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摘要:為了研究不同水劑比和不同水溫對不同強度的被破碎體靜態(tài)破碎效果的影響,以混凝土試件模型作為研究對象,采用正交實驗法確定基于水溫、水劑比以及混凝土強度的實驗方案,利用HSCAGⅢ型靜態(tài)破碎劑進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)破碎實驗,觀察混凝土試件模型表面裂縫的擴展過程.實驗結(jié)果表明:模型強度相同時,隨著水劑比降低,裂縫出現(xiàn)越早,裂縫擴展速度越快,拌合水溫影響較小;水劑比相同時,強度越低,裂縫出現(xiàn)越早,裂縫擴展速度越快,拌合水溫影響較小;水溫相同時,模型強度和水劑比越小,裂縫出現(xiàn)越早,裂縫擴展速度越快.

關(guān)鍵詞:靜態(tài)破碎;水劑比;拌合水溫;混凝土強度

靜態(tài)破碎又叫無聲破碎或無振破碎,是使用靜態(tài)破碎劑破碎巖石(或混凝土)的方法.它將膨脹劑與水按照一定比例攪拌均勻注入孔中靜置,隨著水化反應(yīng)進(jìn)行,膨脹與硬化同時發(fā)生,產(chǎn)生膨脹壓力對孔壁施壓,使被破碎體開裂、破壞[1].由于靜態(tài)破碎方法在破碎過程中不產(chǎn)生振動、沖擊波、飛石、噪音、粉塵和毒氣,所以廣泛應(yīng)用于切割大理石、花崗巖或各種混凝土構(gòu)筑物.自靜態(tài)破碎劑(SCA)問世以來,國內(nèi)外學(xué)者對其作用機理、裂縫發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了大量研究.唐烈先[2]用物理和數(shù)值模擬實驗,對混凝土模型在靜態(tài)膨脹劑作用下裂縫擴展過程進(jìn)行了研究.楊仁樹[3]采用高速攝影技術(shù),進(jìn)行了含有切槽孔混凝土試件在靜態(tài)破碎劑作用下的物理實驗.戴星航[4]采用軸向輸出和外管法測量兩種不同孔徑條件下靜態(tài)膨脹壓力.羅明坤等[5]研究了靜態(tài)破碎劑的組分及性能.彭建宇等[6]采用實驗與顆粒離散元模擬相結(jié)合的方法,研究了圓筒內(nèi)靜態(tài)破碎劑的膨脹力學(xué)行為.Laefer等[7]研究了不同環(huán)境溫度對破碎體表面裂縫形成的影響,分析了外部環(huán)境溫度對破碎效果的影響.Shobeir等[8]基于孔距的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?利用數(shù)值模擬分析軟件和混凝土模型實驗,預(yù)測了巖石的裂縫擴展過程.本文綜合考慮了水劑比、混凝土強度和拌合水溫等因素,采用正交實驗法確定基于水劑比、混凝土強度以及拌合水溫的實驗方案,來分析水劑比、強度和拌合水溫對靜態(tài)破碎的影響.因為正交實驗法的方案設(shè)計科學(xué)合理,不僅能夠最大限度地減少實驗次數(shù),而且所統(tǒng)計的結(jié)果還可以判定影響因素的顯著性水平[9].

1實驗設(shè)計

1．1試件模型

根據(jù)實驗要求,按照«普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程»[10],采用不同配比的水泥和沙子,分別制作強度為20、25、30MPa的單孔混凝土試件模型M20、M25、M30(見圖1).每個模型是一個15cm×15cm×15cm的立方體(見圖2),孔徑為30mm,室溫養(yǎng)護(hù)28d。

1．2正交實驗設(shè)計

正交實驗設(shè)計是利用正交表來選擇實驗條件,并利用正交表的特點進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,找出最好的實驗條件的方法[11].采用基于水劑比、混凝土強度以及拌合水溫的正交實驗方案,來分析這3種因素對靜態(tài)破碎的影響.混凝土強度、水劑比和拌合水溫都取3個水平,混凝土強度取值為20、25、30MPa,水劑比取值為0．25、0．30、0．35,拌合水溫取值為10、25、40℃.如果進(jìn)行全面實驗,需要進(jìn)行27次,而按照L9(33)正交表進(jìn)行實驗,則只需要進(jìn)行9次.

