钢筋混凝土试块静态破裂试验研究

1.引言

随着经济社会的快速发展，建筑工程设施的更新越来越快，然而在城市人口密集区，建筑的拆除由于受到地理位置等因素的影响，不宜采用传统的爆破方式，静态破碎技术的应用可以很好地解决这类问题。岳中文等在圆柱体混凝土试样中加入静态破碎剂，并对其破坏形式和数据进行分析和整理，得到静态破碎剂在混凝土中应用后的破坏数据[1]；翟成等对静态爆破进行了研究，通过单孔破碎、双控破碎以及导向孔破碎等方法，得到了不同影响因素下的爆破效果[2]；尹国伟等对静态爆破进行了研究，并将普通的混凝土和钢筋混凝土的破碎效果进行了对比[3]。目前，建筑中基本上多采用钢筋混凝土，钢筋混凝土具有较大的承载力，但对于钢筋混凝土在静态爆破中的应用研究却较少，使得现场钢筋混凝土的静态爆破试验数据也相对较少。基于此，本文以钢筋混凝土试块和普通混凝土试块为研究对象，设定不同条件，在同等条件下进行静态破碎试验，并对试验应变数据进行采集和分析，以研究钢筋混凝土试块在静态破碎剂作用下的破裂情况。同时，本文试验数据对钢筋混凝土静态破裂试验进行了补充，可为同类工程提供借鉴。

2.静态破碎剂体积膨胀率测定

2.1 静态破碎剂与钢筋混凝土的作用机理

静态破碎剂遇水后发生反应，进而体积增大产生膨胀，这个膨胀力是混凝土发生破坏的源动力。由于混凝土中存在许多孔隙，加入静态破碎剂后，破碎剂遇水产生膨胀力，从而使得在混凝土的内部形成一定的张拉力。混凝土是耐压不耐拉的材料，因此，在静态破碎剂的作用下很容易产生张拉破坏。但是对于钢筋混凝土而言，静态破碎剂的破坏作用会受到很大的限制，因为静态破碎剂产生的张拉力远小于钢筋所能承受的抗拉力。因此，靠静态破碎剂的作用去使钢筋达到屈服状态是不太现实的，但是可以通过不同的布孔方式使混凝土先破坏，从而使混凝土与钢筋产生剥离，最终达到钢筋混凝土整体破坏的目的。

2.2 膨胀率测定

试验之前要对静态破碎剂的体积膨胀率进行测定，一般而言，温度和水剂比是影响静态破碎剂膨胀率的最主要的两个因素。试样的质量均取2kg，分别按照不同的温度和不同的水剂比进行分类测试，其中测试温度分别为14℃、22℃、30℃，水剂比分别为0.30、0.32。最终试验结果表明：在以14℃、水剂比0.32的情况下，体积膨胀率最高为4.85。

3.钢筋混凝土试块制作

采用普通硅酸盐水泥、级配5mm～20mm的粗骨料、沙、水，制作成尺寸为200mm×200mm×200mm钢筋混凝土试块和普通混凝土试块。其中，钢筋混凝土试块中加入直径为3.5mm的钢丝来充当钢筋，左右两侧分别设置2根和4根，上下部分别做成钢筋套箍。

图1 监测点布置图

混凝土试块制作时，要预留一定直径的圆孔，方便后续的静态破裂试验，本次试验中预留孔径直径为25mm。此外，还要在试块上布设监测点，安装应变计，收集静态破碎试验数据，预留孔径及监测点布设位置如图1所示。

4.试块静态破裂分析

4.1 钢筋混凝土试块破裂分析

钢筋混凝土试块在加入静态破碎剂后对其进行监测，时间计为0。钢筋混凝土静态破碎试验监测点的“应变－时间”曲线，如图2所示。

图2 钢筋混凝土应变－时间曲线

由图2可知，在反应初期，前400min各测点的应变变化较小，此时的破碎面并未出现裂纹。在静态破碎剂反应进行400min后，膨胀力逐渐增加，主要表现为G1、G2两测点的应变减小。在600min左右，G2测点的应变达到最小值开始反弹；在600min内，除了G1、G2、G7测点外，其他测点的反应不大。在1100min时，混凝土表面出现裂纹a，此时各个测点的应变均出现变化。当反应进行到1500min时，裂纹a的宽度增大，且Y轴负方向上的a1出现扩展裂纹b1，此外在X轴的正负方向上分别出现裂纹b2和裂纹c；此时G4测点的应变达到最大值，G5测点的应变达到最小值，二点均出现较大波动。但是处于中部的G2、G3测点的应变变化不大，这主要是由于钢筋的回单应力所致。

