切缝PVC管导向静态破裂混凝土试块试验与分析

宫志颖，马芹永,2

静态破裂剂又称无声破裂剂(Soundless Cracking Agent，SCA)，是具有高膨胀性能的颗粒状材料。静态破裂技术具有无噪音、无振动、无飞石、不产生有毒气体、反应后产物对环境无害等优点[1-4]。但是SCA存在着破裂不易控制的问题[5-8]。

针对上面这些问题，文献[9]使用RFPA软件模拟静态破裂技术作用下一些不同孔数模型的破坏过程，以此得到最佳钻孔数量；文献[10]在静态破裂剂开采石材的断裂面导向问题中提出几种导向装置，在开采石材中起到控制断裂面方向的作用；文献[11]通过混凝土静态破裂主裂纹导向试验研究，探索出主裂纹导向在混凝土局部破裂中的应用价值；文献[12] 分析了气温和水温对静态破裂剂膨胀性能的影响；文献[13]通过不同强度混凝土静态破裂试验分析不同强度混凝土静态破裂特点。

在一些工程中，尤其是混凝土局部破裂工程，使用导向破裂可以达到较好的破裂效果[14-15]。本实验以不同强度双孔混凝土试块进行切缝PVC管导向静态破裂试验和非导向静态破裂试验，探索切缝PVC管在导向破裂混凝土时的致裂效果。

1 实验设计

1.1 试块制作与试验方法

试验制作混凝土强度等级为C30、C40和C50的混凝土试块各3个。试块尺寸为200mm×360mm×200mm，试块上设置两个药孔，药孔孔径为32mm，每个药孔中心到自由面的最小抵抗线都是100mm，孔间距为160mm，孔深为170mm。

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，细骨料选用淮河中砂，细度模数为2.6，粗骨料选用粒径5～20mm级配碎石，试验用水选用自来水。试块成型后进行标准养护。

进行切缝PVC管导向静态破裂试验时，在不同强度双孔混凝土试块药孔中放入切缝PVC管导向装置(PVC管采用浩龙塑业生产的PVC-V建筑用阻燃、绝缘冷弯电工套管，执行标准：JG/T3050-1998，管厚1.5mm，开口宽2mm)，将其开口对准药孔中心连线方向。灌药工作和非导向试验一样，只需拌和好药剂后灌入药孔即可。

1.2 应变测点布置

在混凝土试块上布置电阻应变计，布置位置如图1所示。在C30试块上电阻应变计编号为A1、A2、A3…A10，C40试块上电阻应变计编号为B1、B2、B3…B10，C50试块上电阻应变计编号为C1、C2、C3…C10，试验选用BX120-10AA电阻应变计，Y2539静态电阻应变仪(量程：0～15 000με)。

图1 应变计布置图

2 试验结果与分析

2.1 切缝PVC管导向静态破裂试验

试验开始后，配置水剂比为0.25的静态破碎剂对C30、C40和C50混凝土试块同时进行快速灌孔，灌孔完成后开始试验计时，每隔15s通过静态电阻应变仪记录一次数值。同时对混凝土试块表面裂纹的扩展以及裂纹的宽度进行拍照和记录。试验结束后破裂效果如图2所示。通过图2可以看出，使用切缝PVC管导向可以较好的控制主裂纹的方向，避免药孔周围出现其他裂纹。

(a) C30最终破裂效果图 (b) C40最终破裂效果图 (c) C50最终破裂效果图图2 切缝PVC管导向致裂最终效果图

C30、C40和C50三种混凝土试块使用切缝PVC管导向致裂后，破裂块数、静态破裂剂反应完全后最大裂纹的宽度和裂纹条数如表1所示。

由表1可知，使用切缝PVC管导向致裂混凝土试块，破裂完成后最大裂纹的宽度随着混凝土试块强度的提高而减小。

表1 使用切缝PVC管导向破裂效果对比

2.2 非导向静态破裂试验

不使用导向技术，分别对C30、C40和C50的混凝土试块进行静态破裂试验，试验结果如图3所示。由图3可知，不使用导向技术时三种不同强度的混凝土试块破裂时主裂纹的方向很难控制，并且每个药孔周围都有随机产生的裂纹，是由于混凝土的不均匀性以及膨胀的非均匀性导致的。因此不使用导向技术，混凝土静态破裂时裂纹难以控制和预见。

(a) C30非导向最终破裂效果图 (b) C40非导向最终破裂效果图 (c) C50非导向最终破裂效果图图3 非导向最终破裂效果图

C30、C40和C50三种混凝土破裂块数、静态破裂剂反应完全后裂纹最大宽度和裂纹条数如表2所示。由表2可知，不使用导向技术破裂时，随着混凝土强度的提高，破裂完成时裂纹最大的宽度逐渐减小。

