摘 要：采用高速攝像技術，進行了靜態(tài)破碎劑作用下材料破壞的物理試驗，研究了膨脹作用下含切槽孔模型材料的動態(tài)斷裂力學行為，獲得了裂紋擴展速度和裂紋擴展加速度的變化規(guī)律。研究結果表明：靜態(tài)破碎劑作用下含兩翼切槽孔試件產(chǎn)生兩條基本成直線的裂紋，裂紋擴展速度和加速度的變化基本是呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；裂紋擴展加速度最大值到達的時間早于裂紋擴展速度到達最大值的時間；裂紋的萌生、擴展到最后的失穩(wěn)過程非常明顯。研究結果可為靜態(tài)破碎劑在實際工程中的應用提供理論指導。

關鍵詞：固體材料；靜態(tài)破碎劑；膨脹作用；裂紋擴展規(guī)律

靜態(tài)破碎劑是一種具有高膨脹性能的粉末狀物料，用水調(diào)成漿體灌入巖石或混凝土鉆孔中，隨著水化反應的進行，膨脹與硬化同時進行，生成新的膨脹物質(zhì)，在一定時間內(nèi)產(chǎn)生較大的膨脹壓力施加于孔壁，當試件內(nèi)部所受拉力大于其抗拉強度時破碎體開始出現(xiàn)裂紋，在膨脹壓力的繼續(xù)作用下裂紋擴展直至試件破碎^[1]。相對傳統(tǒng)的炸藥爆破方法，靜態(tài)破碎劑能在無振動、無噪音、無飛石、無有害氣體、無污染、無公害的條件下安全破碎，對爆破技術是重要的補充和發(fā)展，所以在很多建筑物拆除，特別是在待破碎體附近有密集的人口、建筑物和交通要道等不可能采取爆破方法的工程中，在貴重石材的切割工藝中，以及在井下特殊環(huán)境巷道開挖，靜態(tài)破碎技術得到較為廣泛的應用。靜態(tài)破碎劑的突出優(yōu)點是安全，但其也存在作用時間較長、破碎不易預測和控制、易產(chǎn)生噴孔及低溫“滯死”等難題。’。為了了解靜態(tài)破碎劑的致裂過程，一些學者也進行了系列研究。唐烈先^[1,3]等對靜態(tài)破碎劑作用下混凝土模型的破壞過程進行了物理和數(shù)值模擬試驗。桂良玉^[4]通過實驗室試驗的方法對靜態(tài)破碎劑的破巖機理進行了研究，并就其在井下施工中的應用進行了探討。王建鵬^[5]研究了靜態(tài)破碎劑破巖機理、試件裂紋發(fā)展規(guī)律。

本文進行了靜態(tài)破碎劑作用下材料破壞的物理試驗，分析了靜態(tài)破碎劑作用下切槽孔定向斷裂裂紋擴展規(guī)律。

 

根據(jù)《普通混凝土配合比設計技術規(guī)定》，試驗中采用的是M15配比制備的砂漿。模型試件的規(guī)格是直徑400mm、高度400mm的圓柱體。圓柱體試件中間對稱開槽，預留切槽孔、孔徑48mm，切槽10mm、深度320mm。為了能夠清楚地捕捉到裂紋擴展的過程，我們在砂漿試塊的表面涂一層薄薄的白灰層。

本試驗在實驗室進行，室內(nèi)拍攝，室溫約20℃，選用四川省珙縣建洪化工廠生產(chǎn)的超力牌Ⅱ型靜態(tài)破碎劑。拌合前核對破碎劑的適用溫度與試件的實際溫度是否適應，如試件實際溫度過高，采取澆冷水等辦法降溫或早晚溫度較低時進行或用冷卻水拌合破碎劑，以避免發(fā)生沖孔現(xiàn)象。水與破碎劑的質(zhì)量比為0.25～O.30，先把稱量好的水倒入桶中，再把粉砂狀破碎劑倒人桶中，用塑料棒人工攪拌，使藥液均勻。拌合好的破碎劑漿體，要在3min內(nèi)用完，一邊裝填一邊持續(xù)攪拌漿體，延遲其開始反應時間、固化時間。

