢片导向双孔混凝土试块的破碎过程分析

内置钢片导向的混凝土试块P.K-180双孔破裂过程如图5所示。灌药条件均相同，如图5(a)所示，灌药690min时先后出现两条细小的裂纹，分别为右孔上方的第一条裂纹和贯穿两孔之间的第二条裂纹。随着反应的持续发生膨胀应力的增大，之前的裂纹持续增长，1 000min时又出现了另外两条次裂缝，分别在左孔的上方和右孔的下方，并且裂纹都发展到了各自的自由面，如图5(b) 所示。

1 400min时，水化反应基本结束，两孔之间的主裂缝宽度最大达到30.24mm，其他两条裂纹的扩展较小。且整体上呈现的次裂缝相对较多。

(a) 灌药后690min (b) 灌药后1 000min (c) 灌药后1 400min图5 P.K-180破碎状态

5.4 两种导向方式在破碎过程中的应变分析

分别在孔距为180mm的导向钢管与内置钢片双孔混凝土试块破裂面的相同位置选取三个测点的应变-时间变化曲线，如图6所示。

(a) G-K-180试块应变-时间曲线 (b) P-K-180试块应变-时间曲线图6 180mm孔距混凝土试块应变-时间曲线

由图6(a)可知，随着静态破碎剂的水化反应，产生的膨胀压力使得G-14与G-12应变测点处于受拉状态。在0～1 200min的反应过程中，G-14测点的拉应变增长大于G-12测点，在整个过程中G-14测点位置受到的拉应力比G-12测点位置大， 且G-14应变测点的应变峰值达到1 150με。而G-9测点位置受到应力作用较小，在整个过程中受到的压应变变化不大。

在灌药后的690min时，此时伴随着第一条的裂纹的产生，应力的瞬间释放。由图6可知，P-14应变测点受到的拉应力开始急剧增长并在200min内超过P-12应变测点的拉应力。随着裂缝的持续扩展，P-14应变测点的应变片受拉破坏。而P-9应变测点位置受到的压应力影响较小。

综合图6的应变-时间曲线可知，随着裂纹的扩展以及应力的释放，因导向钢管装置的导向作用，灌孔周边的应力较为集中。在相同的应变测点位置，G-K-180试块受到的拉应力要小于P-K-180试块受到的拉应力。

6 破裂效果对比分析

(1)导向钢管装置单孔混凝土试块静态破裂试验后呈现的主裂缝条数为1条，裂缝的最大宽度为30.48mm，起裂的反应时间为660min；而内置钢片单孔混凝土试块静态破裂试验后呈现的主裂缝条数为2条，裂缝的最大宽度为39.40mm，起裂的反应时间为510min。

(2)导向钢管装置双孔混凝土试块静态破裂试验后呈现的主裂缝条数为1条，裂缝的最大宽度为19.52mm，起裂的反应时间为780min；而内置钢片双孔混凝土试块静态破裂试验后呈现的主裂缝条数为2条，裂缝的最大宽度为30.24mm，起裂的反应时间为690min。

由单孔和双孔混凝土试块的破裂效果看出，设有钢管装置的混凝土试块都能起到非常明显的导向结果。主裂纹都是沿着钢管的开口方向，逐渐发展并将试块破裂为两块比较完整的部分；从内置钢片的导向结果来看，虽然主裂纹依然是沿着钢片放置的方向将试块破碎为两块较大的部分，但由于内置钢片没有导向钢管的约束作用力，使混凝土试块受力不均匀，产生一系列的次裂缝。所以钢管导向适合于定向切块，内置钢片导向适合于破碎。

7 结论

(1)在保证相同的试验条件下，两种不同导向装置的混凝土试块呈现的破裂效果存在差异。钢管导向装置能使膨胀应力集中在一个断裂面上，出现裂纹并沿此方向发展，形成断裂面；而内置钢片并不存在此约束作用力，随着水化反应的进行，膨胀应力的增大，产生较多的裂缝。

(2)试验结果表明，内置钢片混凝土试块出现裂纹的时间要早于钢管导向装置混凝土试块。

(3)钢管导向装置具有良好的导向作用，适合于定向切块破裂。

(4)从破裂面的破裂效果来看，内置钢片的混凝土试块出现裂缝的数量多于钢管导向装置混凝土试块出现裂缝的数量，适合于试块的破碎。

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