隋 奕,王簫鶴,王巖松

(1.吉林大學(xué) 交通學(xué)院,吉林 長春 130000; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083; 3.阜新市道橋有限責(zé)任公司 阜新交通建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司,遼寧 阜新 123000)

在地下工程作業(yè)的過程中,爆破是一項(xiàng)重要的技術(shù),既要滿足爆破強(qiáng)度,達(dá)到巖石的破碎需求,又要避免由于爆破導(dǎo)致的在災(zāi)害及危險(xiǎn)發(fā)生,嚴(yán)重影響了地下工程作業(yè)施工的安全高效。靜態(tài)破碎技術(shù)[1-5]區(qū)別于傳統(tǒng)爆破技術(shù),是在研制巖石靜態(tài)破碎劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興的破碎施工技術(shù)。巖石靜態(tài)破碎技術(shù)是用一種利用化學(xué)破碎劑進(jìn)行巖石破碎的技術(shù),利用自身的固體體積膨脹力使巖石等脆性材料產(chǎn)生脹裂直至破碎。由于其在破裂過程中可以看作是相對靜態(tài)的,不產(chǎn)生飛石、無沖擊波、無毒氣、不產(chǎn)生火花、膨脹劑化學(xué)組分對環(huán)境無污染、施工簡便、整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行過程較為平靜、不產(chǎn)生大面積的巖體震動(dòng),被視為是一種安全環(huán)保的破碎方法。

靜態(tài)破碎劑在1979年第一次以商品形式問世,大量學(xué)者[6-10]通過現(xiàn)場使用及理論分析等方式,優(yōu)化優(yōu)化和改進(jìn)靜態(tài)破碎劑性能。1985年,Herrmann[11]研究出了具有緩凝添加劑的靜態(tài)破碎劑;Ramachandran等[12]在研究水化反應(yīng)前后物質(zhì)變化的基礎(chǔ)上,通過對固體體積變化的對比,得到反應(yīng)前后固體體積的增加是產(chǎn)生體積膨脹的原因;Gambatese等[13]在拆除構(gòu)筑物時(shí)使用靜態(tài)破碎劑,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)破碎程度的控制;Mounanga P[14-15]等從靜態(tài)破碎劑的結(jié)構(gòu)角度入手,考慮了如何在避免噴孔的條件下進(jìn)行高效的靜態(tài)破碎;馬志鋼等[16]在已有靜態(tài)破碎劑的基礎(chǔ)上對原有主要成分的改良,優(yōu)化了靜態(tài)破碎劑的膨脹力學(xué)性能;張科專[17]采用靜態(tài)破碎劑的施工方法,設(shè)計(jì)了在花崗巖的破碎過程中的施工參數(shù),取得了較好效果;唐烈先等[18]在混凝土中加入靜態(tài)破碎劑,在實(shí)驗(yàn)中觀察和研究平面裂紋的擴(kuò)展規(guī)律和破壞的過程,又通過軟件模擬研究裂紋發(fā)育和擴(kuò)展的規(guī)律;張超等[19]結(jié)合五陽煤礦煤層分布條件,將靜態(tài)破碎劑加入先前布置的鉆孔中,靜態(tài)破碎的致裂效果明顯,改善了煤層的滲透率,提高了瓦斯抽采效率;李巖等[20]對不同水溫度條件下的水化反應(yīng)速度和反應(yīng)過程中的膨脹力進(jìn)行了測量,得出水溫與靜態(tài)破碎反應(yīng)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)趨勢;岳中文等[21]通過對自由狀態(tài)下預(yù)留鉆孔的圓柱形和正方體試件進(jìn)行靜態(tài)破碎劑致裂破碎實(shí)驗(yàn),得出圓柱形試件和正方體試件破壞過程中的裂紋發(fā)展規(guī)律有明顯區(qū)別;汪智勇等[22]通過實(shí)驗(yàn)研究了輔助成分對于靜態(tài)破碎劑的作用時(shí)間和性能的效果,得到了輔助成分對于靜態(tài)破碎劑作用規(guī)律;李敏等[23]在巖石試件中加入靜態(tài)破碎劑,研究了不同導(dǎo)向作用下靜態(tài)破碎裂隙發(fā)育的規(guī)律;鄭志濤等[24]利用不同水灰比的靜態(tài)破碎劑研究了鉆孔孔徑對于水化反應(yīng)后膨脹壓力的影響,得到了幾種不同孔徑下的靜態(tài)破碎劑膨脹壓力及膨脹壓力與孔徑的關(guān)系,而且研究了由于反應(yīng)膨脹壓力過大而導(dǎo)致的噴孔現(xiàn)象;戴星航等[25]從不同的角度研究的靜態(tài)破碎劑在不同孔徑下的膨脹壓力,設(shè)計(jì)了測試鉆孔中靜態(tài)破碎劑軸向壓力的軸向輸出法,研究發(fā)現(xiàn)在鉆孔的深度與孔徑比值固定的條件下,隨著孔徑的增加膨脹壓力呈現(xiàn)增加趨勢;郝大寬等[26]用RFPA軟件模擬了平面條件下不同距離的雙鉆孔模型,在靜態(tài)破碎劑膨脹壓力作用下的裂隙發(fā)育和擴(kuò)展規(guī)律,并基于此過程的聲發(fā)射特征進(jìn)行了分析;盛弘釗等[27]通過改變水劑比來觀察破碎劑膨脹壓力和溫度的變化,得到了不同水劑配比條件下的反應(yīng)最高溫度和達(dá)到溫度極限需要的時(shí)間,膨脹壓力的變化過程也隨水劑比有變化;李廣東[28]通過實(shí)驗(yàn)研究了靜態(tài)破碎劑鉆孔不同切槽形狀下的裂隙擴(kuò)展方向和擴(kuò)展規(guī)律;宮志穎[29]在混凝土試件鉆孔中加入在一定方向留有縫隙的PVC管,作為靜態(tài)破碎過程中的裂隙擴(kuò)展導(dǎo)向裝置,控制主裂隙以外的裂隙擴(kuò)展,而造成的膨脹力釋放,實(shí)驗(yàn)證明PVC管能使裂隙在主裂隙方向上擴(kuò)展的更遠(yuǎn),而且也研究了不同孔間距下的2條相對主裂紋的擴(kuò)展規(guī)律;李勝等[30]分析了破碎劑水化反應(yīng)過程中膨脹壓的變化規(guī)律和各組分對破碎劑膨脹壓的影響。

