静态破碎施工新技术的研究与应用

谢敬坦 于秋月 郝小天 蒲 龙(河北省石家庄市功能建材有限公司，河北 石家庄 050100）

静态破碎施工新技术的研究与应用

谢敬坦 于秋月 郝小天 蒲 龙(河北省石家庄市功能建材有限公司，河北 石家庄 050100）

针对无声破碎剂特性，在传统产品与小孔常规施工技术基础上，研究成功大孔专用产品及其压喷法、卷式法施工新技术。对于提高静态破碎施工效率，具有推进作用。为便于理解，本文将其与传统产品、常规方法一并进行比较分析。

无声破碎剂；静态破碎；大孔专用产品；施工新技术；防喷剂

1 静态破碎机理

无声破碎剂是一种无机粉末状材料，主要成分是fCaO。无论用于什么工程，无论大孔、小孔，进行静态破碎的操作要点是一致的，即将无声破碎剂与水拌和成具有一定流动度的粥状浆体，灌入预先钻好的孔中，产生强大的膨胀应力，将孔壁胀破拉裂。静态的含义是在拉裂过程中，无噪声、无气味、无粉尘飞扬。

产生膨胀应力的过程是这样的，通过水化反应，fCaO先与水生成胶状氢氧化钙，继之形成各向异性的六方片状晶体，这种水化产物具有体积膨胀性。在自由状态下孔中浆体硬化后、固相体积增大到原来的2～3倍；在约束条件下，体积膨胀变小；当约束无限增大时，这种膨胀就极其困难、甚至不能表现出来。固相体积的增大，受到孔壁的约束，产生对外的环向膨胀压力，作用于孔壁、从中心向周边放射传递，并于直角方向发生拉伸应力，在孔壁最脆弱的部位应力集中，当超过被破碎物的抗拉（裂）强度时，便产生裂缝、并随着水化反应的继续进行而扩大，表现出与化学炸药类似的爆破效果。

该水化反应是典型的放热反应，用化学反应式表达为：

研究表明，水化反应速度随着水化过程中浆体温度的提高而显著加快。在温度0-100℃的范围内，温升每提高10℃其反应速度增加一倍，由灌孔时的大约20℃提高到100℃时，在理论上反应速度要加快256倍。当温度低于100℃的情况下，伴随热量的积聚、温度升高，当温度超过100℃时，浆体中尚未完成反应的游离水迅速由液相变成气相，产生的水蒸气呈气泡状在浆体中运动聚集而形成气压，在浆体尚未硬化之前、孔壁对浆体的粘结力还很小，当气压达到一定值后会使浆体冲出孔外，此即习惯所称的喷孔现象。

喷孔现象的致命危害是容易发生人身安全事故，其次是浪费材料、不能收到应有的破碎效果。但从另一方面看，恰恰表现这种产品具有反应速度快、膨胀压高、可能会使破碎效果达到至美程度的优势，压喷法与卷式法的关键就是避害就利，完成化害为利的有益转变。

大家知道，环境温度对fCaO的水化反应速度影响很大，冬天寒冷季节反应缓慢、破碎效果往往不够理想，夏季高温季节则因反应速度快易发生喷孔，在这方面积累了丰富的经验。显然，如果将外部环境温度的影响与孔内浆体温度变化的影响结合起来综合对待，势必会推进静态破碎施工技术的进步与完善。

2 大孔产品性能

表1 无声破碎剂的基本性能

2.1 常规孔用无声破碎剂的性能

根据JC506《高效无声破碎剂》规定，常规产品凝结时间＞10min，按使用季节分I、II、III三个型号。此外，按企业标准研制成功了高温型Ⅳ。各型号的膨胀压及适用环境温度如表1所列。

从表1可知，环境温度是选用产品的第一根据，夏天施工选Ⅰ型（25-40℃），春秋季节选Ⅱ型（10-30℃），冬季选Ⅲ型（-5-15℃），盛夏以及在高热地区选Ⅳ（40-50℃）。常规产品适用的孔径为Φ40mm左右，习惯上称为小孔。选型正确，是破碎施工成功的保证。

2.2 大孔用无声破碎剂性能

用于大孔（Φ50mm-Φ100mm）的无声破碎剂，要求在使用环境温度条件下不喷孔，开裂时间约24h前后。常规产品选型基本限于Φ45mm以下、可以不考虑孔径的具体尺寸，大孔施工的显著区别是须根据孔径大小选择适合的大孔专用产品；某些情况下，也可以在专家指导下错季混型使用常规产品。

图1 掺与不掺防喷剂的水化温升

2.3 防喷技术

无论常规产品还是大孔产品，必须从产品本身做到防喷，在产品生产过程中或现场施工时加入适当量的防喷剂是十分便捷的。研制成功的防喷剂是一种能够有效抑制喷孔的专利产品（专利号ZL.2014 1 0157325.0 ）， 防喷原理是在加水初期延缓fCaO的水化，当浆体具有一定强度、与孔壁的粘结力足以抵抗冲孔以后，fCaO恢复正常的水化放热反应，达到既能阻止喷孔又不妨害破碎效果的双重目的。图1为高温型无声破碎剂掺与不掺防喷剂的水化温升比较，可以看出不掺防喷剂时，fCaO水化反应迅疾发生，4h温升达120℃，使用防喷剂后，水化反应速度受到显著抑制，在30h内水化放热延缓，强度组分正常水化，当浆体凝结、硬化已经具有足够的强度后，fCaO水化速度恢复，温升达160℃，使破碎效果得到强化。

