靜態(tài)破碎劑的配方優(yōu)化設計與水化反應分析?

杜光鋼 董立哲 李祥龍 劉 磊

①昆明理工大學國土資源學院(云南昆明，650093)

②云南省教育廳爆破新技術工程研究中心(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充，靜態(tài)破碎技術因施工無需審批、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]。

國內外學者對靜態(tài)破碎劑破碎性能的影響因素進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，設計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系，結果表明，氧化鈣活性隨煅燒溫度的升高而下降，氧化鈣水化反應速率隨著環(huán)境溫度的升高而加快。鄭文忠等[7]總結了目前在工程中應用最多的靜態(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]認為水硬性材料水泥的水化產(chǎn)物可加固料漿胚體結構，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)破碎劑的反應速率。張嘉勇等[13-14]對靜態(tài)破碎劑的水化溫度進行了研究，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節(jié)水化反應，控制靜態(tài)破碎劑在使用過程中的反應溫度和放熱量。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)爆破理論的研究進程，但更多側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的穩(wěn)定進行，而針對本身組分含量變化對靜態(tài)破碎劑水化反應的影響卻鮮有研究。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)化組分配比并進行混凝土破碎試驗，從而對靜態(tài)破碎劑性能進行了優(yōu)化。

1 試驗設計

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、KRX-17B箱式爐、LT5001電子天平、UT320A探針式溫度計、DH3818Y靜態(tài)應變測試儀、電熱鼓風干燥箱。

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，冷卻后放入破碎機進行破碎。

基于單因素多水平設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)破碎劑配方進行優(yōu)化。最后，對混凝土(圖1)進行室內破碎試驗，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)破碎劑水化反應的影響。

2.1 氧化鈣含量對水化反應速率的影響

設置氧化鈣質量分數(shù)分別為60%、65%、70%、75%、80%。其余組分質量分數(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。測試水化反應的溫度-時間曲線。進行3次重復試驗并取平均值，結果如圖2所示。

圖2 不同氧化鈣含量時反應的溫度-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，當氧化鈣質量分數(shù)分別為60%、65%、70%、75%、80%時，試樣到達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，試樣反應到達峰值溫度所用時間逐漸縮短后不變，試樣所能到達的峰值溫度逐漸升高。氧化鈣質量分數(shù)80%時，峰值溫度較氧化鈣質量分數(shù)60%時提高了28.8℃，說明一定范圍內氧化鈣含量的提高，可以加快靜態(tài)破碎劑的水化反應速率，水化反應釋放的能量增加。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，水化反應相對時間內釋放的能量更多，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，認為靜態(tài)破碎劑中氧化鈣適宜的質量分數(shù)區(qū)間為70%～80%。

2.2 水泥含量對水化反應速率的影響

分別配制水泥質量分數(shù)為6%、8%、10%、12%、14%的試樣進行試驗。其余組分質量分數(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。測試反應的溫度-時間曲線。進行3次重復試驗并取平均值，結果如圖3所示。

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

由圖3可知:水泥質量分數(shù)為6%～10%的試樣的曲線具有很強的相似性，最終試樣達到峰值溫度用時基本在10 min左右；水泥質量分數(shù)增加到12%后，水化反應速率相對減緩；在質量分數(shù)達14%后，峰值溫度較水泥質量分數(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速率，一定時間內所達到的膨脹壓也會增大。當水泥質量分數(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；當水泥質量分數(shù)高于10%，水泥對靜態(tài)破碎劑試樣的水化反應速率減緩作用過大。故認為靜態(tài)破碎劑中水泥適宜的添加質量分數(shù)為6%～10%。

2.3 石膏含量對水化反應速率的影響

石膏含量對靜態(tài)破碎劑反應速率有明顯的影響。為了控制靜態(tài)破碎劑水化反應速率，分別配制了石膏質量分數(shù)為1%、2%、3%、4%、5%的試樣進行試驗。其余組分質量分數(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。測試反應的溫度-時間曲線。進行3次重復試驗并取平均值，結果如圖4所示。