本文針對靜態(tài)破碎劑的配比參數(shù)對靜態(tài)破碎劑的膨脹性能及破碎效果的影響進(jìn)行研究,分析了靜態(tài)破碎劑的破碎作用原理,進(jìn)行了靜態(tài)破碎劑靜態(tài)破碎劑的膨脹性能及破碎效果實(shí)驗(yàn),得出了靜態(tài)破碎劑最佳配比方案,為道橋建設(shè)過程中,隧道的爆破提供了新思路及新方向。

1 靜態(tài)破碎劑破碎作用原理分析

1.1 靜態(tài)破碎劑膨脹作用原理

靜態(tài)破碎劑作用的本質(zhì)是具有膨脹性能的物質(zhì)水化反應(yīng)后體積膨脹產(chǎn)生的結(jié)果,在體積變化無限制的自由狀態(tài)下,水化反應(yīng)結(jié)果表現(xiàn)為體積增大。氧化鈣與水的化學(xué)反應(yīng)過程中會(huì)有大量的熱量產(chǎn)生,這也是在一些靜態(tài)致裂破碎過程中發(fā)生鉆孔噴孔的原因,化學(xué)反應(yīng)過程方程式如下:

CaO+H2O→Ca(OH)2+16×4.18 kJ

其中,反應(yīng)前后CaO、H2O和Ca(OH)2的分子量分別為56.08、18.02、74.08 g,摩爾體積分別為16.79、18.02、33.08 cm3,密度分別為3.2、3.4、2.1 g/cm3。

根據(jù)上述反應(yīng)方程式及反應(yīng)前后相關(guān)參數(shù)變化的計(jì)算,得ΔVCaO為97%,可以看出,僅從方程式前后理論數(shù)值上的摩爾體積對比角度分析,反應(yīng)進(jìn)行前的摩爾體積為氧化鈣分子和水分子摩爾體積的相加,為34.81 cm3,每摩爾反應(yīng)物完全反應(yīng)后生成產(chǎn)物在標(biāo)準(zhǔn)情況下的摩爾體積為33.088 cm3。顯然,從化學(xué)反應(yīng)完全進(jìn)行的角度來看,簡單對比標(biāo)準(zhǔn)情況下反應(yīng)前后標(biāo)況摩爾體積的變化并不能揭示靜態(tài)破碎劑膨脹力的產(chǎn)生過程。因?yàn)榉磻?yīng)前后摩爾體積不但沒有增加,而且出現(xiàn)了減小,這與實(shí)際情況不僅不符,而且是矛盾的。這是因?yàn)?方程式中的摩爾體積變化值的計(jì)算情況是充分反應(yīng)后的分子最緊密堆積的狀態(tài),相當(dāng)于反應(yīng)是在充分的水溶液狀態(tài)下。

