靜態破碎施工新技術的研究與應用

謝敬坦 于秋月 郝小天 蒲 龍(河北省石家莊市功能建材有限公司，河北 石家莊 050100）

靜態破碎施工新技術的研究與應用

謝敬坦 于秋月 郝小天 蒲 龍(河北省石家莊市功能建材有限公司，河北 石家莊 050100）

針對無聲破碎劑特性，在傳統產品與小孔常規施工技術基礎上，研究成功大孔專用產品及其壓噴法、卷式法施工新技術。對于提高靜態破碎施工效率，具有推進作用。為便于理解，本文將其與傳統產品、常規方法一并進行比較分析。

無聲破碎劑；靜態破碎；大孔專用產品；施工新技術；防噴劑

1 靜態破碎機理

無聲破碎劑是一種無機粉末狀材料，主要成分是fCaO。無論用于什么工程，無論大孔、小孔，進行靜態破碎的操作要點是一致的，即將無聲破碎劑與水拌和成具有一定流動度的粥狀漿體，灌入預先鉆好的孔中，產生強大的膨脹應力，將孔壁脹破拉裂。靜態的含義是在拉裂過程中，無噪聲、無氣味、無粉塵飛揚。

產生膨脹應力的過程是這樣的，通過水化反應，fCaO先與水生成膠狀氫氧化鈣，繼之形成各向異性的六方片狀晶體，這種水化產物具有體積膨脹性。在自由狀態下孔中漿體硬化后、固相體積增大到原來的2～3倍；在約束條件下，體積膨脹變小；當約束無限增大時，這種膨脹就極其困難、甚至不能表現出來。固相體積的增大，受到孔壁的約束，產生對外的環向膨脹壓力，作用于孔壁、從中心向周邊放射傳遞，并于直角方向發生拉伸應力，在孔壁最脆弱的部位應力集中，當超過被破碎物的抗拉（裂）強度時，便產生裂縫、并隨著水化反應的繼續進行而擴大，表現出與化學炸藥類似的爆破效果。

該水化反應是典型的放熱反應，用化學反應式表達為：

研究表明，水化反應速度隨著水化過程中漿體溫度的提高而顯著加快。在溫度0-100℃的范圍內，溫升每提高10℃其反應速度增加一倍，由灌孔時的大約20℃提高到100℃時，在理論上反應速度要加快256倍。當溫度低于100℃的情況下，伴隨熱量的積聚、溫度升高，當溫度超過100℃時，漿體中尚未完成反應的游離水迅速由液相變成氣相，產生的水蒸氣呈氣泡狀在漿體中運動聚集而形成氣壓，在漿體尚未硬化之前、孔壁對漿體的粘結力還很小，當氣壓達到一定值后會使漿體沖出孔外，此即習慣所稱的噴孔現象。

噴孔現象的致命危害是容易發生人身安全事故，其次是浪費材料、不能收到應有的破碎效果。但從另一方面看，恰恰表現這種產品具有反應速度快、膨脹壓高、可能會使破碎效果達到至美程度的優勢，壓噴法與卷式法的關鍵就是避害就利，完成化害為利的有益轉變。

大家知道，環境溫度對fCaO的水化反應速度影響很大，冬天寒冷季節反應緩慢、破碎效果往往不夠理想，夏季高溫季節則因反應速度快易發生噴孔，在這方面積累了豐富的經驗。顯然，如果將外部環境溫度的影響與孔內漿體溫度變化的影響結合起來綜合對待，勢必會推進靜態破碎施工技術的進步與完善。

2 大孔產品性能

表1 無聲破碎劑的基本性能

2.1 常規孔用無聲破碎劑的性能

根據JC506《高效無聲破碎劑》規定，常規產品凝結時間＞10min，按使用季節分I、II、III三個型號。此外，按企業標準研制成功了高溫型Ⅳ。各型號的膨脹壓及適用環境溫度如表1所列。

從表1可知，環境溫度是選用產品的第一根據，夏天施工選Ⅰ型（25-40℃），春秋季節選Ⅱ型（10-30℃），冬季選Ⅲ型（-5-15℃），盛夏以及在高熱地區選Ⅳ（40-50℃）。常規產品適用的孔徑為Φ40mm左右，習慣上稱為小孔。選型正確，是破碎施工成功的保證。

