静态破碎技术是将按一定水剂比搅拌好的静态破碎剂(static crushing agent，简称SCA)浆体灌入岩石或混凝土的钻孔中，其水化反应引起的体积膨胀会使孔壁受到环向膨胀压力，从而导致岩石与混凝土这类抗拉强度相对较低的脆性材料产生明显的裂缝扩展以实现破碎的技术。与传统的拆除方法(人工拆除、机械拆除、爆破拆除等)相比，静态破碎技术具有安全、施工简单、无振动、无噪音、无有害气体等优点^[1-2]，近年来已引起学者们的广泛关注。

岳中文等^[3]进行了单孔圆柱体砂浆试件的静态破碎试验，研究发现圆柱体单孔下的破坏形态与方形块体单孔下的破坏形态不同，圆柱体试件的破坏形态为在某条直径方向形成两条主裂缝。郑志涛等^[4]、Laefer等^[5]、谢益盛等^[6]基于电阻应变法探究了孔径对膨胀压应力的影响，研究发现孔径越大所产生的膨胀压应力越大。Shang等^[7]基于弹性理论和厚壁钢管理论探究了孔径和孔间距对孔间拉应力的影响，研究发现孔间距增大、孔径减小均会使孔间拉应力减小。唐烈先等^[8]基于RFPA^2D软件进行了双孔下素混凝土的静态破碎数值试验，研究发现孔间距增大会导致裂缝发展缓慢，当孔间距达到60 cm时两孔间已无法形成连通裂缝。Cho等^[9]基于有限元软件模拟了素混凝土静态破碎时裂缝的发展过程，研究发现混凝土强度越高、孔间距越大裂缝连通所需的膨胀压应力越大。薛志翔等^[10]进行了配筋混凝土试块和素混凝土试块的静态破碎试验，研究发现钢筋的约束会延长开裂时间并减小裂缝的宽度。李瑞森^[11]进行了钢筋混凝土柱墩的静态破碎试验，研究发现构件中钢筋的约束不会阻止混凝土开裂，而是使混凝土无法酥碎，从而导致破碎效果不理想。

混凝土厚板和转换梁是建筑结构中重要的水平构件，因较大的截面尺寸、较多的配筋导致拆除困难。以往的研究中尚缺少对钢筋约束导致破碎效果较差这一问题的解决方法，因此，本文基于静态破碎技术，针对拆除过程中较多配筋会限制裂缝发展、延长开裂时间等问题，提出在破碎前采用机械手段切断或剔除配筋的方法，并系统性地分析了不同方法的优缺点，以期为静态破碎技术的工程应用提供参考。

1 试验概况

3个混凝土厚板的试件设计见表 1，混凝土厚板的配筋形式为：在混凝土厚板顶部和底部各配置一排钢筋牌号为HRB400、间距为200 mm、直径为12 mm的水平钢筋网，配筋见图 1。使用凿岩机垂直于厚板顶面钻孔，选用“4×4”的布孔形式，依据工程经验将孔径取为40 mm(孔径较小时无法获得足够的膨胀力，孔径较大时易发生冲孔)，依据课题组前期的研究结果^[12]将孔间距取为250、300 mm，孔深取为板厚的80%，为便于试验现象的描述以及后续的分析，将厚板上的钻孔分为角部孔、边部孔和中部孔三类，布孔示意见图 2。试件S-2采用风镐剔除厚板上部混凝土保护层和纵筋再钻孔的方法，上表面保护层剔除的厚度为80 mm。试件S-3采用先钻孔再使用墙锯沿孔连线及其延长线双向切断厚板上部纵筋的方法，切割深度为80 mm，切缝宽度为4 mm，试件S-2和S-3处理后的实物见图 3。试件S-1未作处理。

