静态破碎技术是对传统爆破技术是一种重要补充，可广泛应用于各类对爆炸、冲击等限制的场所。将膨胀剂和水泥进行不同混合后注入玻璃瓶内，研究温度变化规律和玻璃瓶开裂时间，然后利用应力片测试不同时间的膨胀压力，最后进行模拟混凝土破碎试验。研究结果表明静态破碎剂随着水泥相对掺量的增加，凝结时间逐渐增加，玻璃瓶开裂时间也明显增加。SCA膨胀剂终凝时间基本都在半小时左右，其玻璃瓶开裂时间在三个半小时左右，此时最高升温达到15℃，而掺水泥的破碎剂其玻璃瓶开裂时间一般延迟到1~2天。SCA膨胀剂2小时以内出现少量收缩外，此后体积一直膨胀，24小时最大膨胀约，该理论膨胀压力超过3 MPa，而掺水泥的破碎剂要到48小时才能达到最大50 με。SCA膨胀剂作为破碎剂，对于普通混凝土破碎时间为3~5小时，通过掺入普通硅酸盐水泥来调节破碎时间可以延迟到24小时，为各类具体静态破碎施工提供多种选择。 The soundless cracking agent is an important supplement to traditional blasting technique, and can be widely applied in all kinds of occasions which are limited for blasting and lashing. There are four steps of the test—injecting swelling agent and cement into glass bottles in a different ratio, studying the changing rule of temperature and the breaking time of glass bottle, testing expansion pressure with stress patch in different time, and simulating concrete crushing experiment. The result shows that with the increasing volume of cement in static breaking agent, setting time and breaking time of glass bottle also show an obvious increase. Final setting time of SCA expansion agent is 30 minutes on average, and the breaking time of glass bottle is three and a half hours on average with a 15˚C temperature rise in peak, while breaking time of bottle glass of cement blended ones presents a delay of one or two days. SCA expansion agent shows a small amount shrink within two hours, and then keeps swelling in 24 hours in a peak intensity for about 75 με. The theoretical expansion pressure is over 3 MPa. While cement blended ones cost 48 hours to get the peak intensity for 50 με. SCA expansion agent’s breaking time to ordinary concrete is three to five hours. Blending ordinary Portland cement can adjust the breaking time for a delay of 24 hours, which provides a multiple choice for all kinds of concrete static crushing construction.
