靜態(tài)膨脹劑的影響因素試驗(yàn)研究與分析

馬麗潔，左安家，李 昊，鄭鑫健

（華北科技學(xué)院，河北廊坊 065201）

靜態(tài)膨脹劑又被叫做靜態(tài)破碎劑（SCA），是指一類(lèi)經(jīng)高熱煅燒氧化鈣為主要成分的無(wú)機(jī)化合物，摻入適當(dāng)?shù)乃嗟韧饧游镆黄鸱勰ズ笾苽涞模邆漭^高膨脹特性和非爆破性碎裂用粉末物料，屬于非燃、非爆、無(wú)毒物品。水調(diào)成漿體后灌入石頭或水泥鉆孔中，伴隨水化反應(yīng)的開(kāi)展，脹氣硬化同時(shí)展開(kāi)，形成了新的膨化產(chǎn)物，可使固相體積增大兩到三倍[1]。由于SCA 破碎使用的藥劑水化反應(yīng)很緩慢，壓力能以靜力的方式傳導(dǎo)給外界的被破碎體，使得粉碎過(guò)程進(jìn)行的平穩(wěn)而無(wú)噪聲，而且反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生毒性物質(zhì)，且可以在局部區(qū)域內(nèi)迅速完成，所以它是一個(gè)安全、綠色、無(wú)噪聲的破碎方式，特別適合于水泥、石料安全粉碎、廠礦改擴(kuò)建中的建筑物拆遷、石料切割、巷道開(kāi)拓挖掘、局部粉碎及其他破碎工藝[2，3]。靜態(tài)破碎劑起源于20 世紀(jì)60年代的日本，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)靜態(tài)破碎劑進(jìn)行著潛心研究。

姜智盛，鄭文忠等[4]將靜態(tài)膨脹劑與水混合后注入13 個(gè)素混凝土試件的鉆孔中，觀察其破碎過(guò)程及狀態(tài)，計(jì)算出反應(yīng)前后的體積膨脹率，得出孔徑和約束程度對(duì)反應(yīng)時(shí)間和效果的影響規(guī)律。唐烈先，唐春安等[5]按照C40 配比制作了混凝土模型并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)參數(shù)測(cè)定，使用REPA2D 軟件模擬了靜態(tài)膨脹劑作用下的混凝土以三條不同方向的主裂紋擴(kuò)展到失穩(wěn)擴(kuò)展的過(guò)程。彭建宇，李元輝等[6]采用顆粒離散元程序?qū)o態(tài)膨脹劑水化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行模擬，得到反應(yīng)軸向膨脹壓力曲線(xiàn)，并得出通過(guò)調(diào)整預(yù)留空間高度值可以調(diào)節(jié)反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力的結(jié)論。盛弘釗，盧小雨等[7]通過(guò)保持水溫恒定，分析了不同水劑比條件下的靜態(tài)膨脹劑的體積膨脹率與反應(yīng)溫度的變化，得出水劑比越大，能夠達(dá)到的最高溫度越小，膨脹變化時(shí)間越短的結(jié)論。許蘭保運(yùn)用化學(xué)知識(shí)描述了靜態(tài)膨脹劑反應(yīng)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程，應(yīng)用力學(xué)知識(shí)、理論公式對(duì)靜態(tài)膨脹機(jī)理進(jìn)行了詳盡分析，由三組不同規(guī)格的混凝土模型試塊破碎過(guò)程得出裂紋擴(kuò)展不是以軸向?qū)ΨQ(chēng)的四條裂紋或者中心對(duì)稱(chēng)的三條主裂縫出現(xiàn)，而是在截面產(chǎn)生豎向?qū)ΨQ(chēng)的兩條主裂縫的結(jié)論[8]。以上學(xué)者的研究主要集中于靜態(tài)膨脹劑的反應(yīng)過(guò)程和巖石的破碎過(guò)程，對(duì)于反應(yīng)條件及膨脹壓力的影響因素卻鮮有研究，基于此，本次試驗(yàn)采用電阻應(yīng)變片測(cè)量法測(cè)得在不同的水灰比、材料配比、水溫、孔徑條件下反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析它們之間的關(guān)系，研究反應(yīng)原理，為靜態(tài)膨脹劑的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原理

