靜態(tài)破碎劑的配方優(yōu)化設(shè)計與水化反應(yīng)分析?

杜光鋼 董立哲 李祥龍 劉 磊

①昆明理工大學(xué)國土資源學(xué)院(云南昆明，650093)

②云南省教育廳爆破新技術(shù)工程研究中心(云南昆明，650093)

引言

傳統(tǒng)上以烈性炸藥為主的爆破方式在施工時會產(chǎn)生大量飛石、振動噪音等不良影響[1]，對施工人員及附近居民產(chǎn)生重大安全隱患。因此，尋求安全環(huán)保的爆破施工方法已成為目前亟待解決的難題。作為工程爆破的一項重要補(bǔ)充，靜態(tài)破碎技術(shù)因施工無需審批、安全可靠等優(yōu)點，在特殊施工環(huán)節(jié)或輔助爆破時發(fā)揮著不可替代的作用[2-5]。

國內(nèi)外學(xué)者對靜態(tài)破碎劑破碎性能的影響因素進(jìn)行了不同層次的研究。孫立新[5]選用生石灰作為主要膨脹物質(zhì)，設(shè)計L9(43)正交試驗，優(yōu)化了靜態(tài)破碎劑的配方。Shi等[6]研究了氧化鈣的水化活性與煅燒溫度之間的關(guān)系，結(jié)果表明，氧化鈣活性隨煅燒溫度的升高而下降，氧化鈣水化反應(yīng)速率隨著環(huán)境溫度的升高而加快。鄭文忠等[7]總結(jié)了目前在工程中應(yīng)用最多的靜態(tài)破碎劑，主要是氧化鈣、水泥、石膏和減水劑等組成的石灰系靜態(tài)破碎劑。李勝等[8]認(rèn)為水硬性材料水泥的水化產(chǎn)物可加固料漿胚體結(jié)構(gòu)，提高靜態(tài)破碎劑裝孔后的穩(wěn)定性，對抑制噴孔具有積極作用。李巖等[9]對不同水劑比和不同拌和水溫下的靜態(tài)破碎劑漿體的溫度和體積膨脹規(guī)律進(jìn)行了研究。馬冬冬等[10]研究了環(huán)境溫度、拌和水溫變化對靜態(tài)破碎劑性能的影響，結(jié)果表明:與拌和水溫相比，環(huán)境溫度對靜態(tài)破碎劑性能的影響更大。Laefer等[11-12]研究了拌和水溫對破碎劑性能的影響，結(jié)果顯示:提高拌和水溫能增大靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生的膨脹壓和加快靜態(tài)破碎劑的反應(yīng)速率。張嘉勇等[13-14]對靜態(tài)破碎劑的水化溫度進(jìn)行了研究，分析了粉煤灰摻量與水灰比對水化溫度的影響，并在保證靜態(tài)破碎劑破碎能力的情況下，發(fā)現(xiàn)可通過向靜態(tài)破碎劑中添加適量鐵尾礦粉來調(diào)節(jié)水化反應(yīng)，控制靜態(tài)破碎劑在使用過程中的反應(yīng)溫度和放熱量。羅明坤等[15]通過膨脹壓正交試驗確定靜態(tài)破碎劑的最佳組分配比，提出一種靜態(tài)破碎劑脹裂破碎煤巖的方法。劉文等[16]將靜態(tài)破碎劑的水化升溫過程分為初始溫度發(fā)展、快速上升和緩慢降溫3個階段，并認(rèn)為添加適量的鉛鋅尾礦砂對抑制靜態(tài)破碎劑水化噴孔具有積極作用。

這些對靜態(tài)破碎劑的研究工作在一定程度上推動了靜態(tài)爆破理論的研究進(jìn)程，但更多側(cè)重于研究改變試驗條件或添加其他輔助組分，以犧牲膨脹壓為代價換取水化反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行，而針對本身組分含量變化對靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的影響卻鮮有研究。本文中，通過研究不同組分含量變化對靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的影響規(guī)律，確定靜態(tài)破碎劑各組分的適量區(qū)間，利用正交試驗優(yōu)化組分配比并進(jìn)行混凝土破碎試驗，從而對靜態(tài)破碎劑性能進(jìn)行了優(yōu)化。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料及裝置

