靜態破碎劑徑向膨脹壓測試裝置研究

劉 娟，譚欽文,2，劉建平,2，吳愛軍,2，吳春燕，李文武

(1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學西南科技大學固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010)

靜態破碎劑是20世紀80年代初在國外研制成功的一種粉狀破巖材料，它可以在不使用爆炸物的情況下用CaO與水反應生成Ca(OH)2所產生的體積膨脹破碎巖石、混凝土等作用對象[1]。隨著現代經濟的發展，城市建筑物的拆除量不斷增加，靜態破碎劑的應用越來越廣泛并具有廣闊的發展前景，因此，準確測量其膨脹壓的值對于優化其施工效果有重要意義。戴麗萊等[2]應用液壓理論設計了一種液壓平衡測壓儀，這種儀器避免了電測法中溫度效應對測量結果的影響，但平衡指針分度值較低，手壓油泵可能存在漏油卸壓的問題，導致測量精度不高。謝益盛等[3]對靜態破碎劑的膨脹力學性能進行了深入研究，考慮用密封膠代替塑料袋封閉應變片的方法來避免放熱直接對應變片測量結果的影響來對試驗進行優化[4]，但試驗采用的鋼筒仍然是一次性用品，不能重復使用。

參考相關標準和設計手冊，本文設計了一種靜態破碎劑徑向膨脹壓測試裝置，可彌補現有測試方法的部分不足，為今后靜態破碎劑被更廣泛有效地應用打下更堅實的基礎。

1 結構設計

左右周邊塊(為了保證靜態破碎劑體積膨脹之后力全部沿平行于測壓方向傳播且方便拆卸，因此考慮將周邊塊分為左右兩個部分，組合起來是一個整體)閉合之后中間有一個圓柱腔體用于裝藥。中間通孔部分是為了放靜態破碎劑，通孔直徑取50 mm，內螺紋與頂蓋螺紋配合連接，考慮到方便連接，取粗牙螺紋M52×2，左右周邊長160 mm、寬140 mm、高140 mm。周邊塊凸臺部分上的通孔直徑為配合螺栓標準件的連接取22 mm，通孔厚度根據受力情況分析：

對于通孔部分：根據第三強度理論(最大剪應力理論)

τ≤[τ]

(1)

式中：τ為剪應力，最大值約120 MPa；[τ]為底部擋片的材料45鋼的抗剪強度，170 MPa；經驗算通孔厚度20 mm時滿足要求。

圓柱度。查閱機械設計手冊，考慮到要使靜態破碎劑膨脹壓在垂直方向上均勻分布同時要保證膨脹壓力能均勻地作用于螺栓，防止其變形，故將中間放藥柱的圓柱孔圓柱度的公差等級取為6級，再根據圓柱度取值標準，主尺寸為80 mm、公差等級為6級時其圓柱度值為5 μm。

垂直度。查閱機械設計手冊，考慮到要使徑向的膨脹壓嚴格垂直于藥柱作用于周邊塊同時要保證穿過孔的螺栓能準確地與測力計連接，故取垂直度公差等級為5級，根據形位公差標注國家標準《形狀和位置公差未注公差值》GB/T 1184-1996，當主尺寸為140 mm、垂直度公差等級為5級時，對應的垂直度為20 μm。

根據機械設計簡明手冊中形位公差等級對應的最低粗糙度要求，公差等級為7級及以下時取對應表面粗糙度為0.8，其余表面粗糙度滿足裝配要求取為3.2。

對于底部擋片，伸入周邊塊的圓環部分受力分析為

σ≤[σ]

(2)

(3)

(4)

式中：σz為軸向應力，最大約40 MPa；[σ]為底部擋片材料45鋼的屈服強度，355 MPa；D為底部擋片的直徑,mm；d為裝藥腔體的直徑，50 mm。經驗算底部擋片直徑為60 mm時滿足要求。

由式(3)可得：

(5)

根據第三強度理論，要保證底部擋片在受到膨脹壓力的時候不變形，則有：

(6)

式中：h為擋片的厚度，mm；d為底部擋片的直徑，60 mm。代入數據得到厚度h為8 mm時滿足要求。

頂蓋通過外螺紋與周邊塊螺紋配合連接，考慮到方便連接，取粗牙螺紋M52×2。頂蓋有螺紋部分厚25 mm，總厚45 mm?？紤]到靜態破碎劑反應較慢，因此在頂蓋上開一個φ2的通孔，以保證加熱棒的引線通過。