目前，靜態(tài)膨脹劑的最主要成分為氧化鈣。氧化鈣與水化學(xué)反應(yīng)后成為氫氧化鈣，在放熱的時(shí)候，其體積也增加。而靜態(tài)膨脹劑就是利用這些反應(yīng)和氫氧化鈣晶體在發(fā)育時(shí)體積增加而產(chǎn)生的膨脹壓力來(lái)破碎石頭和水泥等脆性物料。

CaO＋H2O→Ca（OH）2＋64.8 kJ

從反應(yīng)方程式可以看出，反應(yīng)物前是破碎劑與水的混合漿體，反應(yīng)產(chǎn)物為氫氧化鈣粉末狀固體，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)[9]。衡量靜態(tài)膨脹劑性能最主要的指標(biāo)是膨脹壓力，對(duì)于膨脹壓力的測(cè)試，其力學(xué)模型（見(jiàn)圖1，圖2）。

圖1 有界單孔膨脹應(yīng)力模型

圖2 有界單孔膨脹應(yīng)力變化示意圖

構(gòu)建有界單孔模型（見(jiàn)圖1，圖2）。圖中孔壁任意一點(diǎn)A 產(chǎn)生的膨脹壓力，通過(guò)周?chē)鷰r體的傳遞，作用到與其距離L 的B 點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)變成B 點(diǎn)受到的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力[10]。

對(duì)于膨脹壓力的測(cè)試，本次試驗(yàn)采用電阻應(yīng)變片測(cè)量法。電阻應(yīng)變片測(cè)量法的主要原理為：通過(guò)在孔壁外部粘貼應(yīng)變片對(duì)靜態(tài)膨脹劑水化反應(yīng)過(guò)程中的孔壁應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)然后通過(guò)公式就可以計(jì)算出靜態(tài)膨脹劑對(duì)孔壁產(chǎn)生的膨脹壓力，當(dāng)膨脹劑受到周?chē)饬Φ募s束時(shí)，會(huì)形成膨脹壓力，該膨脹壓力施加在孔壁后，在孔隙介質(zhì)單元體上，徑向受到壓應(yīng)力的影響，切向則受拉應(yīng)力的影響，這些應(yīng)力狀態(tài)造成了巖石破裂；其拉應(yīng)力的公式為：

式中：σθ－拉應(yīng)力，MPa；P－膨脹壓力，MPa；R－鉆孔半徑，mm；d－鉆孔的壁厚，mm；r－鉆孔外任意一點(diǎn)到鉆孔孔心的距離，mm。

當(dāng)r 值取無(wú)限小時(shí)即當(dāng)r=R＋d 時(shí)，σθ表示孔壁外側(cè)所受到的拉伸應(yīng)力，將r=R＋d 代入式（1）中可得：

由式（2）可知，若鉆孔半徑、鉆孔的壁厚度已經(jīng)得到，只要測(cè)得孔壁處的拉應(yīng)力就可計(jì)算得出靜態(tài)膨脹劑的膨脹壓力。由彈性力學(xué)得知鋼管材料表面的軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力為：

式中：σz-軸向應(yīng)力，MPa；Pz-靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的軸向膨脹壓力，MPa；σθ-徑向應(yīng)力，MPa；Pr-靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓力，MPa。

由廣義胡克定律可得：

將式（3）代入式（4）中可得：

式中：E-鉆孔孔壁材料的彈性模量，MPa；εz-監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)變量；εθ-監(jiān)測(cè)點(diǎn)的徑向應(yīng)變量；μ-鉆孔孔壁材料的泊松比；d-充填孔孔壁的厚度，mm；R-鉆孔半徑，mm。

