靜態膨脹劑的影響因素試驗研究與分析

馬麗潔，左安家，李 昊，鄭鑫健

（華北科技學院，河北廊坊 065201）

靜態膨脹劑又被叫做靜態破碎劑（SCA），是指一類經高熱煅燒氧化鈣為主要成分的無機化合物，摻入適當的水泥等外加物一起粉磨后制備的，具備較高膨脹特性和非爆破性碎裂用粉末物料，屬于非燃、非爆、無毒物品。水調成漿體后灌入石頭或水泥鉆孔中，伴隨水化反應的開展，脹氣硬化同時展開，形成了新的膨化產物，可使固相體積增大兩到三倍[1]。由于SCA 破碎使用的藥劑水化反應很緩慢，壓力能以靜力的方式傳導給外界的被破碎體，使得粉碎過程進行的平穩而無噪聲，而且反應過程中不會產生毒性物質，且可以在局部區域內迅速完成，所以它是一個安全、綠色、無噪聲的破碎方式，特別適合于水泥、石料安全粉碎、廠礦改擴建中的建筑物拆遷、石料切割、巷道開拓挖掘、局部粉碎及其他破碎工藝[2，3]。靜態破碎劑起源于20 世紀60年代的日本，半個世紀以來國內外學者都對靜態破碎劑進行著潛心研究。

姜智盛，鄭文忠等[4]將靜態膨脹劑與水混合后注入13 個素混凝土試件的鉆孔中，觀察其破碎過程及狀態，計算出反應前后的體積膨脹率，得出孔徑和約束程度對反應時間和效果的影響規律。唐烈先，唐春安等[5]按照C40 配比制作了混凝土模型并對其進行了力學參數測定，使用REPA2D 軟件模擬了靜態膨脹劑作用下的混凝土以三條不同方向的主裂紋擴展到失穩擴展的過程。彭建宇，李元輝等[6]采用顆粒離散元程序對靜態膨脹劑水化反應過程進行模擬，得到反應軸向膨脹壓力曲線，并得出通過調整預留空間高度值可以調節反應產生的膨脹壓力的結論。盛弘釗，盧小雨等[7]通過保持水溫恒定，分析了不同水劑比條件下的靜態膨脹劑的體積膨脹率與反應溫度的變化，得出水劑比越大，能夠達到的最高溫度越小，膨脹變化時間越短的結論。許蘭保運用化學知識描述了靜態膨脹劑反應中物質轉化過程，應用力學知識、理論公式對靜態膨脹機理進行了詳盡分析，由三組不同規格的混凝土模型試塊破碎過程得出裂紋擴展不是以軸向對稱的四條裂紋或者中心對稱的三條主裂縫出現，而是在截面產生豎向對稱的兩條主裂縫的結論[8]。以上學者的研究主要集中于靜態膨脹劑的反應過程和巖石的破碎過程，對于反應條件及膨脹壓力的影響因素卻鮮有研究，基于此，本次試驗采用電阻應變片測量法測得在不同的水灰比、材料配比、水溫、孔徑條件下反應產生的膨脹壓力，并根據數據分析它們之間的關系，研究反應原理，為靜態膨脹劑的實際應用提供依據。

1 試驗原理與試驗設計

1.1 試驗原理

目前，靜態膨脹劑的最主要成分為氧化鈣。氧化鈣與水化學反應后成為氫氧化鈣，在放熱的時候，其體積也增加。而靜態膨脹劑就是利用這些反應和氫氧化鈣晶體在發育時體積增加而產生的膨脹壓力來破碎石頭和水泥等脆性物料。

CaO＋H2O→Ca（OH）2＋64.8 kJ

從反應方程式可以看出，反應物前是破碎劑與水的混合漿體，反應產物為氫氧化鈣粉末狀固體，該反應是放熱反應[9]。衡量靜態膨脹劑性能最主要的指標是膨脹壓力，對于膨脹壓力的測試，其力學模型（見圖1，圖2）。

