靜態膨脹劑體積增長率的實驗研究*

馬麗潔，左安家，李 昊，李 迪

(華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

靜態膨脹劑是一種以氧化鈣為主的無機化合物，它通過與水混合發生反應進行膨脹與硬化，從而生成氫氧化鈣，體積增大，產生膨脹壓力使巖體破碎[1-2]。由于其具有無振動、無飛石、無沖擊波、無噪音、無有毒氣體污染等，因此被廣泛應用于混凝土、巖石安全破碎,建筑結構拆除等方面[3-5]。

針對靜態膨脹劑的力學性能及破巖機理，我國很多學者開展了相關研究。唐烈先等人截取了方形的混凝土模型，對其施加內壓，并用采用RFPA2D軟件模擬了混凝土試塊的破壞過程和裂紋擴展方向，得出單孔方形混凝土模型是以三條不同方向的裂紋形式進行破壞的結論[6];謝益盛等人通過分析不同因素對膨脹劑產生的膨脹壓力的影響，將水化反應劃分為4個階段，研究靜態膨脹劑產生的徑向膨脹壓力與軸向膨脹壓力之間的差異與關系[7];姜楠等人采用電測法對比分析了小孔徑和大孔徑中膨脹劑所產生的膨脹壓力和反應溫度，建立了巖石應力模型，利用有限元數值計算得到擬合修正方程并推導出適用于實際工程應用的大孔徑布孔參數計算方式[2];李瑞森等人采用電阻應變片法測量了靜態膨脹劑在21個無縫鋼管模擬鉆孔中產生的徑向膨脹壓力，發現靜態膨脹劑在合適孔深、較大孔徑的條件下會產生更大的徑向膨脹壓力[8];李巖將靜態膨脹劑倒入不同強度的混凝土模型中，觀察混凝土表面的裂紋擴展情況并對其應變變化規律進行記錄分析[9];等等。

現有研究主要集中在靜態膨脹劑的破壞過程以及其產生的膨脹壓力與孔徑之間的關系，鮮有學者對靜態膨脹劑反應前后的體積增長率進行研究。本次實驗研究了自由膨脹狀態下靜態膨脹劑反應前后的體積增長率隨時間變化的規律。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

靜態膨脹劑的主要成分為氧化鈣，與水發生化學反應會產生氫氧化鈣。靜態膨脹劑利用這種化學反應和由氫氧化鈣晶體體積增加而產生的膨脹壓力來破壞巖石和混凝土等脆性材料。反應方程式為：

CaO+H2O→Ca(OH)2+64.8kJ

從體積上看，Ca(OH)2相的體積約為CaO相的1.98倍。靜態膨脹介質的體積膨脹過程主要取決于固相的體積增長。反應前后的物體晶體形狀發生變化，由立方晶體轉變為復三方偏三角面晶體，從而引起體積膨脹，產生膨脹壓力[10]。本實驗采用內徑為 65 mm，長度為 2 m 的PVC塑料管的作為容器，往PVC管一端倒入膨脹劑，另一端留空，設為自由端，如圖1所示。其中，留有小孔，插入溫度計測量反應溫度。采用北京某化工廠生產的力強膨脹劑和自來水作為實驗材料。

圖1 裝有靜態膨脹劑的PVC管

1.2 實驗方法

保持室溫為 20 ℃，按照0.2、0.3、0.4的水灰比(質量比)稱取膨脹劑和水混合。每次稱取的膨脹劑為 1.6 kg，攪拌均勻后倒入PVC管中，在無約束狀態下使其膨脹，1 h、2 h、3 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h 后測反應產物密度值ρ0。將ρ0帶入公式V0=m/ρ0，求出體積V0理論數值。膨脹劑與水混合后的密度按照混合漿體密度測定出的平均結果計算，得出ρ，將ρ帶入公式V=m/ρ，得V的值，利用V和V0計算出靜態膨脹劑的體積增長量和增長率。每 1 h 記錄一次溫度計的溫度示數。

2 結果分析

2.1 靜態膨脹劑在不同水灰比條件下體積膨脹率的變化

根據上述實驗方法得到靜態膨脹劑在不同水灰比條件下的體積膨脹率，將其繪制成圖。圖2為水灰比(質量比)為0.2、0.3、0.4的靜態膨脹劑的體積增長率隨時間變化曲線圖。