孙雪，龚飞飞*，戴银所，石旭，张浩天，谭跃虎
解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京
收稿日期：2016年7月31日；录用日期：2016年8月19日；发布日期：2016年8月22日
静态破碎技术是对传统爆破技术是一种重要补充，可广泛应用于各类对爆炸、冲击等限制的场所。将膨胀剂和水泥进行不同混合后注入玻璃瓶内，研究温度变化规律和玻璃瓶开裂时间，然后利用应力片测试不同时间的膨胀压力，最后进行模拟混凝土破碎试验。研究结果表明静态破碎剂随着水泥相对掺量的增加，凝结时间逐渐增加，玻璃瓶开裂时间也明显增加。SCA膨胀剂终凝时间基本都在半小时左右，其玻璃瓶开裂时间在三个半小时左右，此时最高升温达到15℃，而掺水泥的破碎剂其玻璃瓶开裂时间一般延迟到1~2天。SCA膨胀剂2小时以内出现少量收缩外，此后体积一直膨胀，24小时最大膨胀约，该理论膨胀压力超过3 MPa，而掺水泥的破碎剂要到48小时才能达到最大50 με。SCA膨胀剂作为破碎剂，对于普通混凝土破碎时间为3~5小时，通过掺入普通硅酸盐水泥来调节破碎时间可以延迟到24小时，为各类具体静态破碎施工提供多种选择。
关键词 :SCA，静态破碎剂，膨胀，模拟试验
静态破碎剂在水化反应过程中体积会不断增大，当不受约束时，反应后体积可以增大到原来的2~3倍，当受到约束时可产生30~40 MPa膨胀压力，该膨胀压力作用于孔壁上使被破碎体产生压缩变形，而在与压缩变形垂直的方向上发生张拉变形。由于混凝土的抗拉强度仅是抗压强度的1/10~1/20，仅有1~8 MPa，因此只要确定合理的破碎剂量和破裂参数很容易使得混凝土结构受到的拉伸应力达到极限值而产生裂缝，并随着压力的增长，裂缝逐渐变宽变大，最终混凝土等结构被破碎 [
南京市博物馆地下室扩建工程面积为14,007.6 m3，地下室为一层，基坑东侧开挖深度为6.0 m，西、南、北侧开挖深度为5.2 m，周长为4814.1 m (其中南北向长149.21 m，东西向宽98.0 m)，由地上6层博物馆组成，场地下均设有一层地下室相连通，基坑东侧距用地红线四米处有沿江公园，南侧与滨江大道相连，西侧与柳州东路相连，且路上依次有给水、电力、雨水和天然气管道，基坑北侧与民用住宅区相连，周边环境复杂，基坑设计时采用了钻孔灌注桩与一层钢筋混凝土内支撑结合的支护形式。在−2.5 m设计一道支撑(位于第一层地下室底板以上)。在地下室浇筑到第一层地下室底板时，将侧壁回填，并将第一层地下室底板浇筑到支护桩边，外墙向上施工时需要拆除支撑。在遴选内支撑拆除方案时考虑到若选用人工方法拆除，则工期较长，满足不了施工进度要求，并且安全隐患较多；若选用机械方法拆除，则需要引进大型设备，同时也给施工组织带来更多困难，最终选用静态爆破方法进行拆除，既节约了成本，又提高了施工进度，在技术措施得当的情况下，安全性较好。本文开展基于SCA膨胀剂的静态破碎剂性能研究，为该工程静态爆破施工进行技术准备。
选用唐山北极熊牌SCA-II高效膨胀剂，其化学组分见表1，其在普通硅酸盐水泥中的掺量为7%时的限制膨胀率见表2。
本实验用膨胀剂对常见的玻璃瓶进行了破碎实验，对不同掺量和水灰比进行试验，根据玻璃瓶的开裂时间来初步判定最佳配合比。本试验共做了8组试验，实验室内温度为23℃。
从表3可以看到：随着水泥相对掺量的增加，凝结时间逐渐增加，玻璃瓶开裂时间也明显增加，单独使用SCA膨胀剂时终凝时间基本都在半小时左右，而其玻璃瓶开裂时间在三个半小时左右，而掺水泥以后玻璃瓶开裂时间一般延迟到1~2天。玻璃瓶每段时间破碎情况实拍如图1~6。
| SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | SO3 | Loss |
|---|---|---|---|---|---|
