基于cao的超聲破碎劑動態(tài)膨脹性能研究

基于cao的超聲破碎劑動態(tài)膨脹性能研究

1超聲破碎劑試驗研究無聲破碎劑是一種具有與炸藥性質(zhì)完全不同的新型破碎劑。它利用了礦物水化反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓，將脆弱的物體（如混凝土結(jié)構(gòu)和巖石）分解、解體，并在破碎和拆卸項目中具有安全和無菌的特點。因此，利用以cao為主要膨脹源的原理對無痛破碎劑進(jìn)行了研究。2充填材料cao該無聲破碎劑是以CaO為主要成份,并配有無機(jī)及有機(jī)添加劑,其產(chǎn)生的膨脹壓主要來源于CaO的水化反應(yīng):Ca(OH)2晶體,隨時間的推移長大成具有各向異性的六角狀晶體,體積增大3倍從晶體化學(xué)的觀點來看,無聲破碎劑的膨脹主要在于固體體積的增大以及孔隙體積的增大。氧化鈣為結(jié)晶物質(zhì),屬于立方晶系,通過計算,每個晶格的體積為111.3193,每個晶格中含有4個CaO單位,每個CaO單位的體積為1/4×111.319=27.8293.Ca(OH)2也是晶體物質(zhì),屬于六方晶系,通過計算,每個Ca(OH)2單位的體積為54.4763。可以看出,Ca(OH)2的單位體積比CaO的單位體積增加近一倍。隨著體積增加,體積間的孔隙也增加了。實際觀測得知,在自由膨脹條件下,CaO經(jīng)充分水化反應(yīng)生成Ca(OH)2,體積增加2～4倍。從物質(zhì)的轉(zhuǎn)移來看,石灰加水?dāng)嚢韬?立即發(fā)生兩類物質(zhì)的轉(zhuǎn)移過程:一是水分子進(jìn)入石灰粒子內(nèi)部,并與之發(fā)生水化反應(yīng),生成水化產(chǎn)物;二是水化反應(yīng)物向原來充水空間轉(zhuǎn)移。如果水化速度大于水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移速度時,由于石灰粒子周圍的反應(yīng)產(chǎn)物還沒有轉(zhuǎn)移,這些新的反應(yīng)勢必沖破原來的反應(yīng)層,使粒子產(chǎn)生機(jī)械跳躍,從而產(chǎn)生動態(tài)膨脹。從力學(xué)觀點來看,混凝土或巖石一類的脆性材料,拉壓比僅為1/10～1/15,巖石抗拉強度約為4.9～9.8MPa,混凝土抗拉強度約為1.9～5.8MPa。在混凝土或巖石鉆孔中受約束條件下,破碎劑粒子將對孔壁產(chǎn)生徑向和切向反應(yīng),這一過程可用彈性力學(xué)中的厚壁圓筒理論來解釋。當(dāng)拉應(yīng)力所產(chǎn)生的變形超過被破碎體的拉斷變形量時,物體便產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致破壞。3實驗與研究3.1膨脹材的利用利用礦物水化反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓為破碎劑的材料有生石灰粉及各種水泥膨脹材。然而,由于生石灰水化反應(yīng)速度快,凝結(jié)時間不符合要求,單獨使用生石灰常常來不及進(jìn)行填充作業(yè),達(dá)不到破碎目的。水泥膨脹材,雖然也有膨脹性,但膨脹壓力的絕對量小,也難以達(dá)到破碎目的。綜合上述兩類材料的特點及無聲破碎的技術(shù)要求,在研制本產(chǎn)品時,根據(jù)下述原則進(jìn)行了材料加工和配方設(shè)計:①具有抖水后充填進(jìn)孔的足夠時間;②填充后不因水化熱從孔中噴出;③具有足夠的膨脹壓;④破碎劑本身不是危險品或有毒物質(zhì)。3.1.1膨脹劑選用較致密的、機(jī)械性強的石灰石燒結(jié)塊,研磨至一定細(xì)度,CaO含量75%以上,其化學(xué)成份列于表1。根據(jù)化學(xué)成份分析,選用1#過燒石灰。3.1.2延長劑C3S與水反應(yīng)較快,抑制了石灰水化反應(yīng)速度。3.1.3有機(jī)試劑提高膨脹壓,改善操作性及和易性。3.1.4試驗水潔凈的自來水。3.2技術(shù)方法的開發(fā)通過確定石灰石燒結(jié)塊的球磨粒度和選擇合適的輔助材料及適宜的比例來達(dá)到延緩反應(yīng)速度,提高膨脹壓,滿足施工要求的目的。3.3聯(lián)合制備方法采用正交法,通過球磨粒度值,輔助材料品種及參量值、溫度等的不同量變來優(yōu)選最佳配比。