1．3實驗過程

在實驗室內(nèi)進(jìn)行實驗時,室內(nèi)溫度定為15℃,選用HSCAGⅢ型靜態(tài)破碎劑.根據(jù)實驗要求,在10、25、40℃水溫條件下,分別制備水劑比為0．25、0．30、0．35的SCA漿體.將SCA漿體攪拌均勻后,迅速添加到混凝土模型中心圓孔,實驗開始計時,當(dāng)試件模型出現(xiàn)第1條裂縫后,每隔10min使用游標(biāo)卡尺測量裂縫寬度,當(dāng)寬度達(dá)到25mm時停止.

2結(jié)果分析

各試件孔中SCA漿體隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,其體積發(fā)生膨脹,迅速擠壓孔壁,當(dāng)膨脹壓力大于混凝土材料的抗拉強度時,混凝土開裂。

2．1強度相同時第1條裂縫發(fā)展過程實驗開始后,隨著SCA漿體水化反應(yīng)的進(jìn)行,強度為20MPa的混凝土模型(M20)表面開始出現(xiàn)裂縫,由于水劑比和拌合水溫的不同,出現(xiàn)第1條裂縫的時間也不同。

2．2水劑比相同時第1條裂縫發(fā)展過程從SCA漿體水化反應(yīng)開始,分別在239、264、306min時,水劑比為0．25的實驗1、實驗4、實驗7混凝土模型上可以清晰地觀察到第1條主裂縫;實驗1從第1條裂縫出現(xiàn),到擴展至25mm用了170min;實驗4用了190min;實驗7用了210min,因此,實驗1第1條裂縫擴展速度大于實驗4和實驗7(見圖7).說明了隨著混凝土強度的增加,相同水劑比的混凝土模型第1條裂縫出現(xiàn)的時間越晚.對于拌合水溫,因拌合水溫的改變并不影響裂縫出現(xiàn)的先后順序,其對裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的影響相對較小.

2．3水溫相同時第1條裂縫發(fā)展過程拌合溫度為10℃,SCA漿體水化反應(yīng)分別進(jìn)行到239、284、316min時,實驗1、實驗6、實驗8混凝土模型上依次清晰地觀察到第1條主裂縫;從SCA漿體水化反應(yīng)開始第1條裂縫萌生到擴展到25mm時,實驗1裂縫擴展速度明顯大于實驗6和實驗8(見圖10).說明了隨著混凝土強度的增加,相同拌合水溫的混凝土模型第1條裂縫出現(xiàn)的時間越晚;對于水劑比,在拌合水溫一定時,水劑比對裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的影響比混凝土強度小.類似地,在拌合水溫25、40℃時也有相同的規(guī)律.6組混凝土模型上依次清晰地觀察到第1條主裂縫.在拌合水溫25℃時,實驗2裂縫擴展速度大于實驗4和實驗9;在拌合水溫40℃時。

3結(jié)論

1)單孔混凝土模型裂縫呈現(xiàn)放射形,一般出現(xiàn)3~4條裂縫,第1條裂縫寬度為40~55mm.2)在混凝土模型強度相同時,水劑比越低,模型第1條裂縫出現(xiàn)時間越早,同時裂縫的擴展速度越快,拌合水溫的影響相對較小.3)在水劑比一定的情況下,混凝土模型的強度越高,其第1條裂縫出現(xiàn)需要的時間越長,同時裂縫擴展速度越慢,而拌合水溫對裂縫產(chǎn)生和發(fā)展影響相對較小.4)在拌合水溫一定的情況下,混凝土模型強度越低,混凝土模型第1條裂縫出現(xiàn)的越早,裂縫擴展的速度越快;此外,水劑比對裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的影響要比混凝土強度小.

作者：崔年生1;張大寧2;郭連軍2;胡銀林2 單位：1．福建省新華都工程有限責(zé)任公司,2．遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院