靜態(tài)破碎劑主要由氧化鈣、P.O 42.5硅酸鹽水泥(水泥)、硫酸鈣(石膏)、鈉基膨潤土、粉煤灰、聚羧酸高效減水劑(減水劑)組成。所用裝置主要包括:破碎機(jī)、KRX-17B箱式爐、LT5001電子天平、UT320A探針式溫度計、DH3818Y靜態(tài)應(yīng)變測試儀、電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 試驗方案及流程

試驗用水為自來水。利用KRX-17B箱式爐燒制氧化鈣熟料:對方解石試樣在1 400℃高溫煅燒并恒溫10 h，冷卻后放入破碎機(jī)進(jìn)行破碎。

基于單因素多水平設(shè)計了不同氧化鈣含量、不同水泥含量、不同石膏含量、不同鈉基膨潤土含量對靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的影響，初步確定靜態(tài)破碎劑各組分含量的較優(yōu)區(qū)間。然后，利用正交試驗對靜態(tài)破碎劑配方進(jìn)行優(yōu)化。最后，對混凝土(圖1)進(jìn)行室內(nèi)破碎試驗，驗證配比優(yōu)化后靜態(tài)破碎劑的破碎時效。

圖1 用于破碎的混凝土試件Fig.1 Concrete specimens for crushing

2 單因素試驗結(jié)果與分析

分別研究靜態(tài)破碎劑的主要組分氧化鈣、水泥、石膏、鈉基膨潤土的含量變化對靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的影響。

2.1 氧化鈣含量對水化反應(yīng)速率的影響

設(shè)置氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%、65%、70%、75%、80%。其余組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:水泥10%、石膏3%、鈉基膨潤土5%、減水劑1%；不足100%的部分用粉煤灰(填充劑)填充。測試水化反應(yīng)的溫度-時間曲線。進(jìn)行3次重復(fù)試驗并取平均值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同氧化鈣含量時反應(yīng)的溫度-時間曲線Fig.2 Temperature-time curves in reaction of static cracking agent with different calcium oxide contents

由圖2可知，當(dāng)氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%、65%、70%、75%、80%時，試樣到達(dá)峰值溫度用時分別為14、13、11、9、9 min。即隨著氧化鈣含量的增加，試樣反應(yīng)到達(dá)峰值溫度所用時間逐漸縮短后不變，試樣所能到達(dá)的峰值溫度逐漸升高。氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%時，峰值溫度較氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%時提高了28.8℃，說明一定范圍內(nèi)氧化鈣含量的提高，可以加快靜態(tài)破碎劑的水化反應(yīng)速率，水化反應(yīng)釋放的能量增加。配制的靜態(tài)破碎劑中氧化鈣含量過低時，破碎能力較弱；含量過高時，水化反應(yīng)相對時間內(nèi)釋放的能量更多，更易發(fā)生噴孔現(xiàn)象，此時，膠凝劑等輔助劑含量相對減少，膨脹壓反而降低[17]。因此，認(rèn)為靜態(tài)破碎劑中氧化鈣適宜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間為70%～80%。

2.2 水泥含量對水化反應(yīng)速率的影響

分別配制水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、8%、10%、12%、14%的試樣進(jìn)行試驗。其余組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:氧化鈣75%、石膏3%、鈉基膨潤土5%、減水劑1%；不足100%的部分用粉煤灰(填充劑)填充。測試反應(yīng)的溫度-時間曲線。進(jìn)行3次重復(fù)試驗并取平均值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同水泥含量時反應(yīng)的溫度-時間曲線Fig.3 Temperature-time curves in reaction of static cracking agent with different cement contents

