靜態(tài)膨脹劑體積增長率的實驗研究*

馬麗潔，左安家，李 昊，李 迪

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

靜態(tài)膨脹劑是一種以氧化鈣為主的無機化合物，它通過與水混合發(fā)生反應(yīng)進行膨脹與硬化，從而生成氫氧化鈣，體積增大，產(chǎn)生膨脹壓力使巖體破碎[1-2]。由于其具有無振動、無飛石、無沖擊波、無噪音、無有毒氣體污染等，因此被廣泛應(yīng)用于混凝土、巖石安全破碎,建筑結(jié)構(gòu)拆除等方面[3-5]。

針對靜態(tài)膨脹劑的力學(xué)性能及破巖機理，我國很多學(xué)者開展了相關(guān)研究。唐烈先等人截取了方形的混凝土模型，對其施加內(nèi)壓，并用采用RFPA2D軟件模擬了混凝土試塊的破壞過程和裂紋擴展方向，得出單孔方形混凝土模型是以三條不同方向的裂紋形式進行破壞的結(jié)論[6];謝益盛等人通過分析不同因素對膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力的影響，將水化反應(yīng)劃分為4個階段，研究靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓力與軸向膨脹壓力之間的差異與關(guān)系[7];姜楠等人采用電測法對比分析了小孔徑和大孔徑中膨脹劑所產(chǎn)生的膨脹壓力和反應(yīng)溫度，建立了巖石應(yīng)力模型，利用有限元數(shù)值計算得到擬合修正方程并推導(dǎo)出適用于實際工程應(yīng)用的大孔徑布孔參數(shù)計算方式[2];李瑞森等人采用電阻應(yīng)變片法測量了靜態(tài)膨脹劑在21個無縫鋼管模擬鉆孔中產(chǎn)生的徑向膨脹壓力，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)膨脹劑在合適孔深、較大孔徑的條件下會產(chǎn)生更大的徑向膨脹壓力[8];李巖將靜態(tài)膨脹劑倒入不同強度的混凝土模型中，觀察混凝土表面的裂紋擴展情況并對其應(yīng)變變化規(guī)律進行記錄分析[9];等等。

現(xiàn)有研究主要集中在靜態(tài)膨脹劑的破壞過程以及其產(chǎn)生的膨脹壓力與孔徑之間的關(guān)系，鮮有學(xué)者對靜態(tài)膨脹劑反應(yīng)前后的體積增長率進行研究。本次實驗研究了自由膨脹狀態(tài)下靜態(tài)膨脹劑反應(yīng)前后的體積增長率隨時間變化的規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

靜態(tài)膨脹劑的主要成分為氧化鈣，與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生氫氧化鈣。靜態(tài)膨脹劑利用這種化學(xué)反應(yīng)和由氫氧化鈣晶體體積增加而產(chǎn)生的膨脹壓力來破壞巖石和混凝土等脆性材料。反應(yīng)方程式為：

CaO+H2O→Ca(OH)2+64.8kJ

從體積上看，Ca(OH)2相的體積約為CaO相的1.98倍。靜態(tài)膨脹介質(zhì)的體積膨脹過程主要取決于固相的體積增長。反應(yīng)前后的物體晶體形狀發(fā)生變化，由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)三方偏三角面晶體，從而引起體積膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力[10]。本實驗采用內(nèi)徑為 65 mm，長度為 2 m 的PVC塑料管的作為容器，往PVC管一端倒入膨脹劑，另一端留空，設(shè)為自由端，如圖1所示。其中，留有小孔，插入溫度計測量反應(yīng)溫度。采用北京某化工廠生產(chǎn)的力強膨脹劑和自來水作為實驗材料。

圖1 裝有靜態(tài)膨脹劑的PVC管

1.2 實驗方法

保持室溫為 20 ℃，按照0.2、0.3、0.4的水灰比(質(zhì)量比)稱取膨脹劑和水混合。每次稱取的膨脹劑為 1.6 kg，攪拌均勻后倒入PVC管中，在無約束狀態(tài)下使其膨脹，1 h、2 h、3 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h 后測反應(yīng)產(chǎn)物密度值ρ0。將ρ0帶入公式V0=m/ρ0，求出體積V0理論數(shù)值。膨脹劑與水混合后的密度按照混合漿體密度測定出的平均結(jié)果計算，得出ρ，將ρ帶入公式V=m/ρ，得V的值，利用V和V0計算出靜態(tài)膨脹劑的體積增長量和增長率。每 1 h 記錄一次溫度計的溫度示數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)膨脹劑在不同水灰比條件下體積膨脹率的變化

根據(jù)上述實驗方法得到靜態(tài)膨脹劑在不同水灰比條件下的體積膨脹率，將其繪制成圖。圖2為水灰比(質(zhì)量比)為0.2、0.3、0.4的靜態(tài)膨脹劑的體積增長率隨時間變化曲線圖。

圖2 不同水灰比的體積膨脹率隨時間變化曲線

根據(jù)圖2中的曲線走勢，可以將膨脹劑和水的化學(xué)反應(yīng)分為三個階段：反應(yīng)初期預(yù)熱階段、快速反應(yīng)膨脹階段、壓力穩(wěn)定階段。