3.4超聲破碎劑的工藝技術(shù)無聲破碎劑的主要組成材料之一過燒石灰,其燒結(jié)溫度是決定無聲破碎劑產(chǎn)品性能的主要因素,燒結(jié)溫度相對較低時,CaO燒死比率偏低,CaO的活性大,膨脹壓力也大,這有利于被破物的破碎;但同時CaO的水化結(jié)晶速度也快,放熱快,在施工中容易發(fā)生噴孔現(xiàn)象,造成事故,影響施工操作,甚至不能進(jìn)行施工。國內(nèi)目前生產(chǎn)的無聲破碎劑所用石灰粉,都是在特定高溫下燒結(jié)的過燒石灰,主要通過提高燒結(jié)溫度來降低CaO的活性,使水化結(jié)晶反應(yīng)速度控制在一定的時間內(nèi),從而達(dá)到施工操作要求。所以,國內(nèi)目前生產(chǎn)的無聲破碎劑產(chǎn)品受主要材料過燒石灰燒結(jié)溫度的決定,都有專門的立窯來燒制過燒石灰,這就使產(chǎn)品生產(chǎn)的固定資產(chǎn)投資和生產(chǎn)成本相對增大。該無聲破碎劑的技術(shù)創(chuàng)新點就在于產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)中省去了燒制過燒石灰工序,投產(chǎn)時無需建專門的過燒石灰立窯,從而大大降低了投資和生產(chǎn)成本。這一問題的解決是利用了糖廠的生產(chǎn)廢棄料石灰石燒結(jié)塊,通過控制球磨粒徑,再摻加一定比例的延緩劑等助劑控制CaO水化反應(yīng)速度,從而在保證了膨脹壓力的前提下,滿足了施工操作條件。既降低了投資和生產(chǎn)成本,又做到了廢物利用,實現(xiàn)了一舉雙得的功效。3.5球磨粒度的影響先用混凝土試塊做定性測試,經(jīng)過一定時間(2～3h),一組試塊徹底開裂成2～4小塊。在此基礎(chǔ)上,采用電測手段反復(fù)調(diào)整其球磨粒度和配合比,使其膨脹壓大于30MPa,使其流動度在規(guī)定范圍內(nèi),使其凝結(jié)時間符合要求,最后,確定了不同溫度下的合理配方。該無聲破碎劑是由主要膨脹材料和輔助材料(延緩劑、有機(jī)添加劑等)組成的一種粉末狀物質(zhì),簡稱為BJSCA,按試驗溫度(35±1)℃、(25±1)℃、(10±1)℃分別對應(yīng)編號為BJSCA-1、BJSCA-2、BJSCA-3。4試驗結(jié)果4.1試驗結(jié)果及討論技術(shù)要求初凝不得早于10min,終凝不得遲于150min。試驗結(jié)果列于表2。從表2可看出,凝結(jié)時間初凝都大于10min,終凝都小于150min。4.2變片規(guī)格和試驗結(jié)果儀器:YJD-7型電阻應(yīng)變儀,P20R-5型預(yù)調(diào)平衡箱,HHS-1型水浴自動溫控箱。應(yīng)變片規(guī)格:3mm×5mm,電阻值為(120±0.2)Ω。試驗結(jié)果:每一試驗溫度下都取三組數(shù)據(jù),取其平均值,列于表3。從試驗結(jié)果看,在(35±1)℃、(25±1)℃下,24h的膨脹壓均超過30MPa,在(10±1)℃下,48h膨脹壓達(dá)到30MPa。5膨脹壓與水灰比的關(guān)系凝結(jié)時間控制是為了保證無聲破碎劑具有良好的流動度。流動度太大,水份多,不密實;流動度太小,不利于充填作業(yè),所以其流動度控制在170～190mm之間。攪拌好的無聲破碎漿體放置一定時間,會出現(xiàn)流動度損失影響灌孔操作,故要求將其在10min內(nèi)用完。膨脹壓是無聲破碎劑的主要技術(shù)指標(biāo)。膨脹壓隨時間推移而增大,隨溫度增高而增大。24h內(nèi),膨脹壓增長較快。溫度愈高則能進(jìn)一步促進(jìn)CaO水化及Ca(OH)2再結(jié)晶,使得膨脹壓增加速度愈快。在冬季施工時可采用溫水?dāng)嚢锜o聲破碎劑,當(dāng)然被破碎物的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)也對膨脹壓產(chǎn)生一定影響。膨脹壓與水灰比的關(guān)系,水灰比低于0.30時,過于密實,不利于施工;高于0.35時,流動度過大,膨脹壓力降低,而且引起水平孔及向上孔裝藥操作上的困難,故最佳水灰比為0.30～0.35之間。膨脹壓與膨脹劑粒度的關(guān)系,膨脹劑粉末的粒度有一個最優(yōu)值,當(dāng)其過細(xì)時,水化后生成的Ca(OH)2晶體過于細(xì)小,在