靜爆劑膨脹壓測試新方法試驗研究

戴星航 邱兆國 張鳳鵬 徐香新

(1. 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819;2. 東北大學理學院，遼寧 沈陽110819)

靜爆劑廣泛應用于石材開采、巖石破碎和邊坡修整等工程領域。在上述領域中，利用礦巖體鉆孔中靜爆劑與水反應體積膨脹產生的徑向膨脹壓作用于孔壁，使鉆孔周邊在切向產生拉應力，從而導致礦巖體沿鉆孔布置方向開裂。因此，膨脹壓是靜爆劑最主要的性能指標，是影響靜態爆破效果的關鍵因素。對于靜爆劑膨脹壓的測試，常用的方法為外管法、內管法和壓力傳感器法3 種［1-5］。上述3 種測試方法均利用電阻應變片測量(電測法)得到應變值，進而計算膨脹壓。通過對外管法進行分析和試驗，發現外管法在應用過程中存在如下問題:①熱輸出影響，靜爆劑與水反應釋放大量的熱量，熱輸出會對電阻應變片測量結果產生較大的影響;②工藝復雜，外管法需要將鋼管放入水箱降溫，防止水化反應產生的高溫導致應變片脫落失效，同時還需對應變片進行防水處理(如果使用中溫應變片和中溫膠水，黏貼應變片之后需要通過多次固化處理才能保證膠水有效，黏貼工藝復雜);③測試成本高，用外管法測試膨脹壓，鋼管及其表面黏貼的應變片均為一次性元件，測試成本較高。

由于電測法存在上述問題，人們對新的測試方法進行了研究。戴麗萊等［6］應用液壓理論，設計了液壓平衡測壓儀，避免了電測法中溫度效應對測量結果的影響，但由于平衡指針分度值低和手壓油泵存在漏油卸壓的問題，存在測試結果精度不高的缺點。王玉杰等［7］根據位移－壓力理論，通過平面內對靜爆劑各個方向的剛性約束，測試其軸向膨脹位移，通過位移反映出其膨脹壓力，但該法測得膨脹壓要比外管法測得的數據低。對比外管法，2 種方法測得的數據之間存在一個2.5 ～4.0 的系數關系，系數變化范圍較大，導致測試結果離散性大、精度不高。為減小誤差、提高測試精度，本研究以液壓平衡原理為基礎，設計了可重復使用的鋼筒組件，利用電液伺服自動控制壓力試驗機、高精度位移傳感器和鋼筒組件組成的測試系統對靜爆劑膨脹壓進行測試。

1 靜爆劑軸向膨脹壓測試系統

1.1 測試原理

靜爆劑與水反應體積膨脹產生膨脹壓的同時，逐漸固化成具有一定強度的硬化體，試驗表明膨脹壓在這種硬化體中均勻分布，具有液體壓力的特性［8］，靜爆劑在鉆孔中對孔壁產生徑向膨脹壓的同時，在軸向方向也產生膨脹壓力。根據靜爆劑膨脹壓力各向同性的特點，采用具有一定厚度的鋼筒模擬鉆孔，通過鋼筒上下兩端的活塞，控制靜爆劑在鋼筒內的軸向位移，利用壓力傳感器直接測出靜爆劑產生的軸向膨脹力，軸向膨脹力與鋼筒組件活塞面積的比值，即為靜爆劑在鋼筒組件中產生的軸向膨脹壓。測試原理如圖1 所示。

圖1 測試原理Fig.1 Schematic diagram of the measuring principle

1.2 測試系統

1.2.1 鋼筒組件

鋼筒組件由上部活塞、鋼筒和下部活塞3 部分組成。其中鋼筒的主要功能為模擬鉆孔，對靜爆劑漿體實施圓周方向的約束，要求具有足夠剛度，選擇內徑113 mm，外徑133 mm，壁厚10 mm 的無縫鋼管制作成高150 mm 的鋼筒。參考液壓油缸的結構，采用圓柱形實心鋼柱作為鋼筒組件的活塞，活塞直徑小于鋼筒內直徑0.2 mm，鋼筒內壁和活塞外表打磨光滑，以便使活塞在鋼筒內可以保持較小的間隙并能沿軸向自由移動。活塞的主要作用是將充填到鋼筒中的靜爆劑漿體密封并實施軸向約束，同時傳輸靜爆劑的軸向膨脹壓力。為了實現測試完成后鋼筒組件的可重復利用，要求鋼筒組件具有方便拆卸的功能，鋼筒采用兩端開口的通孔結構，鋼筒中的活塞分為上部活塞和下部活塞兩部分，能夠自由拆卸。

