靜態(tài)破碎劑徑向膨脹壓測(cè)試裝置研究

劉 娟，譚欽文,2，劉建平,2，吳愛軍,2，吳春燕，李文武

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué)西南科技大學(xué)固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

靜態(tài)破碎劑是20世紀(jì)80年代初在國(guó)外研制成功的一種粉狀破巖材料，它可以在不使用爆炸物的情況下用CaO與水反應(yīng)生成Ca(OH)2所產(chǎn)生的體積膨脹破碎巖石、混凝土等作用對(duì)象[1]。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建筑物的拆除量不斷增加，靜態(tài)破碎劑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛并具有廣闊的發(fā)展前景，因此，準(zhǔn)確測(cè)量其膨脹壓的值對(duì)于優(yōu)化其施工效果有重要意義。戴麗萊等[2]應(yīng)用液壓理論設(shè)計(jì)了一種液壓平衡測(cè)壓儀，這種儀器避免了電測(cè)法中溫度效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，但平衡指針?lè)侄戎递^低，手壓油泵可能存在漏油卸壓的問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量精度不高。謝益盛等[3]對(duì)靜態(tài)破碎劑的膨脹力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究，考慮用密封膠代替塑料袋封閉應(yīng)變片的方法來(lái)避免放熱直接對(duì)應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果的影響來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化[4]，但試驗(yàn)采用的鋼筒仍然是一次性用品，不能重復(fù)使用。

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)，本文設(shè)計(jì)了一種靜態(tài)破碎劑徑向膨脹壓測(cè)試裝置，可彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)試方法的部分不足，為今后靜態(tài)破碎劑被更廣泛有效地應(yīng)用打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

左右周邊塊(為了保證靜態(tài)破碎劑體積膨脹之后力全部沿平行于測(cè)壓方向傳播且方便拆卸，因此考慮將周邊塊分為左右兩個(gè)部分，組合起來(lái)是一個(gè)整體)閉合之后中間有一個(gè)圓柱腔體用于裝藥。中間通孔部分是為了放靜態(tài)破碎劑，通孔直徑取50 mm，內(nèi)螺紋與頂蓋螺紋配合連接，考慮到方便連接，取粗牙螺紋M52×2，左右周邊長(zhǎng)160 mm、寬140 mm、高140 mm。周邊塊凸臺(tái)部分上的通孔直徑為配合螺栓標(biāo)準(zhǔn)件的連接取22 mm，通孔厚度根據(jù)受力情況分析：

對(duì)于通孔部分：根據(jù)第三強(qiáng)度理論(最大剪應(yīng)力理論)

τ≤[τ]

(1)

式中：τ為剪應(yīng)力，最大值約120 MPa；[τ]為底部擋片的材料45鋼的抗剪強(qiáng)度，170 MPa；經(jīng)驗(yàn)算通孔厚度20 mm時(shí)滿足要求。

圓柱度。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，考慮到要使靜態(tài)破碎劑膨脹壓在垂直方向上均勻分布同時(shí)要保證膨脹壓力能均勻地作用于螺栓，防止其變形，故將中間放藥柱的圓柱孔圓柱度的公差等級(jí)取為6級(jí)，再根據(jù)圓柱度取值標(biāo)準(zhǔn)，主尺寸為80 mm、公差等級(jí)為6級(jí)時(shí)其圓柱度值為5 μm。

垂直度。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，考慮到要使徑向的膨脹壓嚴(yán)格垂直于藥柱作用于周邊塊同時(shí)要保證穿過(guò)孔的螺栓能準(zhǔn)確地與測(cè)力計(jì)連接，故取垂直度公差等級(jí)為5級(jí)，根據(jù)形位公差標(biāo)注國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《形狀和位置公差未注公差值》GB/T 1184-1996，當(dāng)主尺寸為140 mm、垂直度公差等級(jí)為5級(jí)時(shí)，對(duì)應(yīng)的垂直度為20 μm。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)中形位公差等級(jí)對(duì)應(yīng)的最低粗糙度要求，公差等級(jí)為7級(jí)及以下時(shí)取對(duì)應(yīng)表面粗糙度為0.8，其余表面粗糙度滿足裝配要求取為3.2。

