李 鵬，聶光華

(湖北民族學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 恩施445000)

隨著石材工業(yè)的不斷發(fā)展，城市拆遷量的不斷加大，人們對(duì)巖石和混凝土的破碎越來(lái)越重視.目前使用較多的是人工開(kāi)砸或用炸藥爆破解決這類問(wèn)題.用人工的辦法效率太低，并且成本相對(duì)較高.而使用炸藥爆破，會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，沖擊波，粉塵和飛石，具有一定的危險(xiǎn)性，并且會(huì)導(dǎo)致石料成材率偏低，不規(guī)則，甚至導(dǎo)致內(nèi)傷[1-3].

為了解決這些問(wèn)題，科研工作者研發(fā)出一種安全可靠的破碎材料，既靜態(tài)爆破劑.它在使用的過(guò)程中，不產(chǎn)生震動(dòng)，飛石和噪聲，安全并且高效.

目前靜態(tài)破碎劑的研究主要側(cè)重于工業(yè)應(yīng)用，很少有穩(wěn)定的配方進(jìn)行系統(tǒng)研究的[4].本文主要研究靜態(tài)破碎劑的配方，為進(jìn)一步的工業(yè)化應(yīng)用提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)用品

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

石灰(工業(yè)重質(zhì)碳酸鈣)；水泥(P.O.42.5華新水泥)；石膏(二水硫酸鈣，天津市福晨化學(xué)試劑廠)；膨潤(rùn)土(工業(yè)用優(yōu)質(zhì)膨脹土)；FDN減水劑(工業(yè)用優(yōu)質(zhì)FDN減水劑).

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

鼓風(fēng)干燥箱(CS100-1D5Bbq中國(guó)重慶萬(wàn)達(dá)儀器有限公司)；馬弗爐(KS20-89-13型上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；天平(FA2004N上海精密科學(xué)食品有限公司)；壓力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)(自制).

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 膨脹壓測(cè)試裝置

1.剛性框架平臺(tái)；2.剛性框架軌道；3.剛性框；4.測(cè)力環(huán)；5.百(千)分表;6.炮孔模;7.炮孔;8.平臺(tái)升降控制系統(tǒng)

膨脹壓測(cè)試方法一般采用的是電阻應(yīng)變片測(cè)量法，將靜態(tài)破碎劑放入厚壁圓筒中，圓筒壁貼有能測(cè)試其彈性形變的電阻應(yīng)變片，當(dāng)靜態(tài)破碎劑水化時(shí)，其體積會(huì)產(chǎn)生膨脹，會(huì)使圓筒產(chǎn)生軸向和徑向的應(yīng)變量.通過(guò)貼在圓筒壁上的電阻應(yīng)變片，讀出其應(yīng)變量，再通過(guò)彈性力學(xué)中的圓壁厚筒理論就可以計(jì)算出靜態(tài)破碎劑所產(chǎn)生的膨脹壓[5].這種測(cè)試方法原理簡(jiǎn)單，但操作繁瑣.這種測(cè)試手段將應(yīng)變量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)讀出，有一定的優(yōu)點(diǎn).但由于鋼管的應(yīng)變量不大，受溫度的影響非常大，應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)比較復(fù)雜，計(jì)算繁雜，所以本實(shí)驗(yàn)選用測(cè)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng).其原理是將被測(cè)靜態(tài)破碎劑裝于具有徑向剛性約束的炮孔之中，使靜態(tài)破碎劑主要產(chǎn)生軸向膨脹和位移，通過(guò)炮孔口上的測(cè)力環(huán)可直接獲得其膨脹壓力，測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示.