在反应的整个过程中，G6、G7测点由于离钻孔较远，所受影响较小，应变曲线随时间变化不大；G2、G3由于受到钢筋回弹力的影响，曲线整体波动亦不大；剩余的G0、G1、G4、G5四个测点上下浮动较大。但是，在试验进行2200min以后，静态破碎剂反应的膨胀力减弱，所有测点的应变值均向着0点回落。

4.2 普通混凝土试块破裂分析

为了与钢筋混凝土形成对比，在同样的条件下对普通混凝土进行了静态破碎试验。普通混凝土各测点的“应变－时间”曲线，如图3所示。

图3 普通混凝土应变－时间曲线

由图3可知，无论是X轴方向还是Y轴方向，前600min内所有测点的应变值变化不大。在800min时，离钻孔较近的P0、P1、P2、P3四点开始出现波动，其中，P0、P1受压应力作用，P2、P3受拉应力作用。此时在Y轴正负方向上分别出现裂纹a和裂纹b。在反应进行到900min时，裂纹b向外扩展，出现新的裂纹c，P2测点达到应变峰值，P0、P1、P3的应变波动不大。1500min时，P0点的应变达到最小值，随后至2100min时间内，应变持续增长，从受压状态转向受拉状态；由于膨胀力的快速增大，使得钻孔附近出现新的三条裂纹 d、e、f，期间 P0、P3分别达到其最大应变值1670μ ε和2320μ ε。

试验进行到2700min时，试验接近结束，在整个试验过程中，由于P4、P5离钻孔较远，应变随时间始终变化不大，其余四点P0、P1、P2、P3变化较大，且P0点在试验期间从受压向受拉状态转变；钻孔周边裂纹较多，其中以平行Y轴方向的裂纹a和裂纹b宽度最宽。

4.3 对比分析

试验结束后，对钢筋混凝土静态破碎试验和普通混凝土静态破碎试验进行对比研究，所得到的数据如表1所示。钢筋混凝土的裂纹出现时间远大于普通混凝土的起裂时间，这主要是由于钢筋混凝土中的钢筋套箍对混凝土材料起到了很好的束缚作用，延迟了起裂时间，增强了混凝土材料的稳定性。钢筋混凝土中的钢筋有效地吸收了静态破碎剂产生的膨胀力，减缓了破碎时间，同时减少了裂缝的数量，从表中可以看出，普通混凝土的裂缝数量有6条，是钢筋混凝土裂缝数量的2倍。就裂缝最大宽度的角度而言，普通混凝土裂缝的最大宽度将近是钢筋混凝土最大裂缝宽度的4倍。整体试验说明内置钢筋的套箍约束作用影响到了静态破碎试验的破碎效果。

表1 破裂效果对比

5.结语

本文以钢筋混凝土试块和普通混凝土试块为研究对象，通过设定不同条件，在同等条件下进行静态破碎试验，并对试验应变数据进行采集和分析，得出以下结论：

钢筋混凝土的静态破碎起裂时间为800min，而普通混凝土的静态破碎起裂时间为600min，钢筋混凝土的静态破碎起裂时间小于普通混凝土；钢筋混凝土的裂纹数量和最大裂缝宽度均小于普通混凝土，其中钢筋混凝土最大裂缝宽度约为普通混凝土最大裂缝宽度的1/4；钢筋混凝土中的钢筋套箍在很大程度上增强了钢筋混凝土材料整体的稳定性；钢筋混凝土材料破坏过程中的应变离散性小于普通混凝土材料，钢筋混凝土材料的稳定性更强。