靜態(tài)破碎施工新技術(shù)的研究與應(yīng)用

謝敬坦 于秋月 郝小天 蒲 龍(河北省石家莊市功能建材有限公司，河北 石家莊 050100）

靜態(tài)破碎施工新技術(shù)的研究與應(yīng)用

謝敬坦 于秋月 郝小天 蒲 龍(河北省石家莊市功能建材有限公司，河北 石家莊 050100）

針對無聲破碎劑特性，在傳統(tǒng)產(chǎn)品與小孔常規(guī)施工技術(shù)基礎(chǔ)上，研究成功大孔專用產(chǎn)品及其壓噴法、卷式法施工新技術(shù)。對于提高靜態(tài)破碎施工效率，具有推進作用。為便于理解，本文將其與傳統(tǒng)產(chǎn)品、常規(guī)方法一并進行比較分析。

無聲破碎劑；靜態(tài)破碎；大孔專用產(chǎn)品；施工新技術(shù)；防噴劑

1 靜態(tài)破碎機理

無聲破碎劑是一種無機粉末狀材料，主要成分是fCaO。無論用于什么工程，無論大孔、小孔，進行靜態(tài)破碎的操作要點是一致的，即將無聲破碎劑與水拌和成具有一定流動度的粥狀漿體，灌入預(yù)先鉆好的孔中，產(chǎn)生強大的膨脹應(yīng)力，將孔壁脹破拉裂。靜態(tài)的含義是在拉裂過程中，無噪聲、無氣味、無粉塵飛揚。

產(chǎn)生膨脹應(yīng)力的過程是這樣的，通過水化反應(yīng)，fCaO先與水生成膠狀氫氧化鈣，繼之形成各向異性的六方片狀晶體，這種水化產(chǎn)物具有體積膨脹性。在自由狀態(tài)下孔中漿體硬化后、固相體積增大到原來的2～3倍；在約束條件下，體積膨脹變小；當(dāng)約束無限增大時，這種膨脹就極其困難、甚至不能表現(xiàn)出來。固相體積的增大，受到孔壁的約束，產(chǎn)生對外的環(huán)向膨脹壓力，作用于孔壁、從中心向周邊放射傳遞，并于直角方向發(fā)生拉伸應(yīng)力，在孔壁最脆弱的部位應(yīng)力集中，當(dāng)超過被破碎物的抗拉（裂）強度時，便產(chǎn)生裂縫、并隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)進行而擴大，表現(xiàn)出與化學(xué)炸藥類似的爆破效果。

該水化反應(yīng)是典型的放熱反應(yīng)，用化學(xué)反應(yīng)式表達為：

研究表明，水化反應(yīng)速度隨著水化過程中漿體溫度的提高而顯著加快。在溫度0-100℃的范圍內(nèi)，溫升每提高10℃其反應(yīng)速度增加一倍，由灌孔時的大約20℃提高到100℃時，在理論上反應(yīng)速度要加快256倍。當(dāng)溫度低于100℃的情況下，伴隨熱量的積聚、溫度升高，當(dāng)溫度超過100℃時，漿體中尚未完成反應(yīng)的游離水迅速由液相變成氣相，產(chǎn)生的水蒸氣呈氣泡狀在漿體中運動聚集而形成氣壓，在漿體尚未硬化之前、孔壁對漿體的粘結(jié)力還很小，當(dāng)氣壓達到一定值后會使?jié){體沖出孔外，此即習(xí)慣所稱的噴孔現(xiàn)象。

噴孔現(xiàn)象的致命危害是容易發(fā)生人身安全事故，其次是浪費材料、不能收到應(yīng)有的破碎效果。但從另一方面看，恰恰表現(xiàn)這種產(chǎn)品具有反應(yīng)速度快、膨脹壓高、可能會使破碎效果達到至美程度的優(yōu)勢，壓噴法與卷式法的關(guān)鍵就是避害就利，完成化害為利的有益轉(zhuǎn)變。