7个混凝土转换梁的试件设计见表 2，混凝土转换梁的配筋形式为：配置钢筋牌号为HRB400、间距为200 mm、直径为8 mm的箍筋，钢筋牌号为HRB400、间距为200 mm、直径为12 mm的纵筋，钢筋牌号为HRB400、间距为200 mm、直径为8 mm的拉结筋，配筋见图 4。同样使用凿岩机钻孔，孔径、孔间距和孔排距等参数的选取依据与破碎混凝土厚板时的选取依据相同。倾斜向下斜交于转换梁侧面钻孔进行混凝土转换梁破碎时，采用“5×3”的布孔形式，钻孔与梁高度方向的夹角为60°，孔底部与梁侧面的水平距离为100 mm。垂直于转换梁顶面钻孔进行混凝土转换梁破碎时，采用“一”字形单排孔的布孔形式，为分析孔深对破碎效果的影响，孔深分别取为梁高的25%、45%、80%和90%，转换梁试件的布孔示意见图 5。试件B-2在梁侧面使用墙锯沿孔口的连线及延长线切断孔口所在侧面的箍筋和纵筋，同时切断钻孔延长线与另一侧面交点的连线及延长线所交纵筋和箍筋。试件B-3仅在梁侧面使用墙锯沿孔口的连线及延长线切断孔口所在侧面箍筋，同时切断钻孔延长线与另一侧面交点的连线及延长线所交箍筋。试件B-4、B-5、B-6和B-7在梁顶面使用墙锯沿孔连线及延长线切断顶部箍筋。各试件处理后的实物见图 6，上述试件的切割深度均为50 mm，切缝宽度为4 mm。试件B-1未作处理。

试验用静态破碎剂为施必达(大连)公司生产的S-611石灰型无声爆破剂，根据其使用说明以及搅拌后浆体的流动性，将水剂比取为0.3，钻孔灌入破碎剂浆体后未采取封孔措施。此外，基于电阻应变法(将按一定水剂比搅拌好的破碎剂浆体倒入直径40 mm、壁厚5.35 mm、高500 mm且封底的钢管中，测定钢管外表面的拉伸应变，基于弹性理论计算得破碎剂产生的膨胀应力)获得了破碎剂径向膨胀压应力的时程曲线，见图 7。此外，水剂比为0.3时，S-611型无声爆破剂的自由体积膨胀率为310%。

2 试验现象及分析 2.1 混凝土厚板试验现象及分析

试件S-1：钻孔灌入破碎剂浆体后1 h左右外围3个孔喷孔(分析喷孔的原因为：试件S-1外围3个孔为本次试验最后灌入破碎剂浆体的钻孔，此时环境温度较高，从而导致喷孔)，7 h时试件顶面角部孔周围出现裂缝。随着时间推移，角部孔周围的裂缝继续发展并与边部孔连通，中部孔周围相继形成微裂缝，同时试件侧表面的中间位置出现水平裂缝。随着破碎剂水化反应继续进行，已形成的裂缝继续扩展，除喷孔的钻孔外，试件顶面各孔之间均形成连通裂缝。试件的整体裂缝主要沿侧面的水平裂缝发展，侧面水平裂缝的宽度远大于顶面裂缝的宽度。试件S-1顶面和某一侧面的裂缝发展过程见图 8。

试件S-2：钻孔灌入破碎剂浆体2.5 h时发现试件顶面角部孔周围首先出现裂缝。随着时间推移，角部孔与边部孔之间和各边部孔之间形成连通裂缝，试件角部处的混凝土脱落。随着破碎剂水化反应继续进行，已连通的裂缝继续扩展，中部孔与边部孔之间和各中部孔之间的裂缝也相继连通，并随着时间的推移裂缝宽度逐渐增大，同时竖向裂缝逐渐延伸至试件底部。裂缝发展稳定后，试件S-2破碎后形成15块块体，外围区域9块，其中形成块体的短边尺寸均为150 mm，最大长边尺寸为900 mm，内部区域6块，其中形成块体的短边尺寸均为300 mm，最大长边尺寸为750 mm。试件S-2顶面的裂缝发展过程见图 9。

