静态破碎剂径向膨胀压测试装置研究

刘 娟，谭钦文,2，刘建平,2，吴爱军,2，吴春燕，李文武

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.西南科技大学西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 621010)

静态破碎剂是20世纪80年代初在国外研制成功的一种粉状破岩材料，它可以在不使用爆炸物的情况下用CaO与水反应生成Ca(OH)2所产生的体积膨胀破碎岩石、混凝土等作用对象[1]。随着现代经济的发展，城市建筑物的拆除量不断增加，静态破碎剂的应用越来越广泛并具有广阔的发展前景，因此，准确测量其膨胀压的值对于优化其施工效果有重要意义。戴丽莱等[2]应用液压理论设计了一种液压平衡测压仪，这种仪器避免了电测法中温度效应对测量结果的影响，但平衡指针分度值较低，手压油泵可能存在漏油卸压的问题，导致测量精度不高。谢益盛等[3]对静态破碎剂的膨胀力学性能进行了深入研究，考虑用密封胶代替塑料袋封闭应变片的方法来避免放热直接对应变片测量结果的影响来对试验进行优化[4]，但试验采用的钢筒仍然是一次性用品，不能重复使用。

参考相关标准和设计手册，本文设计了一种静态破碎剂径向膨胀压测试装置，可弥补现有测试方法的部分不足，为今后静态破碎剂被更广泛有效地应用打下更坚实的基础。

1 结构设计

左右周边块(为了保证静态破碎剂体积膨胀之后力全部沿平行于测压方向传播且方便拆卸，因此考虑将周边块分为左右两个部分，组合起来是一个整体)闭合之后中间有一个圆柱腔体用于装药。中间通孔部分是为了放静态破碎剂，通孔直径取50 mm，内螺纹与顶盖螺纹配合连接，考虑到方便连接，取粗牙螺纹M52×2，左右周边长160 mm、宽140 mm、高140 mm。周边块凸台部分上的通孔直径为配合螺栓标准件的连接取22 mm，通孔厚度根据受力情况分析：

对于通孔部分：根据第三强度理论(最大剪应力理论)

τ≤[τ]

(1)

式中：τ为剪应力，最大值约120 MPa；[τ]为底部挡片的材料45钢的抗剪强度，170 MPa；经验算通孔厚度20 mm时满足要求。

圆柱度。查阅机械设计手册，考虑到要使静态破碎剂膨胀压在垂直方向上均匀分布同时要保证膨胀压力能均匀地作用于螺栓，防止其变形，故将中间放药柱的圆柱孔圆柱度的公差等级取为6级，再根据圆柱度取值标准，主尺寸为80 mm、公差等级为6级时其圆柱度值为5 μm。

垂直度。查阅机械设计手册，考虑到要使径向的膨胀压严格垂直于药柱作用于周边块同时要保证穿过孔的螺栓能准确地与测力计连接，故取垂直度公差等级为5级，根据形位公差标注国家标准《形状和位置公差未注公差值》GB/T 1184-1996，当主尺寸为140 mm、垂直度公差等级为5级时，对应的垂直度为20 μm。

根据机械设计简明手册中形位公差等级对应的最低粗糙度要求，公差等级为7级及以下时取对应表面粗糙度为0.8，其余表面粗糙度满足装配要求取为3.2。

对于底部挡片，伸入周边块的圆环部分受力分析为

σ≤[σ]

(2)

(3)

(4)

式中：σz为轴向应力，最大约40 MPa；[σ]为底部挡片材料45钢的屈服强度，355 MPa；D为底部挡片的直径,mm；d为装药腔体的直径，50 mm。经验算底部挡片直径为60 mm时满足要求。

由式(3)可得：

(5)

根据第三强度理论，要保证底部挡片在受到膨胀压力的时候不变形，则有：

(6)

式中：h为挡片的厚度，mm；d为底部挡片的直径，60 mm。代入数据得到厚度h为8 mm时满足要求。

顶盖通过外螺纹与周边块螺纹配合连接，考虑到方便连接，取粗牙螺纹M52×2。顶盖有螺纹部分厚25 mm，总厚45 mm。考虑到静态破碎剂反应较慢，因此在顶盖上开一个φ2的通孔，以保证加热棒的引线通过。

