技术领域
[0001] 本
发明涉及爆破工程技术领域，尤其涉及一种预制结构面混凝土单孔爆破试验装置和试验方法。
背景技术
[0002] 炸药爆破作为高效的开挖破岩手段，广泛应用于世界各国工程建设领域中。但是，炸药爆炸因其复杂的物理化学过程、瞬间释放大量
能量等特点，存在着爆破能量不可控、安全隐患高等一系列问题。SC-CO2
相变致裂技术作为一种物理爆破技术，产物为无害、阻燃气体，且作用过程无火花，其安全环保性远优于传统炸药爆破，且其破岩效率远远高于静态
破碎、
水压致裂。在当前岩土工程领域中，SC-CO2相变致裂技术应用前景极为广泛。
[0003] SC-CO2相变致裂技术是利用管内液态二
氧化
碳在活化剂作用下受热
气化膨胀，使管内压
力不断增大，当达到剪切片泄放压力时，剪切片瞬间被剪破，二氧化碳迅速转化为气态在泄能头出气孔处释放，使炮孔周围的
煤(岩)体致裂。目前，对于SC-CO2相变致裂技术的研究多集中在工程应用方面，针对SC-CO2相变气-动作用下的理论研究和试验研究还有大量工作亟待展开。
[0004] 基于此，本发明针对SC-CO2相变气-动作用下受软弱结构面控制的岩体爆破工程，以相似材料为研究对象，开展SC-CO2相变气-动作用下预制结构面混凝土单孔爆破试验研究，揭示SC-CO2相变气-动作用下预制结构面混凝土裂纹扩展规律。研究成果对于提高SC-CO2相变荷载能量利用率和破岩效率，指导SC-CO2相变致裂技术的发展具有重要的实际意义和工程应用价值；对于丰富高压气体爆破理论体系，指导SC-CO2致裂技术规范及工法编制，具有重要的理论意义。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明的
实施例提供了一种预制结构面混凝土单孔爆破试验装置和试验方法，旨在得到运动裂纹的位移场和应变场变化特征以及裂纹扩展过程，揭示预制结构面混凝土裂纹扩展规律。
[0006] 本发明的实施例提供一种预制结构面混凝土单孔爆破试验装置，包括试验箱、混凝土试件、CO2相变致裂器、箔式
电阻应变片、高速数字相机、加压装置、数字
图像处理系统以及超动态应变测试系统；
[0007] 所述试验箱具有容纳所述混凝土试件的空间，所述混凝土试件中部钻有爆破孔，顶面设有多个散斑，所述试验箱顶部呈透明设置，贯穿设有与所述爆破孔相对的穿孔，所述加压装置用于对所述混凝土试件进行加压，所述CO2相变致裂器的泄能头穿过所述穿孔伸入所述爆破孔内；
[0008] 所述高速数字相机用于采集所述混凝土试件表面的图像信息，记录裂纹起裂、扩展、贯通的整个过程；所述箔式电阻应变片设于所述混凝土试件的结构面端部，所述超动态应变测试系统与所述箔式电阻应变片电连接，用于获取所述混凝土试件裂纹的开裂应变；所述数字图像处理系统与所述高速摄像机电连接，用于根据所述图像信息获取所述混凝土内混凝土试件表面的位移场和应变场信息，分析运动裂纹的位移场和应变场变化特征以及裂纹扩展过程。
[0009] 进一步地，所述CO2相变致裂器包括充装
阀、储液管、加热装置、定压剪切片以及泄能头；
[0010] 所述加热装置设于所述储液管内，所述储液管一端与所述充装阀相连，所述充装阀用于与液态二氧化碳充装系统相连，用于向所述储液管内充装液态二氧化碳，所述储液管另一端通过所述定压剪切片与所述泄能头相连，所述泄能头上设有导气孔，所述加热装置用以对所述储液管内的液态二氧化碳加热，使其气化从所述导气孔中流出。
[0011] 进一步地，所述加热装置内设有化学物质，所述加热装置由线
端子引出
连接线，通过储液管端头阀
门与起爆器相连。
[0012] 进一步地，所述试验箱包括
底板、顶板以及多个
连接杆，所述底板和所述顶板通过所述连接杆相连，所述顶板呈透明设置，所述穿孔设于所述顶板上，所述混凝土试件设于所述底板和所述顶板之间；
[0013] 所述加压装置包括轴向加压装置、两个第一径向加压装置和两个第二径向加压装置；所述轴向加压装置设于所述混凝土试件下方，且位于所述底板和所述顶板之间，用于对所述混凝土试件施加向上的压力；两个所述第一径向加压装置分别设于所述混凝土试件左右两侧，用于对所述混凝土试件施加第一径向压力；两个所述第二径向加压装置分别设于所述混凝土试件前后两侧，用于对所述混凝土试件施加第二径向压力；和/或，[0014] 还包括有
