混凝土厚板靜態破碎試驗研究

姜智盛，鄭文忠，李瑞森，王 英

(1.結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150090；2.土木工程智能防災減災工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150090)

靜態破碎技術是將按一定水劑比攪拌好的靜態破碎劑(static crushing agent，簡稱SCA)漿體灌入巖石或混凝土的鉆孔中，其結硬過程中的體積膨脹會使孔壁受到環向膨脹壓力，進而導致巖石或混凝土這類抗拉強度相對較低的脆性材料產生明顯的裂縫擴展，從而實現破碎的技術。與其他拆除方法相比，靜態破碎技術具有安全、施工簡單、無噪音、無振動、無粉塵、無有害氣體等優勢[1-3]。

為促進靜態破碎技術的應用，學者們進行了相應的研究。謝益盛等[4]基于電阻應變法探究了水劑比對膨脹壓應力的影響，研究指出水劑比越小(0.25～0.43)，破碎劑產生的膨脹壓應力越大。謝益盛等[4]、李瑞森等[5]、Laefer等[6]、鄭志濤等[7]基于電阻應變法(文獻[4]中鋼管的高度為500 mm，內徑分別為30、40、50、60 mm；文獻[5]中鋼管的高度為500 mm，內徑分別為30、40、50 mm；文獻[6]中鋼管的高度為500 mm，內徑分別為50.8、76.2、101.6 mm；文獻[7]中鋼管的高度為1 000 mm，內徑分別為32、38、48、58、72 mm)探究了孔徑對膨脹壓應力的影響，研究指出孔徑越大，膨脹壓應力的發展越快，膨脹壓應力的峰值越大。Natanzi等[8]基于電阻應變法探究了環境溫度(2～19 ℃)對破碎劑水化反應進程的影響，研究指出環境溫度越高，水化反應越劇烈，水化熱峰值和膨脹壓應力峰值均隨之增大。崔年生等[9]通過素混凝土塊體的靜態破碎試驗探究了水劑比和混凝土強度對裂縫擴展的影響，研究指出水劑比越小(0.25～0.35)、待破碎混凝土強度越低，裂縫產生的越早并且擴展速度越快。李巖[10]通過素混凝土塊體的靜態破碎試驗探究了混凝土強度對破碎效果的影響，研究指出隨著混凝土強度提高，開裂時間延后，并且產生裂縫的條數減少。郝大寬等[11]基于RFPA2D軟件模擬了雙孔下素混凝土靜態破碎的裂縫發展過程，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。

分析學者們已有的研究成果發現，尚缺少對孔深和外圍孔與內孔灌入破碎劑漿體的間隔時間對破碎效果影響的研究。因此，本文將孔深和外圍孔與內孔灌入破碎劑漿體的間隔時間作為研究對象，考察二者在破碎混凝土厚板時對破碎效果的影響規律。

1 試驗概況

靜態破碎試驗用7個混凝土厚板的試件設計見表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為HRB400、直徑為12 mm、間距為200 mm的水平鋼筋網，水平鋼筋網的混凝土保護層厚度為25 mm，見圖1。參考工程經驗與課題組前期的研究結果[12]，將孔徑取為40 mm，孔間距取為300 mm。使用鑿巖機垂直于厚板頂面鉆孔，采用“4×4”的布孔形式。因鋼筋會限制裂縫的發展，導致混凝土無法酥碎[13-14]，本次試驗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圖2，切斷鋼筋后的實物見圖3。為探究孔深對破碎效果的影響，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%。為探究外圍孔和內孔灌入破碎劑漿體的間隔時間對破碎效果的影響規律，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后再向內孔灌入破碎劑漿體。試件S-1～S-7對應的混凝土標準立方體抗壓強度均為41.6 MPa。