2.2 大孔用無聲破碎劑性能

用于大孔（Φ50mm-Φ100mm）的無聲破碎劑，要求在使用環境溫度條件下不噴孔，開裂時間約24h前后。常規產品選型基本限于Φ45mm以下、可以不考慮孔徑的具體尺寸，大孔施工的顯著區別是須根據孔徑大小選擇適合的大孔專用產品；某些情況下，也可以在專家指導下錯季混型使用常規產品。

圖1 摻與不摻防噴劑的水化溫升

2.3 防噴技術

無論常規產品還是大孔產品，必須從產品本身做到防噴，在產品生產過程中或現場施工時加入適當量的防噴劑是十分便捷的。研制成功的防噴劑是一種能夠有效抑制噴孔的專利產品（專利號ZL.2014 1 0157325.0 ）， 防噴原理是在加水初期延緩fCaO的水化，當漿體具有一定強度、與孔壁的粘結力足以抵抗沖孔以后，fCaO恢復正常的水化放熱反應，達到既能阻止噴孔又不妨害破碎效果的雙重目的。圖1為高溫型無聲破碎劑摻與不摻防噴劑的水化溫升比較，可以看出不摻防噴劑時，fCaO水化反應迅疾發生，4h溫升達120℃，使用防噴劑后，水化反應速度受到顯著抑制，在30h內水化放熱延緩，強度組分正常水化，當漿體凝結、硬化已經具有足夠的強度后，fCaO水化速度恢復，溫升達160℃，使破碎效果得到強化。

2.4 壓噴材料

大孔施工時，孔內灌入無聲破碎劑質量較大，相對小孔而言，水化熱總量、溫升速度要大得多，沖孔的可能性也大得多。在使用防噴劑的情況下，小孔常規產品施工完全可以不擔心噴孔。在使用大孔產品施工時，利用防噴劑也可以做到完全防噴，但開裂速度會有延緩；當要求快速破碎時，可以定型生產沖孔可能性介于有無之間的產品，而采用壓噴法施工，既做到不噴孔、又最大限度地發揮水化熱轉而促進水化反應的作用。壓噴法的核心是使用壓噴材料，操作的要點是灌漿后用壓噴材料快速封口。壓噴材料屬專用材料，流動性很好、易于操作，具有快速水化、快凝、快硬、高強度、微膨脹的特性，凝結時間2-3min，抗壓強度5min≥40MPa,1-2h達50MPa以上，因此在3-5min內即與孔壁牢固結合、產生足以抵抗沖孔的粘結強度。需要說明，石家莊市功能建材有限公司按國家標準生產的無聲破碎劑常規產品，小孔施工完全可以不擔心噴孔，一般不采用壓噴法。大孔施工也并非全部必須采用，它比較適用于用戶有指定破碎時間要求或指定設計工程或有生產廠專家指導的大孔施工。

3 靜態破碎效果的主要影響因素

3.1 環境溫度影響

環境溫度是最早發生的影響因素，溫度高水化快，溫度低水化慢。圖2是同一型號常規產品在不同環境溫度下的膨脹壓增進速度曲線，可以看出，膨脹壓隨溫度的升高而提高；低溫下不能正常發揮，高溫下則可能噴孔。通俗地說，就是夏季高溫下正常使用的Ⅰ型、Ⅳ型產品，如果用于低溫環境工程就不會開裂，而適于冬季使用的Ⅲ型產品如果用于高溫環境工程則必然發生噴孔。當然，每個型號的適用溫度范圍并非是絕對嚴格的，都與另一個型號的有一個交叉區域。例如環境溫度25-30℃時，Ⅰ型、Ⅱ型皆在可選之例，10-15℃Ⅱ型、Ⅲ型也皆在可選之例。不過，需要予為防范，溫度處于交叉區域時，發生噴孔的幾率要高于平時，必要時應咨詢生產廠專家。

