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user: 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 agen SiO 2 Al 2 O 3 CaO MgO SO 3 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(%) Table 2 Restrained expansion rate (%) of ordinary Portland cement in a 7% mixing amoun 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(%) Table 3 Mix ratio test of swelling agen 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 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 ] 。 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 × 10 5 MPa)； K——钢管外径与内径之比； ε θ ——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。 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。 图10. 预留孔 图11. 炮孔布置图 图12. 破碎剂破碎效果 Table 4 The design reference of soundless crackin 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