2.4 压喷材料

大孔施工时，孔内灌入无声破碎剂质量较大，相对小孔而言，水化热总量、温升速度要大得多，冲孔的可能性也大得多。在使用防喷剂的情况下，小孔常规产品施工完全可以不担心喷孔。在使用大孔产品施工时，利用防喷剂也可以做到完全防喷，但开裂速度会有延缓；当要求快速破碎时，可以定型生产冲孔可能性介于有无之间的产品，而采用压喷法施工，既做到不喷孔、又最大限度地发挥水化热转而促进水化反应的作用。压喷法的核心是使用压喷材料，操作的要点是灌浆后用压喷材料快速封口。压喷材料属专用材料，流动性很好、易于操作，具有快速水化、快凝、快硬、高强度、微膨胀的特性，凝结时间2-3min，抗压强度5min≥40MPa,1-2h达50MPa以上，因此在3-5min内即与孔壁牢固结合、产生足以抵抗冲孔的粘结强度。需要说明，石家庄市功能建材有限公司按国家标准生产的无声破碎剂常规产品，小孔施工完全可以不担心喷孔，一般不采用压喷法。大孔施工也并非全部必须采用，它比较适用于用户有指定破碎时间要求或指定设计工程或有生产厂专家指导的大孔施工。

3 静态破碎效果的主要影响因素

3.1 环境温度影响

环境温度是最早发生的影响因素，温度高水化快，温度低水化慢。图2是同一型号常规产品在不同环境温度下的膨胀压增进速度曲线，可以看出，膨胀压随温度的升高而提高；低温下不能正常发挥，高温下则可能喷孔。通俗地说，就是夏季高温下正常使用的Ⅰ型、Ⅳ型产品，如果用于低温环境工程就不会开裂，而适于冬季使用的Ⅲ型产品如果用于高温环境工程则必然发生喷孔。当然，每个型号的适用温度范围并非是绝对严格的，都与另一个型号的有一个交叉区域。例如环境温度25-30℃时，Ⅰ型、Ⅱ型皆在可选之例，10-15℃Ⅱ型、Ⅲ型也皆在可选之例。不过，需要予为防范，温度处于交叉区域时，发生喷孔的几率要高于平时，必要时应咨询生产厂专家。

图2 HSCA-1产品在不同温度下的膨胀压增进速度曲线

3.2 水料比

加水量用水料比w/c控制。加水量大小直接与膨胀压有关。多次进行膨胀压标准检验证明，同一型号的无声破碎剂产品，w/c大、膨胀压低，w/c小、膨胀压高；w/c由0.25增至0.30、即加水量增加20﹪时膨胀压约降低20%左右，增至0.35时约降低40%左右。道理十分清楚，每个品牌的产品都有自己的最佳水料比，过多的加入水、自然会占据孔内的有效空间而减小无声破碎剂的有效反应质量，同时会吸收水化热、影响水化行为。各国、各生产厂的生产工艺与产品配方会有所区别，最佳用水量也有所不同。施工现状调查表明对此尚认识不足，有的操作者往往凭习惯、凭个人所好加水比较随意，或者不区分品牌一律加入相同的水量。在感性上以为w/c增减一点不是大问题，假设浆体总量1000g，计算其中水、料的单独用量，得到表2的数据，从中可知0.05w/c变化的结果会使加水量增减比惊人地高达15.5%，发生这种情况当属违反施工规程。

表2 增大w/c时灌孔无声破碎剂及水量的增减比例/%

加水的作用，一是外在必须，获得灌孔需要的流动度，加水量偏低时流动性不足、影响灌孔速度与充填丰满程度。加水量偏高时虽然流动度大、灌孔操作痛快，但危害性更大，灌孔之前及灌入之初fCaO的水化已经显著发生、膨胀压无效消耗较大；孔中fCaO的质量数明显受损，多加的水在灌孔之后、凝结之前的时间段内呈游离状态，形成的水蒸气极易导致喷孔。不同水料比在实验室标准条件下测定的膨胀压曲线如图3，可以看到这种影响，w/c为0.21时的膨胀压增进速度与增进率显著高于0.35时，而0.35时在早期达到一个膨胀压值后几乎没有明显增进。

加水的第二个作用是内在的、也是根本性的，水是参与化学反应的物质，供给fCaO水化所需而产生足够的膨胀压，二者都是直接反应物、不可只偏重一方。以石家庄市功能建材公司产品为例，w/c一般控制为0.25比较适宜，小孔施工或略高一点；流动度控制值275±25mm，使浆体达到自流平的程度即可。