表2 不使用导向技术破裂效果对比

对比表1和表2，可以发现使用切缝PVC管导向静态破裂在静态破碎剂反应完成后，各强度混凝土试块表面的裂纹条数以及破碎块数明显低于非导向静态破裂。因此使用切缝PVC管导向静态破裂能够有效避免钻孔周围出现除主裂纹外的其他裂纹。

3 应变分析

图4为C30混凝土试块X和Y方向上测点记录应变-时间变化曲线。由图4(a)可知，测点A7在448min时发生应变值突变，由拉应力作用变成受压应力作用。测点A1在585min时发生应变值突变，由受拉力作用变成受压力作用，这时裂纹3已经快要扩展到左侧自由面。由图4(b)可知，测点A4在456min时应变值快速增加，在485min时达到最大值0.003。C30混凝土试块裂纹可见时，发现裂纹3的走向就在测点A4的附近，导致测点A4应变值变化较大。测点A10一直受压应力作用，在465min时发生应变值突变，由于混凝土试块表面出现裂纹时会导致试块表面某些应变计发生应变值突变，结合测点A4和A7的变化以及在试验进行460min时观察到裂纹1和裂纹2出现，因此C30双孔混凝土试块的起裂时间为450min左右。

(a) C30混凝土试块X方向上应变-时间曲线

(b) C30混凝土试块Y方向上应变-时间曲线图4 C30混凝土试块的应变-时间曲线

图5为C40双孔混凝土试块X和Y方向上测点记录应变-时间变化曲线。由图5可知，596min时测点B1、B3、B7和B9发生应变值突变。结合Y方向上B2、B4、B8和B10都在596min时发生应变值突变以及600min时观察到裂纹1、2、3出现，因此C40混凝土试块的起裂时间为596min。B7在864min时由于裂纹2扩展到下方，导致应变片被破坏，应变值达到可测最大值。在Y方向上测点B2、B8和B10前期都是受拉应力作用，测点B4和B6都是受压应力作用。试验进行650min左右，测点B2、B8和B10应变值同样陆续发生突变。结合试验进行660min时观察到裂纹4开始萌发，判断在650min左右由于裂纹4的出现使得测点应变值发生突变。

图6为C50双孔混凝土试块X和Y方向上测点记录应变-时间变化曲线。由图6可知，测点C1、C3、C9、C5在594min时由于试块表面出现裂纹导致应变值发生大幅度突变。Y方向上的测点C2、C4、C6、C8和C10同样也都是在594min时应变值发生大幅度突变。结合600min时观察到C50试块出现明显裂纹1和裂纹2，因此C50混凝土试块的起裂时间为594min。测点C2在594min时由于裂纹出现在应变计方位导致应变计被拉断使得应变值达到可测最大值。

(a) C40混凝土试块X方向上应变-时间曲线

(b) C40混凝土试块Y方向上应变-时间曲线图5 C40混凝土试块的应变-时间曲线

(a) C50混凝土试块X方向上应变-时间曲线

(b) C50混凝土试块Y方向上应变-时间曲线图6 C50混凝土试块的应变-时间曲线

混凝土强度等级导向起裂时间/min非导向起裂时间/minC30450348C40596420C50594569

不同强度混凝土试块使用切缝PVC管导向致裂的起裂时间和非导向起裂时间如表3所示。使用切缝PVC管导向致裂混凝土试块的起裂时间比非导向破裂时延长，裂纹宽度减少。这是因为PVC管是塑性材料，静态破碎剂通过PVC管对混凝土试块施加作用力，这个过程中间会消耗一部分能量。另外由于使用切缝PVC管导向致裂时，静态破碎剂反应产生的膨胀力可以通过PVC管均匀的传至孔壁，并且会在PVC管切缝处产生应力集中，避免了非切缝方向出现裂纹。由于混凝土的不均匀性，当混凝土试块在导向方向内部缺陷并非最少区域时，则破裂需要更长的时间积累更多能量。

4 结 论

(1)对比不使用导向技术，切缝PVC管在导向静态致裂混凝土试块时可以达到较好产生主裂纹方向的作用，同时可以有效减少药孔周围出现非PVC管切缝方向的裂缝，可适用于岩石、混凝土等脆性材料的定向破裂和切割。

(2)使用切缝PVC管导向静态破裂混凝土试块相比不使用导向技术，裂纹数目减少，起裂时间延长，破裂完成时最大裂纹宽度减小。

(3)试验应变-时间曲线验证了切缝PVC管导向静态破裂不同强度混凝土试块的主裂纹产生过程。

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