壓力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)由剛性框架頂板、剛性框架平臺(tái)、剛性框，架軌道、測(cè)力環(huán)、百(千)分表、炮孔、炮孔模和平臺(tái)升降系統(tǒng)組成[6].選用的60KN測(cè)力環(huán)，通過(guò)測(cè)力環(huán)測(cè)試的讀數(shù)可以直接轉(zhuǎn)換成壓力.讀出數(shù)據(jù)后，可以直接通過(guò)線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成壓力，然后除以作用面積轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng).即：

P=F/S

其中P表示即壓強(qiáng)；F表示作用力；S表示炮孔截面面積.

2.2 原料[7]

2.2.1 主劑 主劑是能產(chǎn)生膨脹的物質(zhì)，是膨脹壓產(chǎn)生的最主要來(lái)源.他的要求是來(lái)源廣，無(wú)毒害或危險(xiǎn)，容易購(gòu)買，并且價(jià)格低廉.現(xiàn)在一般使用的是氧化鈣，氧化鈣可以從石灰石煅燒的生石灰中獲得.本文選用的是經(jīng)高溫煅燒生成的生石灰.

2.2.2 水合延緩劑 能減緩氧化鈣的水化速度，避免破碎劑噴孔.

2.2.3 水硬性物質(zhì) 常用的水硬性物質(zhì)有水泥，粉煤灰等.水硬性物質(zhì)在破碎劑中，可較好的調(diào)節(jié)氫氧化鈣的硬結(jié)速度，使它與水的水合反應(yīng)同步，也就是使硬結(jié)速度與膨脹壓力的升高同步.這樣既抑制沖孔的作用，也不會(huì)過(guò)多降低破碎劑的膨脹壓.但實(shí)際應(yīng)用中還需要加入以下物質(zhì)才能取得較好的效果[8].

2.2.4 減水劑 由于氧化鈣的理論水灰比0.32，如果不加外加劑，流動(dòng)性不好，導(dǎo)致填料不方便，因此就要多加水.而靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力會(huì)隨著加水量的增加而減小，所以既要保證靜態(tài)破碎劑填料的流動(dòng)性，又要保證破碎劑有足夠的膨脹壓，就有必要加入減水劑.

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

考查在不同百分比情況下，氧化鈣，水泥，石膏，膨潤(rùn)土對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓的影響.下列各百分比均為質(zhì)量比.

2.3.1 生石灰對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的影響 按氧化鈣質(zhì)量的比例分別為55%，60%，65%，70%，75%，其余的配比按水泥11%，石膏2%，膨潤(rùn)土10%，減水劑1%，不足100%的，其余填充粉煤灰.測(cè)試其壓力與生石灰參入量之間的關(guān)系.靜態(tài)破碎劑的總測(cè)試量為60 g，并在水灰比為0.3，溫度為26℃的情況下填料10 h后測(cè)其膨脹壓.由圖2知，靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力會(huì)隨著氧化鈣的添加量的增加而增大，這是由于膨脹壓主要是由于氧化鈣水化導(dǎo)致體積膨脹而產(chǎn)生的.增加氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，加大了膨脹源的比便，在控制了氧化鈣水化速度的情況下，破碎劑的膨脹壓會(huì)增大.

2.3.2 水泥對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的影響 按水泥的比例分別為9%，11%，13%，15%，17%，其余添加劑為氧化鈣的比例70%，石膏2%，膨潤(rùn)土10%，減水劑1%，不足100%的，其余填充粉煤灰.測(cè)試其壓力與水泥參入量之間的關(guān)系.靜態(tài)破碎劑的總測(cè)試量為60 g，并在水灰比為0.3，溫度為26℃的情況下10 h后測(cè)得其膨脹壓.由圖3知，靜態(tài)破碎劑的膨脹壓先隨著水泥的摻入量的增加而增大，后到15%后又變小.這是由于靜態(tài)破碎劑隨著水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，固化作用增強(qiáng)而使靜態(tài)破碎劑的膨脹壓增加.后來(lái)由于填充劑添加的減小，填充劑的密度比水泥小，導(dǎo)致靜態(tài)破碎劑的填充后的孔隙率變大，破碎劑的膨脹壓變小.