通過(guò)以上公式推導(dǎo)得出靜態(tài)膨脹劑膨脹壓力測(cè)試的理論公式，由此可得出，在已知鉆孔孔徑、孔壁厚度、孔壁材料的泊松比及彈性模量的條件下，只要測(cè)得反應(yīng)過(guò)程中孔壁的應(yīng)變即可計(jì)算出靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力的大小[3，11]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中所使用的主要裝置類(lèi)型和規(guī)格（見(jiàn)表1）。

表1 試驗(yàn)主要設(shè)備規(guī)格及參數(shù)

將試驗(yàn)固定架擺在相應(yīng)的位置，在架子的底端上面放一個(gè)XH-207 型液壓缸。將鋼管的一端進(jìn)行封口，并將封口的一端作為底端。將靜態(tài)膨脹劑與水按照比例混合好，從鋼管上端倒入孔中，大約一直倒至鋼管120 cm 處。往鋼管上端留空處裝入橡膠套，并在其上方放進(jìn)可拆卸套筒，保證膨脹劑不會(huì)漏出來(lái)。用502 膠水將應(yīng)變片粘貼于鋼管表面并與靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀連接，兩個(gè)相互垂直的應(yīng)變片為一組。并將靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀與電腦相連，設(shè)置參數(shù)準(zhǔn)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。將鋼管放在液壓缸上，開(kāi)啟液壓缸，使鋼管上升直至試驗(yàn)固定架的頂端可以頂住鋼管的上端孔口，并用紙板把鋼管周?chē)鷬A住以防止傾斜，靜待反應(yīng)。接通靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀開(kāi)始對(duì)鋼管應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并開(kāi)始對(duì)鋼管表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待反應(yīng)結(jié)束且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)明顯波動(dòng)后關(guān)閉電源，考取數(shù)據(jù)并通過(guò)公式計(jì)算出膨脹壓力。試驗(yàn)裝置圖（見(jiàn)圖3）。

圖3 靜態(tài)膨脹相似模擬試驗(yàn)

在室溫為18 ℃的條件下進(jìn)行本次試驗(yàn)，室內(nèi)溫度變化較小，可以忽略。共進(jìn)行以下幾個(gè)試驗(yàn)：

（1）將靜態(tài)膨脹劑與水按照0.2、0.3、0.4 比例混合后倒入內(nèi)徑為65 mm 的鋼管中，觀察靜態(tài)膨脹劑在不同水灰比條件下產(chǎn)生的膨脹壓力，選出最優(yōu)水灰比。

（2）選用SCA-Ⅰ（氧化鈣含量≥90%）、SCA-Ⅱ（氧化鈣含量≥93%）、SCA-Ⅲ（氧化鈣含量≥95%）型靜態(tài)膨脹劑，按照最優(yōu)水灰比與水混合后，倒入內(nèi)徑為65 mm 的鋼管中，記錄三種類(lèi)型的靜態(tài)膨脹劑所產(chǎn)生的膨脹壓力，選出最佳型號(hào)的靜態(tài)膨脹劑。

（3）按照最優(yōu)水灰比稱(chēng)取最佳膨脹劑和水，把水的溫度控制在15 ℃、25 ℃、35 ℃，然后混合后倒入內(nèi)徑為65 mm 的鋼管中，記錄三種水溫條件下靜態(tài)膨脹劑所產(chǎn)生的膨脹壓力，選出最佳水溫。

（4）根據(jù)上述三種方法選出的最優(yōu)水灰比、最佳膨脹劑、最佳水溫，按照同樣的步驟將混合好的漿體倒入內(nèi)徑為55 mm、65 mm、75 mm 的鋼管中，記錄其產(chǎn)生的膨脹壓力。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同水灰比對(duì)膨脹壓力的影響

根據(jù)1.2 中的試驗(yàn)步驟得出不同水灰比條件下反應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變，將數(shù)據(jù)代入到公式（5）就可以計(jì)算得出不同水灰比條件下靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力，其結(jié)果繪制圖（見(jiàn)圖4）。