本試驗采用的是加拿大MEGA PIXELMS55K型高速攝影機�；�本參數(shù)：傳感器類型為Mega Speed黑白或彩色CMOS傳感器，最大分辨率為1280×1024，像素尺寸12μm×12μm，快門速度為2μs一30ms，2μs連續(xù)可調(diào)，光譜范圍為400～1000nm，A—D轉(zhuǎn)換為8bits。

利用高速攝影拍攝的裂紋尖端位置可以確定每瞬時的裂紋擴展長度。為了獲得裂紋擴展速度、裂紋擴展加速度等斷裂參數(shù)的精確值，可用由Takahashi和Arakawa提出的數(shù)據(jù)擬合方法來計算真實的裂紋長度S(t)^[6]。下面是裂紋長度關于時間t的9階多項式：

式中：系數(shù)S_i利用最小二乘法原理求出，由此裂紋擴展的速度v和加速度a可由擬合曲線S(t)的一次和二次時間導數(shù)分別得到：

在擴展裂紋為彎曲的狀況下，可通過高速攝影    對較小，說明翼裂紋A向兩側(cè)偏移量很小。拍攝的裂紋縱向和橫向的裂紋長度S_x和S_y得到。S_x和S_y曲線也是利用9階多項式的最小二乘法得到：

對多項式S_x和S_y進行關于時間t求導，可得到裂紋擴展速度和加速度關于x和Y方向的分量v_x、v_y和a_x、a_y。

因此，在瞬時裂紋擴展方向上的裂紋擴展速度和加速度可由下面關系式給出：

從試件靜態(tài)破裂的過程來看，總共有兩條裂紋貫穿破壞整個試件。首先起裂的稱為A裂紋、后起裂的稱為B裂紋，裂紋擴展軌跡如圖3所示。

圖4表示的是兩翼切槽孔試件裂紋A的擴展過程。根據(jù)高速相機拍攝的圖像、利用公式(4)和(5)，可以繪制出兩翼切槽孔試件裂紋A擴展過程中橫向擴展S_x和縱向擴展S_y隨時間t的變化關系曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，橫向擴展S_x的速度明顯大于縱向擴展S_y；縱向擴展S_y的變化值相對較小，說明翼裂紋A向兩側(cè)偏移量很小。

根據(jù)公式(8)和公式(9)，可以分別得到速度v、加速度n與時間t的變化曲線，如圖6所示。

圖6(a)表示試件裂紋A擴展速度隨時間變化的曲線。在0～600ms時間內(nèi)，裂紋萌生擴展、速度逐漸增大，到t=600ms時達到最大值O.17m／s，隨后快速下降，裂紋失穩(wěn)擴展。

圖6(b)表示試件裂紋A擴展加速度隨時間變化的曲線。可以看出，在0～200ms時間段內(nèi)，加速度逐漸增大，峰值達0.16m／s²；在200～950ms時間段內(nèi)，加速度逐漸減小，并且在t=600ms時刻加速度為零；在t=950ms以后到裂紋擴展至自由面時間段，加速度又逐漸增大。

圖7表示試件裂紋B的擴展過程。由圖8并利用公式(4)和(5)，同樣可以繪制出切槽孔試件裂紋B擴展過程中橫向擴展S_x和縱向擴展S_y隨時間t的變化關系曲線。由圖8可以看出，裂紋B橫向擴展S_x也明顯大于縱向擴展S_y，同時可以看到縱向擴展S_y初始階段變化相對裂紋縱向擴展更小，說明翼裂紋B初始階段擴展軌跡更加平直。

同樣根據(jù)公式(8)和公式(9)，選用不同于裂紋A的時間坐標，得到裂紋B的擴展速度口和加速度分別隨時間t的變化曲線，如圖9所示。

圖9(a)表示試件裂紋B擴展速度隨時間變化的曲線。可以看出，在O～400ms時間段內(nèi)，裂紋萌生擴展，速度逐漸增大，最大值為0.149m／s。在400～1000ms時間段內(nèi)，速度逐漸減小，到1000ms時達到最小值O.123m／s。在1000ms以后到裂紋擴展至自由面時間段，裂紋失穩(wěn)擴展速度又逐漸增大，這和裂紋A不同。

