戴星航 邱兆國 張鳳鵬 徐香新

(1. 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819;2. 東北大學(xué)理學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

靜爆劑廣泛應(yīng)用于石材開采、巖石破碎和邊坡修整等工程領(lǐng)域。在上述領(lǐng)域中，利用礦巖體鉆孔中靜爆劑與水反應(yīng)體積膨脹產(chǎn)生的徑向膨脹壓作用于孔壁，使鉆孔周邊在切向產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致礦巖體沿鉆孔布置方向開裂。因此，膨脹壓是靜爆劑最主要的性能指標(biāo)，是影響靜態(tài)爆破效果的關(guān)鍵因素。對于靜爆劑膨脹壓的測試，常用的方法為外管法、內(nèi)管法和壓力傳感器法3 種［1-5］。上述3 種測試方法均利用電阻應(yīng)變片測量(電測法)得到應(yīng)變值，進(jìn)而計算膨脹壓。通過對外管法進(jìn)行分析和試驗，發(fā)現(xiàn)外管法在應(yīng)用過程中存在如下問題:①熱輸出影響，靜爆劑與水反應(yīng)釋放大量的熱量，熱輸出會對電阻應(yīng)變片測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響;②工藝復(fù)雜，外管法需要將鋼管放入水箱降溫，防止水化反應(yīng)產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致應(yīng)變片脫落失效，同時還需對應(yīng)變片進(jìn)行防水處理(如果使用中溫應(yīng)變片和中溫膠水，黏貼應(yīng)變片之后需要通過多次固化處理才能保證膠水有效，黏貼工藝復(fù)雜);③測試成本高，用外管法測試膨脹壓，鋼管及其表面黏貼的應(yīng)變片均為一次性元件，測試成本較高。

由于電測法存在上述問題，人們對新的測試方法進(jìn)行了研究。戴麗萊等［6］應(yīng)用液壓理論，設(shè)計了液壓平衡測壓儀，避免了電測法中溫度效應(yīng)對測量結(jié)果的影響，但由于平衡指針分度值低和手壓油泵存在漏油卸壓的問題，存在測試結(jié)果精度不高的缺點。王玉杰等［7］根據(jù)位移－壓力理論，通過平面內(nèi)對靜爆劑各個方向的剛性約束，測試其軸向膨脹位移，通過位移反映出其膨脹壓力，但該法測得膨脹壓要比外管法測得的數(shù)據(jù)低。對比外管法，2 種方法測得的數(shù)據(jù)之間存在一個2.5 ～4.0 的系數(shù)關(guān)系，系數(shù)變化范圍較大，導(dǎo)致測試結(jié)果離散性大、精度不高。為減小誤差、提高測試精度，本研究以液壓平衡原理為基礎(chǔ)，設(shè)計了可重復(fù)使用的鋼筒組件，利用電液伺服自動控制壓力試驗機、高精度位移傳感器和鋼筒組件組成的測試系統(tǒng)對靜爆劑膨脹壓進(jìn)行測試。

1 靜爆劑軸向膨脹壓測試系統(tǒng)

1.1 測試原理

靜爆劑與水反應(yīng)體積膨脹產(chǎn)生膨脹壓的同時，逐漸固化成具有一定強度的硬化體，試驗表明膨脹壓在這種硬化體中均勻分布，具有液體壓力的特性［8］，靜爆劑在鉆孔中對孔壁產(chǎn)生徑向膨脹壓的同時，在軸向方向也產(chǎn)生膨脹壓力。根據(jù)靜爆劑膨脹壓力各向同性的特點，采用具有一定厚度的鋼筒模擬鉆孔，通過鋼筒上下兩端的活塞，控制靜爆劑在鋼筒內(nèi)的軸向位移，利用壓力傳感器直接測出靜爆劑產(chǎn)生的軸向膨脹力，軸向膨脹力與鋼筒組件活塞面積的比值，即為靜爆劑在鋼筒組件中產(chǎn)生的軸向膨脹壓。測試原理如圖1 所示。

圖1 測試原理Fig.1 Schematic diagram of the measuring principle

1.2 測試系統(tǒng)