螺栓取标准件GB/T 5785，参数：M20×1.5，长180 mm。考虑到螺栓要用于将左右周边块固定，选择防松效果好、强度高、精密的细牙螺纹。

螺母用于固定螺栓，考虑到静态破碎剂膨胀时会在螺母处有极大的拉力，因此选用等级高、强度高的型号为GB/T 6175的螺母，螺母要与螺栓配合连接，因此螺纹选用M20×1.5。

本装置主要包括左右周边块、底部挡片、顶盖等零件和用于连接的螺栓和螺母，其具体参数及取值如表1所示，装置设计如图1所示。

表1 装置部件参数

注:1-左周边块；2-底部挡片；3-顶盖；4-螺栓；5-右周边块；6-螺母。图1 测试装置Fig.1 Test device

2 工作原理

采用设计装置进行膨胀压测试时，测试装置受力分析如图2所示，静态破碎剂发生体积膨胀会沿径向产生向外的膨胀压力，径向膨胀压最终作用为螺杆上的拉力。

图2 测试装置受力分析Fig.2 Force analysis of the test device

测试装置的中间装药腔体的直径为50 mm，孔深100 mm，算出腔体的纵向剖面积，由读取的应变值，经式(8)和式(9)计算得相应的膨胀应力值，整理分析试验结果。

利用弹塑性力学理论[5]，即可求出静态破碎剂的膨胀压力。

σ=Eε

(7)

F=σS

(8)

(9)

式中：E为合金钢35CrMo的弹性模量，206 GPa；ε为应变片测得的应变值，με；S为螺杆的纵向剖面积，314.16 mm2；S2为静态破碎剂圆柱体腔室的纵向剖面积5 000 mm2；σ2为需要得到的静态破碎剂膨胀压值，MPa。

3 膨胀压测试试验研究

3.1 应变仪联合测压试验

试验所用的主要材料包括：①静态破碎剂；②规格M20×1.5、长190 mm、材料为35CrMo合金钢的螺栓两根；③规格M20×1.5，厚18 mm的螺母；④平垫片。试验所用的仪器主要有：5AA带端子免焊接电阻应变片，自制高强度测试装置，YJZA-8型智能数字静态电阻应变仪，导线若干条，手套，PVC防护眼镜，笔记本，圆珠笔，扳手，电子温度计，电烙铁，搅拌棒，250 ml烧杯，加热电阻棒，天平等。

1)静态破碎剂自然反应下的膨胀压测试。试验室温度大约19 ℃，室内温度变化范围2 ℃左右，变化较小，可以忽略外界温度变化对试验结果的影响[6]。

利用螺栓通过连接孔配合平垫片和螺母将左右周边块锁紧；粘贴应变片并用电烙铁将电阻应变片的接头分别与导线、应变仪连接；调节两根螺栓上螺母的松紧程度，使应变仪上有相同的初值，以排除螺纹连接松紧不同对试验结果的影响。按照水灰比[7]0.28调制静态破碎剂浆体，称取400 g静态破碎剂，再量取120 ml温水；搅拌均匀后倒入测试装置的中间空腔部分，盖上顶盖并旋紧；接通应变仪的电源，打开电脑上的应变仪对应的数据处理软件，设置好参数，让静态破碎剂在自然状态下反应24 h，观察测量的应变值随时间的变化趋势。

2)电加热静态破碎剂反应下的膨胀压测试。将左右周边块锁紧，粘贴应变片并与应变仪连接；取400 g静态破碎剂，再量取120 ml温水，搅拌均匀后倒入空腔内，将加热电阻棒和热电偶粘在一起放入浆体内，线头穿过顶盖预留的孔，用导线将线头连接到电源，盖上顶盖并旋紧；接通应变仪的电源，同时接通加热电阻棒的电源，用调压器将电压控制在70 V，加热到60 ℃之后，断开加热电阻棒连接的电源，设置好参数，通过应变仪数据处理软件，观察测量的应变值随时间的变化趋势，反应近12 h。