螺栓取標準件GB/T 5785，參數：M20×1.5，長180 mm。考慮到螺栓要用于將左右周邊塊固定，選擇防松效果好、強度高、精密的細牙螺紋。

螺母用于固定螺栓，考慮到靜態破碎劑膨脹時會在螺母處有極大的拉力，因此選用等級高、強度高的型號為GB/T 6175的螺母，螺母要與螺栓配合連接，因此螺紋選用M20×1.5。

本裝置主要包括左右周邊塊、底部擋片、頂蓋等零件和用于連接的螺栓和螺母，其具體參數及取值如表1所示，裝置設計如圖1所示。

表1 裝置部件參數

注:1-左周邊塊；2-底部擋片；3-頂蓋；4-螺栓；5-右周邊塊；6-螺母。圖1 測試裝置Fig.1 Test device

2 工作原理

采用設計裝置進行膨脹壓測試時，測試裝置受力分析如圖2所示，靜態破碎劑發生體積膨脹會沿徑向產生向外的膨脹壓力，徑向膨脹壓最終作用為螺桿上的拉力。

圖2 測試裝置受力分析Fig.2 Force analysis of the test device

測試裝置的中間裝藥腔體的直徑為50 mm，孔深100 mm，算出腔體的縱向剖面積，由讀取的應變值，經式(8)和式(9)計算得相應的膨脹應力值，整理分析試驗結果。

利用彈塑性力學理論[5]，即可求出靜態破碎劑的膨脹壓力。

σ=Eε

(7)

F=σS

(8)

(9)

式中：E為合金鋼35CrMo的彈性模量，206 GPa；ε為應變片測得的應變值，με；S為螺桿的縱向剖面積，314.16 mm2；S2為靜態破碎劑圓柱體腔室的縱向剖面積5 000 mm2；σ2為需要得到的靜態破碎劑膨脹壓值，MPa。

3 膨脹壓測試試驗研究

3.1 應變儀聯合測壓試驗

試驗所用的主要材料包括：①靜態破碎劑；②規格M20×1.5、長190 mm、材料為35CrMo合金鋼的螺栓兩根；③規格M20×1.5，厚18 mm的螺母；④平墊片。試驗所用的儀器主要有：5AA帶端子免焊接電阻應變片，自制高強度測試裝置，YJZA-8型智能數字靜態電阻應變儀，導線若干條，手套，PVC防護眼鏡，筆記本，圓珠筆，扳手，電子溫度計，電烙鐵，攪拌棒，250 ml燒杯，加熱電阻棒，天平等。

1)靜態破碎劑自然反應下的膨脹壓測試。試驗室溫度大約19 ℃，室內溫度變化范圍2 ℃左右，變化較小，可以忽略外界溫度變化對試驗結果的影響[6]。

利用螺栓通過連接孔配合平墊片和螺母將左右周邊塊鎖緊；粘貼應變片并用電烙鐵將電阻應變片的接頭分別與導線、應變儀連接；調節兩根螺栓上螺母的松緊程度，使應變儀上有相同的初值，以排除螺紋連接松緊不同對試驗結果的影響。按照水灰比[7]0.28調制靜態破碎劑漿體，稱取400 g靜態破碎劑，再量取120 ml溫水；攪拌均勻后倒入測試裝置的中間空腔部分，蓋上頂蓋并旋緊；接通應變儀的電源，打開電腦上的應變儀對應的數據處理軟件，設置好參數，讓靜態破碎劑在自然狀態下反應24 h，觀察測量的應變值隨時間的變化趨勢。

2)電加熱靜態破碎劑反應下的膨脹壓測試。將左右周邊塊鎖緊，粘貼應變片并與應變儀連接；取400 g靜態破碎劑，再量取120 ml溫水，攪拌均勻后倒入空腔內，將加熱電阻棒和熱電偶粘在一起放入漿體內，線頭穿過頂蓋預留的孔，用導線將線頭連接到電源，蓋上頂蓋并旋緊；接通應變儀的電源，同時接通加熱電阻棒的電源，用調壓器將電壓控制在70 V，加熱到60 ℃之后，斷開加熱電阻棒連接的電源，設置好參數，通過應變儀數據處理軟件，觀察測量的應變值隨時間的變化趨勢，反應近12 h。