| 3~5 | 8~10 | 51~53 | 2~4 | 25~28 | 6~8 |
表1. 北极熊牌SCA-II高效膨胀剂各化学组分的含量(%)
| 水中养护1天 | 水中养护3天 | 水中养护7天 | 水中养护28天 | 潮湿空气中养护21天 |
|---|---|---|---|---|
| 0.015 | 0.025 | 0.04 | 0.07 | 0 |
表2. 普通硅酸盐水泥中的掺量为7%时的限制膨胀率(%)
| 序号 | 膨胀剂/g | 水泥/g | 水灰比 | 初凝时间/min | 终凝时间/min | 开裂时间/h | 是否喷浆 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| #1 | 600 | 500 | 0.30 | 37 | 60 | 49.0 | 否 |
| #2 | 600 | 500 | 0.35 | 40 | 71 | 64.6 | 否 |
| #3 | 600 | 400 | 0.30 | 26 | 59 | 30.3 | 否 |
| #4 | 600 | 400 | 0.25 | 22 | 41 | 28.1 | 否 |
| #5 | 700 | 400 | 0.30 | 22 | 50 | 40.3 | 否 |
| #6 | 700 | 400 | 0.35 | 18 | 30 | 56.0 | 否 |
| #7 | 800 | 400 | 0.30 | 9 | 21 | 27.0 | 否 |
| #8 | 800 | 400 | 0.35 | 14 | 25 | 27.5 | 否 |
| #9 | 1000 | 0 | 0.26 | 9 | 25 | 3.25 | 否 |
| #10 | 1000 | 0 | 0.28 | 9 | 37 | 3.30 | 否 |
| #11 | 1000 | 0 | 0.30 | 11 | 30 | 3.42 | 否 |
| #12 | 1000 | 0 | 0.32 | 13 | 35 | 3.25 | 否 |
表3. 膨胀剂的配合比实验
图1. 1#~8#成型时情况
图2. 1#~8# 90小时时破裂情况
图3. 9#210分钟时破裂情况
图4. 10#215分钟时破裂情况
图5. 11#200分钟时破裂情况
图6. 12#210分钟时破裂情况
从图7可以看到：随膨胀剂掺量的增加，放热速度加快，在1小时左右达到最高温度，最高升温7℃~15℃，8小时以后恢复到室温。在1-8#试样膨胀剂的相对掺量逐渐增加，反应越快，因此放热越快。当不掺水泥时，膨胀剂反应则迅速得多，三个半小时左右的最高升温达到15℃，此时玻璃瓶全部破碎。因此综合考虑升温对膨胀的贡献，使用膨胀剂做快速破碎剂时建议不掺水泥，从而提高破碎效率 [
图7. 破碎剂的温度随时间的变化规律
评价静态破碎效果最主要的指标是膨胀压力，但是由于玻璃瓶开裂试验只能定性的分析其破碎过程和效果，但不能准确计算出膨胀力的大小，因而不能完全代替膨胀压测试。
采用YJ-26静态电阻应变仪(华东电子仪器厂生产)，应变片型号为BX120-5AA (浙江台州市黄岩双立工程传感器厂生产)，金属管为冷拔无缝钢管，孔径Φ47.5 × 4 mm，长度1 m。首先将钢管表面划出贴片中心线，将粘贴应力片处打磨平，再采用丙酮清洗，去除油污，待风干后，使用胶基T-1型502胶水胶粘贴应力片，并焊接导线，为研究沿钢管长度方向应变的分布情况，在钢管表面等距贴有5片应变片，实验装置如图8。该方法具有操作简便，结果可靠准确等优点，可以准确获得静态破碎的膨胀数据，通过弹性力学中薄壁筒理论来计算钢管所受的膨胀压力 [
在配合比试验的基础上选用水灰比相同，而膨胀破碎性能差异明显的7#和11#试样进行膨胀压力测试，取钢管中部应力片的数据作图9。