0～3 h 為第一階段，即反應(yīng)初期預(yù)熱階段。在此階段，靜態(tài)膨脹劑中的氧化鈣與水慢慢接觸并發(fā)生反應(yīng)，但是由于接觸不充分，體積膨脹處于緩慢增長階段。此時體積膨脹是因為一些CaO分子與水反應(yīng)生成Ca(OH)2，由氫氧鈣生成的氫氧化鈣固相體積增加了。3～20 h 為第二階段，即快速反應(yīng)膨脹階段。由于反應(yīng)初期氧化鈣和水融合反應(yīng)過程中放出熱量，使反應(yīng)溫度升高，從而加快了氧化鈣與進入其內(nèi)部的水分子發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鈣，體積膨脹進入快速增長階段。快速反應(yīng)膨脹階段的靜態(tài)膨脹劑的體積膨脹為原來體積的2倍左右。這是因為CaO晶體是微細角質(zhì)形狀，Ca(OH)2晶體是復(fù)三方偏三角面形狀，其表面積與分子間距皆增大，所以體積發(fā)生膨脹。20～24 h 為第三階段，即壓力穩(wěn)定階段。此階段靜態(tài)膨脹劑與水反應(yīng)基本完成，體積不再發(fā)生膨脹。水化產(chǎn)物大量增多，反應(yīng)生成的Ca(OH)2阻礙著CaO與水的進一步接觸，反應(yīng)慢慢停止，因此后續(xù)壓力增加不明顯，膨脹壓力曲線基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖2得知，水灰比的增大使反應(yīng)開始和結(jié)束的時間提前，但是體積膨脹率是隨著水灰比的增大反而降低的。在室溫為 20 ℃ 的條件下，0.2、0.3、0.4的水灰比對應(yīng)的最大體積膨脹率為2.21、2.16、2.12；水灰比為0.2時體積膨脹率達到最大，水灰比為0.4時體積膨脹率最?。豢梢钥闯?，隨著水灰比的增大，體積膨脹率是減小的。但在工程應(yīng)用中，考慮到攪拌問題，當(dāng)水灰比小于0.25時，流動性極差，難以注入建筑或者巖石的鉆孔中；當(dāng)水灰比大于0.35時，流動性滿足要求，但是降低了靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力，影響效果。綜上考慮，在工業(yè)應(yīng)用中選擇水灰比0.25～0.35最為適合。

2.2 靜態(tài)膨脹劑在不同水灰比條件下溫度的變化

把 24 h 的溫度變化和水灰比的關(guān)系繪制成圖3。

圖3 不同水灰比的溫度隨時間變化曲線

從圖3中看出，0～4 h 即反應(yīng)初始階段，反應(yīng)的進行，放出熱量，使得溫度一直在上升狀態(tài)。4～12 h 溫度增長快速，這是因為反應(yīng)前期水和膨脹劑發(fā)生反應(yīng)放出熱量升高了反應(yīng)溫度，從而加快了水化反應(yīng)速率。12～20 h 為反應(yīng)持續(xù)時間，在此階段，溫度已經(jīng)達到最高值，將不再升高：反應(yīng)持續(xù)發(fā)生，CaO不斷反應(yīng)產(chǎn)生Ca(OH)2，體積不斷膨脹，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量一直用于蒸發(fā)水蒸氣，產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量達到了平衡，溫度保持穩(wěn)定。20～24 h 期間，反應(yīng)已經(jīng)停止，不再有熱量放出，溫度在室溫條件下逐漸下降，最終恢復(fù)成室溫，

由曲線的走勢還看出，不同的水灰比，反應(yīng)到達最高溫度所需要的時間是不同的；達到最高溫度所需要的時間隨著水灰比的增大而減少，水灰比為0.4的反應(yīng)達到最高溫度所需要的時間最短，且反應(yīng)速率最快，最先停止反應(yīng)，這是因為其含水量較大，水分子可以與靜態(tài)膨脹劑中的氧化鈣充分反應(yīng)；水灰比為0.2的反應(yīng)速率最慢且反應(yīng)持續(xù)時間最長，這是因為其含水量少，分子間隙由反應(yīng)生成的氫氧化鈣分子進入，沒有多余的孔隙使得水分子進入，從而使得氧化鈣無法與水充分的發(fā)生反應(yīng)。

3 結(jié)論

1)水灰比為0.4的靜態(tài)膨脹劑發(fā)生反應(yīng)所需要的時間最短，體積膨脹率最?。凰冶葹?.2的靜態(tài)膨脹劑發(fā)生反應(yīng)所需要的時間最長，體積膨脹率最大；靜態(tài)膨脹劑與水反應(yīng)后體積最大可膨脹為原來的2.2倍。不同水灰比條件下反應(yīng)所能達到的最高溫度是一致的，但是到達最高溫度所需要的時間是隨著水灰比的增大而減小的。

2)室溫條件下，靜態(tài)膨脹劑與水的反應(yīng)可以分為三個階段：反應(yīng)初期預(yù)熱階段、快速反應(yīng)膨脹階段、壓力穩(wěn)定階段。反應(yīng)初期預(yù)熱階段和壓力穩(wěn)定階段反應(yīng)較為平緩，體積膨脹率變化不大，反應(yīng)中期為劇烈反應(yīng)階段，體積膨脹，放出熱量，產(chǎn)生膨脹壓力。

3)在靜態(tài)膨脹劑與水的反應(yīng)過程中，反應(yīng)一直放出熱量，加快了靜態(tài)膨脹劑與水的反應(yīng)速度，使溫度持續(xù)升高，最終達到最高溫度后將持續(xù)最高溫度8h左右；等反應(yīng)結(jié)束后，溫度降低至室溫。