混凝土厚板靜態(tài)破碎試驗(yàn)研究

姜智盛，鄭文忠，李瑞森，王 英

(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)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

靜態(tài)破碎技術(shù)是將按一定水劑比攪拌好的靜態(tài)破碎劑(static crushing agent，簡(jiǎn)稱SCA)漿體灌入巖石或混凝土的鉆孔中，其結(jié)硬過(guò)程中的體積膨脹會(huì)使孔壁受到環(huán)向膨脹壓力，進(jìn)而導(dǎo)致巖石或混凝土這類抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低的脆性材料產(chǎn)生明顯的裂縫擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)破碎的技術(shù)。與其他拆除方法相比，靜態(tài)破碎技術(shù)具有安全、施工簡(jiǎn)單、無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)粉塵、無(wú)有害氣體等優(yōu)勢(shì)[1-3]。

為促進(jìn)靜態(tài)破碎技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)者們進(jìn)行了相應(yīng)的研究。謝益盛等[4]基于電阻應(yīng)變法探究了水劑比對(duì)膨脹壓應(yīng)力的影響，研究指出水劑比越小(0.25～0.43)，破碎劑產(chǎn)生的膨脹壓應(yīng)力越大。謝益盛等[4]、李瑞森等[5]、Laefer等[6]、鄭志濤等[7]基于電阻應(yīng)變法(文獻(xiàn)[4]中鋼管的高度為500 mm，內(nèi)徑分別為30、40、50、60 mm；文獻(xiàn)[5]中鋼管的高度為500 mm，內(nèi)徑分別為30、40、50 mm；文獻(xiàn)[6]中鋼管的高度為500 mm，內(nèi)徑分別為50.8、76.2、101.6 mm；文獻(xiàn)[7]中鋼管的高度為1 000 mm，內(nèi)徑分別為32、38、48、58、72 mm)探究了孔徑對(duì)膨脹壓應(yīng)力的影響，研究指出孔徑越大，膨脹壓應(yīng)力的發(fā)展越快，膨脹壓應(yīng)力的峰值越大。Natanzi等[8]基于電阻應(yīng)變法探究了環(huán)境溫度(2～19 ℃)對(duì)破碎劑水化反應(yīng)進(jìn)程的影響，研究指出環(huán)境溫度越高，水化反應(yīng)越劇烈，水化熱峰值和膨脹壓應(yīng)力峰值均隨之增大。崔年生等[9]通過(guò)素混凝土塊體的靜態(tài)破碎試驗(yàn)探究了水劑比和混凝土強(qiáng)度對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，研究指出水劑比越小(0.25～0.35)、待破碎混凝土強(qiáng)度越低，裂縫產(chǎn)生的越早并且擴(kuò)展速度越快。李巖[10]通過(guò)素混凝土塊體的靜態(tài)破碎試驗(yàn)探究了混凝土強(qiáng)度對(duì)破碎效果的影響，研究指出隨著混凝土強(qiáng)度提高，開裂時(shí)間延后，并且產(chǎn)生裂縫的條數(shù)減少。郝大寬等[11]基于RFPA2D軟件模擬了雙孔下素混凝土靜態(tài)破碎的裂縫發(fā)展過(guò)程，研究指出孔徑一定的條件下，孔間距越小越容易形成連通裂縫。

分析學(xué)者們已有的研究成果發(fā)現(xiàn)，尚缺少對(duì)孔深和外圍孔與內(nèi)孔灌入破碎劑漿體的間隔時(shí)間對(duì)破碎效果影響的研究。因此，本文將孔深和外圍孔與內(nèi)孔灌入破碎劑漿體的間隔時(shí)間作為研究對(duì)象，考察二者在破碎混凝土厚板時(shí)對(duì)破碎效果的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

靜態(tài)破碎試驗(yàn)用7個(gè)混凝土厚板的試件設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。各試件配筋形式均為：在混凝土厚板頂部和底部各配置一層鋼筋牌號(hào)為HRB400、直徑為12 mm、間距為200 mm的水平鋼筋網(wǎng)，水平鋼筋網(wǎng)的混凝土保護(hù)層厚度為25 mm，見(jiàn)圖1。參考工程經(jīng)驗(yàn)與課題組前期的研究結(jié)果[12]，將孔徑取為40 mm，孔間距取為300 mm。使用鑿巖機(jī)垂直于厚板頂面鉆孔，采用“4×4”的布孔形式。因鋼筋會(huì)限制裂縫的發(fā)展，導(dǎo)致混凝土無(wú)法酥碎[13-14]，本次試驗(yàn)采用課題組前期研究得到的去除鋼筋約束的方法，即使用墻鋸沿孔連線及其延長(zhǎng)線雙向切斷厚板上部的水平縱筋[14]，厚板試件的布孔示意見(jiàn)圖2，切斷鋼筋后的實(shí)物見(jiàn)圖3。為探究孔深對(duì)破碎效果的影響，試件S-1、S-2、S-3和S-4的孔深分別取為板厚的90%、80%、70%和60%。為探究外圍孔和內(nèi)孔灌入破碎劑漿體的間隔時(shí)間對(duì)破碎效果的影響規(guī)律，試件S-5、S-6和S-7的孔深均為板厚的80%，外圍孔先灌入破碎劑漿體，分別間隔1 h、2 h和3 h后再向內(nèi)孔灌入破碎劑漿體。試件S-1～S-7對(duì)應(yīng)的混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度均為41.6 MPa。

