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混凝土静态破碎效果实验探析

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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HSCAGⅢ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15cm×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、30MPa,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10、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10min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20MPa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、306min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210min,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239、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25、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

混凝土静态破碎效果实验探析责任编辑:张雨    阅读:人次