對(duì)于底部擋片，伸入周邊塊的圓環(huán)部分受力分析為

σ≤[σ]

(2)

(3)

(4)

式中：σz為軸向應(yīng)力，最大約40 MPa；[σ]為底部擋片材料45鋼的屈服強(qiáng)度，355 MPa；D為底部擋片的直徑,mm；d為裝藥腔體的直徑，50 mm。經(jīng)驗(yàn)算底部擋片直徑為60 mm時(shí)滿足要求。

由式(3)可得：

(5)

根據(jù)第三強(qiáng)度理論，要保證底部擋片在受到膨脹壓力的時(shí)候不變形，則有：

(6)

式中：h為擋片的厚度，mm；d為底部擋片的直徑，60 mm。代入數(shù)據(jù)得到厚度h為8 mm時(shí)滿足要求。

頂蓋通過(guò)外螺紋與周邊塊螺紋配合連接，考慮到方便連接，取粗牙螺紋M52×2。頂蓋有螺紋部分厚25 mm，總厚45 mm?？紤]到靜態(tài)破碎劑反應(yīng)較慢，因此在頂蓋上開一個(gè)φ2的通孔，以保證加熱棒的引線通過(guò)。

螺栓取標(biāo)準(zhǔn)件GB/T 5785，參數(shù)：M20×1.5，長(zhǎng)180 mm。考慮到螺栓要用于將左右周邊塊固定，選擇防松效果好、強(qiáng)度高、精密的細(xì)牙螺紋。

螺母用于固定螺栓，考慮到靜態(tài)破碎劑膨脹時(shí)會(huì)在螺母處有極大的拉力，因此選用等級(jí)高、強(qiáng)度高的型號(hào)為GB/T 6175的螺母，螺母要與螺栓配合連接，因此螺紋選用M20×1.5。

本裝置主要包括左右周邊塊、底部擋片、頂蓋等零件和用于連接的螺栓和螺母，其具體參數(shù)及取值如表1所示，裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。

表1 裝置部件參數(shù)

注:1-左周邊塊；2-底部擋片；3-頂蓋；4-螺栓；5-右周邊塊；6-螺母。圖1 測(cè)試裝置Fig.1 Test device

2 工作原理

采用設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行膨脹壓測(cè)試時(shí)，測(cè)試裝置受力分析如圖2所示，靜態(tài)破碎劑發(fā)生體積膨脹會(huì)沿徑向產(chǎn)生向外的膨脹壓力，徑向膨脹壓最終作用為螺桿上的拉力。

圖2 測(cè)試裝置受力分析Fig.2 Force analysis of the test device

測(cè)試裝置的中間裝藥腔體的直徑為50 mm，孔深100 mm，算出腔體的縱向剖面積，由讀取的應(yīng)變值，經(jīng)式(8)和式(9)計(jì)算得相應(yīng)的膨脹應(yīng)力值，整理分析試驗(yàn)結(jié)果。

利用彈塑性力學(xué)理論[5]，即可求出靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力。

σ=Eε

(7)

F=σS

(8)

(9)

式中：E為合金鋼35CrMo的彈性模量，206 GPa；ε為應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變值，με；S為螺桿的縱向剖面積，314.16 mm2；S2為靜態(tài)破碎劑圓柱體腔室的縱向剖面積5 000 mm2；σ2為需要得到的靜態(tài)破碎劑膨脹壓值，MPa。

3 膨脹壓測(cè)試試驗(yàn)研究

3.1 應(yīng)變儀聯(lián)合測(cè)壓試驗(yàn)

試驗(yàn)所用的主要材料包括：①靜態(tài)破碎劑；②規(guī)格M20×1.5、長(zhǎng)190 mm、材料為35CrMo合金鋼的螺栓兩根；③規(guī)格M20×1.5，厚18 mm的螺母；④平墊片。試驗(yàn)所用的儀器主要有：5AA帶端子免焊接電阻應(yīng)變片，自制高強(qiáng)度測(cè)試裝置，YJZA-8型智能數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，導(dǎo)線若干條，手套，PVC防護(hù)眼鏡，筆記本，圓珠筆，扳手，電子溫度計(jì)，電烙鐵，攪拌棒，250 ml燒杯，加熱電阻棒，天平等。

