靜爆劑膨脹壓測(cè)試新方法試驗(yàn)研究

戴星航 邱兆國(guó) 張鳳鵬 徐香新

(1. 深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽110819;2. 東北大學(xué)理學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

靜爆劑廣泛應(yīng)用于石材開采、巖石破碎和邊坡修整等工程領(lǐng)域。在上述領(lǐng)域中，利用礦巖體鉆孔中靜爆劑與水反應(yīng)體積膨脹產(chǎn)生的徑向膨脹壓作用于孔壁，使鉆孔周邊在切向產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致礦巖體沿鉆孔布置方向開裂。因此，膨脹壓是靜爆劑最主要的性能指標(biāo)，是影響靜態(tài)爆破效果的關(guān)鍵因素。對(duì)于靜爆劑膨脹壓的測(cè)試，常用的方法為外管法、內(nèi)管法和壓力傳感器法3 種［1-5］。上述3 種測(cè)試方法均利用電阻應(yīng)變片測(cè)量(電測(cè)法)得到應(yīng)變值，進(jìn)而計(jì)算膨脹壓。通過對(duì)外管法進(jìn)行分析和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)外管法在應(yīng)用過程中存在如下問題:①熱輸出影響，靜爆劑與水反應(yīng)釋放大量的熱量，熱輸出會(huì)對(duì)電阻應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響;②工藝復(fù)雜，外管法需要將鋼管放入水箱降溫，防止水化反應(yīng)產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致應(yīng)變片脫落失效，同時(shí)還需對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行防水處理(如果使用中溫應(yīng)變片和中溫膠水，黏貼應(yīng)變片之后需要通過多次固化處理才能保證膠水有效，黏貼工藝復(fù)雜);③測(cè)試成本高，用外管法測(cè)試膨脹壓，鋼管及其表面黏貼的應(yīng)變片均為一次性元件，測(cè)試成本較高。

由于電測(cè)法存在上述問題，人們對(duì)新的測(cè)試方法進(jìn)行了研究。戴麗萊等［6］應(yīng)用液壓理論，設(shè)計(jì)了液壓平衡測(cè)壓儀，避免了電測(cè)法中溫度效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，但由于平衡指針分度值低和手壓油泵存在漏油卸壓的問題，存在測(cè)試結(jié)果精度不高的缺點(diǎn)。王玉杰等［7］根據(jù)位移－壓力理論，通過平面內(nèi)對(duì)靜爆劑各個(gè)方向的剛性約束，測(cè)試其軸向膨脹位移，通過位移反映出其膨脹壓力，但該法測(cè)得膨脹壓要比外管法測(cè)得的數(shù)據(jù)低。對(duì)比外管法，2 種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)之間存在一個(gè)2.5 ～4.0 的系數(shù)關(guān)系，系數(shù)變化范圍較大，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果離散性大、精度不高。為減小誤差、提高測(cè)試精度，本研究以液壓平衡原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了可重復(fù)使用的鋼筒組件，利用電液伺服自動(dòng)控制壓力試驗(yàn)機(jī)、高精度位移傳感器和鋼筒組件組成的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)靜爆劑膨脹壓進(jìn)行測(cè)試。

1 靜爆劑軸向膨脹壓測(cè)試系統(tǒng)

1.1 測(cè)試原理

靜爆劑與水反應(yīng)體積膨脹產(chǎn)生膨脹壓的同時(shí)，逐漸固化成具有一定強(qiáng)度的硬化體，試驗(yàn)表明膨脹壓在這種硬化體中均勻分布，具有液體壓力的特性［8］，靜爆劑在鉆孔中對(duì)孔壁產(chǎn)生徑向膨脹壓的同時(shí)，在軸向方向也產(chǎn)生膨脹壓力。根據(jù)靜爆劑膨脹壓力各向同性的特點(diǎn)，采用具有一定厚度的鋼筒模擬鉆孔，通過鋼筒上下兩端的活塞，控制靜爆劑在鋼筒內(nèi)的軸向位移，利用壓力傳感器直接測(cè)出靜爆劑產(chǎn)生的軸向膨脹力，軸向膨脹力與鋼筒組件活塞面積的比值，即為靜爆劑在鋼筒組件中產(chǎn)生的軸向膨脹壓。測(cè)試原理如圖1 所示。