大家知道，環(huán)境溫度對fCaO的水化反應(yīng)速度影響很大，冬天寒冷季節(jié)反應(yīng)緩慢、破碎效果往往不夠理想，夏季高溫季節(jié)則因反應(yīng)速度快易發(fā)生噴孔，在這方面積累了豐富的經(jīng)驗。顯然，如果將外部環(huán)境溫度的影響與孔內(nèi)漿體溫度變化的影響結(jié)合起來綜合對待，勢必會推進靜態(tài)破碎施工技術(shù)的進步與完善。

2 大孔產(chǎn)品性能

表1 無聲破碎劑的基本性能

2.1 常規(guī)孔用無聲破碎劑的性能

根據(jù)JC506《高效無聲破碎劑》規(guī)定，常規(guī)產(chǎn)品凝結(jié)時間＞10min，按使用季節(jié)分I、II、III三個型號。此外，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研制成功了高溫型Ⅳ。各型號的膨脹壓及適用環(huán)境溫度如表1所列。

從表1可知，環(huán)境溫度是選用產(chǎn)品的第一根據(jù)，夏天施工選Ⅰ型（25-40℃），春秋季節(jié)選Ⅱ型（10-30℃），冬季選Ⅲ型（-5-15℃），盛夏以及在高熱地區(qū)選Ⅳ（40-50℃）。常規(guī)產(chǎn)品適用的孔徑為Φ40mm左右，習(xí)慣上稱為小孔。選型正確，是破碎施工成功的保證。

2.2 大孔用無聲破碎劑性能

用于大孔（Φ50mm-Φ100mm）的無聲破碎劑，要求在使用環(huán)境溫度條件下不噴孔，開裂時間約24h前后。常規(guī)產(chǎn)品選型基本限于Φ45mm以下、可以不考慮孔徑的具體尺寸，大孔施工的顯著區(qū)別是須根據(jù)孔徑大小選擇適合的大孔專用產(chǎn)品；某些情況下，也可以在專家指導(dǎo)下錯季混型使用常規(guī)產(chǎn)品。

圖1 摻與不摻防噴劑的水化溫升

2.3 防噴技術(shù)

無論常規(guī)產(chǎn)品還是大孔產(chǎn)品，必須從產(chǎn)品本身做到防噴，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中或現(xiàn)場施工時加入適當(dāng)量的防噴劑是十分便捷的。研制成功的防噴劑是一種能夠有效抑制噴孔的專利產(chǎn)品（專利號ZL.2014 1 0157325.0 ）， 防噴原理是在加水初期延緩fCaO的水化，當(dāng)漿體具有一定強度、與孔壁的粘結(jié)力足以抵抗沖孔以后，fCaO恢復(fù)正常的水化放熱反應(yīng)，達到既能阻止噴孔又不妨害破碎效果的雙重目的。圖1為高溫型無聲破碎劑摻與不摻防噴劑的水化溫升比較，可以看出不摻防噴劑時，fCaO水化反應(yīng)迅疾發(fā)生，4h溫升達120℃，使用防噴劑后，水化反應(yīng)速度受到顯著抑制，在30h內(nèi)水化放熱延緩，強度組分正常水化，當(dāng)漿體凝結(jié)、硬化已經(jīng)具有足夠的強度后，fCaO水化速度恢復(fù)，溫升達160℃，使破碎效果得到強化。

