静态破碎剂膨胀作用下试件裂纹扩展试验研究

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1、静态破碎剂膨胀作用下试件裂纹扩展试验研究杨仁树"，孙中辉?"，佟强2",郭义先食岳中文2（1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京100083；3.新汶矿业集团有限责任公司，山东新泰271233）摘要：采用高速摄像技术，进行了静态破碎剂作用下材料破坏的物理试验，研究了膨胀作用下含切椚孔模型材料的动态断裂力学行为，获得了裂纹扩展速度和裂纹扩展加速度的变化规律。研究结果表明：静态破碎剂作用下含两翼切槽孔试件产生两条基本成直线的裂纹，裂纹扩展速

2、度和加速度的变化基本是呈现先增加后降低的趋势；裂纹扩展加速度最大值到达的时间早于裂纹扩展速度到达最大值的时间；裂纹的萌生、扩展到最后的欠稳过程非常明显。研究结果可为静态破碎剂在实际工程中的应川捉供理论指导。关键词:固体材料；静态破碎剂;膨胀作用；裂纹扩展规律1引言静态破碎剂是一种具冇高膨胀性能的粉末状物料，用水调成浆体灌入岩石或混凝土钻孔中，随着水化反应的进行，膨胀与碾化同时进彳亍，生成新的膨胀物质，在一定时间内产生较大的膨胀压力施加于孔壁，当试件内部所受拉力大于其抗拉强度时破磴体开始出现裂纹，在

3、膨胀压力的继续作用下裂纹扩展直至试件破碎山。相对传统的炸药爆破方法，静态破碎剂能在无振动、无噪音、无飞石、无冇害气体、无污染、无公害的条件下安全破碎，对爆破技术是重要的补充和发展，所以在很多建筑物拆除，特别是在待破碎体附近有密集的人口、建筑物和交通耍道等不可能采取爆破方法的工程中，在贵垂石材的切割工艺中，以及在井下特殊环境巷道开挖，静态破碎技术得到较为广泛的应用。静态破碎剂的突出优点是安全,但其也存在作用时间较长、破碎不易预测和控制、易产生喷孔及低温“滞死”等难题。‘。为了了解静态破碎剂的致裂过程

4、，一些学者也进行了系列研究。唐烈先心等对静态破碎剂作用下混凝土模型的破坏过程进行了物理和数值模拟试验。桂良玉⑷通过实验室试验的方法对静态破碎剂的破岩机理进行了研究，并就其在井下施工中的应用进行了探讨。王建鹏"研究了的态破碎剂破岩机理、试件裂纹发展规律。木文进行了静态破碎剂作川下材料破坏的物理试验，分析了静态破碎剂作用下切槽孔定向断裂裂纹扩展规律。2静态破碎试件裂纹扩展试验设计2.1试件制作及静态破碎剂的选取根据《普通混凝土配合比设计技术规定》，试验屮采用的是M15Hi!比制备的砂浆。模型试件的规格

5、是直径400mm.高度400mm的圆柱体。圆柱体试件中间对称开槽，预留切槽孑L、孔径48mm,切桝10mm、深匪320mm。为了能够清楚地捕捉到裂纹扩展的过程,我们在砂浆试块的表而涂一层薄薄的白灰层。本试验在实验室进行，室内拍摄，室温约20°C,选用四川省琪县建洪化工厂化产的超力牌II型静态破碎剂。拌合前核对破碎剂的适用温度与试件的实际温度是否适应，如试件实际温度过高，采取浇冷水等办法降温或早晚温度较低时进行或川冷却水拌合破碎剂，以避免发生冲孔现象。水与破碎剂的质量比为0.25〜0.30,先把称鼠

6、好的水倒入桶中，再把粉砂状破碎剂倒人桶中，用犁•料棒人工搅拌，使药液均匀。拌合好的破碎剂浆体，要在3niin内用完，一边装填一边持续搅拌浆体，延迟其开始反应时间、固化时间。2.2试验设备本试验采用的是加拿大MEGAPIXELMS55K型高速摄影机。基本参数：传感器类型为MegaSpeed黑白或彩色CMOS传感器，最大分辨率为1280X1024,像素尺寸12umX12um,快门速度为2us—30ms,2us连续可调，光谱范围为400〜lOOOnm,A—D转换为8bits。2.3裂纹扩展速度、扩展加速

7、度的确定利用高速摄影拍摄的裂纹尖端位凰可以确定毎瞬时的裂纹扩展氏度。为了获得裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度等断裂参数的粘确值，可川由Takahashi利Arakawa提出的数据拟合方法来计算真实的裂纹长度S(t)⑹。下而是裂纹长度关于时间t的9阶多项式：S(r)=(1).••0式中：系数Si利用最小二乘法原理求出，由此裂纹扩展的速度V和加速度a可由拟合曲线S(t)的一次和二次时间导数分别得到：v=S(O(2)a=S(t)(3)在扩展裂纹为弯曲的状况下，可通过高速摄影对较小，说明翼裂纹A向两侧偏移量很

8、小。拍摄的裂纹纵向和横向的裂纹长度S、和S,得到。S、和5曲线也是利用9阶多项式的最小二乘法得到：(zlxssv对多项式&和Sy进行关于时间t求导，可得到裂纹扩展速度和加速度关于X和Y方向的分量g百和(vx=so=Sy(t)(7)L=so[ay=Sy(t)因此，在瞬时裂纹扩展方向上的裂纹扩展速度和加速度可由下面关系式给出:(8)(9)2试验结果及分析3.1裂纹扩展结果从试件静态破裂的过程来看，总共有两条裂纹贯穿破坏密个试件。首先起裂的称为A裂纹、后起裂的称为B裂纹，裂纹扩展轨迹如图