圖1 測(cè)試原理Fig.1 Schematic diagram of the measuring principle

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

1.2.1 鋼筒組件

鋼筒組件由上部活塞、鋼筒和下部活塞3 部分組成。其中鋼筒的主要功能為模擬鉆孔，對(duì)靜爆劑漿體實(shí)施圓周方向的約束，要求具有足夠剛度，選擇內(nèi)徑113 mm，外徑133 mm，壁厚10 mm 的無縫鋼管制作成高150 mm 的鋼筒。參考液壓油缸的結(jié)構(gòu)，采用圓柱形實(shí)心鋼柱作為鋼筒組件的活塞，活塞直徑小于鋼筒內(nèi)直徑0.2 mm，鋼筒內(nèi)壁和活塞外表打磨光滑，以便使活塞在鋼筒內(nèi)可以保持較小的間隙并能沿軸向自由移動(dòng)?；钊闹饕饔檬菍⒊涮畹戒撏仓械撵o爆劑漿體密封并實(shí)施軸向約束，同時(shí)傳輸靜爆劑的軸向膨脹壓力。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試完成后鋼筒組件的可重復(fù)利用，要求鋼筒組件具有方便拆卸的功能，鋼筒采用兩端開口的通孔結(jié)構(gòu)，鋼筒中的活塞分為上部活塞和下部活塞兩部分，能夠自由拆卸。

1.2.2 軸向膨脹壓測(cè)試系統(tǒng)

利用電液伺服自動(dòng)控制壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)軸向膨脹壓測(cè)試功能。膨脹壓測(cè)試系統(tǒng)主要由壓力試驗(yàn)機(jī)的剛性框架、壓力傳感器、壓頭、位移傳感器和鋼筒組件組成。本試驗(yàn)使用壓力試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為YAG －3000型，油缸和行走機(jī)構(gòu)位于試驗(yàn)機(jī)上部，采用電液伺服系統(tǒng)控制壓頭的行走，位移傳感器安裝在試驗(yàn)機(jī)壓頭上方，精度為0.000 1 mm，可以精確控制試驗(yàn)機(jī)壓頭的位移變化，從而達(dá)到精確控制鋼筒組件內(nèi)靜爆劑膨脹產(chǎn)生的軸向位移。下部為BK－4(100 t)壓力傳感器和球座球頭，壓力傳感器量程為0 ～1 000 kN，精度為0.1 kN，應(yīng)力測(cè)試精度可達(dá)到0.01 MPa;試驗(yàn)機(jī)通過壓力傳感器、位移傳感器和控制軟件，以力或者位移的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力機(jī)的輸出控制;通過控制軟件設(shè)置數(shù)據(jù)采樣頻率，對(duì)測(cè)試過程中力和位移的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

在該測(cè)試系統(tǒng)中，通過安裝在壓頭上部的位移傳感器和控制軟件中自動(dòng)控制頁面中的位移控制設(shè)定，通過保持試驗(yàn)機(jī)壓頭位置不變來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筒組件中靜爆劑軸向位移的控制。試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，隨著鋼筒組件內(nèi)部靜爆劑水化反應(yīng)的進(jìn)行，靜爆劑體積膨脹，由于受到來自鋼筒在圓周方向的約束，靜爆劑在軸向方向膨脹推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，活塞上部是壓力試驗(yàn)機(jī)壓頭，通過位移傳感器控制其保持位置不變，由此產(chǎn)生的反作用力作用于壓力試驗(yàn)機(jī)上的壓力傳感器，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄軸向力大小?？蓽y(cè)得靜爆劑在鋼筒組件中產(chǎn)生的軸向膨脹力大小。