2.4 壓噴材料

大孔施工時，孔內(nèi)灌入無聲破碎劑質(zhì)量較大，相對小孔而言，水化熱總量、溫升速度要大得多，沖孔的可能性也大得多。在使用防噴劑的情況下，小孔常規(guī)產(chǎn)品施工完全可以不擔(dān)心噴孔。在使用大孔產(chǎn)品施工時，利用防噴劑也可以做到完全防噴，但開裂速度會有延緩；當(dāng)要求快速破碎時，可以定型生產(chǎn)沖孔可能性介于有無之間的產(chǎn)品，而采用壓噴法施工，既做到不噴孔、又最大限度地發(fā)揮水化熱轉(zhuǎn)而促進水化反應(yīng)的作用。壓噴法的核心是使用壓噴材料，操作的要點是灌漿后用壓噴材料快速封口。壓噴材料屬專用材料，流動性很好、易于操作，具有快速水化、快凝、快硬、高強度、微膨脹的特性，凝結(jié)時間2-3min，抗壓強度5min≥40MPa,1-2h達50MPa以上，因此在3-5min內(nèi)即與孔壁牢固結(jié)合、產(chǎn)生足以抵抗沖孔的粘結(jié)強度。需要說明，石家莊市功能建材有限公司按國家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的無聲破碎劑常規(guī)產(chǎn)品，小孔施工完全可以不擔(dān)心噴孔，一般不采用壓噴法。大孔施工也并非全部必須采用，它比較適用于用戶有指定破碎時間要求或指定設(shè)計工程或有生產(chǎn)廠專家指導(dǎo)的大孔施工。

3 靜態(tài)破碎效果的主要影響因素

3.1 環(huán)境溫度影響

環(huán)境溫度是最早發(fā)生的影響因素，溫度高水化快，溫度低水化慢。圖2是同一型號常規(guī)產(chǎn)品在不同環(huán)境溫度下的膨脹壓增進速度曲線，可以看出，膨脹壓隨溫度的升高而提高；低溫下不能正常發(fā)揮，高溫下則可能噴孔。通俗地說，就是夏季高溫下正常使用的Ⅰ型、Ⅳ型產(chǎn)品，如果用于低溫環(huán)境工程就不會開裂，而適于冬季使用的Ⅲ型產(chǎn)品如果用于高溫環(huán)境工程則必然發(fā)生噴孔。當(dāng)然，每個型號的適用溫度范圍并非是絕對嚴(yán)格的，都與另一個型號的有一個交叉區(qū)域。例如環(huán)境溫度25-30℃時，Ⅰ型、Ⅱ型皆在可選之例，10-15℃Ⅱ型、Ⅲ型也皆在可選之例。不過，需要予為防范，溫度處于交叉區(qū)域時，發(fā)生噴孔的幾率要高于平時，必要時應(yīng)咨詢生產(chǎn)廠專家。

圖2 HSCA-1產(chǎn)品在不同溫度下的膨脹壓增進速度曲線

3.2 水料比

加水量用水料比w/c控制。加水量大小直接與膨脹壓有關(guān)。多次進行膨脹壓標(biāo)準(zhǔn)檢驗證明，同一型號的無聲破碎劑產(chǎn)品，w/c大、膨脹壓低，w/c小、膨脹壓高；w/c由0.25增至0.30、即加水量增加20﹪時膨脹壓約降低20%左右，增至0.35時約降低40%左右。道理十分清楚，每個品牌的產(chǎn)品都有自己的最佳水料比，過多的加入水、自然會占據(jù)孔內(nèi)的有效空間而減小無聲破碎劑的有效反應(yīng)質(zhì)量，同時會吸收水化熱、影響水化行為。各國、各生產(chǎn)廠的生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品配方會有所區(qū)別，最佳用水量也有所不同。施工現(xiàn)狀調(diào)查表明對此尚認(rèn)識不足，有的操作者往往憑習(xí)慣、憑個人所好加水比較隨意，或者不區(qū)分品牌一律加入相同的水量。在感性上以為w/c增減一點不是大問題，假設(shè)漿體總量1000g，計算其中水、料的單獨用量，得到表2的數(shù)據(jù)，從中可知0.05w/c變化的結(jié)果會使加水量增減比驚人地高達15.5%，發(fā)生這種情況當(dāng)屬違反施工規(guī)程。