由圖3可知:水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～10%的試樣的曲線具有很強(qiáng)的相似性，最終試樣達(dá)到峰值溫度用時基本在10 min左右；水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到12%后，水化反應(yīng)速率相對減緩；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)14%后，峰值溫度較水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的試樣急降22℃左右。靜態(tài)破碎劑的水化速率對溫度很敏感，溫度升高會大大提高水化反應(yīng)速率，一定時間內(nèi)所達(dá)到的膨脹壓也會增大。當(dāng)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%～10%時，短時間水化升溫理想，有助于靜態(tài)破碎劑膨脹壓的釋放；當(dāng)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10%，水泥對靜態(tài)破碎劑試樣的水化反應(yīng)速率減緩作用過大。故認(rèn)為靜態(tài)破碎劑中水泥適宜的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～10%。

2.3 石膏含量對水化反應(yīng)速率的影響

石膏含量對靜態(tài)破碎劑反應(yīng)速率有明顯的影響。為了控制靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)速率，分別配制了石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%、5%的試樣進(jìn)行試驗。其余組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:氧化鈣75%、水泥10%、鈉基膨潤土5%、減水劑1%；不足100%的部分用粉煤灰(填充劑)填充。測試反應(yīng)的溫度-時間曲線。進(jìn)行3次重復(fù)試驗并取平均值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同石膏含量時反應(yīng)的溫度-時間曲線Fig.4 Temperature-time curves in reaction of static cracking agent with different gypsum contents

由圖4可知，試樣的溫度-時間曲線都存在停滯期。這是由于散發(fā)的熱量用于蒸發(fā)水蒸氣，導(dǎo)致溫度暫時不再上升。當(dāng)石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加至5%，試樣水化反應(yīng)到達(dá)峰值溫度的時間逐漸延長，水化反應(yīng)的峰值溫度分別下降了4.0、1.0、5.1、1.9℃。石膏含量的增加延緩了靜態(tài)破碎劑的水化反應(yīng)速率，降低了水化反應(yīng)的峰值溫度。根據(jù)吸附假說[17]，主要是由于吸附在氧化鈣表面的官能團(tuán)吸附比增大，從而延緩初期水化反應(yīng)速率；但吸附官能團(tuán)吸附比的過分增大，不利于靜態(tài)破碎劑繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)，膨脹壓釋放不集中，造成膨脹壓損失嚴(yán)重。因此，認(rèn)為靜態(tài)破碎劑中石膏適宜的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～4%。

2.4 鈉基膨潤土含量對水化反應(yīng)速率的影響

鈉基膨潤土對靜態(tài)破碎劑的膨脹性能有很明顯的影響。配制了鈉基膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%、5%、7%、9%的試樣進(jìn)行試驗。其余組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:氧化鈣75%、水泥10%、石膏3%、減水劑1%；不足100%的部分用粉煤灰(填充劑)填充。測試反應(yīng)的溫度-時間曲線。進(jìn)行3次重復(fù)試驗并取平均值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同鈉基膨潤土含量時反應(yīng)的溫度-時間曲線Fig.5 Temperature-time curves in reaction of static cracking agent with different sodium bentonite contents

鈉基膨潤土含量變化對靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)峰值溫度的影響不大(3℃左右)。觀察圖5發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈉基膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%、7%、9%時，試樣到達(dá)92.9℃(停滯期)的時間分別為4、8、10、10、12 min，靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)速率減緩。當(dāng)鈉基膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，水化升溫較快，水化反應(yīng)不易控制；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時，輔助組分含量過高，水化升溫減緩。鈉基膨潤土作為靜態(tài)破碎劑的增力劑，具有較好的可塑性和黏結(jié)性。適當(dāng)?shù)靥砑逾c基澎潤土能很好地增強(qiáng)靜態(tài)破碎劑的膨脹性能。結(jié)合試驗結(jié)果認(rèn)為，靜態(tài)破碎劑中鈉基膨潤土適宜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～7%。

3 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

3.1 正交試驗設(shè)計

根據(jù)查閱的文獻(xiàn)[9-11，18]以及單因素試驗結(jié)果，先設(shè)定靜態(tài)破碎劑各組分含量的大概區(qū)間。設(shè)計膨脹壓正交試驗[19]，研究氧化鈣、水泥、石膏、鈉基膨潤土4種組分的不同含量水平對靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的影響，確定靜態(tài)破碎劑的最優(yōu)配比。采用電阻應(yīng)變測量法測量靜態(tài)破碎劑水化過程中產(chǎn)生的膨脹壓。

