靜態(tài)破碎劑的應(yīng)用技術(shù)研究

譚 毅

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

靜態(tài)破碎劑的應(yīng)用技術(shù)研究

譚 毅

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

根據(jù)收集的資料，在靜態(tài)破碎劑的基礎(chǔ)上，介紹了一種新型的特種破碎技術(shù)。主要從靜態(tài)破碎劑的發(fā)展概況、主要類型、作用機(jī)理、適用范圍、技術(shù)特點(diǎn)、使用方法、研究示例等方面進(jìn)行了闡述。

靜態(tài)破碎劑；作用機(jī)理；破碎技術(shù)

1 靜態(tài)破碎劑的發(fā)展概況[1]

1968年，靜態(tài)破碎劑由日本的田中秀男研究發(fā)現(xiàn)，并以《混凝土結(jié)構(gòu)物的破碎工法》文章申請(qǐng)了專利，主要成果內(nèi)容是:將Mg0或Ca0與水拌合后發(fā)生水化反應(yīng)，體積膨脹產(chǎn)生壓力，達(dá)到破壞建筑物的目的。近年來，靜態(tài)破碎劑領(lǐng)域，研制出了石灰系列和水泥的各種靜態(tài)膨脹劑；目前市場(chǎng)上，有多種品牌的靜態(tài)破碎劑，對(duì)不同破碎時(shí)間、環(huán)境溫度等有著不同的適應(yīng)能力。根據(jù)反應(yīng)速度分為緩慢型和速效型;根據(jù)使用溫度分為夏、春、秋、冬、寒季的膨脹劑等。例如約30 min破碎時(shí)間的快速靜態(tài)膨脹劑；有種膨脹劑在5.0h左右能到38MPa的膨脹壓力，其所需時(shí)間短、時(shí)間控制準(zhǔn)確，且不會(huì)發(fā)生藥噴；中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院研制的靜態(tài)破碎劑，4 h可達(dá)30 MPa的膨脹壓力，8h可達(dá)45MPa的膨脹壓力，較國(guó)外同類產(chǎn)品的成本低、能量高、時(shí)間短、用量少。四川省琪縣建洪化工廠的超力牌靜態(tài)破碎劑，膨脹壓力可達(dá)122 MPa左右，最快可在l0 min完成反應(yīng)，適應(yīng)-15℃-60℃溫度范圍[2]。

2 靜態(tài)破碎劑的主要類型

目前主要有三個(gè)系列的膨脹劑：(1)石灰系膨脹劑:氧化鈣與水發(fā)生反應(yīng)，固相體積能增加98%。通過熱力學(xué)計(jì)算，反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力最大能達(dá)90 MPa左右，是目前主要的靜態(tài)破碎劑，使用最為廣泛。(2)氧化鎂系膨脹劑:氧化鎂與水發(fā)生反應(yīng)，固相體積能增加117%，30 d左右時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力最大能達(dá)90 MPa左右，但因其反應(yīng)慢，需要較多時(shí)間，很少單獨(dú)使用；實(shí)際工程中，一般是與其他破碎劑配合使用。(3)鈣礬石系列膨脹劑:硫鋁酸鹽與石灰、石膏等，固體體積能增加125%，水化反應(yīng)后膨脹力能達(dá)241MPa左右。膨脹力較大，適用于膨脹混凝土和膨脹水泥，但目前產(chǎn)品尚不很成熟。

3 靜態(tài)破碎法的作用機(jī)理

(1)靜態(tài)原理：靜態(tài)破碎法也稱無聲爆破法，作用原理是：利用填裝在炮孔內(nèi)靜態(tài)破碎劑與水接觸發(fā)生水化反應(yīng)，使其晶體由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)三方偏三角面晶體，晶型變化引起晶體體積膨脹，反應(yīng)后的體積可增大3倍～4倍，隨著時(shí)間的推移，將膨脹壓力靜靜地、緩慢地施加在孔壁上，當(dāng)膨脹壓力超過四周介質(zhì)抗拉強(qiáng)度時(shí)，達(dá)到破碎介質(zhì)的作用。(2)化學(xué)機(jī)理：靜態(tài)破碎劑主要成分都是氧化鈣(CaO)和俗稱“粉劑”的無機(jī)鹽化合物組成，氧化鈣和水發(fā)生水化反應(yīng)生成氫氧化鈣，同時(shí)放出熱量，體積增大，并加入一定量控制水化反應(yīng)速度的有機(jī)復(fù)合添加劑?；镜幕瘜W(xué)反應(yīng)式為:CaO+H2O=Ca(OH)2+64.9 kJ，從反應(yīng)式中看出，這是一個(gè)放熱反應(yīng)。(3)物理機(jī)理：Ca(OH)2從早期微細(xì)膠質(zhì)狀反應(yīng)變化逐漸形成復(fù)三方偏三角面晶體，使體積逐漸增大，在合適的條件下，其體積最大可自由膨脹3倍～4倍。因此，在受到外壁約束下將轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Γ瑥亩_(dá)到破碎介質(zhì)的目的。國(guó)產(chǎn)靜態(tài)破碎劑目前膨脹壓力一般能達(dá)3040 MPa，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示巖石抗拉強(qiáng)度一般都小于10MPa[3]。