在實(shí)際情況中靜態(tài)破碎劑使用時(shí)是有一定水灰比的,而且不是處于水溶液狀態(tài),反應(yīng)后的生成物也不是最緊密堆積,生成物是固體狀態(tài),比表面積很大,所以表現(xiàn)為體積膨脹變大。

1.2 靜態(tài)破碎劑破巖力學(xué)模型

基于彈性力學(xué)理論,運(yùn)用厚壁圓筒理論分析,靜態(tài)破碎劑在圓孔周圍施加的力不同于炸藥等爆炸性物質(zhì)在爆破瞬間施加沖擊載荷,雖然膨脹應(yīng)力也是隨著靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的進(jìn)行逐漸增加,有應(yīng)力的增加過程,但是化學(xué)反應(yīng)的過程相對于瞬間的爆破來說本質(zhì)的區(qū)別就是這一過程是比較緩慢的,在應(yīng)力增加過程中僅有力的傳遞,沒有沖擊波等產(chǎn)生。所以靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生的膨壓力實(shí)質(zhì)上可以用靜力學(xué)的方法來分析,孔壁周圍某一時(shí)刻的受力可以等效成作用于孔周圍的等效載荷,如圖1所示。

圖1 破碎劑膨脹力情況示意Fig.1 Schematic of the expansion force of the crushing agent

圓筒周圍都處于中心對稱,受力狀態(tài)也一樣,在孔壁周圍的均布等效膨脹應(yīng)力作用下,而且基于周圍材料為等效均質(zhì)、各向同性體,受力變形特征不會(huì)出現(xiàn)蠕變、彈性后效、應(yīng)變松弛等流變現(xiàn)象,沒有粘性流動(dòng)特征,取孔壁周圍一點(diǎn)視為微單元體,進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析,分析微單元體受力的平衡方程、幾何方程,得到其圓孔周圍一點(diǎn)受力的彈性本構(gòu)方程。

微單元體如圖2所示。

圖2 微單元體受力示意Fig.2 Schematic diagram of force on micro unit body

圓孔周圍受力的本構(gòu)方程推導(dǎo)如下:

(1)

式中,σr,dσr為徑向和切向應(yīng)力;R為圓形孔半徑;r為距圓形孔中心的距離。

(2)

(3)

根據(jù)廣義胡克定律,可得:

(4)

(5)

式中,σz為圓形孔軸向應(yīng)力。

式(4)和式(5)兩式聯(lián)立得:

(6)

(7)

將式(6)和式(7)代入式(3)得到幾何方程:

(8)

式(8)和式(2)兩式聯(lián)立,設(shè)圓孔內(nèi)壁均布載荷為,推知距離圓形孔幾何中心距離為處的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力分別為:

(9)

式中,q(t)為隨水化反應(yīng)時(shí)間變化的膨脹應(yīng)力。

由式(9)可以得到圓孔周邊切向應(yīng)力分布,如圖3所示。在鉆孔周邊均布載荷作用下,圓孔周邊各點(diǎn)徑向處于壓縮狀態(tài),切向處于拉伸狀態(tài),而且應(yīng)力大小和分布與被膨脹材料的彈性常數(shù)、角度沒有關(guān)系。周邊最大應(yīng)力部位在圓孔壁上,孔壁上的受力與圓形孔的大小沒有關(guān)系,徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的大小都等于膨脹劑的膨脹應(yīng)力,即σr=-q(t),σθ=q(t)。由于脆性材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度,最后的破壞還是由于切向的應(yīng)力引起的。圓形孔孔壁以外的各點(diǎn)受力與孔徑?jīng)]有關(guān)系,大小都與距圓孔中心的距離呈正比。

圖3 圓孔周邊應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution around a circular hole

由于孔壁應(yīng)力最先達(dá)到材料受力極限,孔壁最先發(fā)生初始裂紋,雖然在孔壁周邊的每個(gè)位置產(chǎn)生裂紋的可能性相同,一般情況下主裂紋都是向一定方向擴(kuò)展的,與裂隙擴(kuò)展的能量釋放規(guī)律有關(guān)。