表2 增大w/c時灌孔無聲破碎劑及水量的增減比例/%

加水的作用，一是外在必須，獲得灌孔需要的流動度，加水量偏低時流動性不足、影響灌孔速度與充填豐滿程度。加水量偏高時雖然流動度大、灌孔操作痛快，但危害性更大，灌孔之前及灌入之初fCaO的水化已經(jīng)顯著發(fā)生、膨脹壓無效消耗較大；孔中fCaO的質(zhì)量數(shù)明顯受損，多加的水在灌孔之后、凝結(jié)之前的時間段內(nèi)呈游離狀態(tài)，形成的水蒸氣極易導(dǎo)致噴孔。不同水料比在實驗室標(biāo)準(zhǔn)條件下測定的膨脹壓曲線如圖3，可以看到這種影響，w/c為0.21時的膨脹壓增進速度與增進率顯著高于0.35時，而0.35時在早期達到一個膨脹壓值后幾乎沒有明顯增進。

加水的第二個作用是內(nèi)在的、也是根本性的，水是參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，供給fCaO水化所需而產(chǎn)生足夠的膨脹壓，二者都是直接反應(yīng)物、不可只偏重一方。以石家莊市功能建材公司產(chǎn)品為例，w/c一般控制為0.25比較適宜，小孔施工或略高一點；流動度控制值275±25mm，使?jié){體達到自流平的程度即可。

圖3 不同水料比的膨脹壓

3.3 孔徑大小

常規(guī)施工的孔徑一般為Φ38mm-Φ42mm，尺寸小、裝入的無聲破碎劑質(zhì)量也小，開裂速度較慢。反之，大孔速度較快、要害是不能噴孔。從用戶要求而言，更希望提高破碎速度、加快施工進度，目前市場已經(jīng)呈現(xiàn)出由小孔施工到大孔施工的發(fā)展趨勢。例如，冬季施工，便可選擇用Φ50mm-Φ60mm孔取代Φ40mm孔，試驗與應(yīng)用證明，最寒冷季節(jié)，可以采用Φ80mm孔。

3.4 最小抵抗線、臨空面、孔距設(shè)計

最小抵抗線指孔中心離破碎物邊緣的最小距離，等于鉆孔的排距。最小抵抗線應(yīng)盡量臨空，臨空面多、最小抵抗線可以大些，臨空面少、最小抵抗線要小一點。孔距的確定應(yīng)考慮最小抵抗線、臨空面、被破物強度等諸多因素，一般取孔徑（a）的5-10倍。另外，須考慮破碎對象的抗拉（裂）強度，對于石材最小抵抗線可略大、孔距可略小，對于建筑工程的巖石基礎(chǔ)、廢舊混凝土構(gòu)筑物拆除工程抵抗線應(yīng)略小一些。推薦梅花狀布孔，多排孔同時破碎時，前排孔和后排孔之間最好保持有時間差。

4 靜態(tài)破碎施工新方法

4.1 一般施工方法與要求

使用常規(guī)產(chǎn)品施工，首先須根據(jù)工程所處環(huán)境選型，當(dāng)環(huán)境溫度處于25-40℃時選Ⅰ型，10-30℃時選Ⅱ型，-5-15℃時選Ⅲ型，高熱地區(qū)選40-50℃使用的Ⅳ型。施工期間現(xiàn)場發(fā)生天氣的驟冷驟熱變化時，預(yù)先選購的型號可能與破碎要求產(chǎn)生偏離，這時應(yīng)采取相應(yīng)的輔助措施，例如在現(xiàn)場補加防噴劑、激發(fā)劑。其它共同性還要求包括如下各項，孔徑Φ40左右（38mm-42mm）,冬季施工可擴大至Φ50-Φ60mm?？拙嘁话銥榭讖剑╝）的5-10倍：孔深一般為0.9-1H（H為被破碎體的高度）。裝料量以每M/孔計算時為2.3-2.8kg(Φ38mm-Φ42mm)；自加水拌和到灌孔完畢總操作時間不應(yīng)超過10min。施工中操作人員必須佩戴防護眼鏡和橡膠手套，灌孔完畢后及時遠離現(xiàn)場，禁止俯視已灌完的孔。