4 靜態(tài)破碎法的適用范圍

(1)用于巖石、混凝土構(gòu)筑物的拆遷。(2)用于各種大理石、花崗巖等石材的整形、切割。(3)用于普遍的大型混凝土基礎(chǔ)的拆除，隧道、水利、橋梁等靜態(tài)破碎施工工程。(4)用于需要保留部分的混凝土和巖石完整性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，或要求不可受到損害的破碎拆除。(5)用于不適用常規(guī)炸藥爆破施工條件下的巖石工程、混凝土工程等。(6)用于破碎和松動(dòng)巖石，尺寸較大立井，開挖邊坡處理工程。(7)用于學(xué)校、機(jī)關(guān)、住宅、公共場(chǎng)所等人口密集地方破碎施工。(8)用于不允許和不適宜出現(xiàn)強(qiáng)烈震動(dòng)和巨大聲響的破碎施工等，例如構(gòu)筑物的保留拆除、邊坡的險(xiǎn)情處理、深夜市區(qū)破碎施工等。

5 靜態(tài)爆破技術(shù)的特點(diǎn)

(1)使用靜態(tài)破碎劑具有“五無”特性：無振動(dòng)、無聲、無毒氣、無飛石、無粉塵。(2)材料環(huán)保，特別是在炸藥爆破不適用的條件下，優(yōu)越性更顯著。(3)靜態(tài)爆破過程，易操作、施工簡(jiǎn)單，以一定比例與水混合后灌入鉆孔中即可。(4)根據(jù)實(shí)際破碎工程的不同的要求，設(shè)計(jì)合理炮孔參數(shù)，達(dá)到破碎、切割巖石的效果。(5)靜態(tài)破碎劑適用溫度為-5℃-40℃，使用很方便，效力更顯著。

6 研究規(guī)律示例

(1)見圖1，試件沿兩翼切槽孔出現(xiàn)基本成直線的兩條裂紋。裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、失穩(wěn)發(fā)展過程明顯。見圖2、圖3、圖4。(2)裂紋的擴(kuò)展過程中,擴(kuò)展的速度和加速度的基本變化規(guī)律呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì)，見圖5、圖6。裂紋擴(kuò)展速度最大值的時(shí)間，晚于裂紋擴(kuò)展加速度到達(dá)最大值的時(shí)間。(3)見圖7～圖10，B裂紋開裂的時(shí)間晚于A裂紋，先產(chǎn)生的裂紋，其裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、失穩(wěn)發(fā)展過程明顯短于后產(chǎn)生的裂紋[4]。

圖1 兩翼切槽試件

圖2 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 裂紋A位移與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖4 裂紋A位移與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖5 裂紋A速度與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖6 裂紋A加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線線

圖7 裂紋B位移與時(shí)間關(guān)系曲線

圖8 裂紋B位移與時(shí)間關(guān)系曲線

圖9 裂紋B位移與時(shí)間關(guān)系曲線

圖10 裂紋B擴(kuò)展加速度時(shí)間變化曲線

7 結(jié)束語

靜態(tài)破碎法屬于新的破碎方法，在不能使用常規(guī)炸藥爆破環(huán)境中，具有明顯價(jià)值，得到廣泛應(yīng)用。目前，靜態(tài)破碎劑已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)，有廠家還研制出較先進(jìn)的快速液浸式靜態(tài)破碎劑，能在1 h之內(nèi)將巖石開裂，膨脹壓力能達(dá)100MPa以上。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，靜態(tài)破碎劑及靜態(tài)破碎法的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣泛。

[1] 閆軍，易建政，崔海萍.靜態(tài)破碎劑(SCA)的研究進(jìn)展[J].工程爆破，2008,14(3):85-87.

[2] 戴銀所，顧月兵，龍?jiān)吹?靜態(tài)爆破技術(shù)在非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)中的應(yīng)用[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)，2009(9).

[3] 林月華.靜態(tài)破碎法在隧洞施工中的應(yīng)用淺析[J].吉林水利，2008，(9):46-48.

[4] 楊仁樹，孫中輝，佟強(qiáng)等.靜態(tài)破碎劑膨脹作用下試件裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究[J].工程爆破，2010，16(3)：7-11.

Abstract:According to the collected data,a new special cracking technology is introduced on the basis of static cracking agents.The paper also presents the main agents development,types,mechanism,applicable scope,technical features,application methods,precautions,and examples.

Key words:static cracking agents;mechanism;breaking technology

編輯：徐樹文

Application Technology of Static Cracking Agents

TAN Yi

(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

TD235.35

A

1672-5050（2012）05-0065-03

2011-09-15

譚 毅（1985—），男，四川遂寧人，在讀研究生，從事方向采煤工藝和開采方法研究。