表1 混凝土厚板試件設(shè)計(jì)

圖1 混凝土厚板配筋

圖2 混凝土厚板布孔示意

圖3 混凝土厚板切斷鋼筋后實(shí)物

試驗(yàn)用靜態(tài)破碎劑為施必達(dá)(大連)公司生產(chǎn)的S-611石灰型無(wú)聲爆破劑，參考破碎劑的使用說(shuō)明，并為保障攪拌后漿體的流動(dòng)性和破碎劑結(jié)硬產(chǎn)生所需的膨脹壓力，將水劑比取為0.3。采用JC 506—2008《無(wú)聲破碎劑》中的電阻應(yīng)變測(cè)量法(將破碎劑漿體灌入直徑為40 mm、高度為500 mm、壁厚為5.35 mm且封底的鋼管(直立放置)中，測(cè)定鋼管外表面的拉伸應(yīng)變，基于彈性理論(均勻內(nèi)外載荷作用下厚壁鋼管的切向和徑向應(yīng)變與所受的壓力呈一定的函數(shù)關(guān)系)[6]推導(dǎo)出的計(jì)算公式便可得到鋼管內(nèi)壁受到的環(huán)向膨脹壓應(yīng)力)獲得了距鋼管頂部100、250和400 mm處徑向膨脹壓應(yīng)力的時(shí)程曲線，見(jiàn)圖4(分析圖中曲線下降的原因?yàn)椋轰摴茉囼?yàn)在水箱中進(jìn)行，水箱中水的溫度低于室溫，將鋼管放入水箱時(shí)破碎劑漿體還未凝結(jié)，鋼管受冷收縮，應(yīng)變?cè)谇捌跒樨?fù)值，曲線下降，破碎劑漿體凝結(jié)結(jié)硬后，對(duì)鋼管內(nèi)壁的膨脹壓應(yīng)力逐漸增大，曲線上升)。此外，水劑比為0.3時(shí)，S-611型無(wú)聲爆破劑的自由體積膨脹率為310%。本次試驗(yàn)的灌藥時(shí)間為2020年9月13日7:30，鉆孔灌入破碎劑漿體后未采取封孔措施，每間隔一定時(shí)間測(cè)量并記錄裂縫的發(fā)展。試驗(yàn)期間白天的平均溫度為20 ℃，夜間的平均溫度為13 ℃。

圖4 膨脹壓應(yīng)力時(shí)程曲線

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

試件S-1、S-2、S-3：鉆孔灌入靜態(tài)破碎劑漿體5 h時(shí)試件頂面切縫的寬度開始增大。隨著時(shí)間的推移，切縫的寬度繼續(xù)增大，同時(shí)裂縫逐漸向下延伸至試件底部。試件的整體裂縫發(fā)展趨勢(shì)主要沿切縫發(fā)展，但會(huì)存在兩孔之間切縫寬度增長(zhǎng)不明顯的情況。試件S-1、S-2和S-3頂面的裂縫發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖5～7。

圖5 S-1裂縫發(fā)展過(guò)程

圖6 S-2裂縫發(fā)展過(guò)程

圖7 S-3裂縫發(fā)展過(guò)程

試件S-4：鉆孔灌入靜態(tài)破碎劑漿體5 h時(shí)試件頂面切縫的寬度開始增大。隨著時(shí)間的推移，切縫寬度繼續(xù)增大，角部區(qū)域的混凝土先在距試件底部10～20 cm處脫落。隨后，邊孔連線以外其他區(qū)域的混凝土也在距試件底部10～20 cm處脫落，裂縫未能向下延伸到試件底部。試件的整體裂縫發(fā)展趨勢(shì)主要沿切縫發(fā)展。試件S-4頂面的裂縫發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖8。