圖4 不同水灰比條件下產(chǎn)生的膨脹壓力

從圖4 可以看出，靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力的變化趨勢(shì)是一致的，都是先增大后趨于平穩(wěn)。但是不同水灰比條件下反應(yīng)達(dá)到平穩(wěn)的時(shí)間以及反應(yīng)可以產(chǎn)生的最大膨脹壓力是不同的。水灰比為0.2 時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在20 h 左右產(chǎn)生最大膨脹壓力，為76.85 MPa，且反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力在19 h 開(kāi)始趨于平穩(wěn)；水灰比為0.3 時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在17 h 左右產(chǎn)生最大膨脹壓力，為51.23 MPa，且反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力在15 h 開(kāi)始趨于平穩(wěn)；水灰比為0.4 時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在10 h 左右產(chǎn)生最大膨脹壓力，為35.36 MPa，且反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力在10 h 開(kāi)始趨于平穩(wěn)；由此可見(jiàn)，反應(yīng)能夠產(chǎn)生的最大的膨脹壓力是隨著水灰比的增大而減小的，且反應(yīng)最先趨于平穩(wěn)的時(shí)間是隨著水灰比的增大而減小的。由此可見(jiàn)，水灰比為0.2 時(shí)效果最好，但是當(dāng)水灰比小于等于0.25 時(shí)，水和靜態(tài)膨脹劑難以形成漿體，流動(dòng)性差，難以注入鉆孔中；水灰比大于等于0.35 時(shí)，流動(dòng)性很好，但是產(chǎn)生的膨脹壓力不夠大，難以達(dá)到很好的破碎效果，所以，在實(shí)際工程應(yīng)用中，選用水灰比為0.25～0.35 較為合適。

2.2 不同材料配比對(duì)膨脹壓力的影響

根據(jù)1.2 中的試驗(yàn)步驟得出不同材料配比條件下反應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變，將數(shù)據(jù)代入到公式（5）就可以計(jì)算得出不同材料配比條件下靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力，其結(jié)果繪制圖（見(jiàn)圖5）。

從圖5 可以看出，不同材料配比條件下產(chǎn)生的膨脹壓力的變化趨勢(shì)與2.1 中不同水灰比條件下膨脹壓力的變化趨勢(shì)是相似的，不同的是不同材料配比條件下的膨脹壓力的變化趨勢(shì)更加接近，最大膨脹壓力相差不大。氧化鈣含量≥90%時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在16 h 左右產(chǎn)生最大膨脹壓力，為38.65 MPa，且反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力在14 h 開(kāi)始趨于平穩(wěn)；氧化鈣含量≥93%時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在19 h 左右產(chǎn)生最大膨脹壓力，為44.04 MPa，且反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力在15 h 開(kāi)始趨于平穩(wěn)；氧化鈣含量≥95%時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在17 h 左右產(chǎn)生最大膨脹壓力，為51.23 MPa，且反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力在16 h 開(kāi)始趨于平穩(wěn)；根據(jù)變化趨勢(shì)判斷出最大膨脹壓力是隨著靜態(tài)膨脹劑中的氧化鈣含量的增大而增大的，所以，為了保證更好的破碎效果，選擇SCA-Ⅲ型靜態(tài)膨脹劑。

圖5 不同材料配比條件下產(chǎn)生的膨脹壓力

2.3 不同水溫對(duì)膨脹壓力的影響

根據(jù)1.2 中的試驗(yàn)步驟得出不同水溫條件下反應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變，將數(shù)據(jù)代入到公式（5）就可以計(jì)算得出不同水溫條件下靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力，其結(jié)果繪制圖（見(jiàn)圖6）。