表1 混凝土厚板試件設計

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物

試驗用靜態破碎劑為施必達(大連)公司生產的S-611石灰型無聲爆破劑，參考破碎劑的使用說明，并為保障攪拌后漿體的流動性和破碎劑結硬產生所需的膨脹壓力，將水劑比取為0.3。采用JC 506—2008《無聲破碎劑》中的電阻應變測量法(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，測定鋼管外表面的拉伸應變，基于彈性理論(均勻內外載荷作用下厚壁鋼管的切向和徑向應變與所受的壓力呈一定的函數關系)[6]推導出的計算公式便可得到鋼管內壁受到的環向膨脹壓應力)獲得了距鋼管頂部100、250和400 mm處徑向膨脹壓應力的時程曲線，見圖4(分析圖中曲線下降的原因為：鋼管試驗在水箱中進行，水箱中水的溫度低于室溫，將鋼管放入水箱時破碎劑漿體還未凝結，鋼管受冷收縮，應變在前期為負值，曲線下降，破碎劑漿體凝結結硬后，對鋼管內壁的膨脹壓應力逐漸增大，曲線上升)。此外，水劑比為0.3時，S-611型無聲爆破劑的自由體積膨脹率為310%。本次試驗的灌藥時間為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，每間隔一定時間測量并記錄裂縫的發展。試驗期間白天的平均溫度為20 ℃，夜間的平均溫度為13 ℃。

圖4 膨脹壓應力時程曲線

2 試驗現象及分析

試件S-1、S-2、S-3：鉆孔灌入靜態破碎劑漿體5 h時試件頂面切縫的寬度開始增大。隨著時間的推移，切縫的寬度繼續增大，同時裂縫逐漸向下延伸至試件底部。試件的整體裂縫發展趨勢主要沿切縫發展，但會存在兩孔之間切縫寬度增長不明顯的情況。試件S-1、S-2和S-3頂面的裂縫發展過程見圖5～7。

圖5 S-1裂縫發展過程

圖6 S-2裂縫發展過程

圖7 S-3裂縫發展過程

試件S-4：鉆孔灌入靜態破碎劑漿體5 h時試件頂面切縫的寬度開始增大。隨著時間的推移，切縫寬度繼續增大，角部區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。試件的整體裂縫發展趨勢主要沿切縫發展。試件S-4頂面的裂縫發展過程見圖8。

圖8 S-4裂縫發展過程

試件S-5、S-6、S-7：鉆孔灌入靜態破碎劑漿體5 h時試件頂面外圍切縫的寬度先開始增大。隨著時間的推移，外圍切縫的寬度繼續增大，內部切縫寬度也開始增大。破碎劑水化反應繼續進行，切縫寬度繼續增大，同時裂縫逐漸向下延伸至試件底部。試件的整體裂縫發展趨勢主要沿切縫發展，但會存在兩孔之間切縫寬度增長不明顯的情況。試件S-5、S-6和S-7頂面的裂縫發展過程見圖9～11。

圖9 S-5裂縫發展過程

圖10 S-6裂縫發展過程

圖11 S-7裂縫發展過程

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

3 孔深和灌漿間隔時間對破碎效果的影響

3.1 孔深對破碎效果的影響

因試驗過程中試件S-4外圍區域的混凝土脫落，本部分使用厚板頂面內部區域裂縫面積比(β)來表示厚板試件的破碎效果，β為厚板頂面內部區域(扣除邊孔連線以外的區域)切縫面積(切縫長度×切縫寬度)之和與厚板頂面內部區域面積之比。基于試件S-1、S-2、S-3和S-4的試驗結果，建立以β為縱坐標、鉆孔灌入破碎劑漿體后經歷的時間(t)為橫坐標的時程曲線，見圖 12。同時，為分析孔深對破碎效果的影響，建立以β為縱坐標、孔深(h/H)為橫坐標的影響曲線，見圖13。

圖13 孔深對裂縫面積比的影響

由圖12、13可知：開裂后，裂縫面積比隨著時間推移而不斷增大，前期發展快，后期發展緩慢并逐漸趨于穩定；孔深由板厚的70%增長至90%時，裂縫面積比呈上升趨勢；破碎劑漿體灌入鉆孔50 h后，裂縫面積比已近乎不再增長，可認為此時裂縫發展已穩定，孔深由板厚的70%增長至80%時，裂縫面積比提高10.9%，孔深由板厚的80%增至90%時，裂縫面積比提高5.5%；孔深由板厚的60%增長至70%時，裂縫面積比呈下降趨勢，分析原因為：孔深為板厚70%時，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仍然連通限制裂縫開展，而孔深為板厚的60%時，板厚為900 mm，裂縫已無法向下延伸至試件底部，裂縫從根部向上呈三角形，導致最終的裂縫面積比優于孔深為板厚70%時的裂縫面積比，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%時的裂縫面積比。根據試驗結果，建議破碎混凝土厚板時，孔深取為板厚的80%。