圖2 不同水灰比的體積膨脹率隨時間變化曲線

根據圖2中的曲線走勢，可以將膨脹劑和水的化學反應分為三個階段：反應初期預熱階段、快速反應膨脹階段、壓力穩定階段。

0～3 h 為第一階段，即反應初期預熱階段。在此階段，靜態膨脹劑中的氧化鈣與水慢慢接觸并發生反應，但是由于接觸不充分，體積膨脹處于緩慢增長階段。此時體積膨脹是因為一些CaO分子與水反應生成Ca(OH)2，由氫氧鈣生成的氫氧化鈣固相體積增加了。3～20 h 為第二階段，即快速反應膨脹階段。由于反應初期氧化鈣和水融合反應過程中放出熱量，使反應溫度升高，從而加快了氧化鈣與進入其內部的水分子發生反應，生成氫氧化鈣，體積膨脹進入快速增長階段。快速反應膨脹階段的靜態膨脹劑的體積膨脹為原來體積的2倍左右。這是因為CaO晶體是微細角質形狀，Ca(OH)2晶體是復三方偏三角面形狀，其表面積與分子間距皆增大，所以體積發生膨脹。20～24 h 為第三階段，即壓力穩定階段。此階段靜態膨脹劑與水反應基本完成，體積不再發生膨脹。水化產物大量增多，反應生成的Ca(OH)2阻礙著CaO與水的進一步接觸，反應慢慢停止，因此后續壓力增加不明顯，膨脹壓力曲線基本處于穩定狀態。

由圖2得知，水灰比的增大使反應開始和結束的時間提前，但是體積膨脹率是隨著水灰比的增大反而降低的。在室溫為 20 ℃ 的條件下，0.2、0.3、0.4的水灰比對應的最大體積膨脹率為2.21、2.16、2.12；水灰比為0.2時體積膨脹率達到最大，水灰比為0.4時體積膨脹率最小；可以看出，隨著水灰比的增大，體積膨脹率是減小的。但在工程應用中，考慮到攪拌問題，當水灰比小于0.25時，流動性極差，難以注入建筑或者巖石的鉆孔中；當水灰比大于0.35時，流動性滿足要求，但是降低了靜態膨脹劑產生的膨脹壓力，影響效果。綜上考慮，在工業應用中選擇水灰比0.25～0.35最為適合。

2.2 靜態膨脹劑在不同水灰比條件下溫度的變化

把 24 h 的溫度變化和水灰比的關系繪制成圖3。

圖3 不同水灰比的溫度隨時間變化曲線

從圖3中看出，0～4 h 即反應初始階段，反應的進行，放出熱量，使得溫度一直在上升狀態。4～12 h 溫度增長快速，這是因為反應前期水和膨脹劑發生反應放出熱量升高了反應溫度，從而加快了水化反應速率。12～20 h 為反應持續時間，在此階段，溫度已經達到最高值，將不再升高：反應持續發生，CaO不斷反應產生Ca(OH)2，體積不斷膨脹，反應產生的熱量一直用于蒸發水蒸氣，產生的熱量與散發的熱量達到了平衡，溫度保持穩定。20～24 h 期間，反應已經停止，不再有熱量放出，溫度在室溫條件下逐漸下降，最終恢復成室溫，

由曲線的走勢還看出，不同的水灰比，反應到達最高溫度所需要的時間是不同的；達到最高溫度所需要的時間隨著水灰比的增大而減少，水灰比為0.4的反應達到最高溫度所需要的時間最短，且反應速率最快，最先停止反應，這是因為其含水量較大，水分子可以與靜態膨脹劑中的氧化鈣充分反應；水灰比為0.2的反應速率最慢且反應持續時間最長，這是因為其含水量少，分子間隙由反應生成的氫氧化鈣分子進入，沒有多余的孔隙使得水分子進入，從而使得氧化鈣無法與水充分的發生反應。

3 結論

1)水灰比為0.4的靜態膨脹劑發生反應所需要的時間最短，體積膨脹率最小；水灰比為0.2的靜態膨脹劑發生反應所需要的時間最長，體積膨脹率最大；靜態膨脹劑與水反應后體積最大可膨脹為原來的2.2倍。不同水灰比條件下反應所能達到的最高溫度是一致的，但是到達最高溫度所需要的時間是隨著水灰比的增大而減小的。

2)室溫條件下，靜態膨脹劑與水的反應可以分為三個階段：反應初期預熱階段、快速反應膨脹階段、壓力穩定階段。反應初期預熱階段和壓力穩定階段反應較為平緩，體積膨脹率變化不大，反應中期為劇烈反應階段，體積膨脹，放出熱量，產生膨脹壓力。

3)在靜態膨脹劑與水的反應過程中，反應一直放出熱量，加快了靜態膨脹劑與水的反應速度，使溫度持續升高，最終達到最高溫度后將持續最高溫度8h左右；等反應結束后，溫度降低至室溫。