1.2.1 鋼筒組件

鋼筒組件由上部活塞、鋼筒和下部活塞3 部分組成。其中鋼筒的主要功能為模擬鉆孔，對靜爆劑漿體實施圓周方向的約束，要求具有足夠剛度，選擇內(nèi)徑113 mm，外徑133 mm，壁厚10 mm 的無縫鋼管制作成高150 mm 的鋼筒。參考液壓油缸的結(jié)構(gòu)，采用圓柱形實心鋼柱作為鋼筒組件的活塞，活塞直徑小于鋼筒內(nèi)直徑0.2 mm，鋼筒內(nèi)壁和活塞外表打磨光滑，以便使活塞在鋼筒內(nèi)可以保持較小的間隙并能沿軸向自由移動?；钊闹饕饔檬菍⒊涮畹戒撏仓械撵o爆劑漿體密封并實施軸向約束，同時傳輸靜爆劑的軸向膨脹壓力。為了實現(xiàn)測試完成后鋼筒組件的可重復(fù)利用，要求鋼筒組件具有方便拆卸的功能，鋼筒采用兩端開口的通孔結(jié)構(gòu)，鋼筒中的活塞分為上部活塞和下部活塞兩部分，能夠自由拆卸。

1.2.2 軸向膨脹壓測試系統(tǒng)

利用電液伺服自動控制壓力試驗機實現(xiàn)軸向膨脹壓測試功能。膨脹壓測試系統(tǒng)主要由壓力試驗機的剛性框架、壓力傳感器、壓頭、位移傳感器和鋼筒組件組成。本試驗使用壓力試驗機型號為YAG －3000型，油缸和行走機構(gòu)位于試驗機上部，采用電液伺服系統(tǒng)控制壓頭的行走，位移傳感器安裝在試驗機壓頭上方，精度為0.000 1 mm，可以精確控制試驗機壓頭的位移變化，從而達(dá)到精確控制鋼筒組件內(nèi)靜爆劑膨脹產(chǎn)生的軸向位移。下部為BK－4(100 t)壓力傳感器和球座球頭，壓力傳感器量程為0 ～1 000 kN，精度為0.1 kN，應(yīng)力測試精度可達(dá)到0.01 MPa;試驗機通過壓力傳感器、位移傳感器和控制軟件，以力或者位移的形式實現(xiàn)對壓力機的輸出控制;通過控制軟件設(shè)置數(shù)據(jù)采樣頻率，對測試過程中力和位移的變化進(jìn)行實時記錄。

在該測試系統(tǒng)中，通過安裝在壓頭上部的位移傳感器和控制軟件中自動控制頁面中的位移控制設(shè)定，通過保持試驗機壓頭位置不變來實現(xiàn)對鋼筒組件中靜爆劑軸向位移的控制。試驗測試時，隨著鋼筒組件內(nèi)部靜爆劑水化反應(yīng)的進(jìn)行，靜爆劑體積膨脹，由于受到來自鋼筒在圓周方向的約束，靜爆劑在軸向方向膨脹推動活塞向上運動，活塞上部是壓力試驗機壓頭，通過位移傳感器控制其保持位置不變，由此產(chǎn)生的反作用力作用于壓力試驗機上的壓力傳感器，通過計算機自動實時記錄軸向力大小?？蓽y得靜爆劑在鋼筒組件中產(chǎn)生的軸向膨脹力大小。

1.3 測試參數(shù)

采用石家莊功能建材有限公司生產(chǎn)的“兆華牌”HSCA－Ⅱ型靜爆劑進(jìn)行試驗。將水與靜爆劑按照質(zhì)量比=1∶ 5 拌合均勻，室內(nèi)進(jìn)行測試，環(huán)境溫度為18℃。經(jīng)試驗測得，水灰比0.20 的靜爆劑漿體在鋼筒組件中，充填密實的情況下，密度為2 330 kg/m3。測試過程中，以該密實度作為計算鋼筒組件中充填靜爆劑漿體質(zhì)量的依據(jù)。資料顯示［6］，鋼筒中靜爆劑漿體高徑比為3/8 時，可獲得較好的測試效果，測試采用的靜態(tài)破碎劑漿體高徑比取3/8。具體試驗條件見表1。