1.3 測(cè)試參數(shù)

采用石家莊功能建材有限公司生產(chǎn)的“兆華牌”HSCA－Ⅱ型靜爆劑進(jìn)行試驗(yàn)。將水與靜爆劑按照質(zhì)量比=1∶ 5 拌合均勻，室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，環(huán)境溫度為18℃。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，水灰比0.20 的靜爆劑漿體在鋼筒組件中，充填密實(shí)的情況下，密度為2 330 kg/m3。測(cè)試過程中，以該密實(shí)度作為計(jì)算鋼筒組件中充填靜爆劑漿體質(zhì)量的依據(jù)。資料顯示［6］，鋼筒中靜爆劑漿體高徑比為3/8 時(shí)，可獲得較好的測(cè)試效果，測(cè)試采用的靜態(tài)破碎劑漿體高徑比取3/8。具體試驗(yàn)條件見表1。

表1 靜爆劑漿體參數(shù)Table 1 Parameters of the static cracking agent paste

1.4 測(cè)試方法與步驟

(1)填裝靜爆劑。先將鋼筒組件中的下部活塞放入鋼筒中，使其位于鋼筒底部，然后將按照水灰比0.2 拌合均勻的靜爆劑漿體充填到鋼筒中，振搗密實(shí)后將上部活塞放入鋼筒，用橡皮錘敲擊上部活塞使其底面與靜爆劑緊密接觸。

(2)測(cè)試準(zhǔn)備。試驗(yàn)機(jī)油缸和壓頭下方放置球形座與球頭，球頭上部放置壓力傳感器和墊板，將充填有靜爆劑漿體的鋼筒組件放在墊板上，調(diào)整球頭使鋼筒組件處于水平狀態(tài)。

(3)位移約束?？刂茐侯^下行運(yùn)動(dòng)，與鋼筒組件上部活塞之間留有寬度小于1.0 mm 的縫隙，將位移傳感器固定在壓頭上部并保持其垂直狀態(tài)，通過位移傳感器控制對(duì)壓頭的位置進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)壓頭與活塞在無軸向載荷或者極小軸向載荷條件下的無縫接觸;固定垂向位移目標(biāo)值，使油缸和壓頭保持在當(dāng)前位置，完成對(duì)鋼筒組件中靜爆劑漿體的軸向位移約束。

(4)數(shù)據(jù)采集。在壓力試驗(yàn)機(jī)控制軟件界面輸入試驗(yàn)相關(guān)信息，采樣頻率設(shè)為2 min/次，設(shè)定完畢后，測(cè)試開始記錄數(shù)據(jù)。

(5)數(shù)據(jù)處理。測(cè)試完成后，將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel 格式文件，測(cè)得軸向力大小與對(duì)應(yīng)鋼筒組件活塞橫截面面積的比值，即為鋼筒組件中靜爆劑漿體水化反應(yīng)在鋼筒組件軸向方向產(chǎn)生的膨脹壓，利用Origin 繪圖軟件可繪出靜爆劑軸向膨脹壓的時(shí)經(jīng)曲線。

(6)清理試驗(yàn)裝置。卸去試驗(yàn)機(jī)載荷，取出上下活塞，清理鋼筒內(nèi)靜爆劑水化產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)鋼筒組件的重復(fù)利用。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 外管法測(cè)試膨脹壓

外管法在應(yīng)用方面雖然存在一定問題，但作為一種被理論和試驗(yàn)所認(rèn)可的測(cè)試方法，一直是相關(guān)研究人員進(jìn)行靜爆劑膨脹壓測(cè)試的常用方法，我國(guó)的建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JC506—2008 無聲破碎劑》中，就規(guī)定采用外管法進(jìn)行靜爆劑的膨脹壓的測(cè)試。本研究的測(cè)試方法與外管法同步進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行比較，檢驗(yàn)本方法的準(zhǔn)確性。為方便區(qū)分，下文中將測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的膨脹壓稱為“軸向膨脹壓”，將外管法測(cè)得的膨脹壓稱為“徑向膨脹壓”。外管法測(cè)得鋼筒外壁應(yīng)變值，按照下式計(jì)算出徑向膨脹壓［9］:

式中，σr為靜爆劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓，MPa;E 為鋼筒的彈性模量，MPa;K 為鋼筒外徑與內(nèi)徑之比值;εθ為鋼筒產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)變;μ 為鋼筒的泊松比，0.3。

2.2 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

稱量靜爆劑850 g，水170 g，拌合均勻后取靜爆劑漿體980 g 裝入鋼筒組件，進(jìn)行膨脹壓測(cè)試，測(cè)得結(jié)果如圖2 所示。

圖2 靜爆劑膨脹壓－時(shí)間曲線Fig.2 Expansion pressure-time curve of the static cracking agent

由圖2 可知:在65 h 的測(cè)試過程中，靜爆劑漿體在鋼筒組件中發(fā)生水化反應(yīng)體積膨脹，產(chǎn)生了穩(wěn)定增長(zhǎng)的膨脹壓。測(cè)試前期約3 h 內(nèi)，為靜爆劑漿體的凝固硬化階段，此時(shí)尚未產(chǎn)生膨脹壓，隨后膨脹壓以較快的速率持續(xù)增長(zhǎng)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，約20 h 后膨脹壓增長(zhǎng)速率逐漸降低，50 h 后膨脹壓增長(zhǎng)速率趨于0，膨脹壓趨于穩(wěn)定值。2 種不同測(cè)試方法測(cè)得的軸向膨脹壓和徑向膨脹壓具有相同的發(fā)展趨勢(shì)，說明軸向膨脹壓測(cè)試系統(tǒng)與方法是一種可行有效的靜爆劑膨脹壓測(cè)試手段。

試驗(yàn)測(cè)得軸向膨脹壓值始終小于徑向膨脹壓值，分析認(rèn)為是靜爆劑中含有的強(qiáng)度組分——水硬性礦物質(zhì)水化后形成水硬化體，水硬化體在徑向膨脹壓的作用下，沿鋼筒內(nèi)壁壓縮成一圈致密堅(jiān)硬的固體，這部分靜爆劑水化產(chǎn)物沒有發(fā)生體積膨脹現(xiàn)象，因此鋼筒組件中僅有部分靜爆劑水化產(chǎn)物能夠在軸向方向產(chǎn)生膨脹力，而徑向膨脹壓不受其影響，由此導(dǎo)致了軸向膨脹壓始終小于徑向膨脹壓。對(duì)于2 種不同測(cè)試方法測(cè)得膨脹壓之間的差異，采用二者之間比值的方法進(jìn)行對(duì)比分析，將某一時(shí)刻軸向膨脹壓與徑向膨脹壓的比值定義為“軸向輸出系數(shù)S”，公式如下:

式中，σz為軸向膨脹壓，MPa;σr為徑向膨脹壓，MPa。

采用相同試驗(yàn)參數(shù)分別進(jìn)行3 次試驗(yàn)，圖3 給出了3 次試驗(yàn)的軸向輸出系數(shù)S 隨靜爆劑水化反應(yīng)時(shí)間的變化曲線。

圖3 軸向輸出系數(shù)－時(shí)間曲線Fig.3 Axial output coefficient-time curve

3 次試驗(yàn)的軸向輸出系數(shù)具有相同的變化規(guī)律和相近的系數(shù)值，測(cè)試開始時(shí)軸向輸出系數(shù)值較小，隨著測(cè)試時(shí)間增加而增大。在測(cè)試開始28 h 后該系數(shù)趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)樵跍y(cè)試前期，靜爆劑漿體凝固硬化后生成的水硬化體中，靜爆劑含有的強(qiáng)度組分的黏結(jié)作用對(duì)軸向膨脹具有一定約束。隨著反應(yīng)進(jìn)行，這種黏結(jié)作用不能約束膨脹時(shí)，靜爆劑漿體失去軸向方向的栓塞效果，軸向膨脹壓迅速增大，軸向輸出系數(shù)也隨之快速增大，并趨于穩(wěn)定。