圖4 不同石膏含量時反應的溫度-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，導致溫度暫時不再上升。當石膏質量分數(shù)從1%增加至5%，試樣水化反應到達峰值溫度的時間逐漸延長，水化反應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)破碎劑的水化反應速率，降低了水化反應的峰值溫度。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吸附比增大，從而延緩初期水化反應速率；但吸附官能團吸附比的過分增大，不利于靜態(tài)破碎劑繼續(xù)進行水化反應，膨脹壓釋放不集中，造成膨脹壓損失嚴重。因此，認為靜態(tài)破碎劑中石膏適宜的添加質量分數(shù)為2%～4%。

2.4 鈉基膨潤土含量對水化反應速率的影響

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量分數(shù)為1%、3%、5%、7%、9%的試樣進行試驗。其余組分質量分數(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。測試反應的溫度-時間曲線。進行3次重復試驗并取平均值，結果如圖5所示。

圖5 不同鈉基膨潤土含量時反應的溫度-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)破碎劑水化反應峰值溫度的影響不大(3℃左右)。觀察圖5發(fā)現(xiàn)，當鈉基膨潤土質量分數(shù)分別為1%、3%、5%、7%、9%時，試樣到達92.9℃(停滯期)的時間分別為4、8、10、10、12 min，靜態(tài)破碎劑水化反應速率減緩。當鈉基膨潤土質量分數(shù)為1%，水化升溫較快，水化反應不易控制；當質量分數(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性。適當?shù)靥砑逾c基澎潤土能很好地增強靜態(tài)破碎劑的膨脹性能。結合試驗結果認為，靜態(tài)破碎劑中鈉基膨潤土適宜的質量分數(shù)為3%～7%。

3 正交試驗設計及結果

3.1 正交試驗設計

根據(jù)查閱的文獻[9-11，18]以及單因素試驗結果，先設定靜態(tài)破碎劑各組分含量的大概區(qū)間。設計膨脹壓正交試驗[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)破碎劑水化反應的影響，確定靜態(tài)破碎劑的最優(yōu)配比。采用電阻應變測量法測量靜態(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)破碎劑水化反應應變，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管分別預留1個或2個直徑40 mm、深210 mm的孔；塑形后，拔出PVC管，標準條件養(yǎng)護28 d?；炷恋目箟簭姸雀?、抗拉強度低，一般混凝土的抗拉強度只有抗壓強度的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℃調制靜態(tài)破碎劑漿體；攪拌均勻后，注入混凝土試塊孔內，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 正交試驗結果

靜態(tài)破碎劑發(fā)生水化反應最后的膨脹壓測試結果如表2所示。測試過程中，最小膨脹壓都能達到90.77 MPa，遠大于混凝土1.5～4.0 MPa的抗拉強度，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認為，靜態(tài)破碎劑最優(yōu)組分質量分數(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量分數(shù)Tab.1 Mass fraction of each component in orthogonal test %

表2 正交試驗結果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果，水化反應峰值溫度較峰值膨脹壓更為提前，且水化反應溫度的增幅、降幅均比膨脹壓的增幅、降幅明顯，說明在一定時間范圍內靜態(tài)破碎劑的水化反應快慢與膨脹壓的增減存在一定的時間間隔，水化反應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)、不同強度的混凝土以及相同強度與孔徑、不同孔數(shù)的混凝土進行試驗驗證[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。伴隨混凝土強度的增加，混凝土的抗拉強度也在增大，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。

對比分析認為，自制靜態(tài)破碎劑不僅能有效破碎目標破碎體，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域的破碎要求，可在一些實際工程中對目標破碎體直接破碎或者起到輔助破碎的效果。

4 結論

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，氧化鈣的含量與靜態(tài)破碎劑水化反應的速率呈正相關；而其他組分的含量與靜態(tài)破碎劑水化反應速率呈負相關。

2)通過設計單因素、多水平試驗，分析不同組分含量的靜態(tài)破碎劑水化反應的溫度-時間曲線，確定靜態(tài)破碎劑各組分質量分數(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)通過設計正交試驗，確定靜態(tài)破碎劑最優(yōu)質量分數(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，進行室內混凝土的破碎試驗，破碎效果較商用靜態(tài)破碎劑效果更好。