1.2.2 軸向膨脹壓測試系統

利用電液伺服自動控制壓力試驗機實現軸向膨脹壓測試功能。膨脹壓測試系統主要由壓力試驗機的剛性框架、壓力傳感器、壓頭、位移傳感器和鋼筒組件組成。本試驗使用壓力試驗機型號為YAG －3000型，油缸和行走機構位于試驗機上部，采用電液伺服系統控制壓頭的行走，位移傳感器安裝在試驗機壓頭上方，精度為0.000 1 mm，可以精確控制試驗機壓頭的位移變化，從而達到精確控制鋼筒組件內靜爆劑膨脹產生的軸向位移。下部為BK－4(100 t)壓力傳感器和球座球頭，壓力傳感器量程為0 ～1 000 kN，精度為0.1 kN，應力測試精度可達到0.01 MPa;試驗機通過壓力傳感器、位移傳感器和控制軟件，以力或者位移的形式實現對壓力機的輸出控制;通過控制軟件設置數據采樣頻率，對測試過程中力和位移的變化進行實時記錄。

在該測試系統中，通過安裝在壓頭上部的位移傳感器和控制軟件中自動控制頁面中的位移控制設定，通過保持試驗機壓頭位置不變來實現對鋼筒組件中靜爆劑軸向位移的控制。試驗測試時，隨著鋼筒組件內部靜爆劑水化反應的進行，靜爆劑體積膨脹，由于受到來自鋼筒在圓周方向的約束，靜爆劑在軸向方向膨脹推動活塞向上運動，活塞上部是壓力試驗機壓頭，通過位移傳感器控制其保持位置不變，由此產生的反作用力作用于壓力試驗機上的壓力傳感器，通過計算機自動實時記錄軸向力大小。可測得靜爆劑在鋼筒組件中產生的軸向膨脹力大小。

1.3 測試參數

采用石家莊功能建材有限公司生產的“兆華牌”HSCA－Ⅱ型靜爆劑進行試驗。將水與靜爆劑按照質量比=1∶ 5 拌合均勻，室內進行測試，環境溫度為18℃。經試驗測得，水灰比0.20 的靜爆劑漿體在鋼筒組件中，充填密實的情況下，密度為2 330 kg/m3。測試過程中，以該密實度作為計算鋼筒組件中充填靜爆劑漿體質量的依據。資料顯示［6］，鋼筒中靜爆劑漿體高徑比為3/8 時，可獲得較好的測試效果，測試采用的靜態破碎劑漿體高徑比取3/8。具體試驗條件見表1。

表1 靜爆劑漿體參數Table 1 Parameters of the static cracking agent paste

1.4 測試方法與步驟

(1)填裝靜爆劑。先將鋼筒組件中的下部活塞放入鋼筒中，使其位于鋼筒底部，然后將按照水灰比0.2 拌合均勻的靜爆劑漿體充填到鋼筒中，振搗密實后將上部活塞放入鋼筒，用橡皮錘敲擊上部活塞使其底面與靜爆劑緊密接觸。

(2)測試準備。試驗機油缸和壓頭下方放置球形座與球頭，球頭上部放置壓力傳感器和墊板，將充填有靜爆劑漿體的鋼筒組件放在墊板上，調整球頭使鋼筒組件處于水平狀態。

(3)位移約束。控制壓頭下行運動，與鋼筒組件上部活塞之間留有寬度小于1.0 mm 的縫隙，將位移傳感器固定在壓頭上部并保持其垂直狀態，通過位移傳感器控制對壓頭的位置進行微調，實現壓頭與活塞在無軸向載荷或者極小軸向載荷條件下的無縫接觸;固定垂向位移目標值，使油缸和壓頭保持在當前位置，完成對鋼筒組件中靜爆劑漿體的軸向位移約束。

(4)數據采集。在壓力試驗機控制軟件界面輸入試驗相關信息，采樣頻率設為2 min/次，設定完畢后，測試開始記錄數據。

(5)數據處理。測試完成后，將測試數據導出為Excel 格式文件，測得軸向力大小與對應鋼筒組件活塞橫截面面積的比值，即為鋼筒組件中靜爆劑漿體水化反應在鋼筒組件軸向方向產生的膨脹壓，利用Origin 繪圖軟件可繪出靜爆劑軸向膨脹壓的時經曲線。

(6)清理試驗裝置。卸去試驗機載荷，取出上下活塞，清理鋼筒內靜爆劑水化產物，實現鋼筒組件的重復利用。

2 測試結果分析

2.1 外管法測試膨脹壓

外管法在應用方面雖然存在一定問題，但作為一種被理論和試驗所認可的測試方法，一直是相關研究人員進行靜爆劑膨脹壓測試的常用方法，我國的建材行業標準《JC506—2008 無聲破碎劑》中，就規定采用外管法進行靜爆劑的膨脹壓的測試。本研究的測試方法與外管法同步進行測試，并進行比較，檢驗本方法的準確性。為方便區分，下文中將測試系統測得的膨脹壓稱為“軸向膨脹壓”，將外管法測得的膨脹壓稱為“徑向膨脹壓”。外管法測得鋼筒外壁應變值，按照下式計算出徑向膨脹壓［9］:

式中，σr為靜爆劑產生的徑向膨脹壓，MPa;E 為鋼筒的彈性模量，MPa;K 為鋼筒外徑與內徑之比值;εθ為鋼筒產生的環向應變;μ 為鋼筒的泊松比，0.3。

2.2 測試結果對比分析

稱量靜爆劑850 g，水170 g，拌合均勻后取靜爆劑漿體980 g 裝入鋼筒組件，進行膨脹壓測試，測得結果如圖2 所示。

圖2 靜爆劑膨脹壓－時間曲線Fig.2 Expansion pressure-time curve of the static cracking agent

由圖2 可知:在65 h 的測試過程中，靜爆劑漿體在鋼筒組件中發生水化反應體積膨脹，產生了穩定增長的膨脹壓。測試前期約3 h 內，為靜爆劑漿體的凝固硬化階段，此時尚未產生膨脹壓，隨后膨脹壓以較快的速率持續增長，隨著水化反應的進行，約20 h 后膨脹壓增長速率逐漸降低，50 h 后膨脹壓增長速率趨于0，膨脹壓趨于穩定值。2 種不同測試方法測得的軸向膨脹壓和徑向膨脹壓具有相同的發展趨勢，說明軸向膨脹壓測試系統與方法是一種可行有效的靜爆劑膨脹壓測試手段。

試驗測得軸向膨脹壓值始終小于徑向膨脹壓值，分析認為是靜爆劑中含有的強度組分——水硬性礦物質水化后形成水硬化體，水硬化體在徑向膨脹壓的作用下，沿鋼筒內壁壓縮成一圈致密堅硬的固體，這部分靜爆劑水化產物沒有發生體積膨脹現象，因此鋼筒組件中僅有部分靜爆劑水化產物能夠在軸向方向產生膨脹力，而徑向膨脹壓不受其影響，由此導致了軸向膨脹壓始終小于徑向膨脹壓。對于2 種不同測試方法測得膨脹壓之間的差異，采用二者之間比值的方法進行對比分析，將某一時刻軸向膨脹壓與徑向膨脹壓的比值定義為“軸向輸出系數S”，公式如下:

式中，σz為軸向膨脹壓，MPa;σr為徑向膨脹壓，MPa。

采用相同試驗參數分別進行3 次試驗，圖3 給出了3 次試驗的軸向輸出系數S 隨靜爆劑水化反應時間的變化曲線。

圖3 軸向輸出系數－時間曲線Fig.3 Axial output coefficient-time curve

3 次試驗的軸向輸出系數具有相同的變化規律和相近的系數值，測試開始時軸向輸出系數值較小，隨著測試時間增加而增大。在測試開始28 h 后該系數趨于穩定，這是因為在測試前期，靜爆劑漿體凝固硬化后生成的水硬化體中，靜爆劑含有的強度組分的黏結作用對軸向膨脹具有一定約束。隨著反應進行，這種黏結作用不能約束膨脹時，靜爆劑漿體失去軸向方向的栓塞效果，軸向膨脹壓迅速增大，軸向輸出系數也隨之快速增大，并趨于穩定。

3 次試驗中穩定后的軸向輸出系數變化范圍為0.626 ～0.660，波動較小，說明采用軸向膨脹壓測試系統及方法可以測得較為穩定的靜爆劑膨脹壓，該測試系統及方法具有較高的可靠性。建議采用下式確定靜爆劑膨脹壓:

式中，σ 為靜爆劑膨脹壓，MPa。

3 結 論

(1)與外管法相比，利用自行設計的鋼筒組件和軸向膨脹壓測試系統，可準確地測得靜爆劑與水反應產生的軸向膨脹壓，并有效避免了外管法中熱輸出對測試結果的影響。

(2)采用該測試系統及方法，無需黏貼應變片，操作步驟簡單，提高了測試效率;避免了外管法對應變片和黏貼劑的特殊要求，測試可靠性更高;鋼筒組件可重復使用，降低了測試成本。

(3)電液伺服壓力試驗機和位移傳感器在測試中的使用，有效提高了測試精度，能更加精確地反映靜爆劑產生的膨脹壓。

(4)采用該測試系統及方法，測試時間不小于28 h，孔徑D =113 mm 時，靜爆劑水化過程中產生的膨脹壓表達式為σ = σz/S。

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