支撑架，所述支撑架包括支撑横梁和两个竖杆，所述两个竖杆分别设于所述试验箱两侧，所述支撑横梁可上下移动安装于所述两个竖杆上，所述高速数字相机固定于所述支撑横梁上，所述两个竖杆外
侧壁均设有外
螺纹，所述两个竖杆上端分别
螺纹连接有限位
螺母，所述支撑横梁两端分别贯穿设有沿上下向延伸的穿孔，所述竖杆上端穿过所述穿孔以使所述支撑横梁与所述螺母顶部相抵接。
[0015] 本发明的实施例还提供一种预制结构面混凝土单孔爆破试验方法，包括以下步骤：
[0016] S1定制CO2相变致裂器成套装置，设置合理的二氧化碳充装量、泄放压力；
[0017] S2用相似材料制备混凝土试件，在所述混凝土试件中心钻孔以形成爆破孔，并在混凝土试件上预制结构面；
[0018] S3将所述混凝土试件密封装入试验箱内，并利用加压装置对所述混凝土试件施加径向压力和轴向压力，将所述CO2相变致裂器的泄能头放入所述爆破孔内；
[0019] S4在所述预制结构面端部布置应变监测点，设置箔式电阻应变片，利用超动态应变测试系统获取尖端裂纹的开裂应变；
[0020] S5利用所述CO2相变致裂器的起爆器起爆，在起爆的同时高速数字相机触发拍摄，所述高速数字相机持续采集所述混凝土试件表面的图像信息至试验结束，记录裂纹起裂、扩展、贯通的整个过程；
[0021] S6利用数字图像相关方法记录所述混凝土试件表面的位移场，得到所述混凝土试件表面的应变场；
[0022] S7结合步骤S4-S6的结果得到SC-CO2相变气-动作用下预制结构面混凝土的裂纹扩展规律。
[0023] 进一步地，步骤S1包括以下步骤：
[0024] S11在CO2相变致裂器的储液管内安装加热装置，所述加热装置由线端子引出连接线，通过所述储液管上部的充装阀与所述起爆器相连；
[0025] S12在所述储液管下部安装定压剪切片和泄能头，所述定压剪切片位于所述储液管和所述泄能头之间；
[0026] S13CO2相变致裂器组装完毕后，将液态二氧化碳充装系统与所述充装阀相连，启动所述液态二氧化碳充装系统，将液态二氧化碳注入所述储液管中并控制
温度至预定值。
[0027] 进一步地，步骤S2包括以下步骤：
[0028] S21准备好模具，提前在模具内涂抹机油；
[0029] S22按照一定的配比称取
水泥、
石膏、
骨料和水放入
搅拌机中搅拌均匀；
[0030] S23向所述模具内装满搅拌好的混凝土，用振动棒振动夯实以形成混凝土试件；
[0031] S24将所述混凝土试件放置24小时后脱模，再放入水中养护不少于28天；
[0032] S25使用混凝土钻孔取芯机在养护后的所述混凝土试件中心钻孔，利用
岩石切割机在中心孔上预制结构面。
[0033] 进一步地，步骤S3包括以下步骤：
[0034] S31对所述混凝土试件施加轴向压力，根据轴向压力
传感器的压
力反馈，加载所述轴向压力至目标压力值；
[0035] S32对所述混凝土试件施加径向压力，根据径向
压力传感器的压力反馈，加载所述径向压力至目标压力值；
[0036] S33所述混凝土试件的轴向压力和径向压力达目标值后，将所述CO2相变致裂器的所述泄能头放入所述爆破孔内。
[0037] 进一步地，步骤S5包括以下步骤：
[0038] S51将已经注入液态二氧化碳的CO2相变致裂器连接启动器，用
电子导通器检测整个线路；
[0039] S52确定线路正常后，通入
电流启动所述起爆器阀门，完成起爆。
[0040] 进一步地，步骤S6包括以下步骤：
[0041] S61利用工业喷墨打印技术，在制作好的混凝土试件表面上
喷涂预先设定好的圆形散斑，所述散斑直径在0.25mm～0.50mm之间随机分布；
[0042] S62用预先设定的匹配
算法追踪物体表面在加载过程中数字图像上的散斑点，获得散斑点的运动情况，获得所述混凝土试件表面的位移信息，进而得到所述混凝土试件表面的应变场。