1)靜態(tài)破碎劑自然反應(yīng)下的膨脹壓測(cè)試。試驗(yàn)室溫度大約19 ℃，室內(nèi)溫度變化范圍2 ℃左右，變化較小，可以忽略外界溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[6]。

利用螺栓通過(guò)連接孔配合平墊片和螺母將左右周邊塊鎖緊；粘貼應(yīng)變片并用電烙鐵將電阻應(yīng)變片的接頭分別與導(dǎo)線、應(yīng)變儀連接；調(diào)節(jié)兩根螺栓上螺母的松緊程度，使應(yīng)變儀上有相同的初值，以排除螺紋連接松緊不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。按照水灰比[7]0.28調(diào)制靜態(tài)破碎劑漿體，稱取400 g靜態(tài)破碎劑，再量取120 ml溫水；攪拌均勻后倒入測(cè)試裝置的中間空腔部分，蓋上頂蓋并旋緊；接通應(yīng)變儀的電源，打開電腦上的應(yīng)變儀對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，設(shè)置好參數(shù)，讓靜態(tài)破碎劑在自然狀態(tài)下反應(yīng)24 h，觀察測(cè)量的應(yīng)變值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

2)電加熱靜態(tài)破碎劑反應(yīng)下的膨脹壓測(cè)試。將左右周邊塊鎖緊，粘貼應(yīng)變片并與應(yīng)變儀連接；取400 g靜態(tài)破碎劑，再量取120 ml溫水，攪拌均勻后倒入空腔內(nèi)，將加熱電阻棒和熱電偶粘在一起放入漿體內(nèi)，線頭穿過(guò)頂蓋預(yù)留的孔，用導(dǎo)線將線頭連接到電源，蓋上頂蓋并旋緊；接通應(yīng)變儀的電源，同時(shí)接通加熱電阻棒的電源，用調(diào)壓器將電壓控制在70 V，加熱到60 ℃之后，斷開加熱電阻棒連接的電源，設(shè)置好參數(shù)，通過(guò)應(yīng)變儀數(shù)據(jù)處理軟件，觀察測(cè)量的應(yīng)變值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，反應(yīng)近12 h。

由自然反應(yīng)狀態(tài)下與電加熱狀態(tài)下膨脹壓-時(shí)間對(duì)比(見圖3)可知，在電加熱情況下膨脹壓在4 h內(nèi)達(dá)到55 MPa，而不加熱情況下的靜態(tài)破碎劑需要24 h才達(dá)到。并且12 h后，用加熱方法測(cè)得的膨脹壓高達(dá)90 MPa，說(shuō)明在相同藥量的情況下，采用電加熱的方法進(jìn)行反應(yīng)可以加快靜態(tài)破碎劑的反應(yīng)速率，提高爆破效率。

圖3 不加熱與加熱狀態(tài)下的膨脹壓-時(shí)間對(duì)比Fig.3 Comparison of expansion pressure-time between unheated and heated state

3.2 傳統(tǒng)膨脹壓測(cè)試試驗(yàn)

中華人民共和國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 506-2008無(wú)聲破碎劑中提供了一種靜態(tài)破碎劑膨脹壓測(cè)試試驗(yàn)方法。這種測(cè)試方法的具體操作為：①在Q235鋼筒外表面相應(yīng)位置粘貼應(yīng)變片；②用塑料袋包裹鋼筒放入恒溫的水箱中。在這種情況下，破碎劑發(fā)生水化反應(yīng)后使得受壓鋼筒產(chǎn)生膨脹，通過(guò)應(yīng)變片得出的鋼筒的變形值[8]，再根據(jù)靜態(tài)破碎劑徑向膨脹壓的計(jì)算公式即可得出膨脹壓的大小。根據(jù)上述膨脹壓測(cè)試方法，靜態(tài)破碎劑在鋼筒中產(chǎn)生的徑向膨脹壓力為

(10)

式中：p為鋼筒所受水化反應(yīng)產(chǎn)生的徑向膨脹壓力，MPa；Es為鋼筒的彈性模量，取2.06×105MPa；K為鋼筒內(nèi)外徑比；εθ為鋼筒徑向應(yīng)變；μ為鋼筒泊松比，取0.3。