圖2 HSCA-1產品在不同溫度下的膨脹壓增進速度曲線

3.2 水料比

加水量用水料比w/c控制。加水量大小直接與膨脹壓有關。多次進行膨脹壓標準檢驗證明，同一型號的無聲破碎劑產品，w/c大、膨脹壓低，w/c小、膨脹壓高；w/c由0.25增至0.30、即加水量增加20﹪時膨脹壓約降低20%左右，增至0.35時約降低40%左右。道理十分清楚，每個品牌的產品都有自己的最佳水料比，過多的加入水、自然會占據孔內的有效空間而減小無聲破碎劑的有效反應質量，同時會吸收水化熱、影響水化行為。各國、各生產廠的生產工藝與產品配方會有所區別，最佳用水量也有所不同。施工現狀調查表明對此尚認識不足，有的操作者往往憑習慣、憑個人所好加水比較隨意，或者不區分品牌一律加入相同的水量。在感性上以為w/c增減一點不是大問題，假設漿體總量1000g，計算其中水、料的單獨用量，得到表2的數據，從中可知0.05w/c變化的結果會使加水量增減比驚人地高達15.5%，發生這種情況當屬違反施工規程。

表2 增大w/c時灌孔無聲破碎劑及水量的增減比例/%

加水的作用，一是外在必須，獲得灌孔需要的流動度，加水量偏低時流動性不足、影響灌孔速度與充填豐滿程度。加水量偏高時雖然流動度大、灌孔操作痛快，但危害性更大，灌孔之前及灌入之初fCaO的水化已經顯著發生、膨脹壓無效消耗較大；孔中fCaO的質量數明顯受損，多加的水在灌孔之后、凝結之前的時間段內呈游離狀態，形成的水蒸氣極易導致噴孔。不同水料比在實驗室標準條件下測定的膨脹壓曲線如圖3，可以看到這種影響，w/c為0.21時的膨脹壓增進速度與增進率顯著高于0.35時，而0.35時在早期達到一個膨脹壓值后幾乎沒有明顯增進。

加水的第二個作用是內在的、也是根本性的，水是參與化學反應的物質，供給fCaO水化所需而產生足夠的膨脹壓，二者都是直接反應物、不可只偏重一方。以石家莊市功能建材公司產品為例，w/c一般控制為0.25比較適宜，小孔施工或略高一點；流動度控制值275±25mm，使漿體達到自流平的程度即可。

圖3 不同水料比的膨脹壓

3.3 孔徑大小

常規施工的孔徑一般為Φ38mm-Φ42mm，尺寸小、裝入的無聲破碎劑質量也小，開裂速度較慢。反之，大孔速度較快、要害是不能噴孔。從用戶要求而言，更希望提高破碎速度、加快施工進度，目前市場已經呈現出由小孔施工到大孔施工的發展趨勢。例如，冬季施工，便可選擇用Φ50mm-Φ60mm孔取代Φ40mm孔，試驗與應用證明，最寒冷季節，可以采用Φ80mm孔。

3.4 最小抵抗線、臨空面、孔距設計

最小抵抗線指孔中心離破碎物邊緣的最小距離，等于鉆孔的排距。最小抵抗線應盡量臨空，臨空面多、最小抵抗線可以大些，臨空面少、最小抵抗線要小一點。孔距的確定應考慮最小抵抗線、臨空面、被破物強度等諸多因素，一般取孔徑（a）的5-10倍。另外，須考慮破碎對象的抗拉（裂）強度，對于石材最小抵抗線可略大、孔距可略小，對于建筑工程的巖石基礎、廢舊混凝土構筑物拆除工程抵抗線應略小一些。推薦梅花狀布孔，多排孔同時破碎時，前排孔和后排孔之間最好保持有時間差。

