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槽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、扩展到最后的失稳过程非常明显。研究结果可为静态破碎剂在实际工程中的应用提供理论指导。
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有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，膨胀与硬化同时进行，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碎体开始出现裂纹，在膨胀压力的继续作用下裂纹扩展直至试件破碎[1]。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、无有害气体、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、建筑物和交通要道等不可能采取爆破方法的工程中，在贵重石材的切割工艺中，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，一些学者也进行了系列研究。唐烈先[1,3]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[4]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[5]研究了静态破碎剂破岩机理、试件裂纹发展规律。
本文进行了静态破碎剂作用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》，试验中采用的是M15配比制备的砂浆。模型试件的规格是直径400mm、高度400mm的圆柱体。圆柱体试件中间对称开槽，预留切槽孔、孔径48mm，切槽10mm、深度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面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℃，选用四川省珙县建洪化工厂生产的超力牌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用冷却水拌合破碎剂，以避免发生冲孔现象。水与破碎剂的质量比为0.25～O.30，先把称量好的水倒入桶中，再把粉砂状破碎剂倒人桶中，用塑料棒人工搅拌，使药液均匀。拌合好的破碎剂浆体，要在3min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MEGA PIXELMS55K型高速摄影机。基本参数：传感器类型为Mega Speed黑白或彩色CMOS传感器，最大分辨率为1280×1024，像素尺寸12μm×12μm，快门速度为2μs一30ms，2μs连续可调，光谱范围为400～1000nm，A—D转换为8bits。
2.3 裂纹扩展速度、扩展加速度的确定
利用高速摄影拍摄的裂纹尖端位置可以确定每瞬时的裂纹扩展长度。为了获得裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度等断裂参数的精确值，可用由Takahashi和Arakawa提出的数据拟合方法来计算真实的裂纹长度S(t)[6]。下面是裂纹长度关于时间t的9阶多项式：
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：
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向两侧偏移量很小。拍摄的裂纹纵向和横向的裂纹长度Sx和Sy得到。Sx和Sy曲线也是利用9阶多项式的最小二乘法得到：
对多项式Sx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vx、vy和ax、ay。
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：
3 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整个试件。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3所示。
3.2 裂纹A扩展变化规律
图4表示的是两翼切槽孔试件裂纹A的扩展过程。根据高速相机拍摄的图像、利用公式(4)和(5)，可以绘制出两翼切槽孔试件裂纹A扩展过程中横向扩展Sx和纵向扩展Sy随时间t的变化关系曲线，如图5所示。由图5可以看出，横向扩展Sx的速度明显大于纵向扩展Sy；纵向扩展Sy的变化值相对较小，说明翼裂纹A向两侧偏移量很小。
根据公式(8)和公式(9)，可以分别得到速度v、加速度n与时间t的变化曲线，如图6所示。
图6(a)表示试件裂纹A扩展速度随时间变化的曲线。在0～600ms时间内，裂纹萌生扩展、速度逐渐增大，到t=600ms时达到最大值O.17m／s，随后快速下降，裂纹失稳扩展。
图6(b)表示试件裂纹A扩展加速度随时间变化的曲线。可以看出，在0～200ms时间段内，加速度逐渐增大，峰值达0.16m／s2；在200～950ms时间段内，加速度逐渐减小，并且在t=600ms时刻加速度为零；在t=950ms以后到裂纹扩展至自由面时间段，加速度又逐渐增大。
3.3 裂纹B扩展变化规律
图7表示试件裂纹B的扩展过程。由图8并利用公式(4)和(5)，同样可以绘制出切槽孔试件裂纹B扩展过程中横向扩展Sx和纵向扩展Sy随时间t的变化关系曲线。由图8可以看出，裂纹B横向扩展Sx也明显大于纵向扩展Sy，同时可以看到纵向扩展Sy初始阶段变化相对裂纹纵向扩展更小，说明翼裂纹B初始阶段扩展轨迹更加平直。
同样根据公式(8)和公式(9)，选用不同于裂纹A的时间坐标，得到裂纹B的扩展速度口和加速度分别随时间t的变化曲线，如图9所示。
图9(a)表示试件裂纹B扩展速度随时间变化的曲线。可以看出，在O～400ms时间段内，裂纹萌生扩展，速度逐渐增大，最大值为0.149m／s。在400～1000ms时间段内，速度逐渐减小，到1000ms时达到最小值O.123m／s。在1000ms以后到裂纹扩展至自由面时间段，裂纹失稳扩展速度又逐渐增大，这和裂纹A不同。
图9(b)表示试件裂纹B扩展加速度随时间变化的曲线。在O～150ms时间段，加速度逐渐增大。在150～700ms，加速度又逐渐减小，并且在t=400ms时刻加速度为零，在t=700ms以后到裂纹扩展至自由面时间，加速度又逐渐增大。
3.4 裂纹扩展机理分析
裂纹A与裂纹B扩展速度和扩展加速度的变化曲线基本相似，上述现象产生的原因是，随着静态破碎剂的反应，膨胀压由O增加到p时，试件中产生径向压应力σr和切向拉应力σθ，在应力值大于试件的抗拉强度后，试件裂纹萌生。静态破碎剂继续反应、体积逐渐增大，相当于增加荷载的过程，这段时问内加速度是逐渐增大的。静态破碎剂反应一段时间后，反应速度会逐渐变慢，产生的膨胀压力会逐渐变小，并且装药孔的体积变大也会导致膨胀压力的减小，相当于是一个卸荷过程，这段时间内加速度是逐渐减小的。而后，裂纹继续扩展，由于试件大小的限制，当离自由面距离较近的地方时，所受的约束变小，静态破碎剂的膨胀压力对试件的作用又相当于一个加载过程，这段时间内加速度再次逐渐增大。
比较裂纹A和裂纹B扩展速度和加速度变化曲线还可以看到，裂纹扩展加速度最大值到达的时间早于裂纹扩展速度最大值的时间。原因是裂纹起裂以后，静态破碎剂继续膨胀做功导致加速度继续增大，加速度快速达到最大值之后减小，当加速度为O时，速度达到最大值。裂纹A起裂的时间早于裂纹B，裂纹A从萌生、扩展到失稳扩展至自由面所用时间少于裂纹B从萌生、扩展到失稳扩展至自由面所用的时间。原因是裂纹A初始阶段应力集中大于裂纹B初始阶段。裂纹A起裂后，此时静态破碎剂膨胀压力继续增大，随着裂纹A的扩展，裂纹B开始萌生、扩展，但破碎剂膨胀压力相对前期变小，所以裂纹A扩展到自由面的时间小于裂纹B扩展到自由面的时间。
4 结 论
(1)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。裂纹的萌生、扩展到最后的失稳过程非常明显。
(2)裂纹扩展过程中，裂纹扩展速度和加速度的变化基本都是呈现先增加后降低的趋势。裂纹扩展加速度到达最大值的时间早于裂纹扩展速度最大值的时间。
(3)裂纹A起裂的时间早于裂纹B，裂纹A从萌生、扩展到失稳扩展至自由面所用时间少于裂纹B从萌生、扩展到失稳扩展至自由面所用的时间。
摘自《工程爆破》总第61期
参考文献：
[1]唐烈先，唐春安，唐世斌．混凝土静态破碎的物理试验与数值试验[J]．混凝土，2005(8)：3—5．
[2)郭瑞平，杨永琦．静态破碎剂膨胀机理及可控性的研究[J]．煤炭学报，1994，19(5)：478—485．
[3]唐烈先，唐春安，唐世斌．静态破碎的物理与数值试验[J]．岩土工程学报，2005，27(4)：437—440．
[4]桂良玉．静态破碎剂破岩机理试验研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2008．
[5]王建鹏．静态破碎剂破岩机理研究[J]．中国矿业，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