圖8 S-4裂縫發(fā)展過(guò)程

試件S-5、S-6、S-7：鉆孔灌入靜態(tài)破碎劑漿體5 h時(shí)試件頂面外圍切縫的寬度先開始增大。隨著時(shí)間的推移，外圍切縫的寬度繼續(xù)增大，內(nèi)部切縫寬度也開始增大。破碎劑水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，切縫寬度繼續(xù)增大，同時(shí)裂縫逐漸向下延伸至試件底部。試件的整體裂縫發(fā)展趨勢(shì)主要沿切縫發(fā)展，但會(huì)存在兩孔之間切縫寬度增長(zhǎng)不明顯的情況。試件S-5、S-6和S-7頂面的裂縫發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖9～11。

圖9 S-5裂縫發(fā)展過(guò)程

圖10 S-6裂縫發(fā)展過(guò)程

圖11 S-7裂縫發(fā)展過(guò)程

綜合分析上述混凝土厚板試件的試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：因切割鋼筋會(huì)對(duì)試件造成缺陷，上述厚板試件的裂縫均在切縫處發(fā)展；孔深為板厚的60%時(shí)，裂縫已無(wú)法向下延伸到試件底部；孔深為板厚的70%、80%和90%時(shí)，破碎后形成塊體的最小短邊尺寸和最大長(zhǎng)邊尺寸相近；孔深為板厚的80%時(shí),破碎后形成塊體的數(shù)量最多；外圍孔與內(nèi)孔間隔灌入破碎劑漿體時(shí)，試件外圍切縫先開始發(fā)展，隨后內(nèi)部切縫發(fā)展；外圍孔與內(nèi)孔間隔灌入破碎劑漿體與所有鉆孔同時(shí)灌入破碎劑漿體相比，破碎后形成塊體的數(shù)量、最小短邊尺寸和最大長(zhǎng)邊尺寸相近。

3 孔深和灌漿間隔時(shí)間對(duì)破碎效果的影響

3.1 孔深對(duì)破碎效果的影響

因試驗(yàn)過(guò)程中試件S-4外圍區(qū)域的混凝土脫落，本部分使用厚板頂面內(nèi)部區(qū)域裂縫面積比(β)來(lái)表示厚板試件的破碎效果，β為厚板頂面內(nèi)部區(qū)域(扣除邊孔連線以外的區(qū)域)切縫面積(切縫長(zhǎng)度×切縫寬度)之和與厚板頂面內(nèi)部區(qū)域面積之比。基于試件S-1、S-2、S-3和S-4的試驗(yàn)結(jié)果，建立以β為縱坐標(biāo)、鉆孔灌入破碎劑漿體后經(jīng)歷的時(shí)間(t)為橫坐標(biāo)的時(shí)程曲線，見(jiàn)圖 12。同時(shí)，為分析孔深對(duì)破碎效果的影響，建立以β為縱坐標(biāo)、孔深(h/H)為橫坐標(biāo)的影響曲線，見(jiàn)圖13。

圖13 孔深對(duì)裂縫面積比的影響

由圖12、13可知：開裂后，裂縫面積比隨著時(shí)間推移而不斷增大，前期發(fā)展快，后期發(fā)展緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定；孔深由板厚的70%增長(zhǎng)至90%時(shí)，裂縫面積比呈上升趨勢(shì)；破碎劑漿體灌入鉆孔50 h后，裂縫面積比已近乎不再增長(zhǎng)，可認(rèn)為此時(shí)裂縫發(fā)展已穩(wěn)定，孔深由板厚的70%增長(zhǎng)至80%時(shí)，裂縫面積比提高10.9%，孔深由板厚的80%增至90%時(shí)，裂縫面積比提高5.5%；孔深由板厚的60%增長(zhǎng)至70%時(shí)，裂縫面積比呈下降趨勢(shì)，分析原因?yàn)椋嚎咨顬榘搴?0%時(shí)，板厚為800 mm，裂縫可以延伸至試件底部，試件底部的水平鋼筋網(wǎng)仍然連通限制裂縫開展，而孔深為板厚的60%時(shí)，板厚為900 mm，裂縫已無(wú)法向下延伸至試件底部，裂縫從根部向上呈三角形，導(dǎo)致最終的裂縫面積比優(yōu)于孔深為板厚70%時(shí)的裂縫面積比，但因厚板底部的約束作用，其最終的裂縫面積比差于孔深為板厚80%和90%時(shí)的裂縫面積比。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議破碎混凝土厚板時(shí)，孔深取為板厚的80%。

圖12 裂縫面積比時(shí)程曲線(S-1～S-4)