由自然反應狀態下與電加熱狀態下膨脹壓-時間對比(見圖3)可知，在電加熱情況下膨脹壓在4 h內達到55 MPa，而不加熱情況下的靜態破碎劑需要24 h才達到。并且12 h后，用加熱方法測得的膨脹壓高達90 MPa，說明在相同藥量的情況下，采用電加熱的方法進行反應可以加快靜態破碎劑的反應速率，提高爆破效率。

圖3 不加熱與加熱狀態下的膨脹壓-時間對比Fig.3 Comparison of expansion pressure-time between unheated and heated state

3.2 傳統膨脹壓測試試驗

中華人民共和國建材行業標準JC 506-2008無聲破碎劑中提供了一種靜態破碎劑膨脹壓測試試驗方法。這種測試方法的具體操作為：①在Q235鋼筒外表面相應位置粘貼應變片；②用塑料袋包裹鋼筒放入恒溫的水箱中。在這種情況下，破碎劑發生水化反應后使得受壓鋼筒產生膨脹，通過應變片得出的鋼筒的變形值[8]，再根據靜態破碎劑徑向膨脹壓的計算公式即可得出膨脹壓的大小。根據上述膨脹壓測試方法，靜態破碎劑在鋼筒中產生的徑向膨脹壓力為

(10)

式中：p為鋼筒所受水化反應產生的徑向膨脹壓力，MPa；Es為鋼筒的彈性模量，取2.06×105MPa；K為鋼筒內外徑比；εθ為鋼筒徑向應變；μ為鋼筒泊松比，取0.3。

試驗所用的材料主要是：靜態破碎劑，高250 mm、內徑26 mm、壁厚3 mm的鋼筒，5AA帶端子免焊接電阻應變片。試驗所用的儀器主要有：YJZA-8型智能數字靜態電阻應變儀，導線若干條，手套，PVC防護眼鏡，筆記本，圓珠筆，扳手，電子溫度計，電烙鐵，攪拌棒，250 ml燒杯，天平等。

將鋼筒部分外壁打磨光滑，再將應變片沿圓周方向粘貼在鋼筒上；用電烙鐵將電阻應變片的接頭與導線的一端接頭焊接起來，再連接到應變儀上[9]；將用塑料袋包裹的鋼筒放入裝有溫水的水箱中；取350 g靜態破碎劑，再量取98 ml溫水，攪拌均勻后倒入鋼筒中，并用錫箔紙封好管口；接通應變儀的電源，設置好參數，通過應變儀數據處理軟件，觀察測量的應變值隨時間的變化趨勢，讓靜態破碎劑在自然狀態下反應大約48 h。設計裝置與傳統測試膨脹壓-時間對比如圖4所示。

圖4 設計裝置與傳統測試膨脹壓-時間對比Fig.4 Comparison of the expansion pressure-time of test device and the traditional method

由圖4可知，用設計裝置測試的膨脹壓隨時間的變化趨勢與傳統測試膨脹壓隨時間變化的趨勢基本一致，但設計裝置的值比傳統測試膨脹壓的值大5 MPa左右。隨著反應時間增加，反應逐漸穩定，兩種測試方法的膨脹壓逐漸在接近，差值縮小到約4 MPa?？紤]到使用傳統膨脹壓測試方法時測試鋼筒放在水中，從而測試的值本身就會偏小[10]，而設計裝置可以在室溫下反應，測試條件和實際施工中靜態破碎劑反應的條件更加接近，故從理論上來說設計裝置的測試環境更接近靜態破碎劑實際的膨脹環境。

4 結論

1)將設計裝置測得的膨脹壓力測試值與傳統膨脹壓測試試驗結果對比分析，可以得出設計裝置有效，且利用設計裝置進行膨脹壓測試試驗可以達到相應的測試要求并且避免了溫度效應對試驗結果的影響。

2)設計裝置在測試靜態破碎劑徑向膨脹壓時不用放入恒溫水箱中，可以直接在室溫下進行測試，從而簡化了操作步驟、提高了反應速率。

3)通過設置不加熱和電加熱兩組對比試驗，分析得出溫度對靜態破碎劑水化反應速度影響很大，通過不加熱讓靜態破碎劑自然反應與電加熱試驗對比，得出電加熱可以加快反應速率，縮短反應時間。

4)反復試驗不會對設計裝置造成損壞，且該裝置可以拆卸，故設計裝置可以反復循環重復試驗使用，有利于節約資源和節省成本。

5)設計裝置在試驗過程中不會發生出現噴孔現象，與傳統膨脹壓測試中可能發生噴孔現象相比，設計裝置的測試過程更加安全且裝置分成兩部分拆卸時非常方便。