从图9可以看到，在钢管中灌浆以后，1#破碎剂试样18小时内体积急剧收缩，然后才逐渐膨胀弥补收缩的量，并产生宏观体积膨胀。这是因为在水泥的水化初期水化反应的主要产物是C-S-H凝胶，虽然固相体积增加，但水泥–水体系的绝对体积会减小，理论上体积减少约为7%~9%。该过程一般发生在硬化前的塑性阶段，约拌和后1~4小时以内，即在终凝前比较明显。此时膨胀剂的膨胀量当不足以抵消水泥的体积收缩，表现为总体宏观体积收缩；此后随着膨胀量的逐步增加，此时膨胀剂的膨胀作用使水泥石结构致密。而SCA膨胀剂除了2小时以内出现少量收缩外，此后体积一直膨胀，24小时左右膨胀速度开始降低，最大膨胀约75 με，而1#试样要到48小时时才能达到50 με。
将实验测得Φ47.5 × 4 mm孔径下的环向应变，将测得的应变值按式(1)换算为破裂剂膨胀压力 [
P——膨胀压力，MPa；
E——钢管弹性模量(2.06 × 105MPa)；
K——钢管外径与内径之比；
εθ——环向应变；
υ——钢管材料泊松比，0.3。
图8. 膨胀压力测试实验装置及测试系统
图9. 膨胀压与养护时间的关系曲线
当环向应变为50 με时，进行计算得膨胀压力P约2.2 MPa，当环向应变为70 με时计算膨胀压力P约3.0 MPa。
在进行混凝土静态破碎设计时，要考虑与周围结构的连接情况，以及它本身的几何尺寸进行合理的布孔设计及钻孔。一般情况下，岩石和混凝土破碎的钻孔参数见下表4 [
混凝土试块尺寸为150 mm × 150 mm × 550 mm，设计强度等级为C20，其配合比为：水2.8 kg、C32.5普通硅酸盐水泥8.5 kg、中砂14 kg、碎石2.5 kg。在混凝土内部预埋Φ30的硬木棍，图10，混凝土脱模时拔出硬木棍，省去钻孔的工序，硬化10天时进行破碎试验。炮孔布置如图11所示，即孔径d为3 cm，孔深L为10 cm，孔距a为12 cm，抵抗线W为6 cm。选用破碎性能差异明显的1#和11#试样进行混凝土破碎模拟实验。
从图12可以看到5.5小时时11#破碎剂已经将混凝土完全涨裂，而7#破碎剂却需要24小时，其破碎效果远大于后者，这与它们的不同膨胀性能完全一致。混凝土设计强度等级为C20，10天时强度一般约13 MPa [
图10. 预留孔
图11. 炮孔布置图
图12. 破碎剂破碎效果
| 被破碎物体 | 钻孔参数 | |||
|---|---|---|---|---|
| 孔径d (mm) | 孔距a (cm) | 孔深L | 抵抗线W (cm) | |
| 轻质岩破碎 | 40~50 | 40~60 | H | 40~60 |
| 中、硬质岩破碎 | 40~65 | 40~60 | 105% H | 30~50 |
| 岩石切割 | 30~40 | 20~40 | H | 100~200 |
| 无筋混凝土破碎 | 35~50 | 40~60 | 80% H | 30~40 |
| 钢筋混凝土破碎 | 35~50 | 15~30 | 90% H | 20~30 |
表4. 无声破碎设计参考值
1) 随着水泥相对掺量的增加，静态破碎剂凝结时间逐渐增加，玻璃瓶开裂时间也明显增加。SCA膨胀剂终凝时间基本都在半小时左右，其玻璃瓶开裂时间在三个半小时左右，此时最高升温达到15℃，而掺水泥的破碎剂其玻璃瓶开裂时间一般延迟到1~2天。
2) SCA膨胀剂2小时以内出现少量收缩外，此后体积一直膨胀，24小时最大膨胀约75 με，而掺水泥的破碎剂要到48小时才能达到最大50 με，该理论膨胀压力超过2.2 MPa。
3) SCA膨胀剂作为破碎剂，对于普通混凝土破碎时间约3~5小时，通过掺入普通硅酸盐水泥来调节破碎时间可以延迟到24小时，为各类具体静态破碎施工提供多种选择。
静态破碎技术是对传统爆破技术的一种重要补充，可广泛应用于各类对爆炸、冲击有限制的场所；通过掺入普通硅酸盐水泥和控制静态破碎剂相对掺量，达到调节破碎时间和膨胀效果的目的，从而满足不同环境对静态破碎施工的要求。
解放军理工大学学员创新基金资助项目(LGDX2015028)。
孙 雪,龚飞飞,戴银所,石 旭,张浩天,谭跃虎. 基于SCA的静态破碎剂性能研究Research of Static Blasting Agent Based on SCA[J]. 土木工程, 2016, 05(05): 181-189. http://dx.doi.org/10.12677/HJCE.2016.55024