圖1 有界單孔膨脹應力模型

圖2 有界單孔膨脹應力變化示意圖

構建有界單孔模型（見圖1，圖2）。圖中孔壁任意一點A 產生的膨脹壓力，通過周圍巖體的傳遞，作用到與其距離L 的B 點時，轉變成B 點受到的拉應力和壓應力[10]。

對于膨脹壓力的測試，本次試驗采用電阻應變片測量法。電阻應變片測量法的主要原理為：通過在孔壁外部粘貼應變片對靜態膨脹劑水化反應過程中的孔壁應變進行實時監測然后通過公式就可以計算出靜態膨脹劑對孔壁產生的膨脹壓力，當膨脹劑受到周圍外力的約束時，會形成膨脹壓力，該膨脹壓力施加在孔壁后，在孔隙介質單元體上，徑向受到壓應力的影響，切向則受拉應力的影響，這些應力狀態造成了巖石破裂；其拉應力的公式為：

式中：σθ－拉應力，MPa；P－膨脹壓力，MPa；R－鉆孔半徑，mm；d－鉆孔的壁厚，mm；r－鉆孔外任意一點到鉆孔孔心的距離，mm。

當r 值取無限小時即當r=R＋d 時，σθ表示孔壁外側所受到的拉伸應力，將r=R＋d 代入式（1）中可得：

由式（2）可知，若鉆孔半徑、鉆孔的壁厚度已經得到，只要測得孔壁處的拉應力就可計算得出靜態膨脹劑的膨脹壓力。由彈性力學得知鋼管材料表面的軸向應力、徑向應力為：

式中：σz-軸向應力，MPa；Pz-靜態膨脹劑產生的軸向膨脹壓力，MPa；σθ-徑向應力，MPa；Pr-靜態膨脹劑產生的徑向膨脹壓力，MPa。

由廣義胡克定律可得：

將式（3）代入式（4）中可得：

式中：E-鉆孔孔壁材料的彈性模量，MPa；εz-監測點的軸向應變量；εθ-監測點的徑向應變量；μ-鉆孔孔壁材料的泊松比；d-充填孔孔壁的厚度，mm；R-鉆孔半徑，mm。

通過以上公式推導得出靜態膨脹劑膨脹壓力測試的理論公式，由此可得出，在已知鉆孔孔徑、孔壁厚度、孔壁材料的泊松比及彈性模量的條件下，只要測得反應過程中孔壁的應變即可計算出靜態膨脹劑產生的膨脹壓力的大小[3，11]。

1.2 試驗設計

試驗中所使用的主要裝置類型和規格（見表1）。

表1 試驗主要設備規格及參數

將試驗固定架擺在相應的位置，在架子的底端上面放一個XH-207 型液壓缸。將鋼管的一端進行封口，并將封口的一端作為底端。將靜態膨脹劑與水按照比例混合好，從鋼管上端倒入孔中，大約一直倒至鋼管120 cm 處。往鋼管上端留空處裝入橡膠套，并在其上方放進可拆卸套筒，保證膨脹劑不會漏出來。用502 膠水將應變片粘貼于鋼管表面并與靜態應變監測儀連接，兩個相互垂直的應變片為一組。并將靜態應變監測儀與電腦相連，設置參數準備監測數據。將鋼管放在液壓缸上，開啟液壓缸，使鋼管上升直至試驗固定架的頂端可以頂住鋼管的上端孔口，并用紙板把鋼管周圍夾住以防止傾斜，靜待反應。接通靜態應變監測儀開始對鋼管應變進行實時監測，并開始對鋼管表面溫度進行監測，待反應結束且監測數據無明顯波動后關閉電源，考取數據并通過公式計算出膨脹壓力。試驗裝置圖（見圖3）。