圖2 氧化鈣的摻入量對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓的影響 圖3 水泥的摻入量對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓的影響

2.3.3 石膏對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的影響 按石膏的比例分別為1%，2%，3%，4%，5%，其余配比按生石灰70%，水泥11%，膨潤(rùn)土10%，減水劑1%，其余填充粉煤灰.測(cè)試其壓力與石膏參入量之間的關(guān)系.靜態(tài)破碎劑的總測(cè)試量為60 g，并在水灰比為0.3，溫度為26℃的情況下10 h后測(cè)得其膨脹壓.

由圖4知，靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力先隨著石膏的添加量的增大而減小，后變大又變小，但是變化不是特別大，石膏是作為緩凝劑添加的，添加量比較少，對(duì)膨脹壓的影響不是很明顯.

2.3.4 膨潤(rùn)土對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的影響 膨潤(rùn)土的比例分別為6%，8%，10%，12%，14%，其余配比按生石灰70%，水泥11%，石膏2%，減水劑1%，其余煤灰.測(cè)試其壓力與膨潤(rùn)土參入量之間的關(guān)系.靜態(tài)破碎劑的總測(cè)試量為60 g，并在水灰比為0.3，溫度為26℃的情況下10 h后測(cè)得其膨脹壓.由圖5可知，靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力隨著靜態(tài)破碎劑的增加而增大，并且增加較為明顯.這是膨潤(rùn)土膨脹性較好，膨脹的較慢，能較好起到膨脹增力劑的作用.

圖4 石膏的摻入量對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓的影響 圖5 膨脹土的摻入量對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓的影響

2.4 正交實(shí)驗(yàn)

選好源料后，查詢相關(guān)資料，設(shè)計(jì)四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，選出最優(yōu)方案.按下列配方，在測(cè)試的總質(zhì)量為60 g，溫度為26℃情況下按水灰比0.3取一定質(zhì)量的水，混合后在膨脹壓測(cè)試裝置中測(cè)試其膨脹壓.

表1 正交實(shí)驗(yàn)中各成分的百分比例 %

表1中所提到的膨脹壓力為10 h以后測(cè)得的壓力.經(jīng)過(guò)正交實(shí)驗(yàn)分析可得，對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的影響大小分別為：生石灰>膨潤(rùn)土>水泥>石膏.即生石灰對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓的影響最大，膨潤(rùn)土次之，石膏最小.最佳配方的各物質(zhì)的比例為：生石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%，水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%，石膏的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，膨脹土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，減水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，粉煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%.

表3 方差分析

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

按最佳配方的比例，在填料量為60 g，溫度為26℃按0.3的水灰比取一定質(zhì)量的水，混合后在膨脹壓測(cè)試裝置中測(cè)試其膨脹壓.三次測(cè)定的膨脹壓分別為：50.2 MPa，50.6 MPa，49.9 MPa.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所研制的破碎劑在質(zhì)量恒定的情況下，溫度不變，其所產(chǎn)生的膨脹壓是比較穩(wěn)定的.

3 結(jié)論

1)本實(shí)驗(yàn)的石灰石是在1 100℃條件下煅燒生成了，與一般的從1 400℃條件下煅燒生成的破碎劑相比，降低了能耗.

2)單因素實(shí)驗(yàn)表明，靜態(tài)破碎劑的膨脹壓在一定的范圍內(nèi)隨著氧化鈣和膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，隨著水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加膨脹壓先增大后減小，隨著石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加破碎劑的膨脹壓變化不明顯.

3)主劑在1 100℃煅燒情況下，混配型靜態(tài)破碎劑的最佳配方為：生石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%，水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%，石膏的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，膨脹土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，減水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，粉煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%.

4)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對(duì)靜態(tài)破碎劑的影響非常大，所以要維持反應(yīng)溫度的穩(wěn)定.

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