表1 靜爆劑漿體參數(shù)Table 1 Parameters of the static cracking agent paste

1.4 測試方法與步驟

(1)填裝靜爆劑。先將鋼筒組件中的下部活塞放入鋼筒中，使其位于鋼筒底部，然后將按照水灰比0.2 拌合均勻的靜爆劑漿體充填到鋼筒中，振搗密實后將上部活塞放入鋼筒，用橡皮錘敲擊上部活塞使其底面與靜爆劑緊密接觸。

(2)測試準(zhǔn)備。試驗機油缸和壓頭下方放置球形座與球頭，球頭上部放置壓力傳感器和墊板，將充填有靜爆劑漿體的鋼筒組件放在墊板上，調(diào)整球頭使鋼筒組件處于水平狀態(tài)。

(3)位移約束?？刂茐侯^下行運動，與鋼筒組件上部活塞之間留有寬度小于1.0 mm 的縫隙，將位移傳感器固定在壓頭上部并保持其垂直狀態(tài)，通過位移傳感器控制對壓頭的位置進(jìn)行微調(diào)，實現(xiàn)壓頭與活塞在無軸向載荷或者極小軸向載荷條件下的無縫接觸;固定垂向位移目標(biāo)值，使油缸和壓頭保持在當(dāng)前位置，完成對鋼筒組件中靜爆劑漿體的軸向位移約束。

(4)數(shù)據(jù)采集。在壓力試驗機控制軟件界面輸入試驗相關(guān)信息，采樣頻率設(shè)為2 min/次，設(shè)定完畢后，測試開始記錄數(shù)據(jù)。

(5)數(shù)據(jù)處理。測試完成后，將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel 格式文件，測得軸向力大小與對應(yīng)鋼筒組件活塞橫截面面積的比值，即為鋼筒組件中靜爆劑漿體水化反應(yīng)在鋼筒組件軸向方向產(chǎn)生的膨脹壓，利用Origin 繪圖軟件可繪出靜爆劑軸向膨脹壓的時經(jīng)曲線。

(6)清理試驗裝置。卸去試驗機載荷，取出上下活塞，清理鋼筒內(nèi)靜爆劑水化產(chǎn)物，實現(xiàn)鋼筒組件的重復(fù)利用。

2 測試結(jié)果分析

2.1 外管法測試膨脹壓

外管法在應(yīng)用方面雖然存在一定問題，但作為一種被理論和試驗所認(rèn)可的測試方法，一直是相關(guān)研究人員進(jìn)行靜爆劑膨脹壓測試的常用方法，我國的建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JC506—2008 無聲破碎劑》中，就規(guī)定采用外管法進(jìn)行靜爆劑的膨脹壓的測試。本研究的測試方法與外管法同步進(jìn)行測試，并進(jìn)行比較，檢驗本方法的準(zhǔn)確性。為方便區(qū)分，下文中將測試系統(tǒng)測得的膨脹壓稱為“軸向膨脹壓”，將外管法測得的膨脹壓稱為“徑向膨脹壓”。外管法測得鋼筒外壁應(yīng)變值，按照下式計算出徑向膨脹壓［9］:

式中，σr為靜爆劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓，MPa;E 為鋼筒的彈性模量，MPa;K 為鋼筒外徑與內(nèi)徑之比值;εθ為鋼筒產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)變;μ 為鋼筒的泊松比，0.3。

2.2 測試結(jié)果對比分析

稱量靜爆劑850 g，水170 g，拌合均勻后取靜爆劑漿體980 g 裝入鋼筒組件，進(jìn)行膨脹壓測試，測得結(jié)果如圖2 所示。

圖2 靜爆劑膨脹壓－時間曲線Fig.2 Expansion pressure-time curve of the static cracking agent

由圖2 可知:在65 h 的測試過程中，靜爆劑漿體在鋼筒組件中發(fā)生水化反應(yīng)體積膨脹，產(chǎn)生了穩(wěn)定增長的膨脹壓。測試前期約3 h 內(nèi)，為靜爆劑漿體的凝固硬化階段，此時尚未產(chǎn)生膨脹壓，隨后膨脹壓以較快的速率持續(xù)增長，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，約20 h 后膨脹壓增長速率逐漸降低，50 h 后膨脹壓增長速率趨于0，膨脹壓趨于穩(wěn)定值。2 種不同測試方法測得的軸向膨脹壓和徑向膨脹壓具有相同的發(fā)展趨勢，說明軸向膨脹壓測試系統(tǒng)與方法是一種可行有效的靜爆劑膨脹壓測試手段。