2 靜態(tài)破碎劑配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)基本原理與方案設(shè)計(jì)

2.1 靜態(tài)破碎劑組分

靜態(tài)破碎劑的主要成分是水化反應(yīng)后表現(xiàn)出膨脹性能的物質(zhì)(主劑),但是實(shí)際應(yīng)用過程中,除了膨脹性能以外還要考慮反應(yīng)速率、流動(dòng)性、形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、施工效率、安全性等方面的性能要求,需要在其中加入各種輔助成分(外加劑)與膨脹性物質(zhì)成分均勻混合,改善靜態(tài)破碎劑主劑的性能,從而使靜態(tài)破碎的膨脹作用得到最充分有效的發(fā)揮。

2.2 配比選擇基本原理

靜態(tài)破碎劑的破碎性能受到許多因素的影響,研究如何在已有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過組分配比優(yōu)化來提高破碎劑的膨脹性能具有根本性意義。本實(shí)驗(yàn)在選好膨脹劑原料的基礎(chǔ)上,通過正交試驗(yàn)的方法研究不同組分配比下破碎劑的膨脹性能,通過對膨脹力的測試和對比分析,確定在實(shí)驗(yàn)過程中的主導(dǎo)影響因素,進(jìn)而確定膨脹性能較優(yōu)的各原料配比方案。膨脹力測量裝置如圖4所示。

靜態(tài)破碎劑進(jìn)行水化反應(yīng)過程中,由于固相體積和空隙結(jié)構(gòu)體積的增大,在膨脹劑漿體攪拌加入無縫鋼管后,鋼管壁對于破碎劑水化反應(yīng)后膨脹體會(huì)產(chǎn)生束縛作用,基于厚壁圓筒和彈性理論分析,在鋼管的周圍會(huì)產(chǎn)生沿鋼管的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力,相應(yīng)的會(huì)在鋼管周圍產(chǎn)生應(yīng)變,鋼管周圍受膨脹作用的力學(xué)分析如圖5所示。根據(jù)JC506—2008靜態(tài)破碎劑膨脹應(yīng)力測試方法,靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的膨脹力增加通過Q235型無縫鋼管傳遞到電阻應(yīng)變片上,通過應(yīng)變片相連的DH5929型應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng),測量出鋼管周圍的應(yīng)變,通過理論公式計(jì)算出膨脹力的值。

圖4 膨脹力測量裝置示意Fig.4 Schematic diagram of expansion force measurement device

圖5 鋼管徑向和切向受力狀態(tài)Fig.5 Radial and tangential stress states of steel tubes

實(shí)驗(yàn)使用鋼管高500 mm,內(nèi)徑25 mm,外徑29 mm。計(jì)算公式如下:

P=Es(K2-1)[εθ/(2-ν)]

(10)

式中,P為膨脹應(yīng)力;Es為為鋼管的彈性模量;K2為為鋼管系數(shù);rθ為鋼管外徑;ri為鋼管內(nèi)徑;εθ為鋼管圓周方向應(yīng)變量;ν為泊松比,取0.3。

膨脹力實(shí)驗(yàn)的操作流程如圖6所示,具體步驟和注意事項(xiàng)如下。

圖6 膨脹力測試流程Fig.6 Expansion force testing process

(1)將鋼管周圍將要貼電阻應(yīng)變片的兩側(cè)對稱位置用干凈棉布擦拭,保證表面沒有水分或者泥土,使電阻應(yīng)變片能夠在粘貼過程中與表面緊密接觸,兩者之間沒有空氣或其他雜物,有利于提高應(yīng)變測試結(jié)果的精度,然后用實(shí)驗(yàn)室常用膠水,將兩個(gè)應(yīng)變片對稱貼在圓筒外壁中間位置,粘貼時(shí)注意應(yīng)變片的正反。膠水變干后,在應(yīng)變片接線端的金屬導(dǎo)線下部平整的貼一層寬膠帶。

(2)在應(yīng)變儀與應(yīng)變片的接線端,用電烙鐵焊接絕緣接線端子,防止在接線端由于導(dǎo)線和鐵桶外壁接觸而造成應(yīng)變線路短路過載,然后將動(dòng)態(tài)分析儀接線端與接線端子另一端焊接。當(dāng)應(yīng)變儀顯示紅燈時(shí),表示應(yīng)變片接線端存在局部過載或者短路,需要重新接線和歸零調(diào)試,應(yīng)變儀顯示綠燈時(shí)表示線路正常,可以正常采集數(shù)據(jù)。

