对混凝土剪力墙静态破碎效果的试验研究

2021-09-25李瑞森郑文忠姜智盛郭常顺

哈尔滨工业大学学报 2021年10期

李瑞森，郑文忠，姜智盛，郭常顺，王英

(1.结构工程灾变与控制教育部重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090; 2.土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090)

静态破碎剂是一种粉状或粒状的化学材料，通常呈浅灰或黑色，具有非易燃、非易爆、吸湿等特性，静态破碎剂与水混合形成浆体、发生放热反应并产生显著的体积膨胀[1]。将静态破碎剂浆体注入钻孔后，伴随着破碎剂浆体的膨胀结硬，沿孔环向会产生逐渐增大的拉应力，当拉应力高于材料的抗拉强度时，膨胀裂缝出现并发展，实现破碎[2]。与爆破拆除的瞬时破坏相比，从灌入静态破碎剂浆体到实现破碎通常会经过1～2 d的时间，类似于一个准静态过程，几乎不产生振动、飞石、烟尘及噪音，也无高温、高压及明火产生，因此更为适用于城镇建筑密集区建筑的拆除。

廖静[3]制作了200 mm×200 mm×200 mm的钢筋混凝土试块和素混凝土试块，钢筋混凝土试块采用直径3.5 mm的钢丝代替钢筋，钢丝通过焊接连接，配置8φ3.5的纵筋和φ3.5@140的箍筋，两种试块中央预留孔径为25 mm的单孔，通过静态破碎试验发现钢筋混凝土膨胀裂缝的宽度小于素混凝土。崔年生等[4]制作了150 mm×150 mm×150 mm的素混凝土试块并在试块中部预留孔径为30 mm、孔深为110 mm的圆孔，试块的混凝土强度等级分别为C20、C25和C30，通过静态破碎试验发现：当混凝土强度相同、静态破碎剂浆体水剂比在0.25～0.35之间变化时，水剂比越低，试件开裂越早，裂缝扩展越快。何翔[5]制作了200 mm×200 mm×200 mm和600 mm×200 mm×200 mm的素混凝土试件，并分别采用在试件中部仅预留竖直孔、竖直孔与水平孔结合形成交叉孔两种布孔方式，采用交叉孔的试件开裂仅用1 h，比采用竖直孔的试件开裂时间提前4 h。姜智盛等[6]制作了标准立方体抗压强度实测值为47.7 MPa的13个素混凝土单孔试件并进行了静态破碎试验，将试件内切圆内混凝土的面积与注入破碎剂的钻孔面积之比定义为约束比，发现孔径和约束比对混凝土开裂时间影响很大，开裂时间随着孔径的增大而缩短，随着约束比的增大而延长。

到目前为止，素混凝土块体的静态破碎试验研究依旧占较大比重，对于钢筋影响及混凝土构件的静态破碎研究较少。高层和超高层建筑大量应用混凝土剪力墙，高层建筑绝大部分处于建筑密集区，开展静态破碎混凝土剪力墙的研究具有重要的理论意义和实用价值。

1 试验概况

本文试验的9个剪力墙试件的编号及相关参数见表1，配筋见图1，保护层厚度20 mm。剪力墙试件所用混凝土边长100 mm的立方体的抗压强度为35.95 MPa。表中W-n-H表示墙片编号为W-n，倾斜向下斜交于墙片侧面打孔；W-n-V表示墙片编号为W-n，竖直向下垂直于墙片顶面打孔。结合目前实际工程的经验及Huynh等[7]的建议，钻孔深度取为拟破碎深度的80%(计划破碎的深度为Δh0时，钻孔深度取为80%(Δh0))，孔径取手持钻头的最大直径42 mm。根据刘纪峰等[8]总结的钻孔参数，将两孔之间的间距取为300 mm，孔边距取为保护层厚度和一半孔间距之和，孔位布置见图2。本试验所使用的静态破碎剂为施必达(大连)公司生产的S-611-1石灰型无声爆破剂，应用气温范围为20～40 ℃，使用时用自来水搅拌后灌入孔中，利用徐笠博[9]提供的方法发现：当水剂比(质量比)为0.3时，静态破碎剂体积的自由膨胀率达到最大值310%。采用改进后的“电阻应变片法”[10-11]测量静态破碎剂的径向膨胀压应力，所用无缝钢管的内径为40 mm、外径为50.7 mm、高度为500 mm，钢管底部焊接6 mm厚钢板封堵，管口不做封堵，测量得到水剂比为0.3的静态破碎剂在48 h时的最大径向膨胀压应力为23.82 MPa。