試驗(yàn)所用的材料主要是：靜態(tài)破碎劑，高250 mm、內(nèi)徑26 mm、壁厚3 mm的鋼筒，5AA帶端子免焊接電阻應(yīng)變片。試驗(yàn)所用的儀器主要有：YJZA-8型智能數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，導(dǎo)線若干條，手套，PVC防護(hù)眼鏡，筆記本，圓珠筆，扳手，電子溫度計(jì)，電烙鐵，攪拌棒，250 ml燒杯，天平等。

將鋼筒部分外壁打磨光滑，再將應(yīng)變片沿圓周方向粘貼在鋼筒上；用電烙鐵將電阻應(yīng)變片的接頭與導(dǎo)線的一端接頭焊接起來(lái)，再連接到應(yīng)變儀上[9]；將用塑料袋包裹的鋼筒放入裝有溫水的水箱中；取350 g靜態(tài)破碎劑，再量取98 ml溫水，攪拌均勻后倒入鋼筒中，并用錫箔紙封好管口；接通應(yīng)變儀的電源，設(shè)置好參數(shù)，通過(guò)應(yīng)變儀數(shù)據(jù)處理軟件，觀察測(cè)量的應(yīng)變值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，讓靜態(tài)破碎劑在自然狀態(tài)下反應(yīng)大約48 h。設(shè)計(jì)裝置與傳統(tǒng)測(cè)試膨脹壓-時(shí)間對(duì)比如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)裝置與傳統(tǒng)測(cè)試膨脹壓-時(shí)間對(duì)比Fig.4 Comparison of the expansion pressure-time of test device and the traditional method

由圖4可知，用設(shè)計(jì)裝置測(cè)試的膨脹壓隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與傳統(tǒng)測(cè)試膨脹壓隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致，但設(shè)計(jì)裝置的值比傳統(tǒng)測(cè)試膨脹壓的值大5 MPa左右。隨著反應(yīng)時(shí)間增加，反應(yīng)逐漸穩(wěn)定，兩種測(cè)試方法的膨脹壓逐漸在接近，差值縮小到約4 MPa。考慮到使用傳統(tǒng)膨脹壓測(cè)試方法時(shí)測(cè)試鋼筒放在水中，從而測(cè)試的值本身就會(huì)偏小[10]，而設(shè)計(jì)裝置可以在室溫下反應(yīng)，測(cè)試條件和實(shí)際施工中靜態(tài)破碎劑反應(yīng)的條件更加接近，故從理論上來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)裝置的測(cè)試環(huán)境更接近靜態(tài)破碎劑實(shí)際的膨脹環(huán)境。

4 結(jié)論

1)將設(shè)計(jì)裝置測(cè)得的膨脹壓力測(cè)試值與傳統(tǒng)膨脹壓測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，可以得出設(shè)計(jì)裝置有效，且利用設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行膨脹壓測(cè)試試驗(yàn)可以達(dá)到相應(yīng)的測(cè)試要求并且避免了溫度效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2)設(shè)計(jì)裝置在測(cè)試靜態(tài)破碎劑徑向膨脹壓時(shí)不用放入恒溫水箱中，可以直接在室溫下進(jìn)行測(cè)試，從而簡(jiǎn)化了操作步驟、提高了反應(yīng)速率。

3)通過(guò)設(shè)置不加熱和電加熱兩組對(duì)比試驗(yàn)，分析得出溫度對(duì)靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)速度影響很大，通過(guò)不加熱讓靜態(tài)破碎劑自然反應(yīng)與電加熱試驗(yàn)對(duì)比，得出電加熱可以加快反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)時(shí)間。

4)反復(fù)試驗(yàn)不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)裝置造成損壞，且該裝置可以拆卸，故設(shè)計(jì)裝置可以反復(fù)循環(huán)重復(fù)試驗(yàn)使用，有利于節(jié)約資源和節(jié)省成本。

5)設(shè)計(jì)裝置在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象，與傳統(tǒng)膨脹壓測(cè)試中可能發(fā)生噴孔現(xiàn)象相比，設(shè)計(jì)裝置的測(cè)試過(guò)程更加安全且裝置分成兩部分拆卸時(shí)非常方便。