混凝土静态破碎效果实验探析
摘要:为了研究不同水剂比和不同水温对不同强度的被破碎体静态破碎效果的影响,以混凝土试
件模型作为研究对象,采用正交实验法确定基于水温、水剂比以及混凝土强度的实验方案,利用 HSCAＧ
Ⅲ型静态破碎剂进行室内静态破碎实验,观察混凝土试件模型表面裂缝的扩展过程.实验结果表明:模型
强度相同时,随着水剂比降低,裂缝出现越早,裂缝扩展速度越快,拌合水温影响较小;水剂比相同时,强度
越低,裂缝出现越早,裂缝扩展速度越快,拌合水温影响较小;水温相同时,模型强度和水剂比越小,裂缝出
现越早,裂缝扩展速度越快.
关键词:静态破碎;水剂比;拌合水温;混凝土强度
静态破碎又叫无声破碎或无振破碎,是使用静态破碎剂破碎岩石(或混凝土)的方法.它将膨胀剂
与水按照一定比例搅拌均匀注入孔中静置,随着水化反应进行,膨胀与硬化同时发生,产生膨胀压力对孔
壁施压,使被破碎体开裂、破坏[１].由于静态破碎方法在破碎过程中不产生振动、冲击波、飞石、噪
音、粉尘和毒气,所以广泛应用于切割大理石、花岗岩或各种混凝土构筑物.自静态破碎剂(SCA)问世以
来,国内外学者对其作用机理、裂缝发展规律进行了大量研究.唐烈先[２]用物理和数值模拟实验,对混
凝土模型在静态膨胀剂作用下裂缝扩展过程进行了研究.杨仁树[３]采用高速摄影技术,进行了含有切槽
孔混凝土试件在静态破碎剂作用下的物理实验.戴星航[４]采用轴向输出和外管法测量两种不同孔径条
件下静态膨胀压力.罗明坤等[５]研究了静态破碎剂的组分及性能.彭建宇等[６]采用实验与颗粒离散元
模拟相结合的方法,研究了圆筒内静态破碎剂的膨胀力学行为.Laefer等[７]研究了不同环境温度对破
碎体表面裂缝形成的影响,分析了外部环境温度对破碎效果的影响.Shobeir等[８]基于孔距的经验模
型,利用数值模拟分析软件和混凝土模型实验,预测了岩石的裂缝扩展过程.本文综合考虑了水剂比、混
凝土强度和拌合水温等因素,采用正交实验法确定基于水剂比、混凝土强度以及拌合水温的实验方案,来
分析水剂比、强度和拌合水温对静态破碎的影响.因为正交实验法的方案设计科学合理,不仅能够最大限
度地减少实验次数,而且所统计的结果还可以判定影响因素的显著性水平[９].
１实验设计
１．１试件模型
根据实验要求,按照«普通混凝土配合比设计规程»[１０],采用不同配比的水泥和沙子,分别制作
强度为２０、２５、３０MPa的单孔混凝土试件模型 M２０、M２５、M３０(见图１).每个模型是一个１
５cm×１５cm×１５cm的立方体(见图２),孔径为３０mm,室温养护２８d。
１．２正交实验设计
正交实验设计是利用正交表来选择实验条件,并利用正交表的特点进行数据分析,找出最好的实
验条件的方法[１１].采用基于水剂比、混凝土强度以及拌合水温的正交实验方案,来分析这３种因素对
静态破碎的影响.混凝土强度、水剂比和拌合水温都取３个水平,混凝土强度取值为２０、２５、３０
MPa,水剂比取值为０．２５、０．３０、０．３５,拌合水温取值为１０、２５、４０℃.如果进行全面
实验,需要进行２７次,而按照 L９(３３)正交表进行实验,则只需要进行９次.
１．３实验过程
在实验室内进行实验时,室内温度定为１５℃,选用 HSCAＧⅢ型静态破碎剂.根据实验要求,在１
０、２５、４０℃水温条件下,分别制备水剂比为０．２５、０．３０、０．３５的 SCA浆体.将 SCA浆
体搅拌均匀后,迅速添加到混凝土模型中心圆孔,实验开始计时,当试件模型出现第１条裂缝后,每隔１０
min使用游标卡尺测量裂缝宽度,当宽度达到２５mm时停止.
２结果分析
各试件孔中 SCA浆体随着水化反应的进行,其体积发生膨胀,迅速挤压孔壁,当膨胀压力大于混凝
土材料的抗拉强度时,混凝土开裂。
２．１强度相同时第１条裂缝发展过程实验开始后,随着 SCA浆体水化反应的进行,强度为２０
MPa的混凝土模型(M２０)表面开始出现裂缝,由于水剂比和拌合水温的不同,出现第１条裂缝的时间也
不同。
２．２水剂比相同时第１条裂缝发展过程从 SCA浆体水化反应开始,分别在２３９、２６４、３
０６min时,水剂比为０．２５的实验１、实验４、实验７混凝土模型上可以清晰地观察到第１条主裂
缝;实验１从第１条裂缝出现,到扩展至２５mm用了１７０min;实验４用了１９０min;实验７用了２１
０min,因此,实验１第１条裂缝扩展速度大于实验４和实验７(见图７).说明了随着混凝土强度的增加,
相同水剂比的混凝土模型第１条裂缝出现的时间越晚.对于拌合水温,因拌合水温的改变并不影响裂缝出
现的先后顺序,其对裂缝产生和发展的影响相对较小.
２．３水温相同时第１条裂缝发展过程拌合温度为１０℃,SCA 浆体水化反应分别进行到２３
９、２８４、３１６min时,实验１、实验６、实验８混凝土模型上依次清晰地观察到第１条主裂缝;从
SCA浆体水化反应开始第１条裂缝萌生到扩展到２５mm时,实验１裂缝扩展速度明显大于实验６和实验
８(见图１０).说明了随着混凝土强度的增加,相同拌合水温的混凝土模型第１条裂缝出现的时间越晚;
对于水剂比,在拌合水温一定时,水剂比对裂缝产生和发展的影响比混凝土强度小.类似地,在拌合水温２
５、４０℃时也有相同的规律.６组混凝土模型上依次清晰地观察到第１条主裂缝.在拌合水温２５℃
时,实验２裂缝扩展速度大于实验４和实验９;在拌合水温４０℃时。
３结论
１)单孔混凝土模型裂缝呈现放射形,一般出现３~４条裂缝,第１条裂缝宽度为４０~５５mm.２)
在混凝土模型强度相同时,水剂比越低,模型第１条裂缝出现时间越早,同时裂缝的扩展速度越快,拌合水
温的影响相对较小.３)在水剂比一定的情况下,混凝土模型的强度越高,其第１条裂缝出现需要的时间越
长,同时裂缝扩展速度越慢,而拌合水温对裂缝产生和发展影响相对较小.４)在拌合水温一定的情况下,
混凝土模型强度越低,混凝土模型第１条裂缝出现的越早,裂缝扩展的速度越快;此外,水剂比对裂缝产生
和发展的影响要比混凝土强度小.
作者：崔年生１;张大宁２;郭连军２;胡银林２ 单位：１．福建省新华都工程有限责任公司,
２．辽宁科技大学矿业工程学院