(3)由于破碎劑水化反應(yīng)過程中會(huì)放出大量的熱,造成鋼管周圍溫度變化很大,為了減小溫度變化對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,將圓筒裝入隔水的塑料袋中,然后放入水桶,在各通道接通前提下,在應(yīng)變儀界面對各通道進(jìn)行平衡和歸零設(shè)置,測量類型選擇應(yīng)力應(yīng)變模式,量程選擇1×106με,電橋電壓2 V,采集頻率2 Hz。

(4)按照實(shí)驗(yàn)所選用的靜態(tài)破碎劑的各組分配比進(jìn)行量取,按照水灰比1∶3混合均勻攪拌成漿體,灌入鋼管中,在動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中就會(huì)采集和記錄應(yīng)變數(shù)值,通過相應(yīng)的公式計(jì)算得到膨脹過程中鋼管周圍膨脹應(yīng)力大小。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料成分分析

(1)主劑。選用高溫煅燒的純度為97%以上的生石灰,干燥、具有較好的膨脹性,膨脹體積在200%以上。

(2)硅酸鹽水泥。P.O42.5水泥凝結(jié)時(shí)間60～240 min,不可溶物質(zhì)不超過1.50%,氧化鎂含量不超過5.0%,二氧化硫含量不超過3.0%,細(xì)度80 μm方孔篩篩余不得超過10%,凝結(jié)時(shí)間初凝不早于45 min終凝不遲于10 h,養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度大于16.0 MPa和3.5 MPa,養(yǎng)護(hù)28d達(dá)到42.6 MPa和6.5 MPa,水泥各成分和含量見表1。

表1 水泥參數(shù)Tab.1 Parameters of cement

(3)石膏。石膏的主要成分為含水硫酸鈣(CaSO4·2H2O),實(shí)驗(yàn)選用通用的建筑用石膏,各成分含量為:生石灰(CaO)32.5%、三氧化硫46.6%、水20.9%,初凝是時(shí)間不小于6 min,終凝時(shí)間不大于30 min。

(4)鈉基膨潤土。實(shí)驗(yàn)選用的鈉基膨潤土為淡黃色粉末狀,粒度為200目,蒙脫石含量不小于88%,pH值為6～8。

(5)聚羧酸高效減水劑。實(shí)驗(yàn)采用的是白色粉末狀聚羧酸高效減水劑,其含水率小于3%。其具有減水率高、性質(zhì)穩(wěn)定、安全無害等優(yōu)點(diǎn),減水劑對煤巖靜態(tài)破碎劑漿液性能的改變主要表現(xiàn)在分散性、潤滑性、空間位阻作用以及接枝共聚支鏈的緩釋作用,可顯著改善漿液流動(dòng)性,提高工作效率。

(6)粉煤灰。粉煤灰的等級為Ⅱ級,細(xì)度不大于25.0%、需水量比不大于105%、燒失量不大于8.0%。各組分含量見表2。

表2 主要化學(xué)成分含量Tab.2 Main chemical component content

2.4 實(shí)驗(yàn)方案及過程

靜態(tài)破碎劑組分合理配比的研究,是在傳統(tǒng)的靜態(tài)破碎劑中加入外加劑并改變不同組分含量,以改善其膨脹性能和反應(yīng)速度。通過靜態(tài)破碎劑的膨脹力測試,確定組分的合理配比。綜合前人研究成果[26-28],破碎劑中的CaO含量選擇控制在70%～80%。若CaO含量太小,會(huì)由于膨脹劑硬化現(xiàn)象而降低膨脹作用效果,膨脹應(yīng)力達(dá)不到要求;如果CaO含量太大,會(huì)使攪拌過程中反應(yīng)速率過快而快速產(chǎn)生大量的熱,且容易造成噴孔,導(dǎo)致膨脹力的損失和浪費(fèi)。適量的石膏和膨潤土對破碎劑攪拌過程中漿體溫度升高現(xiàn)象有明顯的延緩,實(shí)驗(yàn)選擇的膨潤土含量為2%;當(dāng)加入聚羧酸減水劑時(shí),靜態(tài)破碎劑按水灰比在1∶3時(shí)就可以形成具有一定流動(dòng)性的漿體,有效地解決了在不加入減水劑條件下水灰比過大而造成的膨脹力損失;聚羧酸高效減水劑減水效果非常明顯。