圖3 靜態膨脹相似模擬試驗

在室溫為18 ℃的條件下進行本次試驗，室內溫度變化較小，可以忽略。共進行以下幾個試驗：

（1）將靜態膨脹劑與水按照0.2、0.3、0.4 比例混合后倒入內徑為65 mm 的鋼管中，觀察靜態膨脹劑在不同水灰比條件下產生的膨脹壓力，選出最優水灰比。

（2）選用SCA-Ⅰ（氧化鈣含量≥90%）、SCA-Ⅱ（氧化鈣含量≥93%）、SCA-Ⅲ（氧化鈣含量≥95%）型靜態膨脹劑，按照最優水灰比與水混合后，倒入內徑為65 mm 的鋼管中，記錄三種類型的靜態膨脹劑所產生的膨脹壓力，選出最佳型號的靜態膨脹劑。

（3）按照最優水灰比稱取最佳膨脹劑和水，把水的溫度控制在15 ℃、25 ℃、35 ℃，然后混合后倒入內徑為65 mm 的鋼管中，記錄三種水溫條件下靜態膨脹劑所產生的膨脹壓力，選出最佳水溫。

（4）根據上述三種方法選出的最優水灰比、最佳膨脹劑、最佳水溫，按照同樣的步驟將混合好的漿體倒入內徑為55 mm、65 mm、75 mm 的鋼管中，記錄其產生的膨脹壓力。

2 試驗結果分析

2.1 不同水灰比對膨脹壓力的影響

根據1.2 中的試驗步驟得出不同水灰比條件下反應產生的應變，將數據代入到公式（5）就可以計算得出不同水灰比條件下靜態膨脹劑產生的膨脹壓力，其結果繪制圖（見圖4）。

圖4 不同水灰比條件下產生的膨脹壓力

從圖4 可以看出，靜態膨脹劑產生的膨脹壓力的變化趨勢是一致的，都是先增大后趨于平穩。但是不同水灰比條件下反應達到平穩的時間以及反應可以產生的最大膨脹壓力是不同的。水灰比為0.2 時，靜態膨脹劑在20 h 左右產生最大膨脹壓力，為76.85 MPa，且反應產生的膨脹壓力在19 h 開始趨于平穩；水灰比為0.3 時，靜態膨脹劑在17 h 左右產生最大膨脹壓力，為51.23 MPa，且反應產生的膨脹壓力在15 h 開始趨于平穩；水灰比為0.4 時，靜態膨脹劑在10 h 左右產生最大膨脹壓力，為35.36 MPa，且反應產生的膨脹壓力在10 h 開始趨于平穩；由此可見，反應能夠產生的最大的膨脹壓力是隨著水灰比的增大而減小的，且反應最先趨于平穩的時間是隨著水灰比的增大而減小的。由此可見，水灰比為0.2 時效果最好，但是當水灰比小于等于0.25 時，水和靜態膨脹劑難以形成漿體，流動性差，難以注入鉆孔中；水灰比大于等于0.35 時，流動性很好，但是產生的膨脹壓力不夠大，難以達到很好的破碎效果，所以，在實際工程應用中，選用水灰比為0.25～0.35 較為合適。

2.2 不同材料配比對膨脹壓力的影響

根據1.2 中的試驗步驟得出不同材料配比條件下反應產生的應變，將數據代入到公式（5）就可以計算得出不同材料配比條件下靜態膨脹劑產生的膨脹壓力，其結果繪制圖（見圖5）。

從圖5 可以看出，不同材料配比條件下產生的膨脹壓力的變化趨勢與2.1 中不同水灰比條件下膨脹壓力的變化趨勢是相似的，不同的是不同材料配比條件下的膨脹壓力的變化趨勢更加接近，最大膨脹壓力相差不大。氧化鈣含量≥90%時，靜態膨脹劑在16 h 左右產生最大膨脹壓力，為38.65 MPa，且反應產生的膨脹壓力在14 h 開始趨于平穩；氧化鈣含量≥93%時，靜態膨脹劑在19 h 左右產生最大膨脹壓力，為44.04 MPa，且反應產生的膨脹壓力在15 h 開始趨于平穩；氧化鈣含量≥95%時，靜態膨脹劑在17 h 左右產生最大膨脹壓力，為51.23 MPa，且反應產生的膨脹壓力在16 h 開始趨于平穩；根據變化趨勢判斷出最大膨脹壓力是隨著靜態膨脹劑中的氧化鈣含量的增大而增大的，所以，為了保證更好的破碎效果，選擇SCA-Ⅲ型靜態膨脹劑。