3.2 灌漿間隔時(shí)間對(duì)破碎效果的影響

為便于分析，將厚板試件分為角部區(qū)域、邊部區(qū)域和中部區(qū)域3個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖14。本部分使用厚板頂面裂縫面積比(β1)、厚板頂面角部區(qū)域裂縫面積比(β2)、厚板頂面邊部區(qū)域裂縫面積比(β3)、厚板頂面中部區(qū)域裂縫面積比(β4)來(lái)表示厚板試件的破碎效果，其中β1為厚板頂面切縫面積(切縫長(zhǎng)度×切縫寬度)之和與厚板頂面面積之比，β2為厚板頂面角部區(qū)域切縫面積(切縫長(zhǎng)度×切縫寬度)之和與厚板頂面角部區(qū)域面積之比，β3為厚板頂面邊部區(qū)域切縫面積(切縫長(zhǎng)度×切縫寬度)之和與厚板頂面邊部區(qū)域面積之比，β4為厚板頂面中部區(qū)域切縫面積(切縫長(zhǎng)度×切縫寬度)之和與厚板頂面中部區(qū)域面積之比。基于試件S-2、S-5、S-6和S-7的試驗(yàn)結(jié)果，建立以β1為縱坐標(biāo)、外圍孔灌入破碎劑漿體后經(jīng)歷的時(shí)間(t)為橫坐標(biāo)的時(shí)程曲線，見(jiàn)圖15。同時(shí)，為分析外圍孔與內(nèi)孔灌入破碎劑漿體的間隔時(shí)間對(duì)破碎效果的影響，建立以β2、β3和β4為縱坐標(biāo)、外圍孔與內(nèi)孔灌入破碎劑漿體的間隔時(shí)間(T)為橫坐標(biāo)的影響曲線，見(jiàn)圖16～18。

圖14 各區(qū)域示意

圖15 裂縫面積比時(shí)程曲線(S-2、S-5～S-7)

圖16 灌漿間隔時(shí)間對(duì)角部區(qū)域裂縫面積比的影響

圖17 灌漿間隔時(shí)間對(duì)邊部區(qū)域裂縫面積比的影響

圖18 灌漿間隔時(shí)間對(duì)中部區(qū)域裂縫面積比的影響

由圖15～18可知：開裂后，裂縫面積比隨著時(shí)間推移而不斷增大，前期發(fā)展快，后期發(fā)展緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定；外圍孔與內(nèi)孔灌入破碎劑漿體間隔時(shí)間為1 h和所有鉆孔同時(shí)灌入破碎劑漿體相比，裂縫面積比的時(shí)程曲線相近；外圍孔與內(nèi)孔灌入破碎劑漿體間隔時(shí)間為2 h和3 h與所有鉆孔同時(shí)灌入破碎劑漿體相比，裂縫面積比增大；鉆孔灌入破碎劑漿體50 h后，裂縫面積比已近乎不再增長(zhǎng)，可認(rèn)為此時(shí)裂縫發(fā)展已穩(wěn)定，與所有鉆孔同時(shí)灌入破碎劑漿體相比，外圍孔與內(nèi)孔灌入破碎劑漿體間隔時(shí)間為2 h時(shí)，角部區(qū)域裂縫面積比提高75.2%，邊部區(qū)域裂縫面積比提高32.7%，中部區(qū)域裂縫面積比提高3.5%，外圍孔與內(nèi)孔灌入破碎劑漿體間隔時(shí)間為3 h時(shí)，角部區(qū)域裂縫面積比提高81.1%，邊部區(qū)域裂縫面積比提高43.8%，中部區(qū)域裂縫面積比提高11.2%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議采用先外圍孔灌入破碎劑漿體，待外圍孔內(nèi)漿體結(jié)硬膨脹后再向內(nèi)孔灌入破碎劑漿體的方法，或待外圍混凝土破碎并清理完成后，再進(jìn)行內(nèi)部區(qū)域的破碎。

4 結(jié) 論

1)孔深小于板厚的70%時(shí)，裂縫已無(wú)法延伸至試件底部，孔深由板厚的70%增至板厚的90%時(shí)，裂縫面積比增大，破碎后形成塊體的最小短邊尺寸與最大長(zhǎng)邊尺寸相近，孔深為板厚的80%時(shí)，破碎后形成塊體的數(shù)量最多。

2)先外圍孔灌入破碎劑漿體，經(jīng)歷一段時(shí)間漿體結(jié)硬膨脹后再向內(nèi)孔灌入破碎劑漿體，與所有鉆孔同時(shí)灌入破碎劑漿體相比，破碎后形成塊體的數(shù)量、最小短邊尺寸與最大長(zhǎng)邊尺寸相近，裂縫面積比增大，其中對(duì)外圍區(qū)域的提高比對(duì)內(nèi)部區(qū)域的提高明顯。

3)基于試驗(yàn)結(jié)果，建議破碎混凝土厚板時(shí)：孔深取為板厚的80%；宜采用先外圍孔灌入破碎劑漿體，待外圍孔內(nèi)漿體結(jié)硬膨脹后再向內(nèi)孔灌入破碎劑漿體的方法，或可待外圍區(qū)域混凝土破碎完成后，再進(jìn)行內(nèi)部區(qū)域的破碎。