表1 混凝土剪力墙设计参数Tab.1 Design parameters of concrete shear walls

图1 混凝土剪力墙片配筋(mm)Fig.1 Reinforcement of concrete shear wall (mm)

分析钢筋混凝土柱墩和素混凝土试件的静态破碎试验结果可以发现：钢筋虽然无法避免混凝土在静态破碎过程中的开裂，但钢筋骨架却可以延缓混凝土的松散酥碎，同时钢筋混凝土柱墩膨胀裂缝的宽度远小于素混凝土块体[6,9]。因此，为提高静态破碎的效果，本试验在进行静态破碎前对剪力墙试件内的钢筋进行了“松绑”处理，即利用墙锯将阻碍膨胀裂缝发展的钢筋割断：倾斜向下斜交于墙片侧面打孔的试件仅切断钻孔侧的竖向分布钢筋，竖直向下垂直于墙片顶面打孔的试件在竖孔两侧切断墙片的水平分布钢筋，割缝深度均为35 mm，具体处理方案见图3。其中墙片W-9-V仅割裂混凝土，不割断钢筋，割缝深度为15 mm，与墙片W-8-V形成对照。

图2 孔位布置Fig.2 Borehole arrangement

图3 待破碎试件割缝示意Fig.3 Schematic of slits of specimens

2 试验结果与分析

2.1 倾斜向下斜交于墙片侧面打孔时静态破碎的试验现象与分析

倾斜向下斜交于墙片侧面打孔的试件在静态破碎过程中平放在地面，即墙厚方向与地面垂直，破碎过程中有代表性的照片见图4。为方便描述，将钻孔分为边孔、角孔和中孔三类，割缝分为中缝和边缝两类，具体见图3(a)。分析时所用割缝宽度均为表面宽度，割缝平均宽度为每条割缝取10个测点的平均值。所有试件注入静态破碎剂顺序为先注入周围、再注入中心，同一个试件灌药最大时间间隔1 min，由于静态破碎剂反应较慢，因此可以认定为同时注入。

分析上述5片剪力墙在静态破碎过程中的试验现象可以发现：

1)0 ～ 6.3 h，试件割缝宽度无明显变化。

2)8.4 ～ 9.2 h，试件边缝2宽度增大，中缝和边缝1的宽度变化不大。试件W-5-H的割缝宽度明显大于其他试件。

图4 倾斜向下斜交于墙片侧面打孔墙片的破碎过程Fig.4 Crushing process of shear walls drilled on the side obliquely downwards

3)24.5 ～ 25.3 h，试件的割缝宽度明显增大，边缝2宽度大于中缝和边缝1。试件W-3-H右侧边孔与角孔之间及中孔与下侧边孔之间的裂缝连通，见图4(h)。

4)30.1 ～ 30.9 h，所有试件的割缝宽度继续增大。试件W-2-H左侧角孔与边孔之间的裂缝连通，试件W-3-H左下和右下角孔处裂缝延伸至试件边缘，试件W-4-H右侧边孔和左下角孔处裂缝延伸至试件边缘。

5)50.8 ～ 51.5 h，所有试件的割缝宽度无明显变化。试件W-1-H右上角孔处裂缝延伸至试件边缘，试件W-2-H右下角孔处出现裂缝但并未延伸至试件边缘。

W-1-H、W-2-H、W-3-H、W-4-H 、W-5-H在静态破碎剂作用下破碎过程见图5。

以注入静态破碎剂浆体后时间为横轴，割缝平均宽度为纵轴，建立各试件割缝平均宽度时程曲线见图6。

由试件的割缝平均宽度时程曲线可以看出：0～7 h时割缝的平均宽度增长较为缓慢； 7～35 h时割缝的平均宽度增长迅速；35～52 h时割缝的平均宽度增长减缓、发展趋于停滞。

5个墙片注入静态破碎剂浆体52 h时割缝表面平均宽度-墙厚关系曲线见图7。

图5 倾斜向下斜交于墙片侧面打孔墙片的侧面破碎过程Fig.5 Crushing process of the side of shear walls drilled on the side obliquely downwards

图6 倾斜向下斜交于墙片侧面打孔墙片的割缝平均宽度时程曲线Fig.6 Time-history curves of average slit width of shear walls drilled on the side obliquely downwards

图7 注入静态破碎剂浆体52 h时倾斜向下斜交于墙片侧面打孔墙片的割缝平均宽度与墙厚关系曲线Fig.7 Relation between average slit width and wall thickness of shear walls after drilling on the side obliquely downwards and injecting static crushing agent for 52 h