4 靜態破碎施工新方法

4.1 一般施工方法與要求

使用常規產品施工，首先須根據工程所處環境選型，當環境溫度處于25-40℃時選Ⅰ型，10-30℃時選Ⅱ型，-5-15℃時選Ⅲ型，高熱地區選40-50℃使用的Ⅳ型。施工期間現場發生天氣的驟冷驟熱變化時，預先選購的型號可能與破碎要求產生偏離，這時應采取相應的輔助措施，例如在現場補加防噴劑、激發劑。其它共同性還要求包括如下各項，孔徑Φ40左右（38mm-42mm）,冬季施工可擴大至Φ50-Φ60mm。孔距一般為孔徑（a）的5-10倍：孔深一般為0.9-1H（H為被破碎體的高度）。裝料量以每M/孔計算時為2.3-2.8kg(Φ38mm-Φ42mm)；自加水拌和到灌孔完畢總操作時間不應超過10min。施工中操作人員必須佩戴防護眼鏡和橡膠手套，灌孔完畢后及時遠離現場，禁止俯視已灌完的孔。

大孔施工堅持如上原則，特別之處在于選擇大孔專用產品，基礎也是環境溫度，訂貨前應向廠家如實說明，廠家應提出主要的施工要求事項。孔徑一般為Φ50-Φ100mm,孔距為孔徑的5-10倍，最小抵抗線為0.5-1.0m。由于孔大、裝料量多，必須嚴格要求拌料迅速、灌孔迅速，每次攪拌量不宜大于25kg，最多不超過50kg，以避免因灌孔遲緩造成有害的孔外水化現象。

4.2 大孔壓噴法施工

壓噴法的機理是阻止孔內水蒸氣從上方出口逸出，將其形成的蒸氣壓保持在孔內；方法是將孔口密實封堵，讓膨脹壓在孔內迅速集聚、完全作用于孔壁，最大限度地利用膨脹能、實現快速破碎。一般在2-3小時內產生開裂。在施工條件具備的情況下，盡可能選用大孔（Φ100mm），破碎效果更好。越是水化反應快、溫升快且孔內漿體溫度較高，越適用該法。生產廠家在提供大孔產品的同時，會提供壓噴材料，壓噴材料用料量按Φ100孔計算為4kg左右。拌和w/c比小孔施工可略有放寬，目的是確保快速完成拌和、灌孔操作，嚴防時間拖后。特別提示，在完成拌和無聲破碎劑漿體時即應在備置妥當的容器中加水拌制壓噴材料漿體。在完成無聲破碎劑漿體灌孔后馬上用5cm厚苯板覆蓋；并立即灌注封口材料，灌入深度為25-35cm。封口材料自加水到封口完畢，時間不得超過3min。

表3 無聲卷的規格與使用性能

4.3 卷式法施工

特殊工程會運用水平孔、或由下向上的傾斜孔，這時，無法實現垂直孔那種灌漿施工，可改用卷式法。卷式法的基礎是將無聲破碎劑按型號、孔徑預先做成卷式無聲破碎劑產品，簡稱無聲卷。無聲卷的規格與使用性能列于表3。鉆好孔后，將無聲卷逐個浸入裝有清水的容器中，按要求的時間浸水，然后拿出過磅，如重量不在要求范圍內，應調整浸水時間。將浸好水后的無聲卷迅速裝入孔中，每裝入一個卷均須用木棍捅搗密實。為防止搗實的裝入卷松散、滑落，裝卷完畢后應用快硬水泥或木棍塞頭封口。

5 結 語

1)靜態破碎與動態破碎相比，具有安全、環保、不產生二次污染的顯著優勢，具有良好的市場發展前景。

2)大孔破碎與常規孔破碎相比，具有破碎速度快、效率高的優勢，在適用工程方面有較大的拓展空間。

3)本文提出的壓噴法適用于大孔破碎施工，卷式法適用于特殊工程破碎施工。

本工作得到中國建材研究總院游寶坤、趙順增及本公司李乃珍三位教授的指導與支持，在此特致謝意。

Research and application of the new technology on static cracking in construction

According to the character of Soundless Cracking Agent,based on the traditional product and general construction technology on small holes,we research a specified product on big holes and its new construction technology of Pressing-gush and Rolling．It helps to enhance the construction efficiency of static cracking．In this report,we analyze this new technology compared with the traditional product and method．

soundless cracking agent；static cracking；specified product on big holes；new technology of construction；anti—gush agent

TU941

B

1003-8965（2017）03-0099-04