由自然反应状态下与电加热状态下膨胀压-时间对比(见图3)可知，在电加热情况下膨胀压在4 h内达到55 MPa，而不加热情况下的静态破碎剂需要24 h才达到。并且12 h后，用加热方法测得的膨胀压高达90 MPa，说明在相同药量的情况下，采用电加热的方法进行反应可以加快静态破碎剂的反应速率，提高爆破效率。

图3 不加热与加热状态下的膨胀压-时间对比Fig.3 Comparison of expansion pressure-time between unheated and heated state

3.2 传统膨胀压测试试验

中华人民共和国建材行业标准JC 506-2008无声破碎剂中提供了一种静态破碎剂膨胀压测试试验方法。这种测试方法的具体操作为：①在Q235钢筒外表面相应位置粘贴应变片；②用塑料袋包裹钢筒放入恒温的水箱中。在这种情况下，破碎剂发生水化反应后使得受压钢筒产生膨胀，通过应变片得出的钢筒的变形值[8]，再根据静态破碎剂径向膨胀压的计算公式即可得出膨胀压的大小。根据上述膨胀压测试方法，静态破碎剂在钢筒中产生的径向膨胀压力为

(10)

式中：p为钢筒所受水化反应产生的径向膨胀压力，MPa；Es为钢筒的弹性模量，取2.06×105MPa；K为钢筒内外径比；εθ为钢筒径向应变；μ为钢筒泊松比，取0.3。

试验所用的材料主要是：静态破碎剂，高250 mm、内径26 mm、壁厚3 mm的钢筒，5AA带端子免焊接电阻应变片。试验所用的仪器主要有：YJZA-8型智能数字静态电阻应变仪，导线若干条，手套，PVC防护眼镜，笔记本，圆珠笔，扳手，电子温度计，电烙铁，搅拌棒，250 ml烧杯，天平等。

将钢筒部分外壁打磨光滑，再将应变片沿圆周方向粘贴在钢筒上；用电烙铁将电阻应变片的接头与导线的一端接头焊接起来，再连接到应变仪上[9]；将用塑料袋包裹的钢筒放入装有温水的水箱中；取350 g静态破碎剂，再量取98 ml温水，搅拌均匀后倒入钢筒中，并用锡箔纸封好管口；接通应变仪的电源，设置好参数，通过应变仪数据处理软件，观察测量的应变值随时间的变化趋势，让静态破碎剂在自然状态下反应大约48 h。设计装置与传统测试膨胀压-时间对比如图4所示。

图4 设计装置与传统测试膨胀压-时间对比Fig.4 Comparison of the expansion pressure-time of test device and the traditional method

由图4可知，用设计装置测试的膨胀压随时间的变化趋势与传统测试膨胀压随时间变化的趋势基本一致，但设计装置的值比传统测试膨胀压的值大5 MPa左右。随着反应时间增加，反应逐渐稳定，两种测试方法的膨胀压逐渐在接近，差值缩小到约4 MPa。考虑到使用传统膨胀压测试方法时测试钢筒放在水中，从而测试的值本身就会偏小[10]，而设计装置可以在室温下反应，测试条件和实际施工中静态破碎剂反应的条件更加接近，故从理论上来说设计装置的测试环境更接近静态破碎剂实际的膨胀环境。

4 结论

1)将设计装置测得的膨胀压力测试值与传统膨胀压测试试验结果对比分析，可以得出设计装置有效，且利用设计装置进行膨胀压测试试验可以达到相应的测试要求并且避免了温度效应对试验结果的影响。

2)设计装置在测试静态破碎剂径向膨胀压时不用放入恒温水箱中，可以直接在室温下进行测试，从而简化了操作步骤、提高了反应速率。

3)通过设置不加热和电加热两组对比试验，分析得出温度对静态破碎剂水化反应速度影响很大，通过不加热让静态破碎剂自然反应与电加热试验对比，得出电加热可以加快反应速率，缩短反应时间。

4)反复试验不会对设计装置造成损坏，且该装置可以拆卸，故设计装置可以反复循环重复试验使用，有利于节约资源和节省成本。

5)设计装置在试验过程中不会发生出现喷孔现象，与传统膨胀压测试中可能发生喷孔现象相比，设计装置的测试过程更加安全且装置分成两部分拆卸时非常方便。