1. 前言
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 [1] [2] 。该技术适用于人口密集地域，或国防工程以及武器枪支弹药库等预防灾害要求极高的环境中房屋基础、桥墩(台)、涵洞、坝堤、混凝土桩、路面、烟囱底座等施工 [3] - [6] 。
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。
2. 原材料
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。
3. 试验结果与分析
3.1. 静态破碎剂配合比的试验
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℃。
3.1.1. 开裂时间
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。
Table 1. Chemical composition content (%) of the polar bear brand SCA-II high efficient bulking agent
表1. 北极熊牌SCA-II高效膨胀剂各化学组分的含量(%)
Table 2. Restrained expansion rate (%) of ordinary Portland cement in a 7% mixing amount
表2. 普通硅酸盐水泥中的掺量为7%时的限制膨胀率(%)
Table 3. Mix ratio test of swelling agent
表3. 膨胀剂的配合比实验
Figure 1. Situation of coagulating mixture in glass bottle 1#- 8#
图1. 1#~8#成型时情况
Figure 2. Situation of breaking glass bottle 1#-8# in the 90thhour
图2. 1#~8# 90小时时破裂情况
Figure 3. Breaking situation of glass bottle 9# in the 210thmin
图3. 9#210分钟时破裂情况
Figure 4. Breaking situation of glass bottle 10# in the 215thmin
图4. 10#215分钟时破裂情况
Figure 5. Breaking situation of glass bottle 11# in the 200thmin
图5. 11#200分钟时破裂情况
Figure 6. Breaking situation of glass bottle 12# in the 210thmin
图6. 12#210分钟时破裂情况
3.1.2. 温度变化
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 [7] 。
Figure 7. Changing rules of time varying temperature of cracking agents
图7. 破碎剂的温度随时间的变化规律
3.2. 膨胀压力测试
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。
3.2.1. 测试方法
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 [8] 。
3.2.2. 结果分析
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 [8] 。
(1)
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。
Figure 8. Experimental facility and test system for expansion pressure testing
图8. 膨胀压力测试实验装置及测试系统
Figure 9. Expansion pressure-curing time relation curve
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。
3.3. 破碎混凝土模拟试验
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[1] 。
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 [9] ，而抗拉强度小于1.3 MPa；当环向应变为50 με (约18小时)时而计算的膨胀压力已经超过2 MPa，必然能够破碎混凝土。根据图9能够估算出SCA膨胀剂约5小时左右其膨胀压力就能够达到混凝土的抗拉强度而使混凝土破碎，因此通过膨胀压力实验能够为开发各类静态破碎剂进行理论指导。
(1) 0 h (2) 15.5 h (3) 7#-24.5 h (4) 11#-5.5 h
Figure 12. Crushing effect of cracking agent
图12. 破碎剂破碎效果
Table 4. The design reference of soundless cracking
表4. 无声破碎设计参考值
4. 试验结果与分析
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。
5. 结语
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。
基金项目
解放军理工大学学员创新基金资助项目(LGDX2015028)。
NOTES
*通讯作者。