试件S-3：钻孔灌入破碎剂浆体5 h时试件顶面切缝的宽度开始增大。随着时间推移，切缝宽度继续增大，角部处和边部处切缝的宽度大于中部区域切缝的宽度。随着破碎剂水化反应继续进行，切缝宽度继续增大，角部处和边部处的混凝土脱落，同时竖向裂缝逐渐延伸至试件底部。试件的整体裂缝主要沿切缝发展，但会存在少数两孔之间切缝宽度增长不明显的情况。裂缝发展稳定后，试件S-3破碎后形成15块块体，外围区域8块，其中形成块体的短边尺寸均为150 mm，最大长边尺寸为750 mm，内部区域7块，其中形成块体的短边尺寸均为300 mm，最大长边尺寸为600 mm。试件S-3顶面的裂缝发展过程见图 10。

综合分析3个厚板试件的试验现象发现：板内纵筋的约束会限制裂缝发展，未去除钢筋约束时，各孔之间可以形成连通裂缝但宽度相对较小；切断或剔除纵筋后，试件顶面各孔之间裂缝发展明显；两种方法破碎后形成块体的数量相同，破碎后形成块体的尺寸相近，其短边尺寸均为孔间距或孔边距，便于继续沿长边方向打碎使其分成更小的块体。

2.2 混凝土转换梁试验现象及分析

为便于试验现象的描述，将转换梁试件的钻孔面定义为正面，钻孔面的对应面定义为背面，此外，将转换梁试件的两个端面按方位定义为左侧面和右侧面。

试件B-1：钻孔灌入破碎剂浆体7 h时试件外围孔周开始形成裂缝。随着时间推移，外围孔间的裂缝逐渐连通，内部孔周围也开始形成微裂缝，外围孔周围裂缝的宽度大于内部孔周围裂缝的宽度。随着破碎剂水化反应继续进行，已连通的裂缝继续扩展，内部孔之间裂缝也相继连通，并随着时间的推移裂缝宽度逐渐增大。试件B-1正面和背面的裂缝发展过程见图 11。

试件B-2：钻孔灌入破碎剂浆体1.5 h时试件中部竖向切缝的宽度开始增大。随着时间推移，试件中部竖向切缝的宽度继续增大，两侧竖向切缝的宽度也逐渐增大。随着破碎剂水化反应继续进行，3条竖向切缝的宽度继续增大，试件的整体裂缝主要沿3条竖向切缝发展。其破坏形式为沿3列孔被破碎为4块，其中边部两块的短边尺寸为150 mm，中部两块的短边尺寸为300 mm，长边尺寸均为梁高。试件B-2正面和背面的裂缝发展过程见图 12。

试件B-3：钻孔灌入破碎剂浆体5 h时试件最上排切缝的宽度开始增大，并在侧面观察到斜裂缝。随着时间推移，从上向下每排切缝宽度依次增大，侧面的斜裂缝也依次形成并逐渐扩展。随着破碎剂水化反应继续进行，每排水平切缝与侧面斜裂缝的宽度继续增大，试件的整体裂缝主要沿每排水平切缝与侧面斜裂缝发展。其破坏形式为沿5排孔被破碎为6块，其中破碎后形成块体的短边尺寸均为300 mm，长边尺寸均为梁长。试件B-3正面、背面以及两侧面的裂缝发展过程见图 13。

试件B-4、B-5、B-6和B-7：试件B-4、B-5、B-6和B-7裂缝的发展过程相同。钻孔灌入破碎剂浆体5 h时试件顶面切缝的宽度开始增大，侧面出现从切缝处向下延伸的竖向裂缝。随着时间推移，顶面切缝的宽度不断增大，切缝处的竖向裂缝不断发展，并在侧面观察到新的竖向裂缝。随着破碎剂水化反应继续进行，顶面切缝与侧面竖向裂缝继续发展。试件的整体裂缝主要沿顶面切缝与侧面竖向裂缝发展，其破坏形式为沿孔被破碎为两块，短边尺寸为梁宽的一半，长边尺寸为梁长。试件B-4、B-5、B-6和B-7顶面和两侧面的裂缝发展过程见图 14~17。