圖6 不同水溫條件下產(chǎn)生的膨脹壓力

從圖6 可以看出，當(dāng)外界溫度一定時(shí)，不同的水溫對(duì)于靜態(tài)膨脹劑反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的最大膨脹壓力并沒(méi)有影響，但是達(dá)到最大膨脹壓力所需要的時(shí)間是明顯不同的。當(dāng)水溫為15 ℃時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在17 h 達(dá)到最大膨脹壓力；當(dāng)水溫為25 ℃時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在13 h達(dá)到最大膨脹壓力；當(dāng)水溫為35 ℃時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在10 h 時(shí)達(dá)到最大膨脹壓力。產(chǎn)生這種情況是因?yàn)楫?dāng)水溫增高時(shí)，會(huì)加快靜態(tài)膨脹劑中的氧化鈣與水的反應(yīng)速率，水溫越高，反應(yīng)速度越快，從而到達(dá)產(chǎn)生最大膨脹壓力的時(shí)間越短。但是，當(dāng)水溫過(guò)高時(shí)，反應(yīng)速率過(guò)快，會(huì)積聚大量能量，這時(shí)可能會(huì)發(fā)生噴孔現(xiàn)象，影響生產(chǎn)作業(yè)人員安全，所以，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)井下實(shí)際情況選擇合理的水溫。

2.4 不同孔徑對(duì)膨脹壓力的影響

根據(jù)1.2 中的試驗(yàn)步驟得出不同孔徑條件下反應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變，將數(shù)據(jù)代入到公式（5）就可以計(jì)算得出不同孔徑條件下靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力，其結(jié)果繪制圖（見(jiàn)圖7）。

圖7 不同孔徑條件下產(chǎn)生的膨脹壓力

不同孔徑條件下靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力趨勢(shì)依然是先增大后趨于平穩(wěn)?？讖綖?5 mm 時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在14 h 達(dá)到最大膨脹壓力35.16 MPa；孔徑為65 mm 時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在16 h 達(dá)到最大膨脹壓力51.23 MPa；孔徑為75 mm 時(shí)，靜態(tài)膨脹劑在17 h 達(dá)到最大膨脹壓力75.48 MPa。根據(jù)圖中的變化趨勢(shì)可以看出，反應(yīng)趨于平穩(wěn)的時(shí)間相差無(wú)幾，所以孔徑對(duì)于靜態(tài)膨脹劑的反應(yīng)速率幾乎沒(méi)有影響，但是對(duì)反應(yīng)能夠產(chǎn)生的最大膨脹壓力是有影響的，隨著孔徑的增大，反應(yīng)所能產(chǎn)生的最大膨脹壓力也在增大，所以在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，要綜合考慮所需要的膨脹壓力和實(shí)際情況來(lái)決定孔徑的大小。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）相同條件下，水灰比對(duì)于靜態(tài)膨脹劑的反應(yīng)速率以及能夠產(chǎn)生的最大膨脹壓力都有較大的影響。水灰比越大，反應(yīng)越快，產(chǎn)生的膨脹壓力越小。但是考慮到流動(dòng)性問(wèn)題，選擇水灰比為0.25～0.35 是最合適的。

（2）靜態(tài)膨脹劑中的氧化鈣含量是決定反應(yīng)產(chǎn)生膨脹壓力的主要因素，氧化鈣含量越高，所產(chǎn)生的膨脹壓力越大，為了達(dá)到更好的破碎效果，選擇市面上氧化鈣含量最高的靜態(tài)膨脹劑最為合適。

（3）水溫是影響靜態(tài)膨脹劑反應(yīng)速率的主要因素，水溫升高，可以加快靜態(tài)膨脹劑中的氧化鈣與水的反應(yīng)速度，從而快速產(chǎn)生膨脹壓力。但是考慮到水溫過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生的噴孔現(xiàn)象，要根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的水溫。

（4）不同孔徑條件下靜態(tài)膨脹劑所產(chǎn)生的膨脹壓力是不同的。膨脹壓力隨著孔徑的增大而增大，大孔徑條件下的靜態(tài)膨脹劑會(huì)產(chǎn)生更高的膨脹壓力，達(dá)到更好的破碎效果。