試驗測得軸向膨脹壓值始終小于徑向膨脹壓值，分析認(rèn)為是靜爆劑中含有的強度組分——水硬性礦物質(zhì)水化后形成水硬化體，水硬化體在徑向膨脹壓的作用下，沿鋼筒內(nèi)壁壓縮成一圈致密堅硬的固體，這部分靜爆劑水化產(chǎn)物沒有發(fā)生體積膨脹現(xiàn)象，因此鋼筒組件中僅有部分靜爆劑水化產(chǎn)物能夠在軸向方向產(chǎn)生膨脹力，而徑向膨脹壓不受其影響，由此導(dǎo)致了軸向膨脹壓始終小于徑向膨脹壓。對于2 種不同測試方法測得膨脹壓之間的差異，采用二者之間比值的方法進(jìn)行對比分析，將某一時刻軸向膨脹壓與徑向膨脹壓的比值定義為“軸向輸出系數(shù)S”，公式如下:

式中，σz為軸向膨脹壓，MPa;σr為徑向膨脹壓，MPa。

采用相同試驗參數(shù)分別進(jìn)行3 次試驗，圖3 給出了3 次試驗的軸向輸出系數(shù)S 隨靜爆劑水化反應(yīng)時間的變化曲線。

圖3 軸向輸出系數(shù)－時間曲線Fig.3 Axial output coefficient-time curve

3 次試驗的軸向輸出系數(shù)具有相同的變化規(guī)律和相近的系數(shù)值，測試開始時軸向輸出系數(shù)值較小，隨著測試時間增加而增大。在測試開始28 h 后該系數(shù)趨于穩(wěn)定，這是因為在測試前期，靜爆劑漿體凝固硬化后生成的水硬化體中，靜爆劑含有的強度組分的黏結(jié)作用對軸向膨脹具有一定約束。隨著反應(yīng)進(jìn)行，這種黏結(jié)作用不能約束膨脹時，靜爆劑漿體失去軸向方向的栓塞效果，軸向膨脹壓迅速增大，軸向輸出系數(shù)也隨之快速增大，并趨于穩(wěn)定。

3 次試驗中穩(wěn)定后的軸向輸出系數(shù)變化范圍為0.626 ～0.660，波動較小，說明采用軸向膨脹壓測試系統(tǒng)及方法可以測得較為穩(wěn)定的靜爆劑膨脹壓，該測試系統(tǒng)及方法具有較高的可靠性。建議采用下式確定靜爆劑膨脹壓:

式中，σ 為靜爆劑膨脹壓，MPa。

3 結(jié) 論

(1)與外管法相比，利用自行設(shè)計的鋼筒組件和軸向膨脹壓測試系統(tǒng)，可準(zhǔn)確地測得靜爆劑與水反應(yīng)產(chǎn)生的軸向膨脹壓，并有效避免了外管法中熱輸出對測試結(jié)果的影響。

(2)采用該測試系統(tǒng)及方法，無需黏貼應(yīng)變片，操作步驟簡單，提高了測試效率;避免了外管法對應(yīng)變片和黏貼劑的特殊要求，測試可靠性更高;鋼筒組件可重復(fù)使用，降低了測試成本。

(3)電液伺服壓力試驗機和位移傳感器在測試中的使用，有效提高了測試精度，能更加精確地反映靜爆劑產(chǎn)生的膨脹壓。

(4)采用該測試系統(tǒng)及方法，測試時間不小于28 h，孔徑D =113 mm 時，靜爆劑水化過程中產(chǎn)生的膨脹壓表達(dá)式為σ = σz/S。

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