由于试件W-3-H的中缝和边缝1处存在未割断的钢筋，因此割缝平均宽度较小。由图7可知，除试件W-1-H的边缝2、试件W-3-H的边缝1及中缝之外，割缝平均宽度随着墙厚的增加呈增大的趋势。这是因为本试验仅切断了墙片钻孔侧的竖向分布筋，而墙片另一侧完好的钢筋网片会对整个墙片产生一定的约束作用，但完好钢筋网片对有割缝侧面的约束作用随墙片厚度的增加而降低，因此墙片割缝的平均宽度越来越大。

2.2 竖直向下垂直于墙片顶面打孔时静态破碎的试验现象与分析

W-6-V、W-7-V、W-8-V、W-9-V四个试件垂直于墙片顶面竖直向下打孔静态破碎。静态破碎过程中有代表性的照片见图8，试件顶面的破碎情况见图9。为方便描述，将钻孔分为边孔和中孔两类，割缝分为中缝和边缝两类，其中与边缝1相对的另一面的边缝命名为边缝1′，与边缝2相对的另一面的边缝命名为边缝2′，与中缝1相对的另一面的中缝命名为中缝1′，具体见图3(b)。

图8 垂直于墙片顶面竖向打孔并注入静态破碎剂后墙片的侧面破碎过程Fig.8 Crushing process of the side of shear walls drilled perpendicular to the top surface of the wall

由图8、9可以发现：除试件W-9-V之外，所有试件的割缝宽度均有明显发展，但孔与孔之间未出现连通的裂缝。虽然试件W-9-V割缝宽度变化不大，但其顶面每两个钻孔之间的裂缝均连通。此外，试件W-6-V和W-8-V在两侧面对称分布的每两条割缝中仅有一条割缝宽度增大，另一条割缝变化不大，而试件W-7-V每组对称分布的两条割缝的宽度均在增加，产生这种现象的原因可能是：1)钻孔中心偏移(位)，致使距离钻孔中心较近一侧的割缝宽度率先发展；2)在给钢筋“松绑”时，某一侧割缝未将钢筋全部切断，未被切断的钢筋起到了“铰”的作用，使试件在静态破碎过程中绕“铰”转动，一侧割缝宽度不断增加，另一侧割缝宽度反而不断减小。

图9 垂直于墙片顶面竖向打孔并注入静态破碎剂后墙片的顶面破碎过程Fig.9 Crushing process of the top of shear walls drilled perpendicular to the top surface of the wall

裂缝趋向于在试件W-9-V的两孔之间产生并连通，说明在钢筋网片的影响下，墙截面高度方向的约束远大于墙厚方向。同时，由于拉筋的存在，试件W-9-V边孔和中孔之间的裂缝宽度发展较慢。

以灌入静态破碎剂浆体后的时间为横轴，割缝平均宽度为纵轴，建立各试件割缝平均宽度时程曲线见图10，割缝1定义为边缝1和边缝1′宽度的平均值，割缝2定义为中缝1和中缝1′宽度的平均值，割缝3定义为边缝2和边缝2′宽度的平均值，裂缝1和裂缝2分别为试件W-9-V横截面上的裂缝开展情况。

图10 垂直于墙片顶面竖向打孔并注入静态破碎剂后墙片的割缝平均宽度时程曲线Fig.10 Time-history curves of average slit width of shear walls after drilling perpendicular to the top surface of the wall and injecting static crushing agent

由图10可以看出，除试件W-9-V的割缝平均宽度无明显变化之外，其余试件割缝平均宽度发展情况为：0～3 h时割缝的平均宽度增长缓慢；3～10 h时割缝的平均宽度增长迅速；10～52 h时割缝的平均宽度增长速率减缓、发展趋于停滞。与倾斜向下斜交于墙片侧面打孔并静态破碎相比，竖直向下垂直于墙片顶面打孔试件的割缝平均宽度较大、发展速率较快。

注入静态破碎剂浆体52 h后试件W-6-V、W-7-V和W-8-V的割缝平均宽度-墙厚关系曲线见图11。

图11 注入静态破碎剂浆体52 h后竖直向下垂直于墙片顶面打孔墙片的割缝平均宽度与墙厚关系曲线Fig.11 Relation between average slit width and wall thickness of shear walls after drilling perpendicular to the top surface of the wall and injecting static crushing agent for 52 h

由图9、12结合可知，试件W-6-V和W-8-V均是仅有一侧割缝的宽度在发展，试件W-7-V两侧割缝的宽度均在发展，因此试件W-7-V的割缝平均宽度明显大于试件W-6-V和W-8-V。试件W-6-V和W-8-V的割缝平均宽度相差不大，说明在墙片顶面打孔进行破碎时墙厚与割缝的平均宽度无明显关联。