3 次試驗(yàn)中穩(wěn)定后的軸向輸出系數(shù)變化范圍為0.626 ～0.660，波動(dòng)較小，說明采用軸向膨脹壓測(cè)試系統(tǒng)及方法可以測(cè)得較為穩(wěn)定的靜爆劑膨脹壓，該測(cè)試系統(tǒng)及方法具有較高的可靠性。建議采用下式確定靜爆劑膨脹壓:

式中，σ 為靜爆劑膨脹壓，MPa。

3 結(jié) 論

(1)與外管法相比，利用自行設(shè)計(jì)的鋼筒組件和軸向膨脹壓測(cè)試系統(tǒng)，可準(zhǔn)確地測(cè)得靜爆劑與水反應(yīng)產(chǎn)生的軸向膨脹壓，并有效避免了外管法中熱輸出對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

(2)采用該測(cè)試系統(tǒng)及方法，無需黏貼應(yīng)變片，操作步驟簡(jiǎn)單，提高了測(cè)試效率;避免了外管法對(duì)應(yīng)變片和黏貼劑的特殊要求，測(cè)試可靠性更高;鋼筒組件可重復(fù)使用，降低了測(cè)試成本。

(3)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)和位移傳感器在測(cè)試中的使用，有效提高了測(cè)試精度，能更加精確地反映靜爆劑產(chǎn)生的膨脹壓。

(4)采用該測(cè)試系統(tǒng)及方法，測(cè)試時(shí)間不小于28 h，孔徑D =113 mm 時(shí)，靜爆劑水化過程中產(chǎn)生的膨脹壓表達(dá)式為σ = σz/S。

［1］ 游寶坤.靜態(tài)爆破技術(shù)——無聲破碎劑及其應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2008.

You Baokun.The Static Blasting Technology:Soundless Cracking Agent and Its Application［M］. Beijing:China Building Materials Press，2008:33-63.

［2］ Yamazaki Y. Static demolition of concrete by new demolition agent［C］∥Demolition and Reuse of Concrete and Masonry.［S.l.］:Proceedings of the Third International RILEM Symposium，1988:126-131.

［3］ Wang Yansheng，You Baokun，Zhang Guiqing.Application of soundless cracking agent in China［C］∥Demolition and Reuse of Concrete and Masonry.［S. l.］:Proceedings of the Third International RILEM Symposium，1988:149-157.

［4］ Hayashi H，Soeda K，Hida T，et al. Non-expansive demolition agent in Japan［C］∥Demolition and Reuse of Concrete and Masonry.［S.l.］:Proceedings of the Third International RILEM Symposium，1988:231-242.

［5］ Hassock Fukui.Static demolition by calciumoxide［J］.Journal of the Japan Explosives Society，2001，62(5):225-232.

［6］ 戴麗萊，李慶寧.靜爆劑膨脹壓測(cè)定方法的研究［J］. 武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1989(2):131-134.

Dai Lilai，Li Qingning. Study of expansion pressure determining of static crushing agent［J］. Journal of Wuhan University of Technology，1989(2):131-134.

［7］ 王玉杰，田新邦.靜態(tài)破裂劑膨脹壓力測(cè)試方法的研究［J］. 爆破器材，2004，33(4):1-3.

Wang Yujie，Tian Xinbang.Study on method of static cracking agent pressure measurement［J］.Explosive Materials，2004，33(4):1-3.

［8］ 鄒俊興.靜力破碎劑的壓力特性［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，8(1):23-27.

Zou Junxing.Pressure property of static demolition agent［J］.Journal of Xiangtan Mining Institute，1993，8(1):23-27.

［9］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).JC506—2008 無聲破碎劑［S］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2008.

National Development and Reform Commission. JC506-2008 Soundless Cracking Agent［S］. Beijing:China Building Materials Press，2008.