综合分析7个转换梁试件的试验现象发现：倾斜向下斜交于转换梁侧面钻孔进行混凝土转换梁破碎时，梁内的箍筋和纵筋会限制裂缝的发展，未去除钢筋约束时，各孔之间会形成连通裂缝，但裂缝宽度相对较小；切断箍筋和纵筋后，裂缝会在竖向切缝处发展，破碎后形成块体的短边尺寸为孔间距，可继续沿梁高度方向打碎使其分成更小的块体；仅切断箍筋后，裂缝会在水平切缝处发展，并在侧面形成斜裂缝，破碎后形成块体的短边尺寸为孔排距，可继续沿梁长度方向打碎使其分成更小的块体；垂直于转换梁顶面钻孔进行混凝土转换梁破碎时，切断顶部箍筋后，裂缝会在梁顶面切缝处发展，并在侧面形成两到三条竖向裂缝，其破坏形式为沿顶面切缝被破碎为两块，短边尺寸为梁宽的一半，可继续沿梁长度方向打碎使其分成更小的块体。

3 静态破碎效果分析 3.1 混凝土厚板静态破碎效果分析

课题组前期研究中使用破碎剂体积膨胀率表示破碎效果，即假设混凝土块体破碎后孔的形状仍近似为圆形，便可计算得破碎剂的体积膨胀率^[12]。破碎混凝土厚板时，孔周裂缝的发展与单孔下混凝土块体孔周裂缝的发展相近，在平面内可假设破碎后孔的形状为圆形，在空间中可假设破碎后孔的形状为圆台。因此，本部分仍使用破碎剂体积膨胀率来表示破碎效果，破碎剂体积膨胀率可根据式(1)计算。同时使用裂缝面积比表示混凝土厚板的破碎效果，其为厚板顶面裂缝面积之和与厚板顶面面积之比，裂缝面积比可根据式(2)计算。

$ \alpha = \frac{{\frac{1}{{12}}{\rm{\pi }}h\left[ {\frac{{{\rm{\pi }}D + \omega }}{{\rm{\pi }}}D + {D^2} + {{\left( {\frac{{{\rm{\pi }}D + \omega }}{{\rm{\pi }}}} \right)}^2}} \right] - \frac{1}{4}{\rm{\pi }}{D^2}h}}{{\frac{1}{4}{\rm{\pi }}{D^2}h}} \times 100\% $

(1)

$ \beta = \frac{{l \times \left( {\bar d - {d^\prime }} \right)}}{A} \times 100\% $

(2)

式中：α为破碎剂的体积膨胀率，ω为孔周裂缝总宽度，β为裂缝面积比，l为试件顶面切缝总长度，d为试件顶面切缝平均宽度，d′为试件顶面切缝初始宽度(试件B-2为0 mm, 试件B-3为4 mm)，A为试件顶面面积。

基于试件S-2和S-3的试验结果，建立以破碎剂体积膨胀率为纵坐标、钻孔灌入破碎剂浆体后的时间为横坐标的时程曲线，见图 18、19。分析曲线发现：开裂后，破碎剂体积膨胀率随着时间推移而不断增大，前期发展快，后期发展缓慢并逐渐趋于稳定，此外，角部孔的体积膨胀率最大，边部孔次之，中部孔最小。