圖9(b)表示試件裂紋B擴展加速度隨時間變化的曲線。在O～150ms時間段，加速度逐漸增大。在150～700ms，加速度又逐漸減小，并且在t=400ms時刻加速度為零，在t=700ms以后到裂紋擴展至自由面時間，加速度又逐漸增大。

裂紋A與裂紋B擴展速度和擴展加速度的變化曲線基本相似，上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是，隨著靜態(tài)破碎劑的反應，膨脹壓由O增加到p時，試件中產(chǎn)生徑向壓應力σ_r和切向拉應力σ_θ，在應力值大于試件的抗拉強度后，試件裂紋萌生。靜態(tài)破碎劑繼續(xù)反應、體積逐漸增大，相當于增加荷載的過程，這段時問內(nèi)加速度是逐漸增大的。靜態(tài)破碎劑反應一段時間后，反應速度會逐漸變慢，產(chǎn)生的膨脹壓力會逐漸變小，并且裝藥孔的體積變大也會導致膨脹壓力的減小，相當于是一個卸荷過程，這段時間內(nèi)加速度是逐漸減小的。而后，裂紋繼續(xù)擴展，由于試件大小的限制，當離自由面距離較近的地方時，所受的約束變小，靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力對試件的作用又相當于一個加載過程，這段時間內(nèi)加速度再次逐漸增大。

比較裂紋A和裂紋B擴展速度和加速度變化曲線還可以看到，裂紋擴展加速度最大值到達的時間早于裂紋擴展速度最大值的時間。原因是裂紋起裂以后，靜態(tài)破碎劑繼續(xù)膨脹做功導致加速度繼續(xù)增大，加速度快速達到最大值之后減小，當加速度為O時，速度達到最大值。裂紋A起裂的時間早于裂紋B，裂紋A從萌生、擴展到失穩(wěn)擴展至自由面所用時間少于裂紋B從萌生、擴展到失穩(wěn)擴展至自由面所用的時間。原因是裂紋A初始階段應力集中大于裂紋B初始階段。裂紋A起裂后，此時靜態(tài)破碎劑膨脹壓力繼續(xù)增大，隨著裂紋A的擴展，裂紋B開始萌生、擴展，但破碎劑膨脹壓力相對前期變小，所以裂紋A擴展到自由面的時間小于裂紋B擴展到自由面的時間。

 

(1)靜態(tài)破碎劑作用下，含兩翼切槽孔試件產(chǎn)生兩條基本成直線的裂紋。裂紋的萌生、擴展到最后的失穩(wěn)過程非常明顯。

(2)裂紋擴展過程中，裂紋擴展速度和加速度的變化基本都是呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。裂紋擴展加速度到達最大值的時間早于裂紋擴展速度最大值的時間。

(3)裂紋A起裂的時間早于裂紋B，裂紋A從萌生、擴展到失穩(wěn)擴展至自由面所用時間少于裂紋B從萌生、擴展到失穩(wěn)擴展至自由面所用的時間。

摘自《工程爆破》總第61期

[1]唐烈先，唐春安，唐世斌．混凝土靜態(tài)破碎的物理試驗與數(shù)值試驗[J]．混凝土，2005(8)：3—5．

[2)郭瑞平，楊永琦．靜態(tài)破碎劑膨脹機理及可控性的研究[J]．煤炭學報，1994，19(5)：478—485．

[3]唐烈先，唐春安，唐世斌．靜態(tài)破碎的物理與數(shù)值試驗[J]．巖土工程學報，2005，27(4)：437—440．

[4]桂良玉．靜態(tài)破碎劑破巖機理試驗研究[D]．北京：中國礦業(yè)大學(北京)，2008．

[5]王建鵬．靜態(tài)破碎劑破巖機理研究[J]．中國礦業(yè)，2008，17(11)：90—92．

[6]Takahashi K，Arakawa K，Experimental Mechanics，Dependence of Crack Acceleration on the Dynamic Stress Intensity Factor in Polymers[J]．Exp．Mech，1987，27：195—217