图3 不同水料比的膨胀压

3.3 孔径大小

常规施工的孔径一般为Φ38mm-Φ42mm，尺寸小、装入的无声破碎剂质量也小，开裂速度较慢。反之，大孔速度较快、要害是不能喷孔。从用户要求而言，更希望提高破碎速度、加快施工进度，目前市场已经呈现出由小孔施工到大孔施工的发展趋势。例如，冬季施工，便可选择用Φ50mm-Φ60mm孔取代Φ40mm孔，试验与应用证明，最寒冷季节，可以采用Φ80mm孔。

3.4 最小抵抗线、临空面、孔距设计

最小抵抗线指孔中心离破碎物边缘的最小距离，等于钻孔的排距。最小抵抗线应尽量临空，临空面多、最小抵抗线可以大些，临空面少、最小抵抗线要小一点。孔距的确定应考虑最小抵抗线、临空面、被破物强度等诸多因素，一般取孔径（a）的5-10倍。另外，须考虑破碎对象的抗拉（裂）强度，对于石材最小抵抗线可略大、孔距可略小，对于建筑工程的岩石基础、废旧混凝土构筑物拆除工程抵抗线应略小一些。推荐梅花状布孔，多排孔同时破碎时，前排孔和后排孔之间最好保持有时间差。

4 静态破碎施工新方法

4.1 一般施工方法与要求

使用常规产品施工，首先须根据工程所处环境选型，当环境温度处于25-40℃时选Ⅰ型，10-30℃时选Ⅱ型，-5-15℃时选Ⅲ型，高热地区选40-50℃使用的Ⅳ型。施工期间现场发生天气的骤冷骤热变化时，预先选购的型号可能与破碎要求产生偏离，这时应采取相应的辅助措施，例如在现场补加防喷剂、激发剂。其它共同性还要求包括如下各项，孔径Φ40左右（38mm-42mm）,冬季施工可扩大至Φ50-Φ60mm。孔距一般为孔径（a）的5-10倍：孔深一般为0.9-1H（H为被破碎体的高度）。装料量以每M/孔计算时为2.3-2.8kg(Φ38mm-Φ42mm)；自加水拌和到灌孔完毕总操作时间不应超过10min。施工中操作人员必须佩戴防护眼镜和橡胶手套，灌孔完毕后及时远离现场，禁止俯视已灌完的孔。

大孔施工坚持如上原则，特别之处在于选择大孔专用产品，基础也是环境温度，订货前应向厂家如实说明，厂家应提出主要的施工要求事项。孔径一般为Φ50-Φ100mm,孔距为孔径的5-10倍，最小抵抗线为0.5-1.0m。由于孔大、装料量多，必须严格要求拌料迅速、灌孔迅速，每次搅拌量不宜大于25kg，最多不超过50kg，以避免因灌孔迟缓造成有害的孔外水化现象。

4.2 大孔压喷法施工

压喷法的机理是阻止孔内水蒸气从上方出口逸出，将其形成的蒸气压保持在孔内；方法是将孔口密实封堵，让膨胀压在孔内迅速集聚、完全作用于孔壁，最大限度地利用膨胀能、实现快速破碎。一般在2-3小时内产生开裂。在施工条件具备的情况下，尽可能选用大孔（Φ100mm），破碎效果更好。越是水化反应快、温升快且孔内浆体温度较高，越适用该法。生产厂家在提供大孔产品的同时，会提供压喷材料，压喷材料用料量按Φ100孔计算为4kg左右。拌和w/c比小孔施工可略有放宽，目的是确保快速完成拌和、灌孔操作，严防时间拖后。特别提示，在完成拌和无声破碎剂浆体时即应在备置妥当的容器中加水拌制压喷材料浆体。在完成无声破碎剂浆体灌孔后马上用5cm厚苯板覆盖；并立即灌注封口材料，灌入深度为25-35cm。封口材料自加水到封口完毕，时间不得超过3min。

表3 无声卷的规格与使用性能

4.3 卷式法施工

特殊工程会运用水平孔、或由下向上的倾斜孔，这时，无法实现垂直孔那种灌浆施工，可改用卷式法。卷式法的基础是将无声破碎剂按型号、孔径预先做成卷式无声破碎剂产品，简称无声卷。无声卷的规格与使用性能列于表3。钻好孔后，将无声卷逐个浸入装有清水的容器中，按要求的时间浸水，然后拿出过磅，如重量不在要求范围内，应调整浸水时间。将浸好水后的无声卷迅速装入孔中，每装入一个卷均须用木棍捅捣密实。为防止捣实的装入卷松散、滑落，装卷完毕后应用快硬水泥或木棍塞头封口。

5 结 语

1)静态破碎与动态破碎相比，具有安全、环保、不产生二次污染的显著优势，具有良好的市场发展前景。

2)大孔破碎与常规孔破碎相比，具有破碎速度快、效率高的优势，在适用工程方面有较大的拓展空间。

3)本文提出的压喷法适用于大孔破碎施工，卷式法适用于特殊工程破碎施工。

本工作得到中国建材研究总院游宝坤、赵顺增及本公司李乃珍三位教授的指导与支持，在此特致谢意。

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