为更直观对比切断和剔除纵筋两种方法，分别建立以试件内所有钻孔体积膨胀率的平均值与裂缝面积比为纵坐标，钻孔灌入破碎剂浆体后的时间为横坐标的时程曲线，见图 20、21。分析曲线可以发现：剔除纵筋后，角部孔和边部孔在灌入破碎剂浆体2.5 h时孔周出现裂缝，切断纵筋后，在钻孔灌入破碎剂浆体5 h时切缝宽度增长，前种方法的开裂时间早于后种方法；钻孔灌入破碎剂浆体48 h时裂缝已近乎发展稳定，剔除纵筋后，破碎剂体积膨胀率和裂缝面积比分别为110.1%、18.6%，切断纵筋后，破碎剂体积膨胀率和裂缝面积比分别为164.8%、23.3%，后种方法的破碎效果优于前种方法。

3.2 混凝土转换梁静态破碎效果分析

基于试件B-2的试验结果，建立以正面和背面切缝宽度的平均值为纵坐标、钻孔灌入破碎剂浆体后的时间为横坐标的时程曲线，见图 22。分析曲线可发现：开裂后，切缝宽度随着时间推移而不断增大，前期发展快，后期发展缓慢并逐渐趋于稳定；切断梁内箍筋和纵筋后，裂缝主要沿竖向切缝发展。钻孔灌入破碎剂浆体48 h时切缝宽度已近乎不再增长，此时各列切缝的平均宽度为26.5、24.5、28.7 mm。

基于试件B-3的试验结果，建立以试件各排正面切缝宽度、背面切缝宽度和两侧面斜裂缝宽度的平均值为纵坐标、钻孔灌入破碎剂浆体后的时间为横坐标的时程曲线，见图 23。分析曲线可以发现：开裂后，裂缝宽度随着时间推移而不断增大，试验前期各排切缝由上到下依次开展，前期发展快，后期发展缓慢并逐渐趋于稳定。钻孔灌入破碎剂浆体48 h时裂缝宽度已近乎不再增长，此时各层裂缝的平均宽度为23.6、30.2、17.1、24.2、23.6 mm。

基于试件B-4、B-5、B-6和B-7的试验结果，建立以梁顶面切缝宽度为纵坐标、钻孔灌入破碎剂浆体后的时间为横坐标的时程曲线，见图 24。分析曲线可以发现：开裂后，切缝宽度随着时间推移而不断增大，前期发展快，后期发展缓慢并逐渐趋于稳定；钻孔灌入破碎剂浆体48 h时切缝宽度已近乎不再增长，此时试件B-4、B-5和B-6顶面的切缝宽度分别为13.79、13.98、14.14 mm，孔深由25%增大至50%再增大至80%，切缝宽度依次增长1.4%、1.1%；孔间距由300 mm缩短到150 mm时，切缝宽度增长77.5%。

4 结论

1) 垂直于厚板顶面钻孔进行混凝土厚板破碎时，厚板内纵筋会影响静态破碎过程中的开裂程度，沿孔连线及其延长线切断厚板上部纵筋或剔除厚板上部纵筋均可有效去除钢筋约束，获得较好的破碎效果。破碎后形成块体的短边尺寸为孔间距或孔边距，便于继续沿长边方向打碎使其分成更小的块体。二者方法相比，切断纵筋后的破碎效果优于剔除纵筋，剔除纵筋后的开裂时间早于切断纵筋。

2) 倾斜向下斜交于转换梁侧面钻孔进行混凝土转换梁破碎时，转换梁内箍筋和纵筋会影响静态破碎过程中的开裂程度，沿孔口的连线及延长线切断孔口所在侧面的箍筋或纵筋，同时切断钻孔延长线与另一侧面交点的连线及延长线所交纵筋或箍筋可有效去除钢筋的约束，获得较好的破碎效果。破碎后形成块体的短边尺寸为孔间距、孔排距或孔边距，便于继续沿长边方向打碎使其分成更小的块体。

3) 垂直于转换梁顶面钻孔进行混凝土转换梁破碎时，切断梁顶箍筋后，梁内拉结筋会影响静态破碎过程中的开裂程度。孔深增大、孔间距减小，均会导致顶面切缝的宽度增大。