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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型靜態破碎劑進行室內靜態破碎實驗,觀察混凝土試件模型表面裂縫的擴展過程.實驗結果表明:模型強度相同時,隨著水劑比降低,裂縫出現越早,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,裂縫出現越早,裂縫擴展速度越快.

關鍵詞:靜態破碎;水劑比;拌合水溫;混凝土強度

靜態破碎又叫無聲破碎或無振破碎,是使用靜態破碎劑破碎巖石(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,隨著水化反應進行,膨脹與硬化同時發生,產生膨脹壓力對孔壁施壓,使被破碎體開裂、破壞[1].由于靜態破碎方法在破碎過程中不產生振動、沖擊波、飛石、噪音、粉塵和毒氣,所以廣泛應用于切割大理石、花崗巖或各種混凝土構筑物.自靜態破碎劑(SCA)問世以來,國內外學者對其作用機理、裂縫發展規律進行了大量研究.唐烈先[2]用物理和數值模擬實驗,對混凝土模型在靜態膨脹劑作用下裂縫擴展過程進行了研究.楊仁樹[3]采用高速攝影技術,進行了含有切槽孔混凝土試件在靜態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膨脹壓力.羅明坤等[5]研究了靜態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合的方法,研究了圓筒內靜態破碎劑的膨脹力學行為.Laefer等[7]研究了不同環境溫度對破碎體表面裂縫形成的影響,分析了外部環境溫度對破碎效果的影響.Shobeir等[8]基于孔距的經驗模型,利用數值模擬分析軟件和混凝土模型實驗,預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破碎的影響.因為正交實驗法的方案設計科學合理,不僅能夠最大限度地減少實驗次數,而且所統計的結果還可以判定影響因素的顯著性水平[9].

1實驗設計

1．1試件模型

根據實驗要求,按照«普通混凝土配合比設計規程»[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,室溫養護28d。

1．2正交實驗設計

正交實驗設計是利用正交表來選擇實驗條件,并利用正交表的特點進行數據分析,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℃.如果進行全面實驗,需要進行27次,而按照L9(33)正交表進行實驗,則只需要進行9次.

1．3實驗過程

在實驗室內進行實驗時,室內溫度定為15℃,選用HSCAGⅢ型靜態破碎劑.根據實驗要求,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,當試件模型出現第1條裂縫后,每隔10min使用游標卡尺測量裂縫寬度,當寬度達到25mm時停止.

2結果分析

各試件孔中SCA漿體隨著水化反應的進行,其體積發生膨脹,迅速擠壓孔壁,當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條裂縫發展過程實驗開始后,隨著SCA漿體水化反應的進行,強度為20MPa的混凝土模型(M20)表面開始出現裂縫,由于水劑比和拌合水溫的不同,出現第1條裂縫的時間也不同。

2．2水劑比相同時第1條裂縫發展過程從SCA漿體水化反應開始,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,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的先后順序,其對裂縫產生和發展的影響相對較小.

2．3水溫相同時第1條裂縫發展過程拌合溫度為10℃,SCA漿體水化反應分別進行到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,水劑比對裂縫產生和發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結論

1)單孔混凝土模型裂縫呈現放射形,一般出現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生和發展影響相對較小.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條裂縫出現的越早,裂縫擴展的速度越快;此外,水劑比對裂縫產生和發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任公司,2．遼寧科技大學礦業工程學院