表1中，數(shù)據(jù)后面括號內(nèi)的為因素編號。按表1中的比例配制500 g靜態(tài)破碎劑；用燒杯稱取140 g的水，將靜態(tài)破碎劑的樣品和水依次倒入燒杯中攪拌均勻；然后，將靜態(tài)破碎劑漿體倒入測試鋼管；同時，電腦上測試界面清零并點擊采集按鈕，即開始測量靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)應(yīng)變，計算靜態(tài)破碎劑的膨脹壓。

膨脹壓測定能夠全面地反映靜態(tài)破碎劑在水化過程中膨脹壓的增長歷程，定量分析靜態(tài)破碎劑的性能。而混凝土破碎試驗可以更直觀地表現(xiàn)出靜態(tài)破碎劑的破碎能力，從而定性地分析靜態(tài)破碎劑的破碎效果。制作若干C30、C40、C50等級的300 mm×300 mm×300 mm混凝土立方體(圖1)。制作時，用PVC管分別預(yù)留1個或2個直徑40 mm、深210 mm的孔；塑形后，拔出PVC管，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d?；炷恋目箟簭?qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低，一般混凝土的抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/17～1/8[20]，在1.5～4.0 MPa之間。按照最優(yōu)組分配比、水灰比0.28、拌和水溫25℃調(diào)制靜態(tài)破碎劑漿體；攪拌均勻后，注入混凝土試塊孔內(nèi)，并開始計時；檢驗靜態(tài)破碎劑的破碎效果，研究混凝土破碎過程中的裂縫發(fā)展規(guī)律。

3.2 正交試驗結(jié)果

靜態(tài)破碎劑發(fā)生水化反應(yīng)最后的膨脹壓測試結(jié)果如表2所示。測試過程中，最小膨脹壓都能達(dá)到90.77 MPa，遠(yuǎn)大于混凝土1.5～4.0 MPa的抗拉強(qiáng)度，因此，可維持混凝土試塊的后續(xù)破碎。

膨脹壓的大小直接反映出靜態(tài)破碎劑性能的優(yōu)劣。綜合表1、表2認(rèn)為，靜態(tài)破碎劑最優(yōu)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:氧化鈣73%、水泥10%、石膏5%、鈉基膨潤土6%、減水劑1%、粉煤灰(填充劑)5%。

表1 正交試驗中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Mass fraction of each component in orthogonal test %

表2 正交試驗結(jié)果Tab.2 Results of orthogonal test

綜合分析拌和物的溫度-時間曲線與靜態(tài)破碎劑膨脹壓測試結(jié)果，水化反應(yīng)峰值溫度較峰值膨脹壓更為提前，且水化反應(yīng)溫度的增幅、降幅均比膨脹壓的增幅、降幅明顯，說明在一定時間范圍內(nèi)靜態(tài)破碎劑的水化反應(yīng)快慢與膨脹壓的增減存在一定的時間間隔，水化反應(yīng)峰值溫度與峰值膨脹壓的產(chǎn)生并不同時發(fā)生。

3.3 現(xiàn)場試驗驗證

為了驗證靜態(tài)破碎劑最優(yōu)配比對混凝土的破碎效果，分別選用相同孔徑與孔數(shù)、不同強(qiáng)度的混凝土以及相同強(qiáng)度與孔徑、不同孔數(shù)的混凝土進(jìn)行試驗驗證[21-22]，破碎效果如圖6所示。

圖6 不同混凝土破碎前、后的效果Fig.6 Outcomes of different concrete specimens before and after crushing