大孔施工堅持如上原則，特別之處在于選擇大孔專用產(chǎn)品，基礎(chǔ)也是環(huán)境溫度，訂貨前應(yīng)向廠家如實說明，廠家應(yīng)提出主要的施工要求事項?？讖揭话銥棣?0-Φ100mm,孔距為孔徑的5-10倍，最小抵抗線為0.5-1.0m。由于孔大、裝料量多，必須嚴(yán)格要求拌料迅速、灌孔迅速，每次攪拌量不宜大于25kg，最多不超過50kg，以避免因灌孔遲緩造成有害的孔外水化現(xiàn)象。

4.2 大孔壓噴法施工

壓噴法的機理是阻止孔內(nèi)水蒸氣從上方出口逸出，將其形成的蒸氣壓保持在孔內(nèi)；方法是將孔口密實封堵，讓膨脹壓在孔內(nèi)迅速集聚、完全作用于孔壁，最大限度地利用膨脹能、實現(xiàn)快速破碎。一般在2-3小時內(nèi)產(chǎn)生開裂。在施工條件具備的情況下，盡可能選用大孔（Φ100mm），破碎效果更好。越是水化反應(yīng)快、溫升快且孔內(nèi)漿體溫度較高，越適用該法。生產(chǎn)廠家在提供大孔產(chǎn)品的同時，會提供壓噴材料，壓噴材料用料量按Φ100孔計算為4kg左右。拌和w/c比小孔施工可略有放寬，目的是確?？焖偻瓿砂韬?、灌孔操作，嚴(yán)防時間拖后。特別提示，在完成拌和無聲破碎劑漿體時即應(yīng)在備置妥當(dāng)?shù)娜萜髦屑铀柚茐簢姴牧蠞{體。在完成無聲破碎劑漿體灌孔后馬上用5cm厚苯板覆蓋；并立即灌注封口材料，灌入深度為25-35cm。封口材料自加水到封口完畢，時間不得超過3min。

表3 無聲卷的規(guī)格與使用性能

4.3 卷式法施工

特殊工程會運用水平孔、或由下向上的傾斜孔，這時，無法實現(xiàn)垂直孔那種灌漿施工，可改用卷式法。卷式法的基礎(chǔ)是將無聲破碎劑按型號、孔徑預(yù)先做成卷式無聲破碎劑產(chǎn)品，簡稱無聲卷。無聲卷的規(guī)格與使用性能列于表3。鉆好孔后，將無聲卷逐個浸入裝有清水的容器中，按要求的時間浸水，然后拿出過磅，如重量不在要求范圍內(nèi)，應(yīng)調(diào)整浸水時間。將浸好水后的無聲卷迅速裝入孔中，每裝入一個卷均須用木棍捅搗密實。為防止搗實的裝入卷松散、滑落，裝卷完畢后應(yīng)用快硬水泥或木棍塞頭封口。

5 結(jié) 語

1)靜態(tài)破碎與動態(tài)破碎相比，具有安全、環(huán)保、不產(chǎn)生二次污染的顯著優(yōu)勢，具有良好的市場發(fā)展前景。

2)大孔破碎與常規(guī)孔破碎相比，具有破碎速度快、效率高的優(yōu)勢，在適用工程方面有較大的拓展空間。

3)本文提出的壓噴法適用于大孔破碎施工，卷式法適用于特殊工程破碎施工。

本工作得到中國建材研究總院游寶坤、趙順增及本公司李乃珍三位教授的指導(dǎo)與支持，在此特致謝意。

Research and application of the new technology on static cracking in construction

According to the character of Soundless Cracking Agent,based on the traditional product and general construction technology on small holes,we research a specified product on big holes and its new construction technology of Pressing-gush and Rolling．It helps to enhance the construction efficiency of static cracking．In this report,we analyze this new technology compared with the traditional product and method．

soundless cracking agent；static cracking；specified product on big holes；new technology of construction；anti—gush agent

TU941

B

1003-8965（2017）03-0099-04