圖5 不同材料配比條件下產生的膨脹壓力

2.3 不同水溫對膨脹壓力的影響

根據1.2 中的試驗步驟得出不同水溫條件下反應產生的應變，將數據代入到公式（5）就可以計算得出不同水溫條件下靜態膨脹劑產生的膨脹壓力，其結果繪制圖（見圖6）。

圖6 不同水溫條件下產生的膨脹壓力

從圖6 可以看出，當外界溫度一定時，不同的水溫對于靜態膨脹劑反應過程中所產生的最大膨脹壓力并沒有影響，但是達到最大膨脹壓力所需要的時間是明顯不同的。當水溫為15 ℃時，靜態膨脹劑在17 h 達到最大膨脹壓力；當水溫為25 ℃時，靜態膨脹劑在13 h達到最大膨脹壓力；當水溫為35 ℃時，靜態膨脹劑在10 h 時達到最大膨脹壓力。產生這種情況是因為當水溫增高時，會加快靜態膨脹劑中的氧化鈣與水的反應速率，水溫越高，反應速度越快，從而到達產生最大膨脹壓力的時間越短。但是，當水溫過高時，反應速率過快，會積聚大量能量，這時可能會發生噴孔現象，影響生產作業人員安全，所以，在實際應用中，要根據井下實際情況選擇合理的水溫。

2.4 不同孔徑對膨脹壓力的影響

根據1.2 中的試驗步驟得出不同孔徑條件下反應產生的應變，將數據代入到公式（5）就可以計算得出不同孔徑條件下靜態膨脹劑產生的膨脹壓力，其結果繪制圖（見圖7）。

圖7 不同孔徑條件下產生的膨脹壓力

不同孔徑條件下靜態膨脹劑產生的膨脹壓力趨勢依然是先增大后趨于平穩。孔徑為55 mm 時，靜態膨脹劑在14 h 達到最大膨脹壓力35.16 MPa；孔徑為65 mm 時，靜態膨脹劑在16 h 達到最大膨脹壓力51.23 MPa；孔徑為75 mm 時，靜態膨脹劑在17 h 達到最大膨脹壓力75.48 MPa。根據圖中的變化趨勢可以看出，反應趨于平穩的時間相差無幾，所以孔徑對于靜態膨脹劑的反應速率幾乎沒有影響，但是對反應能夠產生的最大膨脹壓力是有影響的，隨著孔徑的增大，反應所能產生的最大膨脹壓力也在增大，所以在實際工程應用時，要綜合考慮所需要的膨脹壓力和實際情況來決定孔徑的大小。

3 結語

（1）相同條件下，水灰比對于靜態膨脹劑的反應速率以及能夠產生的最大膨脹壓力都有較大的影響。水灰比越大，反應越快，產生的膨脹壓力越小。但是考慮到流動性問題，選擇水灰比為0.25～0.35 是最合適的。

（2）靜態膨脹劑中的氧化鈣含量是決定反應產生膨脹壓力的主要因素，氧化鈣含量越高，所產生的膨脹壓力越大，為了達到更好的破碎效果，選擇市面上氧化鈣含量最高的靜態膨脹劑最為合適。

（3）水溫是影響靜態膨脹劑反應速率的主要因素，水溫升高，可以加快靜態膨脹劑中的氧化鈣與水的反應速度，從而快速產生膨脹壓力。但是考慮到水溫過高時會產生的噴孔現象，要根據實際情況選擇適合的水溫。

（4）不同孔徑條件下靜態膨脹劑所產生的膨脹壓力是不同的。膨脹壓力隨著孔徑的增大而增大，大孔徑條件下的靜態膨脹劑會產生更高的膨脹壓力，達到更好的破碎效果。