圖12 裂縫面積比時程曲線(S-1～S-4)

3.2 灌漿間隔時間對破碎效果的影響

為便于分析，將厚板試件分為角部區域、邊部區域和中部區域3個區域，見圖14。本部分使用厚板頂面裂縫面積比(β1)、厚板頂面角部區域裂縫面積比(β2)、厚板頂面邊部區域裂縫面積比(β3)、厚板頂面中部區域裂縫面積比(β4)來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為厚板頂面角部區域切縫面積(切縫長度×切縫寬度)之和與厚板頂面角部區域面積之比，β3為厚板頂面邊部區域切縫面積(切縫長度×切縫寬度)之和與厚板頂面邊部區域面積之比，β4為厚板頂面中部區域切縫面積(切縫長度×切縫寬度)之和與厚板頂面中部區域面積之比。基于試件S-2、S-5、S-6和S-7的試驗結果，建立以β1為縱坐標、外圍孔灌入破碎劑漿體后經歷的時間(t)為橫坐標的時程曲線，見圖15。同時，為分析外圍孔與內孔灌入破碎劑漿體的間隔時間對破碎效果的影響，建立以β2、β3和β4為縱坐標、外圍孔與內孔灌入破碎劑漿體的間隔時間(T)為橫坐標的影響曲線，見圖16～18。

圖14 各區域示意

圖15 裂縫面積比時程曲線(S-2、S-5～S-7)

圖16 灌漿間隔時間對角部區域裂縫面積比的影響

圖17 灌漿間隔時間對邊部區域裂縫面積比的影響

圖18 灌漿間隔時間對中部區域裂縫面積比的影響

由圖15～18可知：開裂后，裂縫面積比隨著時間推移而不斷增大，前期發展快，后期發展緩慢并逐漸趨于穩定；外圍孔與內孔灌入破碎劑漿體間隔時間為1 h和所有鉆孔同時灌入破碎劑漿體相比，裂縫面積比的時程曲線相近；外圍孔與內孔灌入破碎劑漿體間隔時間為2 h和3 h與所有鉆孔同時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，可認為此時裂縫發展已穩定，與所有鉆孔同時灌入破碎劑漿體相比，外圍孔與內孔灌入破碎劑漿體間隔時間為2 h時，角部區域裂縫面積比提高75.2%，邊部區域裂縫面積比提高32.7%，中部區域裂縫面積比提高3.5%，外圍孔與內孔灌入破碎劑漿體間隔時間為3 h時，角部區域裂縫面積比提高81.1%，邊部區域裂縫面積比提高43.8%，中部區域裂縫面積比提高11.2%。根據試驗結果，建議采用先外圍孔灌入破碎劑漿體，待外圍孔內漿體結硬膨脹后再向內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，再進行內部區域的破碎。

4 結 論

1)孔深小于板厚的70%時，裂縫已無法延伸至試件底部，孔深由板厚的70%增至板厚的90%時，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邊尺寸相近，孔深為板厚的80%時，破碎后形成塊體的數量最多。

2)先外圍孔灌入破碎劑漿體，經歷一段時間漿體結硬膨脹后再向內孔灌入破碎劑漿體，與所有鉆孔同時灌入破碎劑漿體相比，破碎后形成塊體的數量、最小短邊尺寸與最大長邊尺寸相近，裂縫面積比增大，其中對外圍區域的提高比對內部區域的提高明顯。

3)基于試驗結果，建議破碎混凝土厚板時：孔深取為板厚的80%；宜采用先外圍孔灌入破碎劑漿體，待外圍孔內漿體結硬膨脹后再向內孔灌入破碎劑漿體的方法，或可待外圍區域混凝土破碎完成后，再進行內部區域的破碎。