本次實(shí)驗(yàn)選擇3因素、3水平L9(34)正交表,見表3。選擇的變化因素氧化鈣、石膏、水泥。氧化鈣的水平分別為70%、75%、80%;在初期實(shí)驗(yàn)過程中石膏含量在5%以上時(shí)膨脹作用時(shí)間太長,所以在此次試驗(yàn)中減少了延緩劑的量,石膏摻量分別為1%、3%、5%,膨潤土為2%;水泥的水平分別為9%、11%、13%。

表3 因素和水平Tab.3 Factors and levels

確定好因素和水平的后,根據(jù)正表L9(34)的相應(yīng)搭配,計(jì)算出靜態(tài)破碎劑各個(gè)組分的含量,就可以確定正交試驗(yàn)的具體數(shù)據(jù),見表4。

表4 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)具體數(shù)據(jù)Tab.4 Specific data of orthogonal experiment L9(34)

3 膨脹力測試結(jié)果與配比確定

3.1 膨脹力測試結(jié)果

按照正交表進(jìn)行相應(yīng)的膨脹力測試實(shí)驗(yàn)后,膨脹力測試結(jié)果和極差見表5。

3.2 配比分析與確定

雖然氧化鈣含量小于70%時(shí),隨著氧化硅含量的增加膨脹力呈現(xiàn)增加的趨勢,但是在本次實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)氧化鈣含量大于70%以后,壓力不僅沒有增加,反而出現(xiàn)了較大幅度的減小。由正交表可以計(jì)算得到極差最大的因素仍然是氧化鈣,極差為4.9。相比之下,石膏和水泥的極差值分別為0.60和1.41,所以,水泥因素的影響次之,石膏因素的影響較小。

按照實(shí)驗(yàn)確定配比進(jìn)行多次的膨脹力測試后,如圖8所示,應(yīng)變平均值在940 μs左右,代入式(10)計(jì)算可得,膨脹力平均值為40 MPa,而且,在此配比下測試膨脹力的過程中發(fā)生噴孔的現(xiàn)象次數(shù)較少,也不劇烈。產(chǎn)生膨脹后的靜態(tài)破碎劑是空間分散性較好的固體結(jié)構(gòu),沒有出現(xiàn)局部的硬化現(xiàn)象,膨脹性能得到了很好的發(fā)揮,得出實(shí)驗(yàn)確定的靜態(tài)破碎劑組分可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)論

采用理論分析、實(shí)驗(yàn)測試等手段,研究了靜態(tài)破巖的關(guān)鍵問題,包括靜態(tài)破碎作用原理、靜態(tài)破碎劑配比。從水化反應(yīng)過程和彈性、斷裂力學(xué)角度,分析了膨脹力的作用原理,通過正交實(shí)驗(yàn)和Q235鋼管膨脹力測試方法,測定了不同配比下靜態(tài)破碎劑的膨脹力,優(yōu)化了靜態(tài)破碎劑配比,得出以下結(jié)論。

圖7 CaO、石膏、水泥含量與膨脹力的關(guān)系Fig.7 Relationship between CaO,gypsum,cement content and expansion force

圖8 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig.8 Supplementary experimental strain data

(1)通過分析靜態(tài)破碎劑的性能要求,確定其需要的組分。主要包括膨脹性物質(zhì)和輔助成分兩部分,經(jīng)過成本和水化反應(yīng)過程的對比選擇主劑為氧化鈣,基于不同輔助成分對水化反應(yīng)過程的調(diào)節(jié)作用和反應(yīng)后晶體和固體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的考慮,選擇硅酸鹽水泥、石膏、鈉基膨潤土、聚羧酸減水劑、粉煤灰作為輔助成分。

(2)運(yùn)用Q235鋼管膨脹力測試實(shí)驗(yàn)方法,在明確實(shí)驗(yàn)用原材料的成分和性能分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行3因素、3水平的正交實(shí)驗(yàn),通過對各因素的膨脹力影響的極差分析和各膨脹力隨各因素的變化曲線,可以確定氧化鈣對靜態(tài)破碎劑膨脹力起決定性作用,水泥和石膏對膨脹力也有影響,最后選擇的靜態(tài)破碎劑的優(yōu)化配比為CaO 70%、水泥11%、石膏3%、膨潤土2%、聚羧酸減水劑1%、粉煤灰13%,在此配比下測定的膨脹力平均值為40 MPa。