在對不同強(qiáng)度的混凝土破碎過程中，C30、C40、C50混凝土試塊在裝藥完成后經(jīng)歷15.20、17.43、20.53 h后首次出現(xiàn)裂縫；在經(jīng)過48 h破碎時間后，試塊裂縫多呈T型和Y型，C30試塊裂縫寬度為45.85 mm，C40試塊裂縫寬度為42.72 mm，C50試塊為34.12 mm。伴隨混凝土強(qiáng)度的增加，混凝土的抗拉強(qiáng)度也在增大，靜態(tài)破碎劑在破碎混凝土試塊首次出現(xiàn)裂縫與完全破碎所用的時間也越久。雙孔35 mm的混凝土試塊在裝藥完成后經(jīng)歷12.96 h后首次出現(xiàn)裂縫；裂縫大概沿最小抵抗線方向向混凝土試塊自由面發(fā)育，基本呈一字型，且在主裂縫周圍又產(chǎn)生了多條裂縫。單孔35 mm的混凝土試塊首次出現(xiàn)裂縫時間在裝藥后17.46 h。雙孔35 mm試塊首次出現(xiàn)裂縫的時間較單孔35 mm試塊提前了4.50 h；雙孔35 mm混凝土試件的兩個孔連線構(gòu)成了試件的弱面，裂縫以此為主要發(fā)育方向。實際工程中可通過設(shè)計鉆孔的分布來控制裂縫的走向。

分析自制靜態(tài)破碎劑與某商用靜態(tài)破碎劑對C40孔徑35 mm的混凝土試塊的破碎過程(圖7)發(fā)現(xiàn):

圖7 不同靜態(tài)破碎劑裝藥破碎混凝土試塊的開裂過程Fig.7 Cracking process of concrete specimens crushed by different static crushing agents

1)0～12 h，混凝土表面沒有裂縫發(fā)育跡象。

2)鉆孔內(nèi)裝有自制靜態(tài)破碎劑的混凝土試塊在裝藥完成后17.43 h首次出現(xiàn)裂縫；鉆孔內(nèi)裝有商用靜態(tài)破碎劑的混凝土試塊在裝藥完成后20.78 h首次出現(xiàn)裂縫。

3)在裝藥48 h之后，鉆孔內(nèi)裝有自制靜態(tài)破碎劑的混凝土試塊所產(chǎn)生的裂縫呈一字型；鉆孔內(nèi)裝有商用靜態(tài)破碎劑的混凝土試塊所產(chǎn)生的裂縫呈Y字型。

4)鉆孔內(nèi)裝有自制靜態(tài)破碎劑的混凝土試塊在48 h之后的最大裂縫寬度為42.72 mm，從裝藥完成至開裂48 h，平均每小時裂縫寬度增加約0.89 mm；鉆孔內(nèi)裝有商用靜態(tài)破碎劑的混凝土試塊在48 h之后的最大裂縫寬度為33.96 mm，從裝藥完成至開裂48 h，平均每小時裂縫寬度增加約0.71 mm。

對比分析認(rèn)為，自制靜態(tài)破碎劑不僅能有效破碎目標(biāo)破碎體，而且較市場上一些商用的靜態(tài)破碎劑效果更為理想。根據(jù)最優(yōu)配比制得的靜態(tài)破碎劑能夠很好地滿足一些特殊工程領(lǐng)域的破碎要求，可在一些實際工程中對目標(biāo)破碎體直接破碎或者起到輔助破碎的效果。

4 結(jié)論

1)氧化鈣、水泥、石膏、鈉基膨潤土的含量變化對靜態(tài)破碎劑的水化反應(yīng)都存在影響。其中，占比最大的氧化鈣影響最大。在一定區(qū)間范圍內(nèi)，氧化鈣的含量與靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的速率呈正相關(guān)；而其他組分的含量與靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)速率呈負(fù)相關(guān)。

2)通過設(shè)計單因素、多水平試驗，分析不同組分含量的靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的溫度-時間曲線，確定靜態(tài)破碎劑各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較優(yōu)區(qū)間為:氧化鈣70%～80%、水泥8%～12%、石膏2%～4%、鈉基膨潤土3%～7%。

3)通過設(shè)計正交試驗，確定靜態(tài)破碎劑最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:氧化鈣73%、水泥10%、石膏5%、鈉基膨潤土6%、減水劑1%、粉煤灰(填充劑)5%。利用優(yōu)化配方配制了靜態(tài)破碎劑，進(jìn)行室內(nèi)混凝土的破碎試驗，破碎效果較商用靜態(tài)破碎劑效果更好。