[0043] 本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：传统的爆破试验只能在爆破结束后通过肉眼/拍照观察或实验处理，定性或半定量分析爆破作用下岩体裂纹扩展规律，并不科学严谨，本发明实施例中提供预制结构面混凝土单孔爆破试验方法，利用箔式电阻应变片获取结构面尖端的开裂应变，采用高速数字相机进行图像实时采集，直观的监测预制结构面混凝土裂纹起裂及扩展的全过程，并且通过数字图像相关方法记录观测区域内混凝土试件表面的位移场和应变场信息，得到SC-CO2相变气-动作用下运动裂纹的位移场和应变场变化特征以及裂纹扩展过程，揭示SC-CO2相变气-动作用下预制结构面混凝土裂纹扩展规律。实验方法操作简单，实用性强，研究成果对于研究SC-CO2相变气-动作用下岩体裂纹扩展机理、提高SC-CO2相变荷载能量利用率和破岩效率具有重要的指导价值。
附图说明
[0044] 图1是本发明提供的预制结构面混凝土单孔爆破试验装置一实施例的结构示意图；
[0045] 图2是图1中CO2相变致裂器的结构示意图。
[0046] 图中：顶板1、穿孔11、底板12、连接杆13、混凝土试件2、爆破孔21、高速数字相机3、轴向加压装置4、第一径向加压装置5、支撑架6、支撑横梁61、竖杆62、限位螺母63、
定位螺母64、支撑平台7、充装阀81、储液管82、加热装置83、定压剪切片84、泄能头85。
具体实施方式
[0047] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
[0048] 请参见图1和图2，本发明的实施例提供一种预制结构面混凝土单孔爆破试验装置，包括试验箱1、混凝土试件2、CO2相变致裂器、箔式电阻应变片、高速数字相机3、加压装置、数字图像处理系统以及超动态应变测试系统。
[0049] 请参见图1，所述试验箱1具有容纳所述混凝土试件2的空间，所述混凝土试件2中部钻有爆破孔21，顶面设有多个圆形散斑，所述散斑的直径为0.25mm～0.5mm，所述试验箱1顶部呈透明设置，贯穿设有与所述爆破孔21相对的穿孔11。本实施例中，所述试验箱1包括顶板1、底板12以及多个连接杆13，所述底板12和所述顶板1通过所述连接杆13相连，所述顶板1呈透明设置，材质为高强度玻璃，厚度为5mm，所述穿孔11设于所述顶板1上，所述混凝土试件2设于所述底板12和所述顶板1之间。
[0050] 所述加压装置包括轴向加压装置4、两个第一径向加压装置5和两个第二径向加压装置(图中未示出)；所述轴向加压装置4设于所述混凝土试件2下方，且位于所述底板12和所述顶板1之间，用于对所述隔板12施加向上的压力，从而对所述混凝土试件2施加轴向压力；两个所述第一径向加压装置5分别设于所述混凝土试件2左右两侧，用于对所述混凝土试件2施加第一径向压力；两个所述第二径向加压装置分别设于所述混凝土试件2前后两侧，用于对所述混凝土试件2施加第二径向压力，从而从三个方向对混凝土试件2施加压力。所述混凝土试件2内设有轴向压力传感器、第一径向压力传感器和第二径向压力传感器(图中未示出)，所述轴向压力传感器用于监测所述混凝土试件在轴向上受到的压力，所述第一径向压力传感器用于监测所述混凝土试件在第一径向上受到的压力，所述第二径向压力传感器用于监测所述混凝土试件在第二径向上受到的压力，通过监测各压力传感器可控制径向压力和轴向压力的大小，模拟
地层岩体受到的初始
应力作用，为研究混凝土试件2裂纹扩展规律提供可靠数据，提高了实验室模拟实验结果的可信度。
[0051] 所述CO2相变致裂器的泄能头85穿过所述穿孔11伸入所述爆破孔21内，请参见图2，所述CO2相变致裂器包括充装阀81、储液管82、加热装置83、定压剪切片84以及泄能头85。
[0052] 所述储液管82一端与所述充装阀81相连，所述充装阀81用于与液态二氧化碳充装系统相连，用于向所述储液管82内充装液态二氧化碳，所述充装阀81与储液管82螺纹连接，储液管82的材质为42CrMo，使其具有较高的强度和较强的耐
腐蚀性；所述储液管82另一端通过所述定压剪切片84与所述泄能头85相连，所述泄能头85上设有导气孔，可控制射流方向，定压剪切片84具体为圆形
钢板片，在致裂时起到控制气体压力的作用，所述储液管82与所述定压剪切片84之间设置密封垫(图中未示出)，可防止二氧化碳气体
泄漏。所述加热装置83设于所述储液管82内，所述加热装置83用以对所述储液管82内的液态二氧化碳加热，使其气化从所述导气孔中流出。本实施例中，所述加热装置83内设有化学活化剂，所述加热装置83由线端子引出连接线，通过储液管82端头阀门与起爆器相连，加热装置83通电后可以产生大量的热量使储液管82内的液态二氧化碳受热气化，气体膨胀对外做功，此为
现有技术，在此不做具体描述。
[0053] 试验时用起爆装置激发加热装置83发热，液态二氧化碳相变为超
临界状态，液态二氧化碳相变为
超临界状态之后，二氧化碳相变致裂器中压力不断升高，致裂器中压力超过定压剪切片84的破断压力之后，超临界二氧化碳瞬间释放相变为高压二氧化碳气体，产生气-动效应，冲击混凝土试件2，达到混凝土试件2碎的效果。
[0054] 所述高速数字相机3用于采集所述混凝土试件2表面的图像信息，记录裂纹起裂、扩展、贯通的整个过程。本实施例中，请参见图1，高速数字相机3固定于支撑架6上，所述支撑架6包括支撑横梁61和两个竖杆62，所述两个竖杆62分别设于所述试验箱1两侧，所述支撑横梁61可上下移动安装于所述两个竖杆62上，所述高速数字相机3固定于所述支撑横梁61上。本实施例中，两个竖杆62和试验箱1均固定于支撑平台7上。
[0055] 所述两个竖杆62外侧壁均设有
外螺纹，所述两个竖杆62上端分别螺纹连接有限位螺母63，所述支撑横梁61两端分别贯穿设有沿上下向延伸的穿孔11(图中未示出)，所述竖杆62上端穿过所述穿孔11以使所述支撑横梁61与所述螺母顶部相抵接。所述两个竖杆62上端均螺纹连接有定位螺母64，所述支撑横梁61位于所述限位螺母63和所述定位螺母64之间。通过旋松限位螺母63和定位螺母64，可对支撑横梁61的高度任意调节，通过调节支撑横梁61的高度可改变高速数字相机3镜头与混凝土试件2的距离，从而控制高速数字相机3拍摄的
精度。高速数字相机3的镜头正对试验箱1的中央
位置，高速数字相机3可透过玻璃板记录混凝土试件2在爆破过程中裂纹起裂及扩展的全过程，采用高强度玻璃板可防止高速数字相机3镜片因爆破过程中产生的飞石而造成损坏。高速数字相机3经同步控制系统与起爆器相连，启动起爆器阀门的同时经同步控制系统给高速数字相机3一个外触发
信号，高速数字相机3开始记录裂纹起裂、扩展、贯通的整个过程，实现对试验拍摄的自动控制。
[0056] 所述箔式电阻应变片设于所述混凝土试件2的结构面端部，所述超动态应变测试系统与所述箔式电阻应变片电连接，用于获取所述混凝土试件2裂纹的开裂应变；所述数字图像处理系统与所述高速摄像机电连接，用于根据所述图像信息获取所述混凝土内混凝土试件2表面的位移场和应变场信息，分析运动裂纹的位移场和应变场变化特征以及裂纹扩展过程。超动态应变测试系统包括电阻式应变片、桥盒、动态应变采集仪、动态分析仪以及计算机，此为现有技术，在此不做具体描述。
[0057] 本发明的实施例还提供一种预制结构面混凝土单孔爆破试验方法，包括以下步骤：
[0058] S1定制CO2相变致裂器成套装置，设置合理的二氧化碳充装量、泄放压力。
[0059] 具体的，CO2相变致裂器包括充装阀81、储液管82、加热装置83、定压剪切片84以及泄能头85，在CO2相变致裂器的储液管82内安装加热装置83，所述加热装置83由线端子引出连接线，通过所述储液管82上部的充装阀81与起爆器相连，所述加热装置83内设有化学活化剂，加热装置83通电后可以产生大量的热量使储液管82内的液态二氧化碳受热气化，气体膨胀对外做功。
[0060] 在所述储液管82下部安装定压剪切片84和泄能头85，所述定压剪切片84位于所述储液管82和所述泄能头85之间；CO2相变致裂器组装完毕后，将液态二氧化碳充装系统与所述充装阀81相连，启动所述液态二氧化碳充装系统，将液态二氧化碳注入所述储液管82中并控制温度至预定值。所述液态二氧化碳充装系统包括自动化快速充装机、充装台、液态二氧化碳储气罐，此为现有技术，在此不做具体描述。
[0061] S2用相似材料制备混凝土试件2，在所述混凝土试件2中心钻孔以形成爆破孔21，并在混凝土试件2上预制结构面，由于岩石材料不易加工成型，故采用相似材料制作的混凝土试件2作为试验对象。
[0062] 具体的，准备好模具，提前在模具内涂抹机油；按照一定的配比称取水泥、石膏、骨料和水放入搅拌机中搅拌均匀；向所述模具内装满搅拌好的混凝土，用振动棒振动夯实以形成混凝土试件2；将所述混凝土试件2放置24小时后脱模，再放入水中养护不少于28天；使用混凝土钻孔取芯机在养护后的所述混凝土试件2中心钻孔，利用岩石切割机在中心孔上预制结构面。
[0063] S3将所述混凝土试件2密封装入试验箱1内，并利用加压装置对所述混凝土试件2施加径向压力和轴向压力，将所述CO2相变致裂器的泄能头85放入所述爆破孔21内，对混凝土试件2施加径向压力和轴向压力可模拟地层岩体实际受到的初始应力作用。
[0064] 具体的，对所述混凝土试件2施加轴向压力，根据轴向压力传感器的压力反馈，加载所述轴向压力至目标压力值；对所述混凝土试件2施加径向压力，根据径向压力传感器(包括第一径向传感器和第二径向传感器)的压力反馈，加载所述径向压力至目标压力值；所述混凝土试件2的轴向压力和径向压力达目标值后，将所述CO2相变致裂器的所述泄能头
85放入所述爆破孔21内。
[0065] S4在所述预制结构面端部布置应变监测点，设置箔式电阻应变片，利用超动态应变测试系统对结构面端部各测点处应变进行采集，获取尖端裂纹的开裂应变。
[0066] S5利用所述CO2相变致裂器的起爆器起爆，在起爆的同时高速数字相机3触发拍摄，所述高速数字相机3持续采集所述混凝土试件2表面的图像信息至试验结束，记录裂纹起裂、扩展、贯通的整个过程。
[0067] 具体的，利用起爆器起爆的过程为，将已经注入液态二氧化碳的CO2相变致裂器连接启动器，用电子导通器检测整个线路；确定线路正常后，通入电流启动所述起爆器阀门，完成起爆。
[0068] S6利用数字图像相关方法记录所述混凝土试件2表面的位移场，得到所述混凝土试件2表面的应变场。
[0069] 具体的，利用工业喷墨打印技术，在制作好的混凝土试件2表面上喷涂预先设定好的圆形散斑，所述散斑直径在0.25mm～0.50mm之间随机分布；用预先设定的匹配算法追踪物体表面在加载过程中数字图像上的散斑点，获得散斑点的运动情况，获得所述混凝土试件2表面的位移信息，进而得到所述混凝土试件2表面的应变场。
[0070] S7结合步骤S4-S6的结果得到SC-CO2相变气-动作用下预制结构面混凝土的裂纹扩展规律。
[0071] 由于岩体是由各向非均质的、
各向异性的岩石和结构面组成的，用原岩做室内试验操作难度大，本试验采用相似材料制作的混凝土试件2作为研究对象，制备方便，成本低廉，且混凝土试件2的尺寸和相关物理力学参数可调控。
[0072] 在试验过程中对混凝土试件2施加径向压力和轴向压力，可模拟地层岩体实际受到的初始应力作用，为研究混凝土试件2裂纹扩展规律提供可靠数据，提高了实验室模拟实验结果的可信度。
[0073] 传统的爆破试验只能在爆破结束后通过肉眼/拍照观察或实验处理，定性或半定量分析爆破作用下岩体裂纹扩展规律，并不科学严谨，本
申请实施例中提供预制结构面混凝土单孔爆破试验方法，利用箔式电阻应变片获取结构面尖端的开裂应变，采用高速数字相机3进行图像实时采集，直观的监测预制结构面混凝土裂纹起裂及扩展的全过程，并且通过数字图像相关方法记录观测区域内混凝土试件2表面的位移场和应变场信息，得到SC-CO2相变气-动作用下运动裂纹的位移场和应变场变化特征以及裂纹扩展过程，揭示SC-CO2相变气-动作用下预制结构面混凝土裂纹扩展规律。实验方法操作简单，实用性强，研究成果对于研究SC-CO2相变气-动作用下岩体裂纹扩展机理、提高SC-CO2相变荷载能量利用率和破岩效率具有重要的指导价值。
[0